EXCAVACIONES EN TÚNEL. Ing. Roberto M. Flores AGOSTO DE 2008

Transcripción

1 EXCAVACIONES EN TÚNEL Ing. Roberto M. Flores AGOSTO DE 2008

2 EXCAVACIONES EN TÚNEL MODIFICACIÓN DEL CAMPO TENSIONAL alrededor de una excavación. LA INTERACCIÓN ENTRE EL SUELO Y EL REVESTIMIENTO. CLASIFICACIÓN DE MÉTODOS DE CÁLCULO. Método de las reacciones Hiper Estáticas. Métodos del sólido compuesto. Métodos empíricos globales. Método de la curva Convergencia Confinamiento. Métodos de elementos finitos tridimensionales. PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS. MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL. Método Alemán. Método Belga. Tipos de Sostenimiento. USO DE TBM (Tunnel Boring Machine)

3 LA MODIFICACIÓN DEL CAMPO TENSIONAL La ejecución de una cavidad subterránea, como casi cualquier obra de ingeniería modifica el campo tensional existente. σ r = ½ p z [(1+k) (1-a 2 / r 2 ) + (1-k) (1-4a 2 / r 2 +3a 4 / r 4 )] cos 2θ σ θ = ½ p z [(1+k) (1+ a 2 / r 2 ) - (1-k) (1 + 3 a 4 / r 4 ) cos 2θ τ rθ = ½ p z [-(1-k) (1+2a 2 /r 2-3a 4 /r 4 )] sen 2θ (s r, s q, t rq ) = f ( p z, a/r, k, q ) En los bordes de la excavación: σ r = 0 σ θ = p z τ rθ = 0 [ (1+ k) - 2 (1-k) ] cos 2θ En la clave y solera (θ = 0) σ θ = p z ( 3 k 1) En los hastiales (θ = 90º) σ θ = p z ( 3 k )

4 LA MODIFICACIÓN DEL CAMPO TENSIONAL Curvas de iguales tensiones principales (a la derecha) y trayectorias de tensiones principales en el material que rodea a una excavación circular en un campo homogéneo e isótropo con K 0 = 0,5

5 LA MODIFICACIÓN DEL CAMPO TENSIONAL Influencia de la relación de tensiones iniciales en el macizo (K = 1 a la izquierda, K = 0,5 a la derecha). En un túnel circular el mejor comportamiento se obtiene para K = 1 (menores valores de σ/p z ).

6 LA MODIFICACIÓN DEL CAMPO TENSIONAL Influencia de la forma de la excavación. Bordes vivos (no redondeados) generan concentración de tensiones.

7 LA MODIFICACIÓN DEL CAMPO TENSIONAL Influencia de la forma de la excavación. La mejor distribución de tensiones se logra con relaciones de semiejes semejantes a la relación de tensiones iniciales (K).

8 LA MODIFICACIÓN DEL CAMPO TENSIONAL Aproximadamente a 3 a del borde (siendo a el radio de la excavación) se anula el efecto de la excavación.

9 LA INTERACCIÓN ENTRE EL SUELO Y EL SOSTENIMIENTO. El cálculo del sostenimiento, sea temporario o definitivo, está fuertemente influenciado por los parámetros que vinculan la resistencia con la deformabilidad en el suelo y en el sostenimiento y también la secuencia constructiva seguida en la instalación del mismo. El análisis para una excavación circular, ubicada a gran profundidad, en un macizo de suelos donde k 0 = 1, en un material elasto plástico perfecto tiene carácter didáctico por la simplicidad de las soluciones. Cualquier apartamiento de esas hipótesis de partida se manifiesta solamente en una mayor complejidad matemática.

10 CLASIFICACIÓN DE MÉTODOS DE CÁLCULO MÉTODO DE LAS REACCIONES HIPER-ESTÁTICAS. El suelo interviene sólo como carga aplicada, Históricamente es el primer tipo aplicado. Se basan en: la división de las fuerzas que actúan en activas y pasivas. - las acciones activas se calculan con los criterios de Coulomb o con otras fórmulas empíricas pero sin estudiar el comportamiento del terreno que rodea al túnel. - a lo largo de la superficie de contacto entre el túnel y el revestimiento la deformación del terreno es proporcional al empuje pasivo.

11 CLASIFICACIÓN DE MÉTODOS DE CÁLCULO MÉTODOS DEL SÓLIDO COMPUESTO. Tienen en cuenta el comportamiento del sólido revestimiento terreno adyacente, aprovechando las posibilidades del cálculo electrónico: Ej. método de los elementos finitos. Pueden considerarse comportamientos anelásticos, anisotropía, discontinuidades. En origen no consideraba el efecto constructivo y se aplicaba la carga en un solo paso. Puede simularse el efecto constructivo.

