Túneles en suelos. (84.07) Mecánica de Suelos y Geología Alejo O. Sfriso: Jorge G. Laiún:

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1 (84.07) Mecánica de Suelos y Geología Alejo O. Sfriso: asfriso@fi.uba.ar Jorge G. Laiún: jlaiun@srk.com.ar

2 Índice Introducción conceptual Definición de túnel Elementos de un túnel Principio de funcionamiento El efecto frente Procedimientos constructivos Métodos de diseño 2

3 Definición de túnel Túnel: Paso subterráneo abierto artificialmente para establecer una comunicación a través de un monte, por debajo de un río u otro obstáculo (Diccionario de la lengua española, Real academia española) En lo que sigue se analizarán túneles ejecutados mediante excavación subterránea, en suelos y rocas 3

4 Elementos de un túnel Los elementos de un túnel son Bóveda Hastiales Solera Puede construirse en una o dos etapas Sostenimiento primario Revestimiento definitivo 4

5 Principio de funcionamiento de un túnel Un túnel es un orificio practicado en un sólido tridimensional: el terreno Si este sólido el terreno es muy competente, no se requiere un refuerzo de borde Si el sólido el terreno es menos competente, se requiere un refuerzo de borde que es el sostenimiento El terreno se sostiene a sí mismo con la colaboración del sostenimiento, diseñado para aportar el refuerzo que el terreno necesita 5

6 Principio de funcionamiento de un túnel Diseñar es elegir una forma estructural que ayude al terreno a sostenerse a sí mismo 6

7 Principio de NO funcionamiento de un túnel 7

8 El efecto frente 2D 3D 8

9 El efecto frente 2D 3D Caída de bloques Extrusión plástica Falla desde la superficie 9

10 Elementos que se instalan en el frente (si es necesario) 10

11 Índice Introducción conceptual Procedimientos constructivos El túnel Old Mainz Métodos Alemán, Belga, de frente completo, side drift Túneles NATM en rocas Escudos y tuneleras Métodos de diseño 11

12 Procedimientos constructivos: Tenemos muchas opciones? Nuevo túnel paralelo al Old Mainz tunnel (1884) Viejo túnel: Método Alemán: Asentamiento >10 cm Nuevo túnel: NATM: Asentamiento <1.5 cm Shotcrete, pernos, inyecciones, paraguas, side drift 12

13 Procedimientos constructivos: Tenemos muchas opciones? 13

14 Descripción de métodos constructivos Suelos Método alemán Método belga Side drift Método de frente completo Rocas Drill & Blast Rozadoras Tuneleras 14

15 Método alemán 1. Hastiales con hormigón moldeado 2. Bóveda primaria con hormigón proyectado 3. Bóveda secundaria con hormigón moldeado 4. Solera con hormigón moldeado 15

16 Método alemán 16

17 Método alemán 17

18 Método alemán 18

19 Influencia del método constructivo sobre el diseño 19 Axial forces Extreme axial force kn/m

20 Influencia del método constructivo sobre el diseño Axial forces Extreme axial force kn/m

21 Método belga 1. Bóveda primaria con hormigón proyectado 2. Bóveda secundaria moldeada 3. Hastiales moldeados por troneras 4. Solera moldeada 21

22 Método belga 22

23 Método belga 23

24 Método belga 24

25 Método belga 25

26 Método belga 26

27 Método belga 27

28 Método belga 28

29 Método belga 29

30 Método de frente completo 1. Bóveda y hastiales con hormigón proyectado 2. Solera con hormigón moldeado 3. Bóveda y hastiales con hormigón moldeado 30

