Download clase nº 6 de túneles

Universidad de Los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Vías
Geotecnia
CLASE Nº 6 DE TÚNELES
Prof. Silvio Rojas
Mayo, 2009
TÚNELES EXCAVADOS CONVENCIONALMENTE GEOMECÁNICA SOPORTES Y REVESTIMIENTOS
Gianfranco Perri
Se trata de definir coberturas límites:
1.Cobertura
inferior
2.- Rango de
cobertura
intermedias
comportam
iento de la
sección
Las características
geomecánicas
Equilibrios
relacionados con la
proximidad de la
sección a la superficie.
comportamiento
geomecánico de la
sección, las cargas a
soportar y el soporte
requerido,
son función
esencialmente
de las
características
geomecánicas
3.Cobertura
superior,
comportam
iento de la
sección
Características
geomecánicas
El estado de tensiones y
deformaciones del medio,
antes y después de la
excavación
Más baja puede resultar la cobertura límite inferior
Medio más
competente
Más elevada puede resultar la cobertura límite superior
Más amplio resultará las coberturas intermedias
1.- Un
modelo
continuo
El macizo rocoso,
en función de la
densidad de
fracturas y de la
orientación de las
mismas (grado de
anosotropía),
puede ser definido
como:
2.- Un
modelo
discontinuo
3.- Un
modelo
continuo
equivalente
Bieniskai
Barton (1973)
Hoek y Brown(1997),
Se individualiza las características
geométricas y de resistencia de las
discontinuidades específicas,
aplicando metodologías como la de
Barton (1973)
metodología propuesta por Hoek y
Brown (1997), para estimar los
parámetros geomecánicos de
resistencia y deformación de los
macizos rocosos que puedan ser
considerados macroscópicamente
isótropicos en relación con la escala
de la aplicación específica.
La metodología de Hoek y Brown (1997), requiere el conocimiento de tres
parámetros:
1.- La resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta “σci”. Ver tabla
2.- La constante “mi” que define el carácter friccionante de la roca. Ver Tabla
3.- El Geological Strength Index “GSI” del macizo rocoso.
Los parámetros básicos de resistencia y deformación del macizo rocoso,
Hoek y Brown, proponen las siguientes fórmulas empíricas:
1.- El ángulo de fricción del macizo rocoso “φm”
2.- La cohesión del macizo rocoso “Cm”
3.- La resistencia a la compresión uniaxial del macizo rocoso”σcm”
4.- El módulo de deformación del macizo rocoso “Em”
Edició 2002 Hoek y Brown
H: Profundidad del túnel
D: Factor de
perturbación
constructiva
D = 0, para condiciones
no disturbadas
D = 1, Para voladuras
no bien controladas.
Original dice:
roca muy perturbada
Macizo rocoso
Sin embargo, Hoek y Brown [25], proponen algunas ecuaciones para estimar
la resistencia a la compresión simple de la masa rocosa, de la cohesión y del
ángulo de fricción interna del macizo rocoso, tal como se expresa a
continuación:
σ cm = σ c ⋅ 0,025 ⋅ e
0, 031GSI
c = σ c ⋅ 0,0013 ⋅ e 0,026GSI
Para chequear con las
anteriores (Propuestas
años antes que las
anteriores )
φ = 0,424 ⋅ GSI − 0,0016GSI 2 − 5 + log mi
Donde:
σcm :
Resistencia a la compresión simple de la masa rocosa
GSI :
Indice de calidad geomecánica de la masa rocosa
C,φ :
Parámetros de resistencia de Mohr-Coulomb
e :
Base del logaritmo neperiano
Chipped: astilla, desportilla
Valores de mi
A:
Cuerpos macizos, muy fracturados de arenisca. El efecto de piel
de los planos de estratificación es minimizado por el
confinamiento de la masa rocosa. En túneles superficiales o
taludes, esos planos de estratificación pueden causar
inestabilidad estructuralmente controlada.
B:
Arenisca con delgadas capas intercaladas de limolita.
C:
Arenisca y limolita en cantidades similares
D:
Limolita o pizarra limosa con capas de arenisca.
E:
Limolita blanda o pizarra arcillosa con capas de arenisca.
