Construcción de túneles en roca

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1 UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA Escola Tècnica Superior d Enginyers de Camins, Canals i Ports Túnels i Mecànica de Roques Tema VIII: Construcción de túneles en roca

2 MÉTODOS DE EXCAVACIÓN Los sistemas de excavación mecánica son fundamentalmente tres: Tuneladoras (Topos) Rozadoras Martillos hidráulicos ÚTILES DE CORTE Tipos Procesos de fracturación y excavación Factores NUEVO MÉTODO AUSTRÍACO

3 Métodos de excavación y resistencia de las rocas

4 MÁQUINAS TUNELADORAS TBM TOPOS Máquinas integrales para la excavación de túneles en roca (sin grandes necesidades de soporte inicial) a sección total Tú l Löt hb S ï C t id t Túnel Lötschberg a Suïssa. Construido entre 1999 y 2007 Longitud: 34.6 km (el 4º más largo del mundo en 2011) Diámetro: 9.43 m

5 TOPOS Back-up Componentes principales: Cabeza giratoria Grippers Cilindros de empuje Back-up (transformadores, captadores de polvo, casetas de ventilación, sistema de evacuación de escombros, entre otros).

6 Tuneladora utilizada en el Túnel de Gotard (Suiza) CONTROL CABIN From here the TBM driver operates the CUTTERHEAD machine and monitors tunnelling SHIELD (partial shiel) supports BELT CONVEYOR the rock behind the cutterhead transports the excavated material to the end of the back-up system SHOTCRETE ROBOT lines the tunnel with shotcrete to stabilize it GRIPPER CYLINDERS press the GRIPPER ROOF BOLTING UNIT can be PLATES laterally moved around the machine s against the tunnel wall BUCKETS axis. Drills holes for the bolts transport the which stabilize the rock WALKING DEVICE The rear of the excavated rock DISC CUTTERS are mounted in TBM and the back-up systems res behind the the cutterhead and roll in THRUST CYLINDERS brace on the feet of the walking device. cutterhead onto a concentric cirles over the tunnel against the gripper shoes and They are lifted as tunnelling belt conveyor face. The rock is crushed by the press the rotating cutterhead progresses, and the back-up system face contact pressure against the tunnel face system follows 2010

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8 ROBBINS (EEUU)

9 CABEZA GIRATORIA Esquema tipo de la disposición de los discos de corte en una rozadora TBM

10 CABEZA GIRATORIA

11 Cangilones

12 Terminal del Aeropuerto de Málaga (2009)

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14 Túnel de Gotard, Suiza

15 Túnel de Gotard, Suiza

16 Recogida del material excavado a través de la cabeza de excavación mediante cangilones Detalle de un cortador y un cangilón de carga de una de las tuneladoras que va a construir el Túnel de Lostchberg, (Suiza). Fotografía extraída del proyecto final de carrera de Ignacio Sáenz de Santa María Gatón

17 DISCO DE CORTE

18 GRIPPERS O ZAPATAS

19 Vista de uno de los grippers de la tuneladora utilizada en la galería experimental de Tarifa Fotografía extraída del proyecto final de carrera de Ignacio Sáenz de Santa María Gatón

20 BACK-UP

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23 TUNELADORA PARA TÚNELES DE PEQUEÑO DIÁMETRO

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26 MÁQUINAS ROZADORAS

27 Componentes principales: p - Chasis y tren de rodaje -Brazo - Dispositivo de giro - Equipo eléctrico - Sistema hidráulico - Cabeza de corte - Sistema de recogida y carga.