12 CLASIFICACIÓN DE MÉTODOS DE CÁLCULO MÉTODOS EMPÍRICOS GLOBALES Son de frecuente aplicación en macizos rocosos para la definición del sostenimiento primario, efectivo durante la construcción. Dada la complejidad que se genera en medios en los cuales existen discontinuidades, anisotropía, heterogeneidades, influencia del estado tensional in situ, etc., todos asociados a una gran dispersión en los parámetros de aplicación, se desarrollaron métodos Empíricos Globales que se basan en comparar, a través de sistemas de clasificación, el comportamiento de sostenimientos en distintos macizos desarrollando leyes empíricas. Entre estos métodos se destaca el asociado a la CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Q (Tunnelling Quality Index) desarrollado por Barton del NGI (Norwegian Geotechnical Institute). Se define el índice Q como el producto de tres cocientes: Q = (RQD/Jn) (Jr/Ja) (Jw/SRF)

13 MÉTODOS EMPÍRICOS GLOBALES CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Q Q = (RQD/Jn) (Jr/Ja) (Jw/SRF) RQD (Rock Quality Design) es el porcentaje de testigos > 10 cm que se obtienen en perforaciones. Jn depende del número de familias de discontinuidades. Jr depende de la rugosidad de las discontinuidades. Ja es función de la alteración de las discontinuidades

14 MÉTODOS EMPÍRICOS GLOBALES CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Q Q = (RQD/Jn) (Jr/Ja) (Jw/SRF) Ja depende del grado de alteración de las discontinuidades. Jw se relaciona con el contenido de agua en el macizo. SRF depende del estado general del macizo en casos en relación con su estado tensional.

15 MÉTODOS EMPÍRICOS GLOBALES CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Q Q = (RQD/Jn) (Jr/Ja) (Jw/SRF)

16 MÉTODOS EMPÍRICOS GLOBALES CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO - Q = (RQD/Jn) (Jr/Ja) (Jw/SRF) En el método se define además una dimensión equivalente: D e : D / ESR Donde D es la máxima dimensión que se abre sin sostenimiento (luz del túnel o longitud de avance) y ESR un coeficiente que hace las veces de un factor de seguridad con valores distintos en función de la importancia de la obra según se describe en la Tabla.

17 MÉTODOS EMPÍRICOS GLOBALES CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Q Sobre la base de los parámetros Q y D e se obtiene la recomendación para el sostenimiento temporario. Debe notarse que valores de Q iguales obtenidos con distintas combinaciones de los parámetros de aplicación pueden resultar en el mismo tipo de sostenimiento.

18 MÉTODOS EMPÍRICOS GLOBALES Los métodos empíricos globales, nos permiten también la adopción de curvas de resistencia intrínseca para el macizo rocoso (roca intacta y discontinuidades) del tipo de la mostrada en la figura y analizar la interacción entre el macizo rocoso y el revestimiento con la teoría de un medio continuo.

19 MÉTODOS EMPÍRICOS GLOBALES Verificación Caída de Bloques N Prog m n=18 (P) n=29 (P) n=1 (P) Num total: 48 N Equal area projection, lower hemisphere Prog m Los métodos empíricos globales en general, si se dispone de datos, se complementan con verificaciones de caídas de bloques a partir del análisis estadístico de las discontinuidades presentes y la resistencia que imponen los esquemas de soporte. Equal area projection, lower hemisphere n=48 max. dens.=16.31 (at 355/ 18) min. dens.=0.00 Contours at: 0.00, 1.00, 2.00, 3.00, 4.00, 5.00, 6.00, 7.00, 8.00, 9.00, 10.00, 11.00, 12.00, 13.00, 14.00, 15.00, (Multiples of random distribution)

20 CLASIFICACIÓN DE MÉTODOS DE CÁLCULO EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA CONFINAMIENTO Evaluación del efecto del frente de la excavación mediante un modelo plano. Su fundamento conceptual puede ser complementado por resoluciones numéricas más complejas mediante el método de los elementos finitos, (se puede considerar así anisotropía, heterogeneidad, comportamiento anelástico, etc). El avance de la excavación implica una liberación de las tensiones en su borde lo que genera la necesidad de una redistribución de las mismas.

21 EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA CONFINAMIENTO La redistribución de tensiones se efectúa en un medio tridimensional. Si se considera una sección de control, el suelo ubicado en el frente de la excavación recibe la influencia de la misma antes que esta llegue a dicha sección. EL MÉTODO DE CONVERGENCIA - CONFINAMIENTO PERMITE EVALUAR, A PARTIR DE UN MODELO PLANO DE DEFORMACIONES, LO QUE OCURRE EN EL MATERIAL DEL FRENTE DE LA EXCAVACIÓN. SE BASA EN EL TRAZADO DE LA DENOMINADA CURVA CARACTERÍSTICA DEL MACIZO

22 EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA CONFINAMIENTO A medida que progresa el frente de excavación se producen deformaciones que modifican el estado tensional original (en un esquema básicamente hiperestático deformaciones y cambio de tensiones están íntimamente vinculados no puede tomarse carga sin que se produzcan deformaciones y viceversa una deformación inducida origina una modificación en el estado tensional). Las deformaciones se inician en forma previa a la llegada del frente y continúan después de su paso. Es decir: Se produce un cambio tensional en forma previa a la llegada del frente.