F:
Tectónicamente deformada, intensamente foliada/fallada,
pizarra arcillosa cortada p limolita con rompimientos y capas de
arenisca deformadas, formando casi una estructura caótica.
G:
Pizarra arcillosa o pizarra limosa, imperturbada con o sin muy
pocas capas delgadas de arenisca.
H:
Pizarra arcillosa o limosa, tectónicamente deformada,
formando una estructura caótica con paquetes de arcilla.
Capas delgadas de arenisca son transformados en
pequeños pedazos de roca.
C, D, E, G:
Puede ser más o menos foliadas, como lo ilustrado pero esto no cambia la
resistencia. Deformación tectónica, fallada y pérdida de continuidad en las
categorías F y H.
τσ
(σm/m−σσc m
− 2T )B4s σ c2
T 1===1Aσ
/.σ23c⋅ +
c .σ 3+ +


τσ
(σm/m−σσc m
− 2T )B4s σ c2
T 1===1Aσ
/.σ23c⋅ +
c .σ 3+ +


τσ
(σm/m−σσc m
− 2T )B4s σ c2
T 1===1Aσ
/.σ23c⋅ +
c .σ 3+ +


Condición de la superficie de las discontinuidades
INDICE DE RESISTENCIA GEOLOGICA
De acuerdo a la descripción de la estructura y a las condiciones de la
superficie de la masa rocosa, seleccione el recuadro adecuado del
gráfico. Estime el valor promedio de INDICE DE RESISTENCIA
GEOLOGICA (GSI) a partir de los extremos. No utilice un valor
preciso, es más realista usar un rango de valores. El criterio de Hoek
– Brown puede ser aplicado únicamente para masas rocosas en las
cuales el tamaño individual de los bloques, es pequeño (< 25%) en
comparación con el tamaño de la excavación en consideración.
Condiciones de la superficie:
1.- Muy buena: Muy rugosa, superficies frescas (no meteorizadas)
2.- Buena: Rugosa, ligeramente meteorizada, oxidadas.
3.- Regular: Lisa, moderadamente meteorizada y alterada.
4.- Pobre: Pulida, altamente meteorizada, recubrimientos compactos o
rellenos de fragmentos angulares.
5.- Muy pobre: Pulida, altamente meteorizada, con recubrimientos o
rellenos de arcilla blanda.
Estructura:
1.- ROCA INTACTA O MASIVA
Espécimen de roca intacta o masa rocosa masiva en sitio, con muy pocas
discontinuidades y extensamente espaciadas.
2.- BLOQUEADA (BLOCKY)
Masa rocosa muy bien trabada e imperturbada, consistente de bloques cúbicos
formados por tres sistemas de discontinuidades ortogonales.
3.- MUY BLOQUEADA
Masa rocosa trabada, parcialmente perturbada, con bloques angulares
multifacéticos, formados por cuatro o más sistemas de discontinuidades.
4.- BLOQUEADA / PERTURBADA
Masa rocosa plegada y/o fallada, con bloques angulares formados por la
intersección de muchos sistemas de discontinuidades.
5.- DESINTEGRADA
Masa rocosa pobremente trabada y altamente fracturada con una mezcla de trozos
de rocas angulares y redondeados.
6.- FOLIADA / LAMINADA / TECTONIZADA
Masa rocosa débil, finamente laminada o foliada y tectónicamente desplazada.
Foliación fina prevalece sobre otros sistemas de discontinuidades, resultando una
completa ausencia de bloques.
Simplificando, se puede indicar que
depende:
CLASE DE
COMPORTAMIE
NTO DE LA
EXCAVACIÓN
1.- Del estado de solicitación natural
preexistente.
Se puede asociar con la cobertura (H) de la
excavación
2.- De la resistencia geomecánica
Asociada:
Resistencia de los materiales dominantes
macro-estructura geomecánica del macizo
(fracturas, alteraciones, anisotropías y
morfologías de las superficies de las
discontinuidades).
Para ello se puede usar el RMR de
Bieniawsky, Q de Barton, RSR de Wikham,
GSI.
Se relaciona:
“Índice de competencia de la
excavación”, IC
σ cm
IC =
γ ⋅H
s.r
H debe ser la carga de roca
sobre el túnel
Estado de solicitación natural y
resistencia geomecánica
IC bajos, indica solicitaciones
naturales elevadas en relación con
la resistencia del macizo natural.