31 Método de frente completo 31

32 Método de frente completo 32

33 Método de frente completo 33

34 Método de frente completo 34

35 Método de frente completo 35

36 Método de frente completo 36

37 Método de frente completo 37

38 Método de frente completo 38

39 Un procedimiento constructivo 39

40 Un procedimiento constructivo 40

41 Un procedimiento constructivo 41

42 Un procedimiento constructivo 42

43 Un procedimiento constructivo 43

44 Un procedimiento constructivo 44

45 Un procedimiento constructivo 45

46 Un procedimiento constructivo 46

47 Un procedimiento constructivo 47

48 Un procedimiento constructivo 48

49 Un procedimiento constructivo 49

50 Un procedimiento constructivo 50

51 Un procedimiento constructivo 51

52 Un procedimiento constructivo 52

53 Un procedimiento constructivo 53

54 Un procedimiento constructivo 54

55 Un procedimiento constructivo 55

56 Un procedimiento constructivo 56

57 Un procedimiento constructivo 57

58 Un procedimiento constructivo 58

59 La Estación Corrientes 59

60 La Estación Corrientes 60

61 La Estación Corrientes 61

62 La Estación Corrientes 62

63 La Estación Corrientes 63

64 La Estación Corrientes 64 Todas las etapas de construcción a la vez

65 La Estación Corrientes Vista desde el banco intermedio 65

66 La Estación Corrientes 66

67 Solera de Estación Correo Central Excavación profunda en suelos del Pampeano Tapón de arcilla menor a ½ B Riesgo significativo de levantamiento de fondo Lower Pampeano 67 Water bearing sands

68 Solera de Estación Correo Central, Opciones Resistir las fuerzas Drenes horizontales 68

69 Solera de Estación Correo Central, Solución elegida 69

70 70

71 71

72 Estación Correo Central 72

73 73

74 Estación Correo Central 74 (La Nación)

75 Escudos Equipos para excavación mecanizada Excavadora de uñas Rozadora Permiten secciones no circulares 75

76 Escudos 76

77 Tuneleras Máquina provista de Disco circular que rota y avanza Dispositivos para Erección de dovelas Colocación de pernos El frente queda permanentemente sostenido EPB Slurry 77

78 Funcionamiento de una tunelera EPB 78

79 Funcionamiento de una tunelera slurry 79

80 Tipos de tuneleras Hay tres tipos de tuneleras Escudo simple Empuja contra dovelas Funcionam. intermitente Cuerpo abierto (rocas) Mordazas de agarre No requiere dovelas Escudo doble Máquina frontal excava con mordazas Máquina posterior instala dovelas 80

81 Escudo doble 81

82 Pipe jacking Empleo combinado de Tunelera en el frente (excava) Gatos en el pozo de ataque (empujan premoldeados) 82

83 Pipe jacking La tunelera no tiene gatos porque recibe el empuje desde el pozo Es una técnica apta para túneles cortos, rectos y de diámetro limitado 83

84 Índice Introducción conceptual Procedimientos constructivos Métodos de diseño Métodos analíticos vs. numéricos Método de convergencia-confinamiento Método de E. Núñez Método de Barton (m. rocosos) Métodos numéricos 84

85 Métodos analíticos vs numéricos Métodos analíticos (resistencia de materiales) Hacen hipótesis sobre materiales y geometría No permiten modelar el método constructivo Llegan a una fórmula Métodos numéricos (mecánica computacional) Hacen (menos) hipótesis sobre materiales Permiten geometrías libres Permiten modelar el método constructivo Llegan a un resultado que vale únicamente para el caso estudiado 85

86 Método de convergencia - confinamiento Sección circular Macizo elastoplástico Estructura elastoplástica Tiene en cuenta El efecto del frente La rigidez relativa macizo estructura El momento de la colocación del revestimiento 86

87 Método de convergencia - confinamiento: Pasos Caracterizar el terreno Caracterizar el sostenimiento Determinar la curva característica de la excavación Determinar la curva característica del sistema de soporte Elegir cuándo colocar el soporte muy pronto: muy caro muy tarde: muy riesgoso 87