23 EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA CONFINAMIENTO Distintos autores han informado la curva de deformación en función de la posición del frente de excavación. Se ha coincidido que al llegar el frente a una sección ya se ha producido el 30 % de la deformación final. Como consecuencia parte de la carga que era resistida por el suelo que se excava pasa a transmitirse por el material del frente y de los laterales a la sección excavada. Si se estuviera en estado elástico (linealidad entre tensiones y deformaciones), al llegar el frente a una sección el 30 % de la carga que transmitía es derivada al frente y los laterales por lo que no llegará a un sostenimiento que se coloque a posteriori.

24 B (Sobre Bóveda) - T2 Distancia al Frente de Excavación [m] -1, ,0 EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA CONFINAMIENTO Asentamientos [mm] 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 8940,0 8874,0 8793,0 8722,0 8659,0 8614,0 8563,0 8513,0 8460,0 8412,0 En lecturas realizadas durante la construcción de distintas líneas de subterráneo en la Ciudad de Buenos Aires se llevaron a cabo mediciones del asentamiento de la clave, en todos los casos la tendencia fue similar a la mostrada anteriormente. El gráfico de arriba corresponde a la prolongación de la línea A y el de la izquierda a la prolongación de la línea D.

25 EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA CONFINAMIENTO La curva de desplazamientos en función de la posición del frente puede tener dos formas. La primera, que corresponde a un túnel estable tiende asintóticamente a un desplazamiento máximo (u ). En el caso de un túnel con necesidad de un sostenimiento primario (a ejecutar inmediatamente después de la excavación) las deformaciones no se estabilizarán. La curva punteada de la figura muestra la posición de la curva de desplazamientos a la que se llega con un sostenimiento. Como puede verse el primer tramo de ambas curvas coincide, son desplazamientos que no pueden evitarse con el sostenimiento.

26 EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA - CONFINAMIENTO El método consiste en analizar un modelo plano de deformaciones en un espacio isótropo y homogéneo. Se genera un campo de tensiones P 0 tal que K 0 = 1. Se realiza un orificio circular y se agrega una presión interior p i en el contorno del orificio. Por simplicidad matemática se hacen algunas hipótesis que si no se cumplen no invalidan el método, que en este caso debe resolverse por ejemplo por elementos finitos. El valor de p i es una presión ficticia que simula el efecto de la restricción del frente en la deformación de un túnel al ser excavado. Cuando el frente de excavación está a una distancia x de la sección de control: si x > l p i = p 0 ; u i = 0 siendo r 0 < l < 3 r 0 (Según diversos autores y condiciones) En el otro extremo, cuando la excavación pasó la sección de control una distancia x tal que: x > 2 r 0 p i = 0 ; u i = u imáx = u En situaciones intermedias del frente de excavación se tendrá un valor de u i ubicado en el rango 0 < u i < u imáx. La curva característica vincula a una presión p i en el interior de un cilindro de pared gruesa (cuando pasa desde p i = p 0 hasta p i = 0) con la deformación u i que se produce.

27 EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA - CONFINAMIENTO LA PRESIÓN p i ES ENTONCES UNA PRESIÓN FICTICIA, CALCULADA EN UN ESTADO PLANO DE DEFORMACIONES, Y REPRESENTA EL EFECTO QUE TIENE EL FRENTE DE LA EXCAVACIÓN SOBRE LAS DEFORMACIONES ANTE EL AVANCE DE LA MISMA. La denominada CURVA CARACTERÍSTICA representa la relación entre esa presión interna ficticia en un sistema plano y la deformación del borde. Si se aplica la teoría de la elasticidad para calcular los desplazamientos u ie como una función de p i, la presión inicial p 0, el radio inicial r i0 el módulo de elasticidad E y la relación de Poisson n, se tiene: u ie = r i0 [(1+n)/ E] (p 0 p i ) Ecuación válida si p i > p cr donde p cr (también denominada σ cm ) es la presión crítica que depende de la resistencia del macizo (en este caso c y φ pero puede desarrollarse también para teorías de resistencia de macizo rocoso como la de Höek y Brown): p cr = (2 p 0 s cm ) / (1 + k) Con: s cm = 2c cos f / (1 sen f) k = (1+ sen f) / (1 sen f) Si p i < p cr se produce la plastificación de una corona de suelos dentro del denominado radio de plastificación r p : r p = r 0 { [2 (p 0 (k-1) + s cm )] / [ (1+k) ( (k-1) p i + s cm )] } [1/(k-1)]

28 EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA - CONFINAMIENTO El desarrollo del radio de plastificación (r p ) es función del nivel de tensiones (σ z ó p z ) en relación con la resistencia (en este caso c y φ) del macizo y el nivel de tensión ficticia interior (σ i ó p i ). La presión de plastificación va creciendo conforme el material aumenta el grado de confinamiento.