IC elevados ocurre en coberturas
moderadas donde las solicitaciones
naturales, resultan naturalmente
bajas.
La cavidad y
el frente son
estables.
Clase de
comportamiento A
Los esfuerzos en el
frente y al contorno
de la cavidad,
debido a la
redistribución de
esfuerzos
naturales,
No superan
resistencia
El factor de
seguridad
(resistencia /
solicitaciones)
(FS > 2.5)
Se mantienen en estado elástico, y son
del orden de pocos centímetro
La deformación radial libre de la cavidad
Las
deformaciones
(ε = desplaz radial / Ro,
La deformación al frente (,
ε <1%)
εo<0.5%)
La plastificación es prácticamente
inexistente (Rp/Ro = 1, Rp: Radio plastific.)
El IC es elevado IC>0.45 (solicitaciones bajas)
El GSI principal controlador de la excavación cuando las
coberturas son moderadas , es elevado GSI>60
Influencia
del agua
Clase de
comportami
ento A
En general un régimen hidrodinámico no
afecta la estabilidad del túnel
En terrenos alterables o gradientes muy
altos se puede afectar la resistencia en
planos de discontinuidades (caídas de
bloques)
Las intervenciones de estabilización son mínimas.
La cavidad y
el frente
Clase de
comportamiento
B
Estables a corto plazo.
Los esfuerzos
frente y al
contorno de la
cavidad,
debido a la
redistribución
de esfuerzos
naturales
se acercan a
la resistencia
El factor de seguridad
Frente será (FSf ≅ 2)
Cavidad (FSc ≅ 1 )
En el frente se
mantienen en el estado
elástico
Las
deformaciones
En la cavidad están estado
elasto- plástico algo diferidas
(del orden de centímetros).
La deformación al
frente (εo < 0.5%)
La deformación
radial libre de la
cavidad ( 1% < ε <
2.5 %)
La plastificación es prácticamente inexistente
(1 < Rp/Ro < 2)
El IC ( 0.3 < IC< 0.45)
El GSI principal controlador de la excavación cuando coberturas
moderadas, es alto (40 < GSI< 60)
Influencia del
agua
En régimen
hidrodinámico
,
Afecta la estabilidad del
túnel
Reduce la resistencia al
corte del terreno
Clase de
comportamiento
B
Favorece la extensión de
la plastificación
Caídas de bloques
eventualmente en el
frente y en el
contorno de la
cavidad.
Se debe desviar el agua de la zona del frente
Clase de
comportamiento
B
Las intervenciones de estabilización deben evitar el completo
desconfinamiento del macizo rocoso en el contorno de la cavidad
La
cavidad y
el frente
Clase de
comportamiento
C
Las
deformaciones
son inestables.
Los esfuerzos en
el frente y al
contorno de la
cavidad
Supera la resistencia
del medio.
Factor en el frente será
(FSf ≅1) y en la
cavidad (FSc < 1 )
En el frente aunque no se
producen derrumbes
pueden condicionar la
estabilidad del túnel.
En el frente
(0.5 < εo <
1%)
En la cavidad lejos del
frente resultan algo críticas
y en estado plástico.
Def radial libre
de la cavidad (
2.5% < ε< 5 %)
La plastificación (2 < Rp/Ro < 4)
El IC ( 0.2 < IC< 0.30)
El GSI principal controlador de la excavación cundo las coberturas son
moderadas, es reducido (30 < GSI< 50)
Favorece la extensión de la plastificación
Influencia
del agua
Clase de
comportamiento
C
Soporte
Se debe desviar el agua de la zona del
frente. Se debe prevenir la presencia
de agua y desviarla hacia el exterior
del núcleo.
Suficientemente pesado para soportar las
cargas de equilibrio
Constituido por costillas y concreto proyectado
fibroreforzado
Eventualmente puede
colocarse una armadura
en el frente mediante
elementos de vidrio
resina
Lo rigidiza suficiente
Permite un equilibrio
temporal de la cavidad a
una distancia del orden de
un radio
Luego entra a actuar el
soporte primario luego de
haberse desarrollado cierta
convergencia de la cavidad.
