TEMA 5: TÚNELES Y AGUA

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1 TEMA 5: TÚNELES Y AGUA Filtración recogida por los túneles de la red de FFCC de Japón (Ishizaki, 1979)

2 Filtración recogida por los túneles de la red de FFCC de Japón (Ishizaki, 1979) Los túneles tienden a actuar como drenes del terreno Cargas sobre el revestimiento originadas por el agua (Atkinson & Mair, 1983) Hipótesis Revestimiento liso Carga hidrostática o flujo estacionario Flujo radial. Nivel piezométrico no afectado por túnel Ejemplos En ausencia de deformación En colapso σ = γ D Tγ g + σ s T ( ϕ ) ( ϕ ) s σ Tensión efectiva en ausencia de fuerzas de masa debidas al agua g = C γ + σ s Tensión debida al gradiente de agua σ = σ t g i + ( clave) + σ Presión de agua u

3 CASOS: Carga hidrostática (No hay flujo; túnel impermeable) u = γw C Fujo estacionario (túnel permeable) Fuerzas de masa: γwi = γ w En clave σ = i u = 0 A 0 γ dh dz w dh dz = C γ dz σ i = 0 σ = σ + γ C w σ t t = σ g g + γ Conclusión de este análisis simplificado: la tensión total sobre el revestimiento es independiente de las condiciones de drenaje del túnel w w C elástico Influencia de la filtración sobre el comportamiento del túnel p i Plástico

4 Influencia de la filtración sobre el comportamiento del túnel Lembo Facio & Ribacchi (1984) Condiciones estacionarias t = k k el pl = α Acoplado n = Flujo de agua - Permeabilidad α = 0 1 n k = k 0 n 0 ( C C )( 1+ ν)( σ + σ ) s 3 + C s 3 1 p p + ε ν 3 Jiménez Salas (1981) Jiménez Salas & Serrano (1984) Consolidación radial (desacoplada de problema tensional) 0 < t < Condiciones iniciales no drenadas (Skempton/Henkel) k(r) Influencia de la filtración sobre el comportamiento del túnel Lembo Facio & Ribacchi (1984) Radial Simetrías Jiménez Salas (1981) Jiménez Salas & Serrano (1984) Radial / esférica No se consideran gradientes de z (h p w ) k 0 = 1

5 Influencia de la filtración sobre el comportamiento del túnel Lembo Facio & Ribacchi (1984) Elastoplástico/reblandecimiento Mohr-Coulomb/Hoek-Brown Matriz compresible Materiales Jiménez Salas (1981) Jiménez Salas & Serrano (1984) Elastoplástico perfecto Mohr-Coulomb Matriz incompresible Influencia de la filtración sobre el comportamiento del túnel Lembo Facio & Ribacchi (1984) Suponen p wi = 0 Estudian efecto de condiciones de permeabilidad en: Curvas características Distribución de presiones Materiales Jiménez Salas (1981) Jiménez Salas & Serrano (1984) Estudian efecto de p wi y otros factores en desarrollo zona plástica

6 Análisis elastoplástico con flujo Zona elástica Equilibrio tensional + Ley σ - ε + ε -u Ecuación diferencial en corrimientos: u (σ r, σ θ ) Zona plástica Equilibrio tensional + Ley de rotura Ecuación diferencial en tensiones Relaciones ε - u + condiciones de dilatancia Ecuación diferencial en corrimientos Transición elastoplástica Continuidad de tensiones (σ r ) y corrimientos h Extensión de zona plástica h : representa el gradiente de p w en la zona plástica ( p pi) ( si k uniforme) = R R ln r i p R = R r i σ = N r 1+ senφ = 1 senφ h = 0 si k pl >> k el (BENEFICIOSO) ( kel / kpl ) p0 ln( R / ri ) + pi ln( r0 /R) ( k / k ) ln( R / r ) + ln( r /R) el f r 0 + 2c cosφ = 1senφ pl ( fr h)( Nr 1) ( σ0 + c cot gφ ) ( fr h) qs + ( N 1) σ 0 = σ i 0 p R 0 r β p 0 p 2 R ( Nr 1) senφ 0.5 1