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34 Máquinas rozadoras. as Sistemas de corte

35 Máquinas rozadoras. as Sistemas de corte

36 Máquinas rozadoras. as Sistemas de corte Punta Vástago o mango de acero

37 Utilización de la rozadora a Sistema de excavación por fases en los túneles de Bochum (Austria)

38 Utilización de la rozadora a Rozado y extracción de escombros simultáneamente (Diseño Alpine)

39 MARTILLOS HIDRÁULICOS

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42 Excavación ac mecánica ca de túneles es en roca Topos Útiles de excavación mecánica (Roxborough, 1985)

43 Proceso de fracturación de las rocas mediante discos

44 Proceso de fracturación de las rocas mediante discos

45 Proceso de fracturación de las rocas mediante discos

46 Resistencia a la tracción Aspecto clave de la roca para explicar la eficiencia del arranque y muy influida por: Discontinuidades Planos de sedimentación Esquistosidad Orientación

47 Velocidad de avance paralela a la esquistosidad Velocidad d de avance perpendicular a la esquistosidad v

48 Factores que controlan el rendimiento de las máquinas tuneladoras I Macizo rocoso Resistencia (q u ) Muy importante: Roca dura : v Roca blanda : 3v Controla diseño de la cabeza Empuje cortadores Espaciamiento cortadores Composición química Contenido en cuarzo (sílice) - desgaste de cortadores A q u = cte. Bajo contenido en S i O 2 : Cambio de discos a ritmo r Alto contenido en S i O 2 : Cambio de discos a ritmo 10r Alterabilidad d (incompatibilidad ibilid d de TBM con hormigón proyectado próximo al frente) Máquinas polivalentes

49 Factores que controlan el rendimiento de las máquinas tuneladoras II Discontinuidades Muy importante La fisuración densa incrementa la velocidad de avance Si fracturación excesiva soporte adicional (máquinas mixtas: escudo/tbm) Agua Casi siempre perjudicial Dificultades en extracción y transporte de material excavado Daño a instalaciones eléctricas Recubrimiento Irrelevante en si mismo. Depende de propiedades de la roca (plastificación)

50 Diseño de la cabeza-cortadores Fuerza por cortador Se necesita umbral mínimo (fractura a tracción) La penetración se incrementa con la fuerza por cortador Separación entre cortadores A menor separación, más eficacia (pero se incrementa coste, energía) Afilado Decrece con el desafilado (discos de filo constante en rocas duras) Revoluciones Penetración crece con RPM (pero desgaste aumenta) Aproximadamente: 32 a 38 RPM D : Diámetro D en m

51 Estimación del avance en roca dura (propuesta p del NGI) Avance = F (Índice de perforabilidad, empuje y diámetro cortador, fisuración de la roca) Índice de perforabilidad (DRI = Drilling Rate Index). Se determina en Laboratorio DRI = f (Ensayo caída, ensayo de perforación en miniatura) S 20 (fragilidad) SJ (tenacidad superficial)

52 Ensayo de caída (drop test) S 20 : % que pasa por # 11.2 mm tras 20 impactos (media de 3-4 ensayos) Mouinkel & Johannssen (1986)

53 Ensayo de perforación SJ : Profundidad del taladro (en 1/10 mm) tras 200 revoluciones de la barrena bajo w = 20 kg (media de 4-8 ensayos) Mouinkel & Johannssen (1986)

54 DRI : f (S 20, SJ) Determinación del DRI Mouinkel & Johannssen, (1986)

55 Correlación entre el DRI y la resistencia a compresión de la roca Mouinkel & Johannssen, (1986)

56 Correlación entre el DRI y la resistencia a compresión de la roca Mouinkel & Johannssen, (1986)

57 Cálculo de la penetraciónet P T P N k D k S P T : Penetración total T P N : Penetración neta (DRI, empuje por cortador) k D : Corrección por diámetro de cortador k S : Corrección por fracturación de la roca

58 Determinación de la penetración et neta (PN) PN : (y k D ) Mouinkel & Johannssen, (1986)

59 k s para rocas pertenecientes a la clase SP (Joint Class) Incluye juntas continuas que pueden observarse alrededor d de todo el perfil del túnel. Pueden ser abiertas (ej. Juntas de estratificación en gra- nito), estar cubiertas con arcilla o minerales blandos/resbaladizos (ej. Calcita, clorita o minerales similares)

60 k s para rocas pertenecientes a la clase ST (Fissure Class) Incluye juntas discontinuas (sólo pueden observarse parcialmente alrededor del perfil del túnel) Juntas rellenas con poca resistencia al corte y fisuras en el plano de estratificación ( partings ) (p )(ej. en esquistos y gneiss de mica)