Clase de
comportamiento
C
La colocación de una serie de elementos de vidrio
resina periféricos extendidos en el inmediato
estrados del perímetro de la excavación, con la
acción mecánica de la armadura de
preconsolidación, forma una corona de roca
inmediatamente externa al perímetro de la
excavación, que contribuyen a limitar la extensión del
radio de plastificación y en consecuencia a limitar las
cargas finales de equilibrio sobre el soporte
seleccionado.
Son inestables
La cavidad y el
frente
Los esfuerzos que
se establecen en
el frente y al
contorno de la
cavidad,
Clase de
comportamien
to D
Superan las
características
de resistencia
del medio
en el frente será
(FSf <1)
y en la cavidad
(FSc < 1 )
Las deformaciones axiales del núcleo, presentes
bajo la forma de extrusiones o colapsos,
condicionan la estabilidad del túnel.
Las
deformaciones
Evolucionan rápidamente
Caídas del frente y el colapso de la cavidad.
La deformación al frente ( εo > 1%)
La deformación radial libre de la cavidad ( 5%
< ε< 10 %)
La plastificación Rp/Ro > 4)
Las
deformaciones
Clase de
comportamien
to D
En el frente las deformaciones son
críticas para las normales velocidades de
avance.
Las condiciones de la cavidad lejos del
frente resultan aún más críticas con una
consecuente convergencia radial muy
importante.
El IC ( 0.15 < IC< 0.20)
El GSI principal controlador de la excavación cuando las
coberturas son moderadas es bajo (20 < GSI< 40)
Influencia del
agua
En régimen hidrodinámico, se traduce en
fenómenos de arrastre de materiales.
Favorece la extensión de la plastificación
e incrementa la deformación
Se debe prevenir la presencia de agua
sobre todo en el frente, desviándola
tratando en lo posible mantenerla alejada
hacia el exterior.
No hay tiempo de actuar con intervenciones de
contención radial
Clase de
comportamien
to D
Soporte
Para contener el
desarrollo de la
plastificación en
el frente de la
excavación y en
el sentido radial
Consolidación preventiva
del núcleo con elementos
resistentes de vidrio resina
conectados al macizo
mediante inyecciones de
mezclas de cemento.
El soporte primario debe estar constituido por una
espesa capa de concreto proyectado
fibroreforzado y pesadas costillas metálicas
Colocar elementos radiales constituidos por vidrio resina,
guayas o pernos, estructuralmente equivalentes
El uso de ellos dependerá de la factibilidad práctica de su
construcción, en relación con la densidad y longitud que
resulten necesarias.
Los elementos deben estar integrados y su densidad y longitud
dependerá esencialmente del comportamiento deformacional del
macizo rocoso alrededor de la excavación.
Tratamientos especiales
Estabilización de la clave:
Se aplican cuando al efectuar el avance ésta es inestable.
1 Enfilaje o forepiling
Bulones en la parte alta
del frente inclinados unos
40º - 45º hacia adelante
Los bulones cosen
por delante del
frente las cuñas
que puedan
producirse en la
zona de clave en
avances posteriores
2 Paraguas
Se introducen antes de cada avance
Pueden construirse con bulones de diámetro 32 mm paralelos
al túnel
Pueden construirse con tubos huecos inyectados de diámetro
102 a 150mm y espesor 3 a 4 mm.
Se usa para
atravesar una
zona de roca
muy fracturada
o muy alterada
Solape entre tubos de 2 a
3 m, Cuando la zona
atravesar es amplia.
El paraguas actúa como una viga, por tanto deben
apoyarse. Por tanto deben colocarse cerchas a
medida que se avanza.
3
Paraguas o corona de Jet Grouting
Conformados por perforaciones inyectadas a
presión, lo cual consolidan el suelo en una
zona amplia que rodea el futuro perímetro del
túnel.
Son apropiados
para atravesar
zona de material
suelto (zona de
falla) o roca
descompuesta
Estabilización del frente
Si el frente es inestable, existe la posibilidad de derrumbe del frente
hacia el interior del túnel.
El tratamiento no debe ser moderado ya que se debe remover para el
avance.