29 EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA - CONFINAMIENTO En el caso en que la presión interna (o ficticia aplicada por el frente de excavación) se encuentre por debajo de la presión crítica σ cm (p cr ) la deformación u ip tiene una componente plástica y responde a la siguiente expresión: u ip = [r 0 (1+n)/E] [2(1-n) (p 0 -p cr ) (r p /r 0 ) 2 - (1-2n)(p 0 -p i )] La deformación en este caso depende de los parámetros elástico (E y ν) y también de los de rotura (en este caso c y φ) a través de las expresiones de r p y σ cm A medida que se van produciendo deformaciones la presión ficticia interior p i que aporta el frente de excavación disminuye. Es decir, al avanzar el frente de excavación, como es lógico, disminuye su aporte al sostenimiento de una sección de túnel. En la curva el tramo recto corresponde al período lineal en el que la presión p i es mayor que la crítica p cr. En este tramo un mayor módulo de deformabilidad E disminuye la pendiente (respecto al eje p i ). Una mayor resistencia en el macizo reduce el nivel de presiones p i para el cual se produce plastificación la que puede llegar a cero.

30 EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA - CONFINAMIENTO EL TRAZADO DE LA CURVA CARACTERÍSTICA PERMITE ESTIMAR, EN EL PUNTO DE EQUILIBRIO LA CARGA DEL SOSTENIMIENTO TENIENDO COMO VARIABLE A LA SECUENCIA CONSTRUCTIVA. Si la rigidez del sostenimiento se representa por k, la presión que puede resistir el mismo en el período elástico es: p i = k u ie /r i Por lo tanto u i = u s0 + p i r i / k Un sostenimiento colocado más tarde, con mayor avance del frente, (mayor u s0 ) tomará una carga menor. Se aprecia que el soporte toma una carga significativamente menor que la original en el macizo (p 0 ). Es de suma importancia monitorear las deformaciones durante la construcción y definir la deformación permisible al colocar el sostenimiento.

31 EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA - CONFINAMIENTO La carga de cálculo del soporte tiene fuerte dependencia con el proceso de construcción. Para presiones interiores p i > p cr la curva característica del macizo es una recta. Cuando se ingresa en la zona plastificada el método prevé la aplicación de una carga de sostenimiento mayor en la clave aumentando la carga p i en el valor p i = γ * r p, para tomar el peso del material plastificado. Una disminución en el módulo de deformabilidad del macizo aumenta la pendiente del tramo recto de la curva característica (respecto del eje p i ). La resistencia del suelo tiene influencia en el radio de plastificación y por lo tanto en el valor de p i a partir de la cual el trazado de la curva característica se hace curvo y depende de los parámetros de resistencia. La colocación del sostenimiento más lejos del frente de excavación reduce la carga sobre el mismo. La disminución de la rigidez del sostenimiento reduce la carga de cálculo.

32 EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA - CONFINAMIENTO La aplicación gradual de la carga sobre el sostenimiento al avanzar el frente de excavación se produce tanto en la clave como en los hastiales del túnel lo que implica EL MANTENIMIENTO EFECTIVO DEL CONFINAMIENTO EN EL REVESTIMIENTO. Dicho de otra forma, si bien cuando llega el frente de excavación a una sección ya se produjo un porcentaje de la deformación (del orden del 30 %) y por lo tanto de la carga que debe tomar el soporte (porcentaje aún mayor cuando se logra espacio para la instalación del mismo), el porcentaje de deformación que se libera cuando el frente sigue avanzando genera carga en la clave pero también en los hastiales, es decir, TIENDE A CONFINAR AL REVESTIMIENTO. La interacción suelo estructura en un túnel implica un proceso que tiende a una situación de compresión isotrópica (k 0 = 1). Una mayor carga en la clave significa una deformación que moviliza en mayor medida el confinamiento lateral. El efecto de modificación de parámetros de resistencia y deformabilidad por procesos reológicos (material que pasa de la condición no drenada a la drenada) puede ser tenido en cuenta como una modificación del punto de equilibrio hacia una segunda curva característica.

33 EL MÉTODO DE LA CURVA CONVERGENCIA - CONFINAMIENTO El efecto de modificación de parámetros de resistencia y deformabilidad por procesos reológicos (o material que pasa de la condición no drenada a la drenada) puede ser tenido en cuenta como una modificación del punto de equilibrio hacia una segunda curva característica trazada con parámetros de largo plazo. Tal como se aprecia en el esquema, aún en el caso de este tipo de comportamiento en el que se tiene mayor deformabilidad a largo plazo, la carga que toma el sostenimiento es menor que la original p 0. También en este caso debe resaltarse que el incremento de carga al soporte ocurre tanto en la clave como en los hastiales lo que mejora el comportamiento por el confinamiento lateral sobre el mismo.

