CLASE Nº 6 DE TÚNELES

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1 Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Geotecnia CLASE Nº 6 DE TÚNELES Prof. Silvio Rojas Mayo, 2009

2 TÚNELES EXCAVADOS CONVENCIONALMENTE - GEOMECÁNICA SOPORTES Y REVESTIMIENTOS Gianfranco Perri Se trata de definir coberturas límites: 1.- Cobertura inferior comportam iento de la sección Las características geomecánicas Equilibrios relacionados con la proximidad de la sección a la superficie. 2.- Rango de cobertura intermedias comportamiento geomecánico de la sección, las cargas a soportar y el soporte requerido, son función esencialmente de las características geomecánicas

3 3.- Cobertura superior, comportam iento de la sección Características geomecánicas El estado de tensiones y deformaciones del medio, antes y después de la excavación

4 Medio más competente Más baja puede resultar la cobertura límite inferior Más elevada puede resultar la cobertura límite superior Más amplio resultará las coberturas intermedias El macizo rocoso, en función de la densidad de fracturas y de la orientación de las mismas (grado de anosotropía), puede ser definido como: 1.- Un modelo continuo 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.

5 La metodología de Hoek y Brown (1997), requiere el conocimiento de tres parámetros: 1.- La resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta σ ci. Ver tabla 2.- La constante m i 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 φ m 2.- La cohesión del macizo rocoso C m 3.- La resistencia a la compresión uniaxial del macizo rocoso σ cm 4.- El módulo de deformación del macizo rocoso E m

6 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

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8 Macizo rocoso

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15 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 c φ = GSI cm = σ c 0,025 e 0, 031 = σ Donde: c 0,0013 0,424 GSI e 0,026GSI 0,0016GSI 2 Para chequear con las anteriores (Propuestas años antes que las anteriores ) 5 + log m i σ cm : GSI : C,φ : e : Resistencia a la compresión simple de la masa rocosa Indice de calidad geomecánica de la masa rocosa Parámetros de resistencia de Mohr-Coulomb Base del logaritmo neperiano

16 Chipped: astilla, desportilla

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19 Valores de m i

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22 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.

23 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.

24 c c s m σ σ σ σ σ + + = ( ) B c c T A = σ σ σ τ /. + = s m m T 4 2 1/ 2

25 c c s m σ σ σ σ σ + + = ( ) B c c T A = σ σ σ τ /. + = s m m T 4 2 1/ 2

26 T τ σ = A. σ σ / σ T σ 3c + m c σ c. 2 = 1/ 2 m mσ 3+ s σ c = ( ) B Condición de la superficie de las discontinuidades

27 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.

28 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.

29 CLASE DE COMPORTAMIE NTO DE LA EXCAVACIÓN Simplificando, se puede indicar que depende: 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.

30 Índice de competencia de la excavación, IC IC s.r = γ σ cm H H debe ser la carga de roca sobre el túnel Se relaciona: 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.

31 La cavidad y el frente son estables. 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) Clase de comportamiento A (FS > 2.5) Se mantienen en estado elástico, y son del orden de pocos centímetro Las deformaciones La deformación radial libre de la cavidad (ε = desplaz radial / Ro, ε <1%) La deformación al frente (, ε o <0.5%) La plastificación es prácticamente inexistente (R p /R o = 1, R p : 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

32 Influencia del agua En general un régimen hidrodinámico no afecta la estabilidad del túnel Clase de comportami ento A 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.

33 Clase de comportamiento B La cavidad y el frente Las deformaciones Estables a corto plazo. Los esfuerzos frente y al contorno de la cavidad, debido a la redistribución de esfuerzos naturales En el frente se mantienen en el estado elástico En la cavidad están estado elasto- plástico algo diferidas (del orden de centímetros). se acercan a la resistencia El factor de seguridad Frente será (FS f 2) Cavidad (FS c 1 ) La deformación al frente (ε o < 0.5%) La deformación radial libre de la cavidad ( 1% < ε < 2.5 %) La plastificación es prácticamente inexistente (1 < R p /R o < 2) El IC ( 0.3 < IC< 0.45) El GSI principal controlador de la excavación cuando coberturas moderadas, es alto (40 < GSI< 60)

34 Clase de comportamiento B Influencia del agua En régimen hidrodinámico, Afecta la estabilidad del túnel Reduce la resistencia al corte del terreno 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

35 Clase de comportamiento B Las intervenciones de estabilización deben evitar el completo desconfinamiento del macizo rocoso en el contorno de la cavidad

36 Clase de comportamiento C La cavidad y el frente 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 ) Las deformaciones En el frente aunque no se producen derrumbes pueden condicionar la estabilidad del túnel. En la cavidad lejos del frente resultan algo críticas y en estado plástico. En el frente (0.5 < εo < 1%) 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)

37 Clase de comportamiento C Soporte Influencia del agua Favorece la extensión de la plastificación 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.