1 Machón central
No se excava
todo el frente
Hastíales y clave excavados para colocar
sostenimiento
Se deja un
contrafuerte o
machón que
soporte los
empujes del frente
2 Bulonado del frente
Se cose el frente con bulonado L = 9 m
Prefible los bulones deben
ser de fibra de vidrio que
son fáciles de excavar
1 Bulón por metro
cuadrado
Proporciona buena estabilidad del frente
tanto en suelos como en rocas alteradas y
fracturadas
3 Sellado del frente
Se realiza un
sellado del frente
con gunita
Ese espesor del concreto es
de 3 a 5 cm
Evita el lavado de las juntas o arrastrar roca
suelta
Se debe drenar bien el agua del frente
4 Excavación a media sección
Es una buena medida
para estabilizar un frente
Se excava en dos
fases mínimo
Desfase mínimo entre
ambas 20 metros
Si hay más divisiones
requiere mayor
organización
Clase de
comportamiento D
Cavidad
y frente
Comportamiento inestable
Los esfuerzos en el
frente y al contorno
de la cavidad
Superan las
características de
resistencia del
medio.
En el frente será
(FSf <<1) y en la
cavidad (FSc < <1 )
Clase de
comporta
miento E
En el
frente
La inestabilidad es a corto plazo
Derrumbes inmediatos como
consecuencia de las operaciones
de avance
Convergencia libre de la cavidad
muy acentuada.
Clase de
comporta
miento E
Comportamien
to es típico
Macizos rocosos cataclasados
Zonas de falla
Cruce de fallas
fuertes gradientes
Desequilibrios tensionales elevadísimos
Es necesario la evaluación geo-estructural e hidrogeológicas.
La deformación al frente (ε o >> 1%)
Deformaciones
La deformación radial libre de la cavidad ( ε> 10 %)
La plastificación es prácticamente inexistente (Rp/Ro
>> 4)
El IC ( IC< 0.15)
El GSI principal controlador de la excavación cundo las coberturas
son moderadas es muy bajo ( GSI< 20)
El soporte primario debe ser como el indicado en la clase D, pero además
debe contemplar otras soluciones técnicas tales como: Costillas con apoyo
aumentado, tratamiento del terreno de fundación de las costillas, arco
invertido provisional, arco definitivo en avance, arcos de pre-soporte de la
excavación, etc.
Escudos de lanza penetran el suelo
aplicándoles fuerza a través de una
serie de gatos
Bajo el escudo se excava con
máquina o a mano
El avance de 2.5 a 3 m y se aplica
hormigonado
El resto de la sección se usa el
método de madrid.
Prebóveda cuyo hueco se hace con
una sierra.
El espesor de la prebóveda de 10 cm a
30 cm y longitudes de 3 a 4.5 m.
DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS Y DIMENSIONADO DEL SOPORTE
Pasos:
1.- Preselección cualitativa del
soporte
2.Elaborar
un
detallado
diseño
estructural
De acuerdo a la clase de
comportamiento
de
la
excavación.
a.- Determinación práctica de las cargas
actuantes sobre la estructura del soporte
b.-Determinación de la rigidez de los
terrenos que acogerá el soporte.
Diferenciar las secciones de excavación
de acuerdo con su rango de coberturas:
Bajas, Intermedias, Altas.
Coberturas bajas (Hi) delimita
secciones bajas de las intermedias.
las
Coberturas altas (Hs) delimita
secciones intermedias de las altas.
las
La experiencia venezolana, de túneles excavados
convencionalmente, en:
Rocas
metamórficas
foliadas
desde
descompuestas a frescas, y en rocas masivas
desde descompuestas a frescas, como también
en terrenos sedimentarios y residuales, han
permitido definir:
Hs entre 75 m a 150 m
Hi entre 10 m y 25 m.
Hi = b ⋅
75
GSI
Hs = b ⋅
GSI
15
b: Ancho o diámetro equivalente
Las expresiones indican:
Al aumentar la calidad del
macizo (GSI)
Se amplia el rango de coberturas
intermedias, donde el comportamiento
de la excavación, el soporte, están
solamente asociadas en primera
instancia al GSI.
Con la cobertura de una determinada sección del túnel, las cargas
actuantes sobre el soporte se estiman:
1.- Aplicando la metodología del sólido de cargas en caso de coberturas
moderadas, inferiores a Hs.
