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CLASE Nº 6 DE TÚNELES
Universidad de Los AndesFacultad de IngenieríaDepartamento de Vías
Geotecnia
Prof. Silvio Rojas
Mayo, 2009
Se trata de definir coberturas límites:
TÚNELES EXCAVADOS CONVENCIONALMENTE -GEOMECÁNICA SOPORTES Y REVESTIMIENTOS
Gianfranco Perri
2.- Rango de cobertura intermedias
1.-Cobertura inferior
comportamiento geomecánico de la sección, las cargas a soportar y el soporte requerido,
comportamiento de la sección
son función esencialmente de las características geomecánicas
Las características geomecánicas
Equilibrios relacionados con la proximidad de la sección a la superficie.
3.-Cobertura superior,
Características geomecánicas
El estado de tensiones y deformaciones del medio, antes y después de la excavación
comportamiento de la sección
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:
3.- Un modelo continuo equivalente
1.- Un modelo continuo
2.- Un modelo discontinuo
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 macroscópicamenteisótropicos en relación con la escala de la aplicación específica.
Medio más competente
La metodología de Hoek y Brown (1997), requiere el conocimiento de tres parámetros:
1.- La resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta “σci”. Ver tabla
2.- La constante “mi” 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 “φm”
2.- La cohesión del macizo rocoso “Cm”
3.- La resistencia a la compresión uniaxial del macizo rocoso”σcm”
4.- El módulo de deformación del macizo rocoso “Em”
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
Macizo rocoso
GSIccm e 031,0025,0 ⋅⋅= σσ
GSIc ec 026,00013,0 ⋅⋅= σ
imGSIGSI log50016,0424,0 2 +−−⋅=φ
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:
Donde:
σcm : Resistencia a la compresión simple de la masa rocosa
GSI : Indice de calidad geomecánica de la masa rocosa
C,φ : Parámetros de resistencia de Mohr-Coulomb
e : Base del logaritmo neperiano
Para chequear con las anteriores (Propuestas años antes que las anteriores )
Chipped: astilla, desportilla
Valores de mi
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.
E:
Limolita blanda o pizarra arcillosa con capas de arenisca.
B:
Arenisca con delgadas capas intercaladas de limolita.
C:
Arenisca y limolita en cantidades similares
D:
Limolita o pizarra limosa con capas de arenisca.
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.
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.
2331 . cc sm σσσσσ ++= ( )B
cc TA −= σσστ /.
+−⋅= smmT 42/1 2
2331 . cc sm σσσσσ ++= ( )B
cc TA −= σσστ /.
+−⋅= smmT 42/1 2
2331 . cc sm σσσσσ ++= ( )B
cc TA −= σσστ /.
+−⋅= smmT 42/1 2
Condición de la superficie de las discontinuidades
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.
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.
CLASE DE COMPORTAMIENTO DE LA EXCAVACIÓN
Simplificando, se puede indicar que depende:
1.- Del estado de solicitación naturalpreexistente.
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.
IC elevados ocurre en coberturas moderadas donde las solicitaciones naturales, resultan naturalmente bajas.
“Índice de competencia de la excavación”, IC
Se relaciona:
Estado de solicitación natural y resistencia geomecánica
IC bajos, indica solicitaciones naturales elevadas en relación con la resistencia del macizo natural.H
IC cm
⋅=
γσ
s.r
H debe ser la carga de roca sobre el túnel
El factor de seguridad(resistencia / solicitaciones)
(FS > 2.5)
El GSI principal controlador de la excavación cuando las coberturas son moderadas , es elevado GSI>60
Clase de comportamiento A
La cavidad y el frente son estables.
Los esfuerzos en el frente y al contornode la cavidad, debido a la redistribución de esfuerzos naturales,
No superan resistencia
Las deformaciones
Se mantienen en estado elástico, y son del orden de pocos centímetro
La deformación radial libre de la cavidad
(ε = desplaz radial / Ro, ε <1%)
La deformación al frente (, εo<0.5%)
La plastificación es prácticamente inexistente (Rp/Ro = 1, Rp: Radio plastific.)
El IC es elevado IC>0.45 (solicitaciones bajas)
Las intervenciones de estabilización son mínimas.
Clase de comportamiento A
Influencia del agua
En general un régimen hidrodinámico no afecta la estabilidad del túnel
En terrenos alterables o gradientes muy altos se puede afectar la resistencia en planos de discontinuidades (caídas de bloques)
Clase de comportamiento B
El factor de seguridad
Frente será (FSf ≅ 2)
Cavidad (FSc ≅ 1 )
El GSI principal controlador de la excavación cuando coberturas moderadas, es alto (40 < GSI< 60)
La cavidad y el frente
Estables a corto plazo.
Los esfuerzos frente y al contorno de la cavidad, debido a la redistribución de esfuerzos naturales
se acercan a la resistencia
Las deformaciones
En el frente se mantienen en el estado elástico
En la cavidad están estado elasto- plástico algo diferidas (del orden de centímetros).
