REVISIÓN Y NUEVAS APLICACIONES DEL ÍNDICE ROCK MASS EXCAVABILITY (RME)

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1 REVISIÓN Y NUEVAS APLICACIONES DEL ÍNDICE ROCK MASS EXCAVABILITY (RME) NEW REFINEMENTS AND APPLICATIONS OF THE RME INDEX Prof. Richard Z. Bieniawski von Preinl Bieniawski Design Enterprises, USA Prof. Benjamín Celada Tamames Geocontrol, S.A, España Parte I. Prof. Bieniawski Figura 1. Velocidad de avance en tres túneles construidos con tuneladora en función del Q TBM (Sapigni et al, 2002). 1

2 Figura 2. Avances medios de una tuneladora abierta y un doble escudo obtenidos en la construcción del TÚNEL DE EVINOS (Grandori, 1995). Figura 3. Representación de la velocidad de penetración en función del RMR. 2

3 RMR Figura 4. Velocidades medias de avance (ARA) en función de RMR previstas y obtenidas en el Túnel de SALIDA del Complejo GIBE II Si RME 75 ARA (m/día) = 0,213 * RME R 2 = 0,66 Si RME > 75 ARA (m/día) = 0,56 * RME - 26 R 2 = 0,77 ARA (m/día ) RME Figura 5. Correlación entre ARA (m/día) y RME 06 3

4 Figura 6. Formulario para obtener datos sobre los tramos de túnel construidos con tuneladora Figura 7. Determinación del D.R.I. en función de S 20 y SJ 4

5 Figura 8. Ensayo para determinar la fragilidad del terreno Figura 9. Ensayo para determinar del índice de perforabilidad 5

6 Figura 10. Tiempo de autoestabilidad en función del RMR y de la máxima distancia sin sostenimiento. Figura 11. Relación entre el RMR para la excavación con explosivos y para la utilización de tuneladoras. (Alber, 1993). 6

7 Puntos 18 Resistencia a Compresión uniaxial para la roca intacta, σ ci (MPa). Figura 12. Curva para la valoración de σ ci (MPa). Puntos Perforabilidad (DRI) Figura 13. Curva para la valoración del DRI 7

8 Puntos Nº juntas por metro en el frente Figura 14. Curva para valorar las juntas en el frente. Puntos Entrada de agua en el frente (litros/s) Puntos Figura 15. Curvas para valorar el caudal de agua en el frente y el tiempo de autoestabilidad Tiempo de autoestabilidad (Horas) 8

9 Resistencia a Compresión uniaxial para la roca intacta [0-25 puntos] s ci (MPa) < >180 Puntuación para el valor central Perforabilidad [0 15 puntos] DRI > <40 Puntuación para el valor central Discontinuidades en el frente de excavación [0 30 puntos] Homogeneidad Nº de juntas por metro Orientación con respecto al eje del túnel Homogéneo Mixto >30 Perpendicular Oblicua Paralela Puntuación para el valor central Tiempo de autoestabilidad [0 25 puntos] Horas < >192 Puntuación para el valor central Afluencia de agua [0 5 puntos] Litros/seg. > <10 Puntuación para el valor central (**0) 5 ** Para rocas arcillosas Figura 16. Valores medios característicos de los parámetros que definen el RME 07 Resistencia a Compresión uniaxial para la roca intacta [0-25 puntos] s ci (MPa) < >180 Puntuación para el valor central Perforabilidad [0 15 puntos] DRI > <40 Puntuación para el valor central Discontinuidades en el frente de excavación [0 30 puntos] Homogeneidad Nº de juntas por metro Orientación con respecto al eje del túnel Homogéneo Mixto >30 Perpendicular Oblicua Paralela Puntuación para el valor central Tiempo de autoestabilidad [0 25 puntos] Horas 0 < >48 Puntuación para el valor central Afluencia de agua [0 5 puntos] Litros/seg. > <20 0 Puntuación para el valor central (*0) 5 * Para rocas arcillosas Figura 17. Valores medios característicos de los parámetros que definen el RME 07 (Versión utilizada en Etiopía). 9

10 Figura 18. Relación entre el ARA y el RME para el Túnel de Salida del Complejo GIBE II. Figura 19. Correlación entre el RME 07 y el ARA T para Dobles-Escudos, trabajando con el escudo telescópico, y σ ci < 45 MPa 10