34 MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS TRIDIMENSIONALES Son los últimamente desarrollados a nivel comercial. Son muy versátiles en cuanto permiten analizar distintas geometrías, heterogeneidades y anisotropías geotécnicas para materiales con comportamiento no lineal, simulando asimismo el efecto del método constructivo sobre el estado tensional y la carga sobre el revestiminto. A partir de la discretización del entorno del frente del túnel se puede simular la construcción por etapas y determinar acciones sobre el revestimiento, desplazamientos, tensiones en el macizo, etc.

35 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Se incluye en este tipo de excavación aquellos con equipos mecánicos pero de ataque puntual, no a sección completa. Dependiendo de la dimensión de la excavación, las características geotécnicas del macizo, el método de excavación, los elementos de sostenimiento disponibles (técnica y económicamente), etc., las excavaciones pueden sectorizarse y realizarse de forma de optimizar el ciclo de construcción en condiciones seguras y económicas. Algunas disposiciones típicas toman nombres característicos (métodos alemán, belga, austríaco, etc.)

36 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Austríaco Tomó el metodo de Método Austriaco el ejecutado en una secuencia tal en la que se ejecuta primeramente una galería de bóveda y otra inferior por la que se extrae el material seguidos por avances de bóveda en tramos cortos con apuntalamiento temporario. A esta excavación sigue la de los hastiales ejecutándose el revestimiento definitivo en secuencia inversa (de abajo hacia arriba.

37 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Nuevo Método Austríaco La mejora en las posibilidades tecnológicas (desarrollo del hormigón proyectado y mejores técnicas de perforación y sistemas de anclajes) llevó a la modificación del método realizando un procedimiento de excavación con similar secuencia pero con ejecución del sostenimiento primario y secundario totalmente con hormigón proyectado. Toma especial importancia el seguimiento de las deformaciones durante la construcción.

38 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Nuevo Método Austríaco En la bibliografía especializada se muestran ejemplos de túneles proyectados y construidos mediante esta tecnología con distintos casos de sectorización dependiendo de las condiciones geotécnicas presentes.

39 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Mediante esta técnica puede inclusive sectorizarse en condiciones geotécnicas adversas requiriendo la demolición y retiro de parte del revestimiento primario de hormigón proyectado.

40 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL En la figura se muestran algunas recomendaciones asociadas a la calidad de la roca.

41 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL En las imágenes se muestra el uso de arcos y gunita en forma conjunta. No es habitual el uso de anclajes instalados posteriormente a la colocación de la gunita, como se muestra en la fotografía inferior.

42 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Alemán En el esquema y las fotografías se muestran, como ejemplo de este sistema, los trabajos en la prolongación de la línea D de Subterráneos en la Ciudad de Buenos Aires. Se ejecutan inicialmente los hastiales con una galería de drenaje en avance. Se consideró a este método como más seguro, lo cual con sistemas de sostenimiento primario actuales (hormigón proyectado y anclajes), no resulta tan real.

43 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Alemán Se realizan, en tramos de aproximadamente 75 m, galerías de hastiales. Una vez finalizadas las tareas de excavación hacia ambos lados de un pozo de acceso se efectúa el hormigonado de los hastiales en dos etapas avanzando desde el extremo de las galerías hacia el pozo de acceso.

44 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Alemán Se realiza, en tramos de 3 m, una galería central que se apuntala con viguetas. Desde el fondo de esa galería se abre hacia los laterales colocando una cimbra de madera sobre la que se apoyan el resto de las viguetas.

45 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Alemán Se completa la excavación de la bóveda o calota en avances de 3 m. El sostenimiento consiste en viguetas premoldeadas, pretensadas apoyadas en el tramo previamente hormigonado y en una cercha de madera apuntalada.

46 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Alemán El suelo es retirado por la galería de drenaje (sobre la que ya se han colocado el filtro de geotextil una cama de piedra partida y caños de drenaje). Terminados los trabajos de excavación y apuntalamiento se corre el molde metálico y se procede al hormigonado de la sección definitiva.

47 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Alemán Finalmente se retira el banco o destroza y se procede a la ejecución de la solera de hormigón.

48 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Alemán El sistema de sostenimiento primario con viguetas hace que el colado del hormigón de calota ser deficiente (quedan oquedades sin llenar) por lo que se debe hacer un detallado trabajo de inyecciones de contacto.

49 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Belga En el esquema inferior se muestra el tradicional método Belga tal como se inició. Ejecución de la calota con sostenimiento habitual para la época y posterior ejecución de hastiales. El empleo de hormigón proyectado como sostenimiento primario permite mayor versatilidad y producción en los trabajos.

