Capítulo 7 Aplicación a un caso real. Túnel Febex

Capitulo 7: Aplicación a un caso real Túnel FEBEX Ingeniería Geológica

Capítulo 7 Aplicación a un caso real. Túnel Febex 7.1 Introducción

Dentro de este capitulo, se quiere aplicar los conceptos teóricos desarrollados en

los apartados anteriores a datos obtenidos en un laboratorio de pruebas situado

en Suiza. Antes de detallar los resultados obtenidos con el programa Code

Bright, es importante describir el ámbito de estudio, sus características

geológicas, geotécnicas y otros datos de interés. Gran parte de los datos que

aparecen en los primeros apartados de este capitulo provienen de la recopilación

[39].

El laboratorio subterráneo Grimsel, denominado en inglés “Grimsel Test Site”

(GTS), se halla en los Alpes suizos a 1730 metros de altitud, unos 450 metros de

profundidad bajo el Juchlistock, en el macizo granítico Aare Massif, en la parte

central del País.

Está enlazado con el Paso Grimsel por una pequeña carretera y un túnel de

acceso horizontal de 1.2 Km. de longitud: a partir de este túnel, NAGRA

(Nationale Genossenschaft für die Lagerung Radioaktiver Abfälle – Suiza)

dispone de una serie de galerías y cavernas experimentales con una longitud

total de casi 1000 metros que, junto con una zona de servicios generales e

infraestructura, constituyen el GTS. El ensayo “in situ” FEBEX se ha realizado en

una galería excavada a tal efecto desde la zona de acceso al GTS por el norte.

En la figura-7.1, se puede observar la situación del túnel Febex y también la

situación de los dos sondeos Febex instrumentados.

95


Figura 7.1: Localización de los ensayos realizados en el GTS

durante la fase IV (1994-1996). Tomada de [40]

7.2 El proyecto FEBEX

El FEBEX (Full-scale Engineered Barriers Experiment in Crystalline Host Rock)

es un proyecto internacional realizado por un consorcio internacional que lidera

la española ENRESA (Empresa Nacional de Residuos Radiactivos), y que

cuenta con el apoyo de la Comisión Europea a través del programa de

Seguridad en Fisión Nuclear (DG RTD). Por parte española participan AITEMIN,

el CIEMAT, la UPC, la ULC, la UPM, y el CSIC.

7.2.1 Descripción de la zona FEBEX

Para realizar la prueba "in situ" del FEBEX, se decidió excavar una nueva galería

en la zona de pruebas sísmicas (Underground Seismic US) que se halla en la

parte norte del GTS, donde ya existían los taladros BOUS 85.001 y BOUS

85.002.

Una vez elegida la zona, se perforaron dos nuevos sondeos de investigación,

denominados FEBEX 95.001 y FEBEX 95.002, que permitieron detectar un

96


sistema de diques de lamprófido a unos 100 metros de la zona del emboquille de

los sondeos, que presentaban una relativamente alta conductividad hidráulica.

La galería se excavó con una máquina tuneladora de sección completa, de

diámetro nominal de 2.27 m. Se determinó trazar la galería con una pendiente

ascendente del 1% con objeto de evacuar por gravedad las aguas tanto durante

la obra como posteriormente durante la ejecución del ensayo.

Más en detalle, en el período desde el 30.06.95 hasta el 24.07.95 se perforó el

taladro FEBEX 95.002, caracterizado por un diámetro de 86 mm, una longitud de

132.36 metros y una pendiente de 1º hacia abajo respecto a la horizontal.

El 26.07.95 Solexperts (Schwerzenbach – Suiza) lo instrumentó con un sistema

de packers con el propósito de medir la presión intersticial a lo largo de la

excavación del cercano FEBEX 95.001.

La galería FEBEX fue excavada en el periodo entre 25.09.95 y 30.10.95.

Los detalles de la geología y de la hidrogeología de todas esas perforaciones se

pueden consultar en [40].