88 Curva de la excavación p s Plastico Elástico Falla d d p p min 88 d

89 Curva del revestimiento p p max Plastico Falla d p Elástico 89 d

90 Posición de equilibrio p Elástico Plastico Falla d p p eq Plastico 90 Elástico Falla d

91 Un revestimiento menos rígido p Elástico d p p eq Plastico 91 Elástico d

92 Un revestimiento más tardío p Elástico d p p eq Plastico 92 Elástico d

93 Escala de avance 93 (Carranza Torres 2005)

94 Método de E. Núñez Suelo elástico q Estado de tensiones geostático = + = Túnel circular elástico Hipótesis: La tensión horizontal es uiforme y depende sólo del desplazamiento del ecuador Suelo: γ, K 0, E s, ν s Revestimiento: E r, ν r e D H σ h 94

95 Método de E. Núñez Suelo elástico q Estado de tensiones geostático = + = Túnel circular elástico Hipótesis: La tensión horizontal es uiforme y depende sólo del desplazamiento del ecuador Suelo: γ, K 0, E s, ν s Revestimiento: E r, ν r u h σ h = 95

96 Método de E. Núñez La ovalización induce = 1 16 Un factor η tiene en cuenta la convergencia previa Por teoría de tubos elásticos q Suelo: γ, K 0, E s, ν s Revestimiento: E r, ν r = =

97 Método de E. Núñez Si se compara con resultados numéricos ( 7 casos) N dentro del 10% M sobreestimado 30% Frente completo: 5% de diferencia con Einstein-Schwarz M c KN Einstein Núñez E 38MPa E 28MPa E 18MPa

98 Método de E. Núñez Si se compara con resultados numéricos ( 7 casos) N dentro del 10% M sobreestimado 30% Las diferencias mas grandes en las cavernas 98

99 Método de E. Núñez (resumen) Calcule rigidez relativa 1 e = 16 1 Seleccione un avance = Calcule solicitaciones = lattice 1.0 m unreinforced shotcrete 15 cm no ring closure = Las diferencias mas grandes se observan en las cavernas

100 Diseño de los marcos (cerchas) 100

101 Dimensionamiento estructural 101 ESFUERZOS CARACTERISTICOS ESFUERZOS DE SERVICIO M H 3.19 KN m N H 1240 KN V H 0 KN ESFUERZOS ÚLTIMOS M U 1.6 M H N U 1.6 N H V U 1.6 V H PROPIEDADES GEOMETRICAS PROPIEDADES S/CIRSOC b o 1.00 m d 0.16 m F b o d W b o d 2 PROPIEDADES S/CIRSOC b w b o h d A 1 F S W VERIFICACIÓN A RESISTENCIA SEGUN CIRSOC 201 / 1982 CALIDAD DEL HORMIGÓN HA "H21" RESISTENCIA PROBETA CILÍNDRICA (95% Confianza) COEFICIENTE DE SEGURIDAD 2.10 EXCENTRICIDAD Y RELACION e/d e M H e e e 0.00 m 0.02 N H d d CAPACIDAD PORTANTE ADMISIBLE DE LA SECCION DE HORMIGON SIMPLE (CUADERNO ) 1 N adm r 1 2 e N H N adm 1290 KN 0.96 d N adm < 1 VERIFICACIÓN A RESISTENCIA SEGUN CIRSOC 201 / 2002 RESISTENCIA PROBETA CILÍNDRICA (90% Confianza) (CIRSOC 201 C ) s bk FACTOR DE RESISTENCIA MPa r 17.5 MPa f c s bk 5 MPa f c 26.0 MPa MOMENTO NOMINAL M n 0.85 f c S M n 85 KN m ESFUERZO NORMAL NOMINAL P n 0.60 f c A 1 P n 2246 KN TENSIONES DE TRACCIÓN N U M U MPa < A 1 W 12 f c 1.91 MPa TENSIONES DE COMPRESIÓN N U M U P n M n <