7 Lembo Facio y Ribacchi (1984) CURVAS CARACTERÍSTICAS Lembo Facio y Ribacchi (1984)

8 CURVAS CARACTERÍSTICAS Lembo Facio y Ribacchi (1984) Lembo Facio y Ribacchi (1984)

9 Sección. Radios de la zona plástica para distintas relaciones entre las permeabilidades de las zonas plásticas (k p ) y elástica (k E ) Jiménez Salas y Serrano (1984) c=50t/m2 φ=20º Frente del túnel. Radio de la zona plastificada. Influencia del drenaje (presión de agua en la periferia del túnel, p i ) Jiménez Salas y Serrano (1984) T/m2

10 Beneficia la estabilidad El aumento de permeabilidad en la zona plástica (h 0) Dejar drenada la zona plástica (h 0) Altos valores de p w en la periferia del túnel Aumento de parámetros resistentes (inyección) Perjudica la estabilidad El aumento de gradientes de agua en la zona plástica Pequeños valores de p w en el contorno del túnel Disminución de la permeabilidad en las inmediaciones del túnel (inyección) Túnel sin drenaje-estanco Sin inyección Cierto desarrollo de zona plástica

11 Drenaje en túnel Sin inyección Más desarrollo de zona plástica Más presión a igualdad de deformación Drenaje en trasdós de inyección Inyección del macizo Túnel estanco Mínimo desarrollo de zona plástica Revestimiento poco tensionado Posible: caudales importantes

12 Drenaje en túnel Inyección del macizo La extensión de la zona plástica depende del peso relativo de la pérdida de permeabilidad y de la ganancia de resistencia del terreno. Si pequeña: Escaso empuje sobre revestimiento Caudales a evacuar pequeños Drenaje en túnel Inyección del macizo La zona plástica se extiende a la zona inyectada Fuertes tensiones sobre revestimientos (situación pésima) Caudales a evacuar relativamente pequeños

13 Inyección del macizo Túnel estanco Poco desarrollo zona plástica Túnel Long (Congo-Océano) Lepetit & Chapeau (1985) A = 40 m 2 ; L = 4.6 Km Tratamientos en el paso de una falla importante

14 Túnel Long (Congo-Océano) Lepetit & Chapeau (1985) A = 40 m 2 ; L = 4.6 Km Perfil hidrogeológico y esquema de drenaje previo a la excavación Túnel Kokubu (Tokyo). Esquema de drenaje Fujimori et al. (1985)

15 Túnel Toitskloop (Sudáfrica). Esquema de drenaje Büttner (1987) K granito descomp m/s Drenes: 3000 ml; m long. Q m 3 /hr Túnel Toitskloop (Sudáfrica). Esquema de drenaje Büttner (1987) K granito descomp m/s Drenes: 3000 ml; m long. Q m 3 /hr

16 Túnel Toitskloop (Sudáfrica). Esquema de drenaje Büttner (1987) K granito descomp m/s Drenes: 3000 ml; m long. Q m 3 /hr Tratamiento de túneles en Hong-Kong McFeath Smith & Haswell (1985)

17 Metro de Milán. Esquema de tratamiento Tornaghi & Cippo (1985) Metro de Washington. Impermeabilización Martin (1987) Premio ASCE al mejor proyecto en Ing. Civil (1987)

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20 Análisis elástico con flujo Tensiones y desplazamientos en el contorno del túnel σr = q s σ θ Con flujo (independiente de distribución de p w ) ( p ) = 2 σ 1+ ν u = E 0 q s β 0 p i C 1 2ν β = 1 s C 1 ν ( σ 0 q s ) r i C s : Compresibilidad roca matriz 6-12% Solución clásica σ θ σr = q s = 2σ0 q s 1+ ν u = E ( σ 0 q s ) r i C : Compresibilidad macizo rocoso

21 Túnel Toitskloop (Sudáfrica). Esquema de drenaje Büttner (1987) K granito descomp m/s Drenes: 3000 ml; m long. Q m 3 /hr