PARTE IV_ EL SOSTENIMIENTO EN TÚNELES

PROYECTO Y CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES PARTE IV EL SOSTENIMIENTO EN TÚNELESEL SOSTENIMIENTO EN TÚNELES - ASPECTOS BÁSICOS DEL COMPORTAMIENTO SOPORTE TEMPORAL VS SOPORTE PERMANENTE „ „ La decisión de usar un solo sistema de soporte o un soporte primario temporal y posteriormente un soporte secundario definitivo está relacionado íntimamente al movimiento del terreno y su degradación y a las necesidades y economía del proyecto. Exceptuando problemas de hinchamiento en el terreno, la presencia de un efectivo sostenimiento primario puede eliminar casi completamente la posibilidad de desarrollar significativas tensiones o deformaciones en el revestimiento secundario. Impermeabilización .Estética . en lo que se refiere a la mejora de la ventilación y de la iluminación (Carreteras) o de la capacidad hidráulica (túneles de saneamiento o abastecimiento) Existen revestimientos constituidos por hormigón bombeado y por dovelas de hormigón armado prefabricado.Funcional. .SOPORTE SECUNDARIO: „ „ „ „ „ „ „ Se refiere al revestimiento que puede definirse como una estructura de hormigón que reviste la cavidad y que está en contacto directo con el terreno o con el sostenimiento primario.Función resistente . Su colocación viene impuesta por los motivos siguientes: . ROCA Y SOPORTE COMO UNA ESTRUCTURA ESTÁTICAMENTE INDETERMINADA „ Modelo simplificado de la interacción terreno .soporte . Características del contacto soporteterreno .. 4.Acción temporal o definitiva..Comportamiento rígido o flexible. 2.Acción de soporte o refuerzo del terreno 3.ASPECTOS BÁSICOS DEL COMPORTAMIENTO „ „ „ „ „ El análisis del sistema de soporte comienza por distinguir las propiedades y objetivos relevantes: 1... . SEGUNDO: Se refiere al diseño del sistema soportante que asegure la estabilidad local de la excavación.CONSIDERACIONES IMPORTANTES PARA EL DISEÑO DE TÚNELES QUE DEBEN SATISFACERSE: „ „ PRIMERO: Consiste en asegurar que el nivel tensional en el contorno de la excavación no sea lo suficientemente importante en relación con la resistencia del macizo como para que se produzca el fallo del túnel. al menos durante el periodo de vida previsto. TERMINO DEL VACEADO DE CONCRETO EN UN TÚNEL HIDROELÉCTRICO . ACABADO DEL REVESTIMIENTO DE UN TÚNEL HIDROELÉCTRICO. . A.CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS.M..EL “NEW AUSTRIAN TUNNELLING METHOD” (N.MÉTODO DE CONVERGENCIA – CONFINAMIENTO 3. . 2.MÉTODO DEL SÓLIDO COMPUESTO 4.) 5.DISEÑO DE SOSTENIMIENTO „ „ „ „ „ „ 1..T. 6...MÉTODOS DE REACCIONES HIPERESTÁTICAS..EL BUEN USO DE LAS MEDICIONES GEOTÉCNICAS.. MÉTODO DE REACCIONES HIPERESTÁTICAS „ Este método consiste en modelizar una sección plana del sostenimiento mediante una serie de elementos lineales o barras. El terreno se presenta mediante unos muelles que simulan la reacción pasiva que ejerce el terreno sobre el concreto cuando éste trata de desplazarse hacia él.1. . Los resultados típicos con este tipo de cálculo son:la deformación del revestimiento y las leyes de axiles. pues generalmente no actúa sobre el revestimiento el total de las cargas de excavación. cortantes y flexores. .