50 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Belga Las fotografías ilustran la ejecución de la línea H de Subterráneos en la Ciudad de Buenos Aires. En este caso se sigue la secuencia constructiva del método Belga excavación de bóveda con ejecución del sostenimiento primario con cerchas metálicas y hormigón proyectado. Se utiliza para la excvación una rozadora de ataque puntual. La extracción de suelo se hace a través de una rampa.

51 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Belga Con posterioridad a la colocación de las cerchas se procede a proyectar el hormigón en capas de aproximadamente 7 cm. En la parte inferior se ejecuta una base ensanchada pata de elefante para que sirva de apoyo en etapas futuras de excavación.

52 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Belga En general cuando se excava la bóveda se deja un banco adosado al frene que tiene como función principal el servir de base de trabajo para la colocación de las cerchas y el hormigón proyectado, ya que la estabilidad del frente está asegurada por la misma resistencia del suelo. Alternativamente se puede colocar el hormigón proyectado desde equipos con brazos telescópicos.

53 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Belga Detrás del avance del frente de excavación se va ejecutando el hormigón de revestimiento definitivo con técnicas convencionales (molde metálico vibrador). Nótese el diseño del molde que permite el paso de equipos del frente de excavación. En esta etapa el hormigón apoya sobre el suelo inferior.

54 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Belga Finalizados los trabajos de ejecución de la bóveda definitivase procede a excavar tramos de hastiales en forma alternada, tal como se realiza en los trabajos de submuración.

55 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Belga Los hastiales llevan armaduras por el esfuerzo de tracción exterior que se genera en el ángulo recto de su base.

56 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Belga Los trabajos de hormigonado se llevan a cabo tomando recaudos para su buena ejecución (se hormigona desde un bolsillo que permite aplicar carga, la superficie inferior de la bóveda se deja con una pendiente y con una capa de arena para que cuando se excave el hastial la superficie quede limpia, etc). No obstante eso los contactos entre los hormigones suelen no resultar adecuados. Esto se corrige con inyecciones de contacto.

57 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Método Belga Finalmente se procede a la excavación del banco y el hormigonado de la solera.

58 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Otros Trabajos de Excavación Sección de dos vías ampliada en zona de pantalón en la prolongación de la línea B ejecutada a sección completa con sostenimiento de cerchas metálicas y hormigón proyectado. Posteriormente se aplica un membrana impermebilizante y se procede a hormigonar la solera extendida. La sección se completará con un revestimiento secundario también ejecutado con hormigón proyectado sobre la membrana impermeable. Puede notarse la presencia de un conducto cloacal reubicado en forma previa a la construcción.

59 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Otros Trabajos de Excavación Excavación en una Sección de dos vías en la prolongación de la línea B ejecutada a sección completa con sostenimiento de cerchas metálicas y hormigón proyectado.

60 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Otros Trabajos de Excavación Extracción de suelos en la misma obra.

61 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Otros Trabajos de Excavación Posteriormente se realizan los trabajos de excavación del banco y el perfilado de la solera para su hormigonado. La solera incluye la base de apoyo para la segunda etapa del hormigón de bóveda que se ejecuta con métodos convencionales (molde metálico vibratorio). En este caso el hormigón definitivo se ejecuta en sentido ascendente.

62 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Otros Trabajos de Excavación Prolongación Línea B, construcción de la Estación Echeverría en caverna. Se ejecuta con el método alemán, primeramente galería de hastiales y el completamiento de los mismos, posteriormente se excava la bóveda con avances de 1 m y revestimiento primario con hormigón proyectado y cerchas. A continuación de hormigona la bóveda con hormigón convencional y finalmente se excava el banco y hormigona la solera.

63 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Otros Trabajos de Excavación Prolongación Línea H, construcción de la Estación Corrientes en caverna. Se ejecuta a casi a sección completa full face con avances de 1 m. El sostenimiento primario es con hormigón proyectado con cerchas en la parte superior las que descansan en patas de elefante. Desfasados cada 5 m se ejecutan dos escalones que se protegen con hormigón proyectado con malla. Todo se impermeabiliza con membrana. Esta es la situación que se muestra en la fotografía. Posteriormente se retira el banco, ejecutan soleras y hastial para finalmente correr el molde de bóveda sobre el mismo andén.

64 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Otros Trabajos de Excavación Prolongación Línea H, construcción de la Estación Corrientes en caverna.

65 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Otros Trabajos de Excavación Prolongación Línea H, construcción de la Estación Corrientes en caverna.

66 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Otros Trabajos de Excavación Prolongación Línea H, construcción de la Estación Corrientes en caverna.

67 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Otros Trabajos de Excavación Ejecución Túneles del aliviadero a sección completa en rocas sedimentarias en la presa Los Caracoles. Revestimiento primario con cerchas y hormigón proyectado

68 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MANUAL Otros Trabajos de Excavación Ejecución Túneles de desvío y de operación de la central y riego enla presa de Casa de Piedra. Operaciones de colocación de hormigón proyectado en hastial y solera.