2.- Aplicando la metodología de las líneas características para coberturas
altas superiores a Hs.
Distribución de cargas sobre el soporte:
Para el revestimiento definitivo
Para las secciones de excavación con coberturas bajas
intermedias
y coberturas
Cargas gravitacionales verticales en bóveda
Cargas Horizontales en los hastíales
Revestimiento
definitivo
coberturas bajas (H <= Hi)
Las cargas actuantes son las
verticales y serán iguales a las cargas
gravitacionales (γ.H), y corresponde a
un sólido de altura coincidente con la
cobertura específica.
Revestimiento
definitivo
Las
cargas
horizontales son las
obtenidas
por
la
teoría
clásica
de
empujes
sobre
estructuras
de
contención de tierra y
además actuarán las
acciones sísmicas.
Para las secciones de excavación con coberturas moderadas (Hi< H <= Hs)
Las
cargas
actuantes verticales
Estimadas disminuyendo α entre 25% y 50%
(γ.Hp, Hp corregido),
Depende de las condiciones geomecánicas de la
excavación y del tiempo previsto para comenzar
a construir el revestimiento definitivo.
La reducción será mayor, si se asume
con certeza que el revestimiento
primario se haya efectivamente
cargado por el efecto del sólido de
cargas
El revestimiento definitivo, solamente
deberá recibir aquella porción de carga
no absorbida por el revestimiento
primario.
α: Coeficiente de
proporcionalidad
lineal de Terzaghi.
Función del GSI y mi
Revestimiento
definitivo
Las
cargas
horizontales
Obtenidas por la teoría clásica de
empujes
O las que se obtengan de la reacción
elástica de confinamiento ofrecida por
el terreno sobre el revestimiento
deformable
Las acciones sísmicas se aplicarán
donde solamente lo recomienden los
estudios geológicos y geotécnicos
Revestimiento
definitivo
Para las secciones
más profundas
Las cargas actuantes son radiales y
aplicadas solamente en la zona de la
bóveda
Magnitud proporcional a la extensión
del radio de plastificación
Se debe tomar en cuenta el equilibrio
alcanzado con el soporte primario
Las acciones sísmicas se aplicarán
donde lo recomienden los estudios
geológicos y geotécnicos.
Revestimient
o definitivo
Para el soporte primario
Indistintamente la
cobertura.
Se aplican cargas radiales en bóveda y
hastíales.
coberturas bajas (H <= Hi)
La carga de equilibrio sobre el
soporte primario son las cargas
gravitacionales (γ.H)
Soporte primario
Para el soporte primario
Indistintamente la
cobertura.
Se aplican cargas radiales en bóveda y
hastíales.
Coberturas moderadas (Hi< H
<= Hs)
La carga de equilibrio sobre el
soporte primario serán cargas
radiales e igual a la carga
gravitacional de un sólido de
altura Hp =α.(b+h).
Donde:
b: Ancho de la sección
Soporte primario
h: Altura de la sección.
α: Coeficiente de
proporcionalidad lineal de
Terzaghi. Función del GSI y mi
Para el soporte primario
Indistintamente la
cobertura.
Se aplican cargas radiales en bóveda y
hastíales.
Coberturas profundas ( H
>Hs)
Las cargas de equilibrio de
contraste actuantes sobre el
soporte primario, serán las
radiales que resulten de un
análisis de interacción por
líneas características
Soporte primario
mi
GSI
Selección y diseño estructural del soporte
El principal elemento de soporte es el concreto fibrorefrozado,
complementado con marcos y pernos metálicos, los cuales podrán ser
colocados en diferentes combinaciones.
La tabla, muestra diferentes combinaciones propuestas del soporte primario
para a un túnel de 10 m de ancho (b) o de diámetro equivalente, para los
diferentes comportamientos.
Para la condición geomecánica donde sistema de soporte es el (SP_a), no es
necesario integrar el soporte con marcos metálicos.
Para la condición geomecánica donde sistema de soporte es el (SP_e), es
inevitable integrar el soporte con marcos metálicos.