11 Figura 20. Correlación entre el RME 07 para Dobles-Escudos, trabajando con el escudo telescópico, y σ ci > 45 MPa Bibliografía ADIF, El Túnel de Guadarrama. Ed. Entorno Gráfico, Madrid. Alber, M Advance rates for hard rock TBMs and their effects on project economics. Tunnelling & Underground Space Technology, Vol. 15 (1), pp Barton, N TBM tunneling in jointed and faulted rock. A.A. Balkema Publishers, Rotterdam. Bieniawski, Z.T Aspectos clave en la elección del método constructivo de túneles. Proc. Jornada Técnica, Madrid, Ingeopress, No. 126, pp Bieniawski, Z.T., Celada, B., Galera, J.M. and M. Álvarez, Rock Mass Excavability (RME) index: a New Way to Selecting the Optimum Tunnel Construction Method, Proc. ITA World Tunnelling Congress, Seoul. Blindheim, O. T., A critique of QTBM. Tunnels & Tunnelling Int., June 2005, pp De la Valle, N., Barcelona s new backbone runs deep. Tunnels & Tunneling Int., March. Grandori, R., The Abdalajís Tunnel (Málaga, Spain): The new double-shield universal TBM challenge. Congess on Mechanized Tunnelling, Torino, pp Proc. Int. Kirsten, H.A.D., A classification for excavation in natural materials Civil Engr in S. Africa, July. Palmstrom, A. and Broch E Problems with QTBM. Tunnelling & Underground Space Technology. Sapigni, M. Berti, M., Bethaz, E., Bustillo, A., Cardone, G TBM performance estimation using rock mass classifications. Int. Jour. of Rock Mechanics & Mining Sciences 39, pp Weber, W., Daoud, H. and Fernández, E., Challenging TBM unneling at Abdalajís. Tunnels & Tunnelling Int. May. 11

12 REVISIÓN Y NUEVAS APLICACIONES DEL ÍNDICE ROCK MASS EXCAVABILITY (RME) Prof. Richard Z. Bieniawski von Preinl Bieniawski Design Enterprises, USA Prof. Benjamín Celada Tamames Geocontrol, S.A, España Parte II. Prof. Benjamín Celada ÍNDICE PARTE II ARA TEÓRICO y ARA REAL -Factor de EQUIPO - Factor de ADAPTACIÓN - Factor de DIÁMETRO CORRELACIONES ESPECÍFICAS - Doble-Escudo, trabajando con el escudo telescópico (DECT) - TBM Abierta - Comparación DECT TBM Abierta - Utilidad de las correlaciones establecidas CONCLUSIONES 12

13 ARA TEÓRICO y ARA REAL El RME está pensado para caracterizar la excavabilidad del terreno y no puede tener en cuenta otros factores como el tipo de tuneladora, diámetro de excavación, habilidad de loa tripulación de la tuneladora que tienen una influencia notable en los avances medios (ARA). Por ello se decidió diferenciar el ARA Teórico (ARA T ), que es el se que estima directamente a partir del RME, del ARA Real (ARA R ),queesel que se obtiene realmente en un tramo dado de túnel. La relación entre ambos está dada por: ARA R = ARA T x F E x F A x F D FACTO DE EQUIPO (F E ) A partir de los datos obtenidos en la construcción del Túnel de Guadarrama se puso de manifiesto que había diferencias notables en los rendimientos que no podían atribuirse ni al fabricante de las tuneladoras ni al terreno. 13

14 Avances acumulados obtenidos por las tuneladoras del Túnel de Guadarrama (ADIF, 2005). TUNELADORA FABRICANTE LONGITUD EXCAVADA AL AVANCE MEDIO (m/día) LONGITUD EXCAVADA EN 700 DÍAS (km) Total % Total % Total % 1 (Boca Sur O) HERRENKNECHT 13, , , (Boca Sur E) WIRTH 13, , , (Boca Norte O) WIRTH 14, , , (Boca Norte E) HERRENKNECHT 14, , ,0 122 Datos sobre las cuatro tuneladoras del Túnel de Guadarrama A partir de los datos anteriores se han adaptado para el FACTOR DE EQUIPO (F E ), los valores siguientes GRADO DE ACOPLAMIENTO EQUIPO/TUNELADORA/TERRENO FACTOR DE EQUIPO (F E ) Bastante eficiente 0,88 Eficiente 1,00 Muy eficiente 1,15 Valores del factor de equipo (F E ) 14