102 Interacción entre túneles 102 (Lang 1962)

103 Matriz de contingencia NORMAL PRECAU CIÓN ALERTA ASENTAMIENTOS Superficie [mm] <4.0 Clave [mm] <5.0 Corrimiento de hastiales [mm] <0.5 Superficie [mm] <7.0 Clave [mm] <9.0 Corrimiento de hastiales [mm] < 1.0 Superficie [mm] < 9.0 Clave [mm] <11.0 Corrimiento de hastiales [mm] < 2.5 CONDICIÓN GEOLOGICA E HIDROLOGICAS Arena y gravas con finos algo cohesivos. Frente estable con algunos desprendimientos. Caudal de agua en frente < 1.5 l/min. Arena y gravas con finos poco cohesivos. Frente estable con frecuentes desprendimientos. Caudal de agua en frente < 5 l/min. Poroteas, lentes de arena. poco estable. Frente inestable, desprendimientos muy frecuentes. PROCEDIMIENTO DE EJECUCIÓN Situación típica. Realizar secuencia de ejecución especificada. Avance max m. Marcos metalicos cada 1.50 m. Realizar secuencia de ejecución especificada con las siguientes restricciones: Avance max m. Marcos metalicos cada 1.00 m. Aumentar medidas de auscultacion. Ejecutar excavaciones parciales en bóveda con sello inmediato de hormigón proyectado. En caso de sobre excavación sostener con malla y puntales, proyectar mortero hasta recuperar gálibo. Si no se estabilizan los asentamientos, ejecución de revestimiento secundario a 15 m del frente de excavación. 103 IMPRE VISTO Superficie [mm] >10 Clave [mm] >11 Corrimiento de hastiales [mm] >2.5 Situación imprevista y/o variables fuera de rangos analizados. Detener producción. Ejecutar sello de hormigón proyectado en el frente.

104 Asentamientos en superficie Area de asentamiento = Ω =

105 Métodos numéricos de diseño 105

106 Estado inicial A A A B B B 106

107 Abatimiento de napa A A A B B B 107

108 Excavación hastial izquierdo A A A B B B 108

109 Hormigonado hastial izquierdo A A A B B B 109

110 Excavación hastial derecho A A A B B B 110

111 Hormigonado hastial derecho A A A B B B 111

112 Excavación de calota A A A B B B 112

113 Hormigonado calota 1 era etapa A A A B B B 113 Solicitaciones del revestimiento 1 era etapa:

114 Excavación en banco A A A B B B 114

115 Hormigón de 2 da etapa y solera A A A B B B 115 Solicitaciones del revestimiento 2 da etapa:

116 Segundo túnel A A A B B B 116

117 Restitución de napa A A A B B B 117

118 Asentamientos Uy [m] E E E E-03 Excavación de hastial Excavación de calota Superficie Excavación de banco -5.00E E-03 calc = 5.8 mm real = 5.0 mm -7.00E Paso de calculo Calota 118

119 Verificación (numérica) del procedimiento constructivo 119

120 Verificación (numérica) de la estabilidad de todas las etapas 120

121 Comparación entre proc. constructivos: Asentamientos 121

122 Comparación entre proc. constructivos: Estabilidad frente 122

123 Cruce sobre el Cloacal Caseros Desplazamientos 123 Momentos

124 Cruce sobre el Cloacal Caseros 124

125 Cruce sobre el Cloacal Caseros 125

126 Diseño sísmico 126 (Hashash 2001)

127 Interacción dinámica túnel terreno: túneles circulares 127 (Hashash 2001)

128 Interacción dinámica túnel terreno: túneles rectangulares 128 (Bobet 2005)

129 Bibliografía Básica USACE. Tunnels and shafts in rock. FHWA. Technical Manual for Design and Construction of Road Tunnels. Civil Elements. Complementaria ITA guidelines. Muir Wood. Tunnelling, Management by design. Brady, B. & Brown, E. Rock Mechanics For Underground Mining. Kluwer Acad. Press 129

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