69 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS HORMIGÓN PROYECTADO Métodos de Colocación En el esquema superior se muestra un equipo para aplicación de hormigón proyectado vía húmeda, tiene mayor rendimiento y un mejor control de ejecución (el hormigón se completa en planta). La aplicación vía seca tiene como ventaja por un mejor comportamiento con afluencia de agua desde el macizo.

70 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS HORMIGÓN PROYECTADO Algunas Consideraciones En los esquemas se muestra una previsión teórica de desperdicio por rebote según distancia y ángulo de aplicación. Estas consideraciones sumadas a los inevitables mayores volúmenes por sobre excavación (ver fotografía) generan un desperdicio que varía entre un 35 % y un 50 % del volumen teórico.

71 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS Caso Particular En oportunidad de la construcción de la prolongación de la línea D de subterráneos siguiendo el método Alemán, cuando se habían ejecutado unos 12 m de galería de hastiales (como la que se muestra a la derecha) se produjo un accidente fuera del horario de trabajo y por tanto sin víctimas.

72 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS Caso Particular La excavación se realizaba a una profundidad de unos 6 m hasta la clave de la galería. El suelo tenía características similares a las habituales a lo largo de la traza salvo por un sector de suelo más negro que se observa a la izquierda abajo. Nótese que el derrumbe fue lateral y las cerchas superiores se desplazaron no por carga superior sino por pérdidade apoyo en la pared de la galería.

73 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS Caso Particular Si se observa hacia el otro extremo de la galería se ve el frente de excavación y que el suelo de color oscuro con forma cilíndrica tiene continuidad y deja una pared de unos 0,40 m al borde de la galería.

74 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS Caso Particular Al analizar la situación se observó que el conducto cloacal de φ = 800 mm de hierro fundido que aparecía en planos a 2,5 m del borde de la galería estaba un poco más cerca y además y mucho más importante había sido colocado dentro de una galería de mayor diámetro. Esta galería con el paso del tiempo (se estima había sido construido unos 50 años antes) se había llenado de material de desborde en las cámaras (tierra de albañal). Al ejecutar la galería de hastiales quedó un pilar muy estrecho entre ambas excavaciones (0,40 m) lo que provocó el colapso.

75 Al producirse el colapso del pilar entre galerías se produjo una superficie de falla que vinculó a las mismas. PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS Caso Particular Se puede apreciar que la superficie superior de la galería del hastial en la falla se continúa con la parte superior de la zona de descompresión de la galería existente.

76 SITUACIONES ESPECIALES ZONA DE PORTALES En los sectores próximos a las embocaduras se presentan condiciones especiales asociadas a menores presiones de confinamiento en el macizo por menor tapada lo que reduce la capacidad portante del mismo. Si además se tiene en cuenta que son los sectores superficiales los más afectados por la alteración meteórica, se comprenderá que debe reforzarse allí el sostenimiento del túnel complementándolo con trabajos de confortación de los taludes. Las fotografías adjuntas ilustran algunos casos.

77 SITUACIONES ESPECIALES ZONA DE PORTALES En las fotografías adjuntas se muestran: Un portal sostenido internamente con arcos metálicos y hormigón proyectado (gunita) completados con hormigón colocado in situ. Un portal en roca muy fracturada en el cual el sistema de anclajes y malla de alambre no fue suficiente para una adecuada confortación.

78 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN MECÁNICA Existen distinto tipos de equipos cuyo uso se adapta mejor al tipo de macizo, secciones a excavar, longitud de tramos a ejecutar,etc. Dentro de los equipos usuales se destacan las máquinas de ataque puntual que tienen un buen rendimiento aún para materiales rocosos de alta resistencia. En la fotografía se muestra un equipo de este tipo.

79 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN DEPENDIENDO DE LA ROCA

80 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TUNELEROS TBM (Tunnel Boring Machine) Los equipos TBM, también conocidos como Máquinas Topo, realizan la excavación y ejecución del revestimiento con una secuencia de tareas optimizada.

81 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TUNELEROS TBM (Tunnel Boring Machine) Dependiendo del diámetro, completado su armado, tienen una longitud del orden de 50 u 80 m.

82 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TUNELEROS TBM (Tunnel Boring Machine) En este esquema se observa la parte delantera de un equipo de los denominados de frente abierto. Entre los elementos principales se observan: La cabeza de corte, el escudo metálico, los cilindros hidráulicos de empuje, el primer tramo de la cinta transportadora y las dovelas que conforman el revestimiento

83 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TUNELEROS TBM (Tunnel Boring Machine) En este esquema se observa la parte central de ese equipo. Entre los elementos principales se observan: El segundo carro con dovelas, la continuación de la cinta transportadora y los elementos de arrastre, ruedas y patín para deslizamiento sobre las dovelas ya colocadas.