61 k s para rocas pertenecientes a la clase 0 (Non-fractured rock mass) Roca maciza sin juntas o fisuras. Puede observarse en diques de intrusión, batolitos, etc. Juntas rellenas con alta resistencia al corte (ej. juntas rellenas de minerales hidrotermales como el cuarzo, epidota, etc. podrían incluirse en la Clase 0) k s = 1

62 Abrasividad Controla la duración de cortadores e indirectamente la velocidad de avance. Medida de la abrasividad: CLI (Cutter Life Index) CLI = F (AVS, SJ) = (SJ/AVS) Abrasion value steel LABORATORIO AVS: Peso perdido del cortador (acero) expresado en mg tras 20 AVS: Peso perdido del cortador (acero) expresado en mg tras 20 revoluciones de la mesa giratoria del acero de un ensayo de laboratorio normalizado.

63 Ensayo de abrasión Mouinkel & Johannssen (1986)

64 Valor del (CLI) para a diversas rocas Mouinkel & Johannssen (1986)

65 Vida y coste de cortadores I

66 Vida y coste de cortadores II

67 Coeficiente e de utilización (CU) Se define como el cociente: CU Horas reales de trabajo de la máquina Horas efectivas de trabajo El tiempo real de la máquina varía en función de las incidencias del resto de actividades que intervienen, que son: Tiempo neto de perforación Cambio de cortadores Mantenimiento y reparaciones del TBM Mantenimiento y reparaciones del back-up Tiempo de transporte de escombros no solapable Tiempo de sostenimiento Otras causas

68 Valores del (CU) según las condiciones de trabajo (a partir de casos reales) Condiciones de trabajo Definición Valor del CU Roca, dureza media Óptimas Equipos de apoyo óptimos No sostenimiento 0.46 Buenas Normales Duras Muy duras Roca, dureza media No sostenimiento Roca dura no muy abrasiva Sostenimiento muy ligero Poca filtración de agua 6 l/seg Rocas muy durasyabrasivas Sostenimiento ligero Mediana filtración de agua < 32 l/seg Rocas extremadamente duras y abrasivas Rocas de fluencia Sostenimiento considerable Alta filtración de agua > 32 l/seg

69 Comparación de métodos de excavación I Basado en Tarkoy (1995) Característica Perforación y voladura TBM Estabilidad Forma Sobreexcavación Frente sin proteger Roca alterada por voladuras: posible caída de bloques Cualquier forma es posible Sobrexcavación inevitabe Soluciones mecánicas para la estabilización temporal de: Frente Área de trabajo Túnel detrás del área de trabajo Naturalmente estable. Ideal para: Metros Perforación en túnel piloto Conductos de agua sin recubrimiento Eliminación casi total de la sobreexcavación Sostenimiento Casi siempre necesario El sostenimiento del túnel puede verse reducido en un 90%

70 Comparación de métodos de excavación II Tarkoy (1995) Característica Perforación y voladura TBM Aumento de la necesidad de sostenimiento Aumento de la entrada de agua Aumento de la sobreexcavación Funcionamiento Voladura Sobre- excavación Soporte Equipo Muy cíclica; ambiente de trabajo peligroso y desagradable Relleno con hormigón: dificultoso Se necesitan todas las técnicas Funcionamiento continuo (no cíclico) y repetitivo, con un ambiente de trabajo más seguro y agradable que el de perforación y voladura. Frente protegido Eliminado Soluciones mecánicas disponibles para la estabilización y sostenimiento temporal del frente, área de trabajo y de manera permanente detrás de la operación de excavación Operaciones consistentes, repetitivas, menos técnicas y de fácil aprendizaje (se asignan tareas limitadas de carácter repetitivo para crear una rutina e incluso competencia entre el personal)

71 Comparación de métodos de excavación III Característica Perforación y voladura TBM Estructura de acceso Pozos verticales y galerías de captación necesarias para abrir varios headers o galerías de ataque Puede eliminar todas las estructuras de acceso temporales, especialmente si el proyecto está bien diseñado Tarkoy (1995)