38 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.

39 Clase de comportamien to D Las deformaciones La cavidad y el frente Son inestables Los esfuerzos que se establecen en el frente y al contorno de la cavidad, Evolucionan rápidamente 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. Caídas del frente y el colapso de la cavidad. La deformación al frente ( ε o > 1%) La deformación radial libre de la cavidad ( 5% < ε< 10 %) La plastificación Rp/Ro > 4)

40 Las deformaciones En el frente las deformaciones son críticas para las normales velocidades de avance. Clase de comportamien to D 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.

41 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.

42 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

43 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 El paraguas actúa como una viga, por tanto deben apoyarse. Por tanto deben colocarse cerchas a medida que se avanza. Solape entre tubos de 2 a 3 m, Cuando la zona atravesar es amplia.

44 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

45 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 Se deja un contrafuerte o machón que soporte los empujes del frente Hastíales y clave excavados para colocar sostenimiento

46 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

47 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

48 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

49 Clase de comportamiento D

50 Cavidad y frente Comportamiento inestable Los esfuerzos en el frente y al contorno de la cavidad Superan las características de resistencia del medio. Clase de comporta miento E En el frente En el frente será (FSf <<1) y en la cavidad (FSc < <1 ) La inestabilidad es a corto plazo Derrumbes inmediatos como consecuencia de las operaciones de avance Convergencia libre de la cavidad muy acentuada.

51 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)

52 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.

53 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.

54 DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS Y DIMENSIONADO DEL SOPORTE Pasos: 1.- Preselección cualitativa del soporte De acuerdo a la clase de comportamiento de la excavación. 2.- Elaborar un detallado diseño estructural 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 las secciones bajas de las intermedias. Coberturas altas (Hs) delimita las secciones intermedias de las altas.

55 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.

56 Hi = 75 b GSI Hs GSI = b b: Ancho o diámetro equivalente 15 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.

57 Distribución de cargas sobre el soporte: Para el revestimiento definitivo Para las secciones de excavación con coberturas bajas intermedias Cargas gravitacionales verticales en bóveda Cargas Horizontales en los hastíales y coberturas Revestimiento definitivo

58 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.

59 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 α: Coeficiente de proporcionalidad lineal de Terzaghi. Función del GSI y m i Revestimiento definitivo El revestimiento definitivo, solamente deberá recibir aquella porción de carga no absorbida por el revestimiento primario.

60 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

61 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

62 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

63 Para el soporte primario Indistintamente la cobertura. Se aplican cargas radiales en bóveda y hastíales. Coberturas moderadas (Hi< H <= Hs) Soporte primario 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 h: Altura de la sección. α: Coeficiente de proporcionalidad lineal de Terzaghi. Función del GSI y m i

64 Para el soporte primario Indistintamente la cobertura. Se aplican cargas radiales en bóveda y hastíales. Coberturas profundas ( H >Hs) Soporte primario Las cargas de equilibrio de contraste actuantes sobre el soporte primario, serán las radiales que resulten de un análisis de interacción por líneas características

65 mi GSI

66 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.

67 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

68 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.

69 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.

70 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

71 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.

72 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 IC = σ γ cm H = ( ) [ ( )] mi m σ e i ci γ H GSI

73 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

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75 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)

76 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)

77 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

78 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).

79 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.

80 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.

81 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, σ ci y m i. 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%

82 11.- El estado límite de agotamiento se evalúa para la siguiente combinación de cargas U donde: = 1.2 PP CB PP: Peso propio CB: Carga de Bóveda 12.- Cuando se considera la acción sísmica, la combinación es: U = PP + CB + S

83 13.- Cuando no se considere la carga de sismo y la carga de roca resulte despreciable, la combinación de las acciones será: U donde: = 1.2 PP DT 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 CB CH U U U = 1.2 PP CB CH = 0.9 PP CB CH = PP + CB + CH + S