La deformación al frente (εo < 0.5%)
La deformación radial libre de la cavidad ( 1% < ε < 2.5 %)
La plastificación es prácticamente inexistente
(1 < Rp/Ro < 2)
El IC ( 0.3 < IC< 0.45)
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
Se debe desviar el agua de la zona del frente
Caídas de bloqueseventualmente en el frente y en el contorno de la cavidad.
Clase de comportamiento B
Las intervenciones de estabilización deben evitar el completo desconfinamiento del macizo rocoso en el contorno de la cavidad
Clase de comportamiento C
El IC ( 0.2 < IC< 0.30)
El GSI principal controlador de la excavación cundo las coberturas son moderadas, es reducido (30 < GSI< 50)
La cavidad y el frente
son inestables.
Los esfuerzos en el frente y al contorno de la cavidad
Supera la resistenciadel 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 el frente (0.5 < εo < 1%)
En la cavidad lejos del frente resultan algo críticasy en estado plástico.
Def radial libre de la cavidad ( 2.5% < ε< 5 %)
La plastificación (2 < Rp/Ro < 4)
Clase de comportamiento C
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.
Soporte
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 vidrioresina
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.
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.
Clase de comportamiento C
Clase de comportamiento D
La cavidad y el frente
Son inestables
Los esfuerzos que se establecen en el frente y al contorno de la cavidad,
Superan las características de resistencia del medio
en el frente será(FSf <1)
y en la cavidad (FSc < 1 )
Las deformaciones
Evolucionan rápidamente
Caídas del frente y el colapso de la cavidad.
La deformación al frente ( εo > 1%)
La deformación radial libre de la cavidad ( 5% < ε< 10 %)
La plastificación Rp/Ro > 4)
Las deformaciones axiales del núcleo, presentes bajo la forma de extrusiones o colapsos, condicionan la estabilidad del túnel.
Influencia del agua
En régimen hidrodinámico, se traduce en fenómenos de arrastre de materiales.
El GSI principal controlador de la excavación cuando las coberturas son moderadas es bajo (20 < GSI< 40)
El IC ( 0.15 < IC< 0.20)
En el frente las deformaciones son críticas para las normales velocidades de avance.
Las deformaciones
Las condiciones de la cavidad lejos del frente resultan aún más críticas con una consecuente convergencia radial muy importante.
Clase de comportamiento D
Favorece la extensión de la plastificacióne 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.
Clase de comportamiento D
Soporte
No hay tiempo de actuar con intervenciones de contención radial
Para contener el desarrollo de la plastificación en el frente de la excavación y en el sentido radial
Consolidación preventivadel núcleo con elementos resistentes de vidrio resinaconectados al macizo mediante inyecciones de mezclas de cemento.
Los elementos deben estar integrados y su densidad y longitud dependerá esencialmente del comportamiento deformacional del macizo rocoso alrededor de la excavación.
El soporte primario debe estar constituido por una espesa capa de concreto proyectadofibroreforzado 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.
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 cuñasque puedan producirse en la zona de clave en avances posteriores
2 ParaguasSe 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 fracturadao muy alterada
Solape entre tubos de 2 a 3 m, Cuando la zona atravesar es amplia.
El paraguas actúa como una viga, por tanto deben apoyarse. Por tanto deben colocarse cerchas a medida que se avanza.
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 apropiadospara atravesar zona de materialsuelto (zona de falla) o roca descompuesta
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
2 Bulonado del frente Se cose el frente con bulonado L = 9 m
Prefible los bulones debenser de fibra de vidrio que son fáciles de excavar
1 Bulón por metro cuadrado
Proporciona buena estabilidad del frentetanto en suelos como en rocas alteradas y fracturadas
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
4 Excavación a media sección
Es una buena medidapara estabilizar un frente
Se excava en dos fases mínimo
Desfase mínimo entre ambas 20 metros
Si hay más divisiones requiere mayor organización
Clase de comportamiento D
Clase de comportamiento E
Cavidady frente
Comportamiento inestable
Los esfuerzos en el frente y al contornode la cavidad
Superan las características de resistencia del medio.
En el frente será(FSf <<1) y en la cavidad (FSc < <1 )
La inestabilidad es a corto plazoEn el frente
Derrumbes inmediatos como consecuencia de las operaciones de avance
Convergencia libre de la cavidad muy acentuada.
Es necesario la evaluación geo-estructural e hidrogeológicas.
Clase de comportamiento E
Comportamiento es típico
Macizos rocosos cataclasados
Zonas de falla
Cruce de fallas
fuertes gradientes
Desequilibrios tensionales elevadísimos
Deformaciones
La deformación al frente (ε o >> 1%)
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)
El soporte primario debe ser como el indicado en la clase D, pero ademásdebe 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.
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.
DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS Y DIMENSIONADO DEL SOPORTE
Pasos:
Diferenciar las secciones de excavaciónde 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.