72 Factores que controlan o la abrasividadas Contenido en sílice Tamaño medio de grano de mineral abrasivo Cuanto mayor tamaño: mayor abrasividad Si Ø < 20 abrasividad idad muy pequeña Cemento Tipo de roca % S 1 O 2 Arenisca silícea 98 Otras areniscas Arcosas Granito 70 Grauwacka, granodiorita Pizarra, sienita Basalto, gabro 50 (varias propuestas de ensayo de Arcilla 40 abrasividad CERCHAR, SHIMAZEK, Caliza, NGI, etc.) dolomía 2-10

73 Ábaco que proporciona el coeficiente desgaste Shimazek en función del diámetro del grano de cuarzo, del contenido de minerales abrasivos y de la resistencia a tracción de la roca ( Westfalia) Calificación del índice Schimaze Abrasividad F (kp/cm) Rozabilidad Muy buena Buena Moderada Regular Mala Muy mala

74 Relación entre potencia y resistencia de la roca (cortesía Westfalia) Resistencia a compresión simple del terreno (MPa) Potencia de la cabeza de corte (KW) Rendimiento m 3 /h (C e = 1.00) )(R i i)

75 Desgaste en picas Resistencia de la roca (kg/cm2) % de minerales abrasivos Desgastes UDS/m

76 Influencia del porcentaje de cuarzo, resistencia a compresión, tracción de la roca y coeficiente de abrasión en el consumo de picas (cortesía Kennametal) Tipo de roca % cuarzo c (MPa) t (MPa) Coeficiente de abrasión Consumo de picas Uds/m 3 Pizarra arenosa Pizarra arenosa Arenisca Arenisca tableada Arenisca Arenisca Arenisca

77 Ventajas que ofrece el empleo eo de rozadoras as I Es un sistema que admite alta mecanización Reduce sobre-excavaciones en relación con el uso de explosivos No altera prácticamente las características iniciales de la roca Reduce la cuantía del sostenimiento frente al uso del explosivos Se adapta mejor que otros sistemas a la ejecución por fases

78 Ventajas que ofrece el empleo de rozadoras II En comparación con máquinas TBM (TOPOS) presenta las siguientes ventajas: Mayor flexibilidad para adaptarse a cualquier cambio de terreno Se puede utilizar en una amplia gama de secciones, tanto en relación con su forma como con sus dimensiones Su instalación es fácil y económica El porcentaje de mano de obra especializada es pequeño En rocas de mala calidad permite un mejor acceso al frente para efectuar los trabajos de sostenimiento Permite efectuar la excavación en fases, lo que es decisivo i en terrenos de mala calidad El mayor rendimiento de avance del TBM es neutralizado por la incidencia del tiempo de los trabajos de sostenimiento

79 TÚNEL EN ARCILLAS MIOCENAS DEL BIERZO. CANAL DEL BOEZA

80 PLANO ESQUEMÁTICO DEL TRAMO EN TÚNEL

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85 Taludes Estables (E) e Inestables (I) en la depresión del Bierzo

86 Resistencia a compresión simple en función de la humedad d de la muestra

87 Resistencia a la compresión simple en función de la profundidad

88 Ensayos de corte directo sobre muestras extraídas en sondeos Profundidad : 5 m W = 20% Profundidad : 12 m W = 17%

89 Envolventes de rotura

90 Canales excavados en las laderas de arcillas terciarias

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96 Posición del túnel en relación con los sondeos perforados a lo largo de la traza

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121 NUEVO MÉTODO AUSTRIACO (NMA)

122 El Nuevo método Austriaco (NATM): (Rabcewicz & Müller y Pacher (años 60)) constitutes a method where the surrounding rock or soil formations of a tunnel are integrated into an overall ringlike support structure. Thus the supporting formations will themselves be part of this supporting structure. Austrian Society of Engineers and Architects,

123 Nuevo Método Austriaco y otros métodos relacionados caracterizados por una excavación (grande) sin estabilización del frente Resulta útil especialmente en macizos rocosos profundos y heterogéneos (se puede llegar a sostenimientos relativamente ligeros) La idea es aprovechar al máximo la capacidad resistente del terreno Se ha empleado también en macizos rocosos y suelos, con escaso recubrimiento