La figura-7.2 muestra la localización de la galería y de las perforaciones ya

mencionadas. A partir de la extremidad de la galería FEBEX, en la zona de la

prueba “in situ”, se hicieron 19 perforaciones de unos 7-15 metros de longitud.

Todos los sondeos se equiparon con sistemas de multipackers para medir

automáticamente la presión del agua.

97


La figura-7.3 muestra la disposición de los packers en los taladros.

Figura 7.2: Galería FEBEX y perforaciones asociadas. Tomada de [40]

98


Figura-7.3: Localización de los packers. Tomada de [41]

7.2.2 Geología regional y local de la zona FEBEX

Las extensas caracterizaciones geológicas e hidráulicas se han realizado a lo

largo de los múltiples experimentos realizados en el GTS. La geología del área

está documentada en [42], donde se proporciona al marco general del GTS en el

contexto de los Alpes suizos.

99


El laboratorio está excavado en una roca de naturaleza intrusiva: la mayor parte

es granito y granodiorita, que son afectados por varias fracturas.

Las principales características del granito intacto están reflejadas en la tabla 7.1:

Propiedad Caso Valor medio Rango Unidades

Densidad 2640 2600-2680 kg/m3

Densidad del grano 2680 2650-2700 kg/m3

Porosidad 1.6 0.5-2.5 %

Resistencia a compresión

simple 185 150-220 MPa

Modulo de Young 60 45-75 GPa

Coeficiente de Poisson 0.25 0.20-0.30 -

Resistencia de tracción 10 5-15 MPa

Resistencia triaxial conf. presión

5 MPa 35 25-40 MPa

10 MPa 45 35-55 MPa

20 MPa 65 55-75 MPa

50 MPa 105 95-120 MPa

100 MPa 160 140-180 MPa

200 MPa 240 200-280 MPa

Ángulo de fricción interna 32 25-40 °

Velocidad de la onda-p *5600 5000-6200 m/s

Velocidad de la onda-s *3400 3000-3600 m/s

Coef. Expan. Térmica lineal 8.0·10-6 (5-12)·10-6 K-1

Coef. Expan. Térmica

volumétrica 25·10-6 (20-30)·10-6 K-1

Conductividad térmica 3.3 2.7-3.8 W/mK

Calor especifico 920 800-1250 J/kgK

Permeabilidad 10-12 (0.1-5)·10-12 m/s

Tabla-7.1: Propiedades del granito intacto. Adaptada de [43]

(* significado: para la tensión “in situ”).

100


Esta tabla proporciona los valores que después se han incorporado en el modelo

del terreno caracterizado con el programa Code Bright. Existen gran numero de

referencias sobre la geología de la zona, pero aquí no se han incluido todos los

datos, ya que no es el propósito del presente estudio.

7.2.3 Tensiones “in situ” en el GTS

Todas las informaciones sobre las investigaciones realizadas para determinar las

tensiones “in situ” están disponibles en [44] y [45].

Keusen y otros autores dieron unos comentarios generales sobre las medidas

realizadas por BGR (Hannover – Alemania), que pueden encontrase en [42]:

hay una diferencia de más de 10 MPa entre las tensiones horizontales

mínimas y máximas

la tensión máxima horizontal está entre 18 y 45 MPa y la tensión principal

mínima entre 15 y 32 MPa

la tensión máxima horizontal está dirigida, en general, hacia SE

perpendicularmente a la esquistosidad S2.

Se concluye que “la tensión de cerca 9-12 MPa, que es 4-5 veces mayor de la

presión litostática, indica la presencia de fuerzas horizontales de compresión

significativas en la dirección NO-SE”.