15 FACTOR DE ADAPTACIÓN (F A ) Con el FACTOR DE ADAPTACIÓN (F A ) se tiene en cuenta el incremento del rendimiento que se produce a medida que la tripulación de la tuneladora se familiariza con la propia tuneladora y las peculiaridades específicas del terreno a excavar. A partir de los incrementos en el avance diario que se han producido en la excavación del Túnel de Guadarrama, en los dos tubos de la Boca Norte, se han adoptado los valores que se presentan a continuación. LONGITUD DE TÚNEL EXCAVADA (km) FACTOR DE ADAPTACIÓN (F A ) 0,5 0,68 1,0 0,80 2,0 0,90 4,0 1,00 6,0 1,08 8,0 1,12 10,0 1,16 12,0 1,20 Valores del Factor de adaptación (F A ) Variación del Factor de Adaptación (F A ) en función de la distancia de túnel excavada. 15

16 FACTOR DIÁMETRO (F D ) Para una tuneladora dada, los avances medios diarios (ARA) aumentan a medida que disminuye el diámetro de excavación. Para tener en cuenta este efecto se ha definido el FACTOR DE DIÁMETRO (F D ) que se presenta en la figura siguiente y que se caracteriza por F = 1 para D = 10 m. Este coeficiente se tendrá que modificar, en cuanto se disponga de datos de la excavación del Túnel de la presa Sir Adam Beck (Canadá) que se está perforando con una TBM de 14 m de diámetro; fabricada por LOVAT. Variación del Factor de Diámetro (F D ) en función del diámetro de excavación del túnel. 16

17 CORRELACIONES ESPECÍFICAS (I) Con objeto de que el RMR tenga la máxima utilidad para los Proyectistas de Túneles, en 2006 se iniciaron los trabajos estadísticos para encontrar correlaciones específicas para los tres tipos básicos de tuneladoras para roca que existen: - TBM Abiertas. - Dobles-Escudos; trabajando con el escudo telescópico (DECT) o sin él (DEST). - TBM con un solo escudo (Escudos simples). En la actualidad se han podido establecer correlaciones entre el RME 07 yelara T para las TBM y los DECT. CORRELACIONES ESPECÍFICAS (II) Al analizar la base de datos disponible para establecer las correlaciones especificar para cada tipo de tuneladora, se observó que para un determinado valor del RME se pueden dar dos situaciones completamente distintas en lo que se refiere a la resistencia a compresión simple de la roca intacta (σ ci ). 17

18 CORRELACIONES ESPECÍFICAS (III) Para clarificar este hecho en la figura siguiente se reproduce la curva que permite valorar el parámetro σ ci. En ella se aprecia queel valor de 15 puntos se alcanza para σ ci =18 MPa y tambien para σ ci =132 MPa. Evidentemente, aunque el RME sea el mismo, el rendimiento de una tuneladora será mucho mayor si σ ci =18 MPa; que en el caso de σ ci =132 MPa. De acuerdo con lo anterior, se decidió hacer un análisis separado para las rocas de resistencia media (σ ci <45MPa) y otro para las rocas de resistencia alta (σ ci > 45 MPa) Puntos 18 Resistencia a Compresión uniaxial para la roca intacta, σ ci (MPa). Evaluación de la Resistencia a Compresión de la roca intacta (σ ci ), para calcular el RME