„ „ Los resultados de este método están del lado de la seguridad. sino solamente una parte. MÉTODO DE REACCIONES HIPERESTÁTICAS „ Modelación según métodos de reacciones hiperestáticas . El equilibrio final que permite determinar la presión sobre el sostenimiento queda definido por la intersección de estas dos curvas. . Los elementos esenciales son las curvas características de presión – deformación del terreno y del sistema de soporte..2.MÉTODO DE CONVERGENCIA CONFINAMIENTO „ „ Este método estudia el terreno bajo la acción de un sistema de fuerzas que reemplazan al soporte. METODO DE CONVERGENCIA -CONFINAMIENTO „ Modelación según método convergencia confinamiento . 3.MÉTODOS DE ELEMENTOS DE CONTORNO. 2.MÉTODO DE SÓLIDO COMPUESTO „ „ „ „ „ „ En estos métodos se estudia el equilibrio de un volumen de terreno que incluye al túnel bajo acciones conocidas en sus fronteras.3....MÉTODO DE LAS DIFERENCIAS FINITAS..MÉTODO DE ELEMENTOS DISCRETOS 4.MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS . Los métodos numéricos que pueden evaluar un sólido compuesto son: 1.. ES EL USO DE MODELOS MATEMÁTICOS QUE REPRESENTEN O SIMULEN EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS MACIZOS ROCOSOS Y DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES PRESENTES EN EL CONTORNO DE LA EXCAVACIÓN DE UN TÚNEL .METODOS NUMÉRICOS UNO DE LOS PROCESOS PARA EL DISEÑO GEOMECÁNICO DE TÚNELES. . DISCONTINUA: Considera el macizo rocoso como un conjunto de bloques individuales.En los métodos numéricos. hay dos formas de enfocar el cálculo de las tensiones y deformaciones y son: CONTINUA: que consideran el macizo rocoso como un medio continuo cruzado por discontinuidades. MÉTODO DE LAS DIFERENCIAS FINITAS „ „ Consiste básicamente en discretizar el terreno en una serie de incrementos según X y según Y.. . en un sistema de ecuaciones algebraicas lineales. pero sustituyendo las derivadas parciales según X e Y por los correspondientes cocientes incrementales.1. Las ecuaciones de la Elasticidad se aplican al modelo. con lo que se transforma el sistema de ecuaciones diferenciales que define el problema. En cualquier punto del continuo se pueden calcular los movimientos y las tensiones inducidas por la excavación como sumatoria de las producidas por cada uno de los elementos lineales que forman el contorno del túnel.MÉTODO DE LOS ELEMENTOS DE CONTORNO „ „ Este método se basa en discretizar el contorno de la excavación del túnel mediante unos elementos lineales. homogéneo e isótropo..2. . mientras que el terreno se supone elástico. cuya expresión analítica es conocida. Estos bloques se supone que representan al macizo rocoso roto por las diversas familias de diaclasas.3.MÉTODO DE LOS ELEMENTOS DISCRETOS „ „ Este método lo que hace es modelizar el terreno por medio de unos bloques que están en contacto unos con otros. Las ecuaciones se plantean en el movimiento de cada bloque.. pudiendo ser éstos rígidos o deformables. . Estos elementos se denominan ELEMENTOS FINITOS.. y que consiste en discretizar el sistema completo a estudiar en una serie de elementos de un tamaño relativamente pequeño respecto del sistema. . cada uno de los cuales posee una ecuación propia.4.MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS „ „ „ Método de mayor influencia. de forma que la ecuación del sistema se obtiene juntando las ecuaciones de los elementos que lo componen. A cada uno de los elementos se le puede asignar diferentes propiedades elásticas o incluso inesláticas. El conjunto de elementos es tratado de acuerdo a los métodos tradicionales de cálculo estructural (Método de Rigideces) obteniéndose una solución discretizada en cada elemento. EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS . 1.- Modelo de la geometría de un túnel. 2.- Modelo del arreglo del sistema de refuerzo en el túnel. Modelos del arreglo de sistemas de refuerzo en un túnel 1.- Modelo del arreglo de sistema de refuerzo. 2.- Malla de elementos finitos, para el modelo Condiciones de borde en la malla de EF. . . Resultado de las mediciones con Overcoring.INPUT de la magnitud y dirección de esfuerzos tectónicos. OUTPUT de la concentración de esfuerzos alrededor del túnel. . DESPLAZAMIENTO DEL CONTORNO DEL TÚNEL . HALO DE CONFINAMIENTO DEL REFUERZO EN TÚNELES . HALO DE CONFINAMIENTO DEL REFUERZO EN TÚNELES . HALO DE CONFINAMIENTO DEL REFUERZO DE TÚNELES . HALO DE CONFINAMIENTO DEL REFUERZO DE TÚNELES . SIMULACION EN 3D . Validación y calibración de simulaciones . PARTE IVA EL “NEW AUSTRIAN TUNNELLING METHOD” NATM . 6..CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS . Suministrar las bases para comprender las características de cada grupo. EN UNA APLICACIÓN A TÚNELES „ „ „ „ Dividir una masa rocosa particular en grupos de comportamiento similar. Entregar datos cuantitativos para el diseño del soporte de túneles.PROPÓSITO DE UNA CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA. Ser una base común de comunicación. . DESCRIPCION DE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACION KRSTULOVIC LAUBSCHER RABCEWICS PARÁMET RO TERZAGHI HOEK & BROWN (GSI) C LASIFICACIÓ N BIENIAWSKI (RMR) WICKHAM LAUFFER NGI (Q) DEERE AFTES INDICE CO MPRESIÓ N UNIAXIAL CO HESIÓ N .FRICIÓ N MÓ DULO ELAST ICIDAD ALT ERACIÓ N R.Rb Y Bz CO NDICIÓ N DE AG UAS ST AND UP T IME LIT O LO G ÍA CARG A DE LA RO CA ESFUERZO S INDUCIDO S VO LADURA GLSA CSIR .D. N° DE FAMILIAS E S P ACIAMIE NT O CO NT INUIDAD RELLENO O RIENT ACIÓ N.Q . Sistema propuesto por TERZAGHI . .C.B. figurando en las abscisas la duración de la estabilidad de la excavación y en las ordenadas la "longitud libre" o "luz activa". obtenida a partir de un diagrama en que se señalan las siete calidades. parámetro definido como la menor de las dimensiones (diámetro y longitud de la labor no sostenida). el criterio de clasificación adoptado es la duración de la estabilidad de la excavación experimental sin ningún revestimiento.F y G. lo que conduce a una clasificación de terrenos en tipos A.D.E.CLASIFICACIÓN DE LAUFFER El método consiste en observar el comportamiento de diferentes terrenos por medio de galerías experimentales. De acuerdo a esto. . . fracturamiento. consiste en la noción de tiempo de estabilidad de la labor sin sostener después de la excavación. .CLASIFICACIÓN DE RABCEWICZ RABCEWICZ introduce un importante elemento de análisis. El sistema define nueve clases de macizos y los criterios para definirlas. características expansivas y condiciones hidrogeológicas. su estado de alteración. La tabla siguiente muestra el detalle del sistema propuesto por RABCEWICZ en cuanto a la definición de los distintos tipos de calidades de roca. tensiones naturales. . CLASIFICACION DE LA AFTES La AFTES ( Asociation Francaise des Travaux en Souterrain). Los investigadores de esta asociación científica francesa. elaboró un texto con recomendaciones relativas a seleccionar el tipo de sustentación en túneles. realizan una clasificación de medios rocosos en la cual se definen 10 clases de terrenos. esta clasificación