En las investigaciones se utilizaron métodos de “overcoring”, ensayos de

dilatación y de fractura hidráulica. Por ejemplo, la figura-7.4 muestra los

resultados de un ensayo de “overcoring”. En [45] se observa que “se puede ver

claramente que las tensiones máximas están aproximadamente entre 25 y 40

MPa y las mínimas horizontales entre 15 y 30 MPa. Lo que tenemos es que las

tensiones horizontales son substancialmente mayores que la presión de

sobrecarga relacionada con la profundidad”.

101


Figura 7.4: Tamaño y dirección de las tensiones horizontales. Tomada de [45]

Por otro lado, está establecido con certeza que el comportamiento volumétrico

de la roca cerca del túnel, y entonces la variación de presión intersticial, depende

críticamente de dos aspectos: la orientación y la intensidad del campo de tensión

inicial.

La determinación del campo de tensiones en Grimsel sugiere que la tensión

principal mayor en la localización del túnel de FEBEX sea horizontal (alrededor

30 MPa), mientras que la tensión principal menor se puede considerar vertical y

definir por las condiciones geoestáticas (alrededor 10 MPa).

La tensión principal intermedia, también horizontal, puede alcanzar valores

intermedios (alrededor 15 MPa), pero sigue siendo substancialmente más alta

que la tensión vertical.

102


7.3 Aplicación del análisis inverso

7.3.1 Instrumentación del sondeo FEBEX 95.002

Para la aplicación a un caso real del método que se ha enseñado hasta ahora,

se van a utilizar las variaciones de presión intersticial medidas en el sondeo

FEBEX 95.002 a lo largo de la excavación de la galería FEBEX.

El ∆pw se midió en los dos segmentos aislados denominados como “P3” y “P4”

en la figura-7.5, donde se han dibujado junto al túnel.

Para situar el sondeo FEBEX 95.002 en toda su longitud en el conjunto de las

perforaciones excavadas, puede verse la figura-7.2: El taladro es subparalelo a

la galería, que mide 71.4 metros, y las zonas de instalación de los packers P3 y

P4 se hallan respectivamente en los intervalos 62.05 – 74.00 m y 50.00 – 61.05

m.

159315

159320

159325

159330

159335

159340

667410 667415 667420 667425 667430 667435 667440 667445 667450

P4

P3

FEBEX 95.002

TEST ZONE

Figura-7.5: Galería y zonas de ensayo en el marco de las coordenadas GTS

103


Las figuras 7.6 y 7.7 resumen todo el trabajo de investigación, para las zonas P3

y P4 respectivamente. En ellas se representa, en función del tiempo (en días), el

avance (en metros) de la perforación y el valor de presión intersticial medido.

Variación de la presión intersticial (taladro FEBEX 95.002, intervalo P3)

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

25-sep-95

30-sep-95

05-oct-95

10-oct-95

15-oct-95

20-oct-95

25-oct-95

30-oct-95

04-nov-95

09-nov-95

Tiempo (días)

Pres

ión

(MPa

)

051015202530354045505560657075

Túne

l exc

avad

o (m

)

variación de la presión intersticial perforación del túnel

P

P

Figura 7.6: Variación de la presión de agua en el packer P3. Tomada de [39]

Variación de la presión intersticial (taladro FEBEX 95.002, intervalo P4)

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

25-sep-95

30-sep-95

5-oct-95 10-oct-95 15-oct-95 20-oct-95 25-oct-95 30-oct-95 4-nov-95 9-nov-95

Tiempo (días)

Pres

ión

(MPa

)

051015202530354045505560657075

Túne

l exc

avad

o (m

)

variación de la presión intersticial

perforación del túnel

Figura 7.7: Variación de la presión de agua en el packer P4. Tomada [39]

104


Los datos registrados muestran un marcado comportamiento transitorio cuando

el frente del túnel está cerca de la sección del sondeo donde se medía: este

comportamiento transitorio fue caracterizado (en uno de los segmentos) por un

claro aumento de la presión seguida por un decaimiento lento cuando el frente

del túnel se alejaba de la sección donde se medía.