19 Correlación entre el RME 07 y el ARA T para los Dobles- Escudos, trabajando con el escudo telescopico (DECT) La base de datos correspondiente a tramos de túnel excavados con DECT contiene 225 tramos, con una longitud total de 20,7 km, procedentes de los túneles: Guadarrama 3; Guadarrama 4; Abdalajís Oeste; Gilgel Gibe II Inlet y Gilgel Gibe II Outlet. 55 tramos, que totalizan 4,3 km, corresponden a terrenos con σ ci < 45 MPa y 170 tramos, con una longitud acumulada de 16,4 km, a terrenos con σ ci >45MPa. I. Base de datos de tramos de túneles excavados con DECT. TÚNEL Nº de tramos Longitud acumulada (m) Proporción (%) Guadarrama ,7 34,5 Guadarrama ,8 36,1 Abdalajís Oeste ,1 8,5 GILGEL GIBE II Inlet ,5 6,5 GILGEL GIBE II Outlet ,4 14,4 TOTAL ,5 100,0 Distribución de los tramos de túneles analizados construidos con Dobles-Escudos empleando el escudo telescópico (DECT). II. Tramos excavados con DECT y σ ci < 45 MPa. TÚNEL Nº TRAMOS LONGITUD ACUMULADA (m) GUADARRAMA ,2 22,0 GUADARRAMA ,8 53,1 ABDALAJÍS OESTE ,9 14,9 GILGEL GIBE II- INLET 5 432,7 10,0 TOTAL ,6 100 Distribución de los tramos excavados con Doble-Escudo, utilizando el escudo telescópico y con σ ci < 45 MPa. % III. Tramos excavados con DECT y σ ci > 45 MPa. TÚNEL Nº TRAMOS LONGITUD ACUMULADA (m) GUADARRAMA ,5 37,8 GUADARRAMA ,0 31,6 ABDALAJÍS OESTE ,2 6,9 GILGEL GIBE II- INLET ,8 5,5 GILGEL GIBE II- OUTLET ,4 18,2 TOTAL ,9 100 Distribución de los tramos excavados con Doble-Escudo, utilizando el escudo telescópico y con σci > 45 MPa. % 19

20 Correlación entre el RME 07 y el ARA T para Dobles-Escudos, trabajando con el escudo telescópico, y σ ci < 45 MPa Correlación entre el RME 07 para Dobles-Escudos, trabajando con el escudo telescópico, y σ ci > 45 MPa 20

21 Correlación entre el RME 07 y el ARA T para las TBM abiertas En el caso de las TBM abiertas, actualmente nuestra base de datos contiene información sobre 49 tramos, que totalizan una longitud de 1,7 km. TÚNEL SAN PEDRO RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE DE LA ROCA INTACTA (MPa) Nº TRAMOS LONGITUD ACUMULADA (m) > ,7 58, ,4 41,2 TOTAL ,1 100 % Distribución de los tramos analizados del Túnel de S. Pedro. Correlación entre el RME 07 y el ARA T para TBM abiertas, y σ ci < 45 MPa 21

22 Correlación entre el RME 07 y el ARA T para TBM abiertas, y σ ci > 45 MPa Comparación entre las correlaciones para DECT y TBM abiertas para terrenos con σ ci < 45 MPa De acuerdo con las correlaciones establecidas resulta que en los terrenos con σ ci < 45 MPa es más ventajoso emplear DECT que TBM abiertas. 22

23 Comparación entre las correlaciones para DECT y TBM abiertas para terrenos con σ ci > 45 MPa De acuerdo con las correlaciones establecidas resulta que en los terrenos con σ ci > 45 MPa si se cumple 50 < RME 07 < 70, es más ventajoso emplear un DECT; si resulta que RME 07 > 70 el empleo de una TBM abierta es más ventajoso. APLICACIÓN DE LAS CORRELACIONES ESTABLECIDAS Para que sean de utilidad las correlaciones establecidas, hay que tener en cuenta dos consideraciones: I. Los tres tipos de tuneladoras de roca que actualmente se comercializan, tienen ventajas e inconvenientes al ser utilizadas en un tramo concreto de túnel. II. En la construcción de un túnel determinado no es posible cambiar el tipo de tuneladora. De acuerdo con lo anterior; la utilidad de las correlaciones encontradas radica en que permiten evaluar el tiempo de excavación de un túnel dividido en tramos homogéneos del RME, para cada tipo de tuneladora; lo cual permitirá escoger el tipo de tuneladora que proporcione el menor tiempo de excavación. 23

24 CONCLUSIONES Los trabajos a lo largo de 2006 y 2007 han permitido poner a punto una nueva versión del RME, denominada RME 07, que está estadísticamente contrastada con una base de datos más amplia que la utilizada para dfii definir el RME 06. También se han establecido unas correlaciones específicas entre el RME 07 yelara T para los DECT y TBM abiertas. Con las correlaciones establecidas es posible determinar el tiempo empleado en la excavación de un túnel utilizando DECT o TBM abiertas. Al final de 2007 se espera disponer de una correlación para los Escudos Simples y los Dobles Escudos trabajando sin el Escudo Telescópico (DEST); con lo cual se completarán las prestaciones del RME como herramienta para escoger el tipo de tuneladora más apropiado. MOLTES GRÀCIES A TOTS! 24

25 Universitat i Empresa: obrint camins La suma de dues forces complementàries per a construir un futur a llarg termini 25