Para las condiciones geomecánica intermedias donde sistema de soporte es
el (SP_b, SP_c, SP_d), es posible optar por lo menos entre dos alternativas:
Los marcos metálicos para integrar el concreto proyectado y la otra basada en
cambio sobre el uso sistemático y extensivo de pernos metálicos para integrar
el concreto proyectado. DESDE EL PUNTO DE VISTA ESTRUCTURAL ES
CIERTAMENTE POSIBLE ALCANZAR EL MISMO OBJETIVO EN CUANTO
A CAPACIDAD ESTRUTURAL O CAPACIDAD DE CONTRASTE DEL
SOPORTE.
La selección depende de:
1.- Disponibilidad en obra de los elementos
2.- Disponibilidad de los equipos para la colocación de los elementos
3.- Diferencia de costos
4.- Condiciones contractuales
5.- Rendimientos
6.- Experiencia y tradición del constructor
Selección específica
del soporte, para
cada sección de
diseño
Tome en cuenta la presión que actúa sobre el
soporte
La presión dependerá de las coberturas y las
posibles condiciones geomecánicas
La presiones deben ser chequear la capacidad
de resistencia de los soportes.
Soportes preliminares para distintos rangos de coberturas, para túnel de 10
m de ancho.
A continuación se presentan resultados obtenidos de con el programa SAP
(structural análisis program), para espesores de 14 cm (P-b), 16 cm (P-c), 20
cm (P-d/e).
Los resultados fueron los siguientes:
Cuando los análisis se hacen con
presiones uniformes sobre todo el
perímetro del soporte, no se producen
tracciones en las zonas de la bóveda.
La zona más crítica para los
soportes, en cuanto a la magnitud
de las tracciones son las de los
hastíales a contacto con el
terreno.
Cuando los análisis se hacen con
presión reducida, las tracciones que se
producen en las zonas de bóveda,
resultan siempre inferiores a las
correspondientes de los hastíales.
Tracciones mayores en
los hastíales
Presiones son uniformes
Tracciones son más
elevadas sobre los
hastíales
Cuando se considera
menor rigidez para el
terreno.
La máxima tracción obtenida fue
de 9.0 kg/cm2 (0.9 MPa),
seguido con valores de 8.2, 7.3,
5.7, 3.9, 2.8 y 0.3 kg/cm2.
Las tracciones en todos los
soportes resultaron inferiores
a 1 MPa, lo cual es
compatible con las
resistencias características
equivalentes a tracción por
flexión que se pueden
alcanzar con un concreto
C24/30 y con una
dosificación mínima de fibras
metálicas de 25 kg/m3.
La tabla siguiente es obtenida a partir de todos los análisis llevados a
cabo anteriormente
Puede ser usada para un prediseño del soporte primario, de túneles con
diámetro equivalente de 10 metros.
El comportamiento de la excavación está referida al GSI para coberturas
bajas y moderadas
El comportamiento de la excavación está referido al índice de competencia
IC para coberturas elevadas
(
0.0034 ⋅ mi
σ cm
IC =
=
γ ⋅H
0.8
)
[
]
(
− 0.1⋅ mi ) GSI
⋅ σ ci ⋅ 1.029 + 0.025 ⋅ e
γ ⋅H
La tabla complementaria muestra las características geométricas y
estructurales básicas de los soportes, donde se indica la mínima resistencia
equivalente a tracción por flexión (feq) referencialmente recomendada
Filosofía adoptada en el diseño y construcción de los túneles excavados
convencionalmente:
Un túnel es una cavidad que debe ser
estabilizada a corto plazo (durante su
construcción) y a largo plazo (toda la
vida útil).
Los factores de seguridad de la cavidad y
de la obra, serán diferentes para el corto
plazo ( durante su construcción) en
comparación con el largo plazo (durante
la vida útil).
Más que factores de seguridad, deben
establecerse márgenes de seguridad o
de confiabilidad o de probabilidad de
falla de la cavidad u de la obra.
A corto plazo: Probabilidad de falla se acepta
5% por ejemplo (relativamente alta)
A largo plazo: Probabilidad de falla se acepta
0.01% por ejemplo (muy baja)
La caracterización física y geomecámica, del
macizo rocoso, debe ser expresada en términos
estadísticos mediante adecuadas distribuciones
probabilísticas que reflejen la naturaleza variable
de cada una de las propiedades.