7.3.2 Hipótesis utilizadas en el cálculo

Para aplicar el retroanálisis planteado y desarrollado en los capítulos anteriores,

hay que formular dos simplificaciones:

Se supone que el túnel FEBEX haya sido excavado instantáneamente para

que el problema sea independiente del tiempo. En la realidad el efecto del

tiempo y el avance de la obra influyeron sensiblemente sobre la variación de

presión intersticial: se medían incrementos durante el día y disipaciones a lo

largo de la noche, cuando la tuneladora se quedaba parada. Sin embargo si

se hubiese excavado el túnel de golpe, la variación total de presión habría

sido la sumatoria de todos los incrementos positivos de ∆pw.

Esta simplificación se ha realizado cuando se ha calculado la presión del

agua en la sección en la cual se llegaba al pico último de los incrementos

positivos en el packer P3 y P4 para poder compara r los resultados con los

obtenidos por [23]. En el cálculo de las diferentes posiciones del frente para

el packer P4 no se ha realizado esta hipótesis.

Gracias a esta hipótesis se calculan los incrementos totales de presión

intersticial en cada sección como sumatoria de los saltos positivos de las

figuras (7.10) y (7.12), sin contar las bajadas, por el hecho de que

suponiendo tal metodología de excavación, no hay tiempo para disipar los

incrementos ∆pw.

105


Se supone también que las medidas se efectuaron en las secciones medias

de las zonas P3 y P4, localizando así en dos puntos los dos tramos cerrados

por los packers.

Las figuras 7.8, 7.9 y 7.11 nos muestran datos sobre la geometría de la galería y

los sondeos, mientras que las figuras 7.10 y 7.12 son ampliaciones de las figuras

7.6 y 7.7 y nos muestran la variación de la presión del agua en los packers.

Figura-7.8: Sección de los emboquilles del túnel y del taladro FEBEX 95.002

Por lo dicho anteriormente el análisis inverso se llevará en zonas cuyas

características son:

106


Sección P3 (dista 68 metros desde el emboquille), figura-7.9

Figura-7.9: Sección del punto medio del tramo de ensayo P3

El incremento de presión intersticial medido sumando las variaciones positivas

es ∆pw= 0.05 MPa, tal como se detalla en la figura 7.10

Intervalo P3

0,70

0,72

0,74

0,76

0,78

0,80

24-oct-95 25-oct-95 26-oct-95 27-oct-95 28-oct-95 29-oct-95 30-oct-95

Tiempo (dias)

Pres

ión

(MPa

)

Figura-7.10: Evolución de la presión intersticial en el tramo P3. Tomada de [39]

107


Sección P4 (dista de 56 metros desde el emboquille), figura-7.11

Figura-7.11: Sección del punto medio del tramo de ensayo P4

El incremento de presión intersticial medido según lo explicado es ∆pw= 0,35

MPa, tal como se presenta en la figura-7.12

Intervalo P4

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

23-oct-95 24-oct-95 25-oct-95 26-oct-95

Tiempo (dias)

Pres

ión

(MPa

)

Figura-7.12: Evolución de la presión intersticial en el tramo P4. Tomada de [39]

108


7.4 Cálculos numéricos y resultados finales Antes de comentar el análisis numérico hay que destacar una serie de aspectos.

Las propiedades del macizo rocoso que se introdujeron en la modelización son

las recogidas en las tablas. Sólo se han considerado las propiedades del granito

intacto.

Las características del túnel son las que aparecen en las diferentes figuras. En la

figura-7.13 podemos ver la geometría de la galería Febex.

Figura-7.13: Geometría modelizada del túnel Febex

Para construir la función objetivo, descrita por la fórmula-5.1, se tomo el valor de

los packers como medidas “in situ” y los valores del programa numérico se

utilizaron para la minimización.