124 Una explicación tensional sencilla: Estado típico de tensiones en la periferia de la excavación (si no se aplica ningún sostenimiento) i t Ganancia al sostener (hormigón proyectado por ejemplo) Por dos conceptos: Más confinamiento y mejora de la resistencia de la roca

125 El NMA fue una reacción contra una situación anterior de excavación convencional de túneles donde predominaban las cerchas como elemento de sostenimiento Decompresión grande del terreno Mayor excavación necesaria Era siempre necesario un revestimiento definitivo

126 Algunas características del NMA Sostenimiento inmediato: Ver diagramas de Mohr anteriores (confinamiento inicial) Jugar con: Densidades de los elementos de sostenimiento Momento de colocación (variable tiempo) Los gradiente - t inmediatamente después de la excavación (días) + inspección visual: INDICATIVO VALIOSO Experiencia, i documentación de obras previas, etc.

127 Elementos de sostenimiento Bulones de acero Cerchas TH deslizantes (o bien cerchas HEB de más inercia) i Se rellena de hormigón proyectado Razones para su colocación de esta forma (fenómenos arco locales) Hormigón proyectado Malla de acero electro-soldada Alambre/redondo de 3-6 mm Luces de 15 x 15 cm

128 Bulones I Colocar con rapidez tan pronto como se pueda En colocación: mecanización total posible (t < 2 min) RENDIMIENTO FLEXIBLE (hasta 100 bulones/8 horas con un equipo) Sostenimiento activo Acero de armar, corrugado, alto límite elástico Ø = mm Longitud: ½ a ¼ luz El anclaje puntual no se suele emplear en NMA; no se da, en general, tensión previa. Suelen emplearse bulones inyectados, con resina o con cemento, en toda su longitud Resina cartucho batido rotación bulón/bisel fraguado 4-6 min Cemento cartucho 2-3 horas

129 Bulones II Plan de ensayos: Comprobar al menos 5 por cada 1000 bulones empleados Cargas del ensayo: 10T si 20 mm Ø 15T si 25 mm Ø Densidad: 1 bulón / 4 m 2 1 bulón / 1 m 2 Cuidar asiento placa evitar esfuerzos transversales No utilizables en terrenos blandos, fallas, etc.

130 Cerchas Ligeras: 16 kg/ml Pesadas: 58 kg/ml A veces hay otra capa adicional Usar abrazaderas Permitir deslizamiento relativo En proyecto hacer el despiece En las zonas de solape no H.P. para evitar roturas por cte (si luego se ha de revestir).

131 Hormigón proyectado Algunas fechas: 1907 Ing. Price 1940 EEUU (mortero puesto en obra mediante aire comprimido: Cement-gun o gunita) 1968 ACI: Standard for shotcreting Óptimo: 15 cm de espesor 1940 Árido máximo: 8 mm 1950 Árido máximo: 25 mm (hormigones)

132 Hormigón proyectado Mayor flexibilidad en la utilización Vía húmeda (EEUU): Buen control del agua Vía seca (Europa): Más compacidad hormigón Más rendimiento Poca pérdida rebote Único posible en terrenos con agua Mejor higiene Resistencia más uniforme Hasta 200 m de alcance (los materiales se transportan bien hasta la zona de aplicación, a excepción del hormigón) Más aditivos Máquinas robotizadas

133 Hormigón proyectado Capas: 5-10 cm Espesor total < cm Rendimiento: 3-6 m 3 /hora Hacer pruebas antes del comienzo de la obra Resistencias kg/cm 2 a 3 días kg/cm 2 a 28 días

134 Hormigón proyectado Coeficiente de rebote: Cae al suelo/queda adherido < 50% en bóvedas < 15% en hastiales Factor de colocación Volumen consumido/volumen a colocar teórico > 2.5 CONSECUENCIAS ECONÓMICAS (Depende del recorte de la excavación (tipo de roca) espesor teórico, ói etc.) Morteros con incorporación de fibras de acero (morteros con microsilica, etc.) ASCE CE finales 83 - Noruega