La “Clase de comportamiento de la excavación”,
diferenciadas a través de la caracterización
geomecánica del medio (GSI) y del estado de
solicitaciones (IC), refleja:
a.- Características geomecánicas del medio
b.- Solicitaciones naturales pre-existentes
c.- Procedimientos constructivos (tipos de
soporte, instalación)
El soporte primario debe garantizar la seguridad
de los trabajadores y la estabilización de la
cavidad a corto plazo. Por tanto:
a.- Las condiciones del ambiente en el cual se
coloca este soporte, pueden ser incomodas,
hostiles y hasta peligrosas
b.- Los controles de calidad pueden ser
limitados y deficientes
c..- Su confiabilidad estructural no será a largo
plazo.
d.- Su función por tanto es limitada.
Para aumentar la seguridad, el revestimiento primario (concreto
+ costillas + pernos de costura ), deberá ser integrado con
elementos de refuerzo mecánico del macizo rocoso, tales como
pernos metálicos, resinas de vidrio, inyecciones, ect.
También se puede mejorar la calidad del macizo con elementos
de pre-soporte, tales como, arcos troncocónicos de concreto en
precorte, o de jet grouting o de micropilotes
Limitar la deformación del frente
(extrusiones), incrementando adecuadamente
su rigidez, es determinante en la estabilidad
del túnel a corto plazo y a largo plazo.
La forma de la excavación, la forma del soporte y la forma del
revestimiento, deben ser seleccionados de manera tal que
resulten:
a.- Estáticamente eficientes
b.- Constructivamente factibles
c.- Económicamente óptimas.
En principio tendrán forma de herradura o con un único arco de
círculo.
La forma de la solera, podrá ser seleccionada para cada sector
del túnel, que puede variar desde plana (calidad buena )hasta
curva con el mismo radio que el resto del perímetro (calidad
pesima).
REVESTIMIENTO DEFINITIVO
Debe garantizar el adecuado factor de seguridad o
la confiabilidad establecida para la obra.
Debe absorber las cargas que se estime le
sean aplicadas a largo plazo.
En las cargas de diseño se incluirá las
acciones sísmicas para secciones de túnel
muy superficiales o en secciones de túnel
excavadas en sectores geológicos
desfavorables, como por ejemplo brechas de
falla.
Si acero de refuerzo no es requerido, se
debe colocar acero par controlar el
agrietamiento por retracción ó sustituirlo por
una adecuada cuantía de fibras que limiten
el desarrollo de las grietas.
Si el revestimiento no es requerido por
exigencias estructurales, su función será:
a.- Facilitar la ventilación natural
b.- Garantizar la regularidad geométrica
de la sección
c.- Contribuir a la impermeabilización
d.- El espesor mínimo será de 30 cm
compatible con las exigencias
tecnológicas.
El cálculo estructural se lleva a cabo
siguiendo la común práctica de la
ingeniería estructural, apoyándose
en los análisis numérico y siguiendo
la teoría de los estados límites y las
normas ACI para estructuras de
concreto armado.
El análisis estructural, se realiza a partir de los
valores medios y desviaciones estándar de GSI,
σci y mi.
La presión actuante corresponde a una probabilidad que no
exceda el 95%
El coeficiente de reacción característico del macizo rocoso
corresponde a una probabilidad que exceda el 95%
11.- El estado límite de agotamiento se evalúa para la siguiente combinación
de cargas
U = 1.2 ⋅ PP + 1.3 ⋅ CB
donde:
PP: Peso propio
CB: Carga de Bóveda
12.- Cuando se considera la acción sísmica, la combinación es:
U = PP + CB + S
13.- Cuando no se considere la carga de sismo y la carga de roca resulte
despreciable, la combinación de las acciones será:
U = 1.2 ⋅ PP + 1.2 ⋅ DT
donde:
DT: Decremento de temperatura (s.r esfuerzo o carga por deformación de
temperatura)
14.- Para los casos de carga superficiales e intermedios, se aplican las
combinaciones que incluyen también la carga de hastíales (CH)
U = 1.2 ⋅ PP + 1.3 ⋅ CB + 1.3 ⋅ CH
U = 1.2 ⋅ PP + 1.3 ⋅ CB + 0.8 ⋅ CH
U = 0.9 ⋅ PP + 0.8 ⋅ CB + 1.3 ⋅ CH
U = PP + CB + CH + S