84 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TUNELEROS TBM (Tunnel Boring Machine) En este esquema se observa la parte final del equipo. Entre los elementos principales se observan: La zona de descarga de la cinta transportadora y el transformador de energía. Los motores eléctricos que accionan la bomba hidráulica trabajan con 380 V mientras que la transmisión dentro del túnel se realiza en 6000 V.

85 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TUNELEROS TBM (Tunnel Boring Machine) Vista del anillo de escudo que contiene a la cabeza de corte, contine las herramientas de corte, los motores hidráulicos de giro y un sistema de aspas que lleva al material excavado hasta el extremo de la cinta transportadora.

86 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TUNELEROS TBM (Tunnel Boring Machine) Vista del anillo intermedio del escudo. Contiene los cilindros de empuje y el sistema hidráulico de accionamiento de motores.

87 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TUNELEROS TBM Vista del anillo final del escudo, en esta zona se colocan los nuevos anillos de dovelas (puede observarse el sello que se aplica sobre la cara exterior de las dovelas). A la derecha se muestra parte del equipo de guiado.

88 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS - EQUIPOS TBM Armado del escudo y primer avance de la tunelera con un armado parcial, a medida que el equipo avanza se va completando el armado hasta llegar a una producción en régimen. En la fotografía de la derecha se observa los medios anillos de dovelas y el sello entre escudo y dovelas. Abajo vista de un pozo de inicio.

89 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS - EQUIPOS TBM Armado de los anillos de dovelas. COLOCACIÓN DE DOVELAS El equipo tiene un pequeño puente grúa que toma la dovela del carro y la posiciona en el sector del nuevo anillo. Un erector de dovelas con mando hidráulico permite ponerla en posición.

90 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS - EQUIPOS TBM Finalmente se colocan bulones para fijar las dovelas al anillo anterior y entre las mismas de un anillo. En la fotografía inferior se muestra la cadena con la que se arrastra la estructura posterior al escudo. La cadena es retirada en el momento de colocar un nuevo anillo de dovelas. En la fotografía se observan además los cilindros retraídos.

91 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TBM Zona próxima al frente, bajo la cinta transportadora del material excavado. Durante el trabajo se retira el suelo excavado mediante sistema ferroviario, con el que además se ingresan las dovelas, el material de inyección y tramos de vías pre armados. Además debe abastecerse al frente con energía, iluminación, ventilación, grasa para lubricación entre dovelas y sello. En algunos casos se requiere agua para refrigeración y aire comprimido.

92 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TBM Es de suma importancia reducir el ciclo de trabajo para lo cual deben optimizarse las distancias para la extracción del material e ingreso de insumos. Las máximas distancias para ventilación o iluminación deben ser estudiadas. Asimismo deben estudiarse los movimientos ferroviarios y fundamentalmente el trasporte vertical del material extraído en el pozo de trabajo.

93 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TBM Pozo de trabajo, Entre la dovela y la línea de excavación se hace una inyección de mortero en el mismo ciclo de avance. Finalmente, en forma independiente del frente de excavación se procede a realizar inyecciones de lechada de cemento con la que se sellan las filtraciones.

94 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS - EQUIPOS TBM En los Pozos de Trabajo se concentran e ingresan los insumos (dovelas, tramos de vías, grasa, etc.) y se retira el suelo de excavación mediante el uso de equipos de movimiento vertical que elevan las vagonetas.

95 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TBM La ejecución de las Dovelas es un proceso industrial en la que tiene mucha importancia el vibrado de los moldes en el momento de colocación y la utilización de vapor en el túnel de curado.

96 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TBM Disposición de Dovelas

97 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TBM Disposición de Dovelas en el anillo (observar posición de la Dovela denominada K). Detalle de abulonamiento entre Dovelas.

98 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TBM Los equipos tuneleros tipo TBM alcanzan rendimientos muy altos. En el gráfico se muestran avances en las distintas líneas del metro de Madrid.

99 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TBM Dependiendo de la programación de los trabajos, distancia entre pozos de soporte, tipo de material, etc. es común alcanzar rendimientos de 20 m/día.

100 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TBM Las imágenes muestran algunos trabajos poco prolijos, de baja tapada pero con buen comportamiento del suelo. Puede observarse la falta de contacto del suelo circundante con el escudo por autosostenimiento del mismo.

101 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TBM En este caso también se puede observar la falta de contacto entre el suelo y el escudo a pesar de la falta de continuidad en el mismo que presupone la presencia de una interferencia previamente removida. Los pozos de salida solamente previeron la ejecución de un brocal superior de sostenimiento. Pese a lo cual el comportamiento de la pared de salida ha sido satisfactorio en todos los casos. Se puede observar asimismo la baja tapada existente (menor que un diámetro).

102 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TBM Tunelera con inyección de barros para trabajos bajo napa freática.

103 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TBM Equipos para trabajos bajo el nivel freático. La presión del equipo sobre el frente mantiene la estabilidad del mismo.

104 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EQUIPOS TBM Equipo para uso bajo niveles freáticos.