es en función del coeficiente de resistencia (f) definido por PROTODIAKONOV en 1974 mediante las siguientes ecuaciones: . f = tg φ + C / ss f = sc / 100 Donde: para Suelos para Rocas φ : ángulo de fricción interna C : Cohesión (bars) ss : sc : Resistencia a la compresión simple del suelo (bars) Resistencia a la compresión simple de la roca (bars) . CLASIFICACION DE LA AFTES . . CLASIFICACION DE WICKHAM. concepto que denominan RSR (Rock Structure Rating). Parámetro C : relaciona las características hidrogeológicas (en términos de caudales) y las condiciones de las paredes de las discontinuidades. Parámetro B: relaciona las discontinuidades (espaciamiento y orientación) y la orientación de la excavación. TIEDEMANN Y SKINNER Los autores desarrollan el concepto de evaluación numérica del medio rocoso. Para la determinación del RSR definen 3 parámetros cuantificables: Parámetro A : relaciona el tipo de roca (en función de su origen) y la estructura geológica del macizo. . . . . x 100 Espaciamiento real en los túneles estudiados Empíricamente. En base al análisis de mas de 50 proyectos de túneles se formula el índice RR.El RSR estará definido por la suma de los parámetros A. B y C. . este define un rango para RSR de 80 a 19. que representa el porcentaje de soporte requerido en relación a lo exigido por Terzaghi: Espaciamiento teórico entre arcos metálicos según Terzaghi RR = ----------------------------------. establecen una relación entre RSR y RR (RR + 80) x (RSR + 30) = 8800 Si RR varía entre 0 y 100. lo que define los límites de los tipos de macizos rocosos considerados por el modelo. En la tabla se relaciona el solicitación ejercida por el para distintos diámetros de aplicación considera la ejercida por el macizo y las resistivas de los soportes. Su solicitación propiedades . RSR con la macizo (Wr) túneles. PLANTILLA PARA CLASIFICACION RMR . 5 m de luz > 300 Kpa 200-300 Kpa 150-200 Kpa 100-150 Kpa < 100 Kpa ANGULO DE FRICCION DEL MACIZO ROCOSO > 45° 40° .5 m de luz V 10 MIN.21 IV < 20 V MUY MALA REGULAR MALA SIGNIFICADO DE LAS CLASES CLASE N° TIEMPO DE SOSTEN DE LA LABOR COHESION DEL MACIZO ROCOSO I 10 AÑOS PARA 5 m de luz II 6 MESES PARA 4 m de luz III 1 SEMANA PARA 3 m de luz IV 5 HORAS PARA 1.45° 35° .81 I MUY BUENA 80 .35° < 30° .40° 30° .CLASES DE MACIZOS ROCOSOS EN FUNCION DEL RATING TOTAL RATING CLASE N° DESCRIPCION TIPO DE ROCA 100 . PARA 0.61 II BUENA 60 -41 III 40 . 22 ) RMR<60 RMR>60 : LUZ MAXIMA DE EXCAVACION ESTABLE (m) : RATING DEL MACIZO ROCOSO : PARAMETRO DE SEGURIDAD SEGÚN EL TIPO DE EXCAVACION (Ver cuadro) . HA DEFINIDO UNA FORMULA PARA LA LUZ MAXIMA (CLARO) DE EXCAVACION SIN REFUERZO SEGÚN LA SIGUIENTE EXPRESION: CLARO (m) = CLARO (m) = Donde: CLARO RMR ESR ESR x 0.4 x RMR .035 x RMR ESR x ( 0.LUZ MAXIMA DE EXCAVACION ESTABLE EL ANALISIS DE NUMEROSOS CASOS DE EXCAVACIONES SIN REFUERZO EN ROCA CON DIFERENTE INDICE RMR. TIEMPO DE PERMANENCIA DE LA LABOR SIN SUSTENTACIÓN . DISEÑO DEL SISTEMA DE SOSTENIMIENTO DE ACUERDO AL NGI . CLASIFICACIÓN DE LAUBSCHER . Clasificación del Rmi (Palmstrom-Noruega) . . (Hoek and Brown) Clasificación SRC (Gonzales de Vallejo. 2003). En proyecto: la Clasificación Geomecánica aplicada al macizo de la Cordillera de los Andes ( C.S.ÚLTIMAS CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS „ „ „ Clasificación del G.I. . Vallejo). PARTE IVB EL BUEN USO DE LAS MEDICIONES GEOTÉCNICAS .