135 Aplicación Establecer un CUADRO GENERAL DE EXCAVACIÓN SOSTENIMIENTO como síntesis del reconocimiento (ver diapositiva siguiente) Tiempos de ejecución Lista de operaciones: Marcar Conseguir proceso Perforar RUTINARIO y sistematizar Cargar Voladura y ventilación Sanear Sellar Desescombro o Cercha con bulones Mallazo Perforar bulones Hormigón proyectado Averías

136 Túnel dividido entramos por calidades geotécnicas Ejemplo: Tramo I II III IV Cerchas Th28 cada 1m No No Th28 cada 1m Bulón L=6m cada 1m2 L=6m cada 4m2 L=6m cada 4m2 L=6m cada 1m2 HP Dos capas Una capa Dos capas Una capa de 10 cm de 10 cm de 10 cm de 10 cm

137 A comprobar sistemáticamente: Convergencias Observación visual Bulones a tracción Resistencias HP a 24 h Células de presión (radial y tangencial) Medidas extensométricas (deformación) Equipos entrenados CLASE Bieniawski m/día MANDAN: RENDIMI ENTO Desescombro y perforación Sostenimiento y excav. desescombro Excav. con rozadoras pesadas y rendim. bulonadoras Condiciones hidrológicas

138 RAZONES para algunos fracasos del NMA (Müller, 1978) 1. No controlar la longitud del avance ( pase ) Túnel en Austria. Roca alterable. El gráfico muestra la influencia de la longitud del avance en las deformaciones horizontales medidas

139 2. Esperar demasiado a cerrar la sección (1) Massenberg Tunnel en Austria. El avance en calota es largo y está sostenido con HP. El contraste de rigidez con la sección completa cerrada provoca roturas y flexiones. Especialmente grave si el arco de H.P. de sostenimiento de la calota transmite tensiones en su base que no puede resistir la roca subyacente: hundimiento de todo el revestimiento sin cambios importantes de convergencia

140 2. Esperar demasiado a cerrar la sección (2) Tres ejemplos de túneles en rocas blandas que muestran la influencia que tiene el tiempo transcurrido hasta el cierre de la sección en los movimientos i verticales de la clave. Unas pocas horas o escasos días pueden suponer un incremento de los asientos en el 200% o más

141 3. Ausencia de cierre de la sección (contrabóveda) Túnel de metro en Alemania, excavado en margas. En la parte inferior del perfil geológico existía un banco de areniscas sólidas. Se juzgó que no era necesaria una contrabóveda de hormigón. Pero en una zona las juntas de la arenisca eran paralelas al túnel y buzaban como se indica. La excavación de la calota se hizo en pequeños avances. El mismo proceso debía haberse seguido cuando se excavó la contrabóveda. Sin embargo, se excavó de golpe una longitud de 15 m. Se produjo una rotura a lo largo de los planos de estratificación y el H.P. las cerchas y los anclajes colapsaron hacia el túnel

142 4. Degradación de la roca debido a grandes deformaciones A la derecha la forma tradicional de galerías mineras en la cuenca del Ruhr con recubrimientos de hasta 1000m. Es frecuente la deformación de la solera (hasta 30 cm de excavación cada año para mantener la forma). Se intentó corregir con mediante H.P. y bulones pero sin éxito. Solamente una sección circular sostenida con 25cm de H.P., cerchas pesadas y pocos bulones y un cierre inmediato de la sección a menos de un diámetro de distancia al frente de avance conseguían resolver el problema

143 Una crítica conceptual al NMA (Kovari, 1994) La acción de auto-soporte del terreno es una ley universal y no algo propio del NMA La idea fundamental: La tarea más importante en la excavación moderna de túneles es la de preservar y desarrollar dentro de lo posible las propiedades de soporte de la masa de roca (Rabcewicz, 1962), ya era un hecho muy conocido El NMA habla de un terreno anular de protección alrededor de la excavación de vaga definición y menos aún de ser calculable

144 El solapamiento de terrenos anulares en torno a procesos constructivos por fases (galerías múltiples) se considera perjudicial para la masa de roca de acuerdo con la filosofía del NMA (Müller, 1978). Por ello el NMA tiende a recomendar la excavación a frente completo, como uno de sus principios. La experiencia indica el riesgo de excavar a sección completa en roca de baja calidad.

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