Como se disponían datos de un estudio en el cual se hacia la excavación del

túnel en una sola etapa, se ha modelado este caso para el packer P4 y P3. Para

el packer P4, al disponer de la evolución de la presión del agua versus el avance

del túnel, también se ha realizado una identificación con las medidas en las

diferentes posiciones del frente

109


El cálculo para el packer P3, tomaba como medida “in situ” el valor de 0.05 MPa

de incremento de presión de agua para la construcción del túnel hasta la sección

de Z=61 en sólo una etapa.

Se han analizado varios Ko y la función objetivo esta representada en la

siguiente figura:

Identificación-Febex-Packer-P3

0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025

0,003

0,0035

0,004

0,0045

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Ko

Func

ión

Obj

etiv

o ( M

Pa)

ValoresFunciónObjetivo

Figura-7.14: Función objetivo del packer P3

El mínimo de la función objetivo se encuentra próximo al Ko=3, resultado

próximo a las teorías de los autores que han estimado el Ko de la zona Febex,

pero alejado de los resultados de [23]. Peschiera encuentra unos valores

próximos a 1.1.

Para el packer P4, primeramente se ha realizado un análisis con una única etapa

de excavación.

Los Ko que se han estudiado están relacionados con los resultados obtenidos en

[23]. Los casos estudiados por Peschiera señalan que la tensión horizontal

perpendicular al eje del túnel estaba relacionada con la tensión vertical a través

de un Ko entre 1.6-1.7 de media. Los diversos autores marcan que esta relación

110


estaría entre 2 y 4. Con estos resultados se ha decidido tomar una tensión

vertical que en todos los casos ha sido de 10 MPa, y como tensión horizontal se

han tomado 15, 19, 20, 22, 25, 30 y 35 MPa. Estos valores querían ver si la

solución del programa CB estaba más próxima a los resultados de [23] o los

valores obtenidos en [44] y [45].

En la siguientes gráficas se muestran los valores obtenidos para el packer P4.

La figura-7.16 muestra de forma más clara el mínimo de la función objetivo.


0

5

10

15

20

25

1,4 1,7 2 2,3 2,6 2,9 3,2 3,5

Ko

Func

ión

Obj

etiv

o ( M

Pa)


Figura-7.15: Función objetivo del packer P4 para una sola etapa de excavación


0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,4

2,7

3

1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7Ko

Func

ión

Obj

etiv

o ( M

Pa)


Figura-7.16: Ampliación de la figura 7.15

111


Como puede observarse el mínimo se encuentra para un valor de Ko alrededor

de 1.9, aunque existe una zona a la izquierda del mínimo que es poco

“sensible”. Estos valores están mas próximos a los obtenidos por Peschiera. La

diferencia con los autores que han recogido datos de campo sobre el túnel

Febex puede deberse a los diques de lamprófido que aparecen en la galería

Febex y que pueden provocar un cambio del estado tensional del macizo. Este

material no se ha implementado en la modelización tridimensional con el

programa CB, y esta puede ser una de las causas de la divergencia.

El último estudio corresponde al packer P4, aunque en este caso se han

considerado dos etapas de excavación, que corresponden a los picos de

incremento de la presión del agua ilustrados en la figura-7.12.

Como en el caso anterior se muestran dos gráficas. La segunda corresponde a

una ampliación de la figura-7.17, para identificar con exactitud el mínimo.

Identificación-Febex-Packer-P4 por etapas

0

5

10

15

20

25

30

35

1,4 1,9 2,4 2,9 3,4 3,9Ko

Func

ión

Obj

etiv

o ( M

Pa)


Figura-7.17: Función objetivo del packer P4 considerando diferentes posiciones del frente

112


Identificación-Febex-Packer-P4 por etapas

0

1

2

3

4

5

6

1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6Ko

Func

ión

Obj

etiv

o ( M

Pa)


Figura-7.18: Ampliación de la figura 7.17

Como en el caso anterior, el mínimo de la función objetivo esta próximo al Ko

1.9, con lo que se sigue conservando una similitud con los resultados obtenidos

por [23].

113

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