1.- Preselección cualitativa del soporte
2.- Elaborar un detallado diseño estructural
De acuerdo a la clase de comportamiento de la excavación.
a.- Determinación práctica de las cargas actuantes sobre la estructura del soporte
b.-Determinación de la rigidez de los terrenos que acogerá el soporte.
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.
GSIbHi
75⋅=15
GSIbHs ⋅= b: Ancho o diámetro equivalente
Las expresiones indican:
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.
Al aumentar la calidad del macizo (GSI)
Se amplia el rango de coberturas intermedias, donde el comportamientode la excavación, el soporte, estánsolamente asociadas en primera instancia al GSI.
Distribución de cargas sobre el soporte:
Para el revestimiento definitivo
Para las secciones de excavación con coberturas bajas y coberturas intermedias
Cargas gravitacionales verticales en bóveda
Cargas Horizontales en los hastíales
Revestimiento definitivo
Revestimiento definitivo
coberturas bajas (H <= Hi)
Las cargas horizontales son las obtenidas por lateoría clásica de empujes sobre estructuras de contención de tierra y además actuarán las acciones sísmicas.
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
Para las secciones de excavación con coberturas moderadas (Hi< H <= Hs)
El revestimiento definitivo, solamente deberá recibir aquella porción de carga no absorbida por el revestimiento primario.
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 comenzara 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 mi
Revestimiento definitivo
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
Para las seccionesmás profundas
Revestimiento definitivo
Las acciones sísmicas se aplicarán donde lo recomienden los estudiosgeológicos y geotécnicos.
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 equilibrioalcanzado con el soporte primario
Para el soporte primario
Soporte primario
coberturas bajas (H <= Hi)
La carga de equilibrio sobre el soporte primario son las cargas gravitacionales (γ.H)
Indistintamente la cobertura.
Se aplican cargas radiales en bóveda y hastíales.
Para el soporte primario
Soporte primario
Coberturas moderadas (Hi< H <= Hs)
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.
Indistintamente la cobertura.
Se aplican cargas radiales en bóveda y hastíales.
α: Coeficiente de proporcionalidad lineal de Terzaghi. Función del GSI y mi
Para el soporte primario
Soporte primario
Coberturas profundas ( H >Hs)
Las cargas de equilibrio de contraste actuantes sobre el soporte primario, serán las radiales que resulten de un análisis de interacción por líneas características
Indistintamente la cobertura.
Se aplican cargas radiales en bóveda y hastíales.
mi
GSI
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 primariopara a un túnel de 10 m de ancho (b) o de diámetro equivalente, para los diferentes comportamientos.
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 C UANTO 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
Soportes preliminares para distintos rangos de coberturas, para túnel de 10 m de ancho.
Selección específica del soporte, para cada sección de diseño
Tome en cuenta la presión que actúa sobre elsoporte
La presión dependerá de las coberturas y las posibles condiciones geomecánicas
La presiones deben ser chequear la capacidad de resistencia de los soportes.
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:
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.
Cuando los análisis se hacen con presiones uniformes sobre todo el perímetro del soporte, no se producen tracciones en las zonas de la bóveda.
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
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.
La tabla siguiente es obtenida a partir de todos los análisis llevados a cabo anteriormente
( ) ( )[ ]H
em
HIC
GSImciicm
i
⋅⋅+⋅⋅⋅=
⋅=
⋅−
γσ
γσ 1.08.0 025.0029.10034.0
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 competenciaIC para coberturas elevadas
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
Filosofía adoptada en el diseño y construcción de l os 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)
La caracterización física y geomecámica, del macizo rocoso, debe ser expresada en términosestadísticos 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)
El soporte primario debe garantizar la seguridadde 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
Limitar la deformación del frente (extrusiones), incrementando adecuadamente su rigidez, es determinante en la estabilidaddel 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).
REVESTIMIENTO DEFINITIVO
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.
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.
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 geométricade la sección
c.- Contribuir a la impermeabilización
d.- El espesor mínimo será de 30 cmcompatible con las exigencias tecnológicas.
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 coeficiente de reacción característico del macizo rocoso corresponde a una probabilidad que exceda el 95%
El análisis estructural, se realiza a partir de los valores medios y desviaciones estándar de GSI, σci y mi.
La presión actuante corresponde a una probabilidad que no exceda el 95%
11.- El estado límite de agotamiento se evalúa para la siguiente combinación de cargas
CBPPU ⋅+⋅= 3.12.1
donde:
PP: Peso propio
CB: Carga de Bóveda
12.- Cuando se considera la acción sísmica, la combinación es:
SCBPPU ++=
13.- Cuando no se considere la carga de sismo y la carga de roca resulte despreciable, la combinación de las acciones será:
DTPPU ⋅+⋅= 2.12.1donde:
DT: Decremento de temperatura (s.r esfuerzo o carga por deformación de temperatura)
SCHCBPPU
CHCBPPU
CHCBPPU
CHCBPPU
+++=⋅+⋅+⋅=⋅+⋅+⋅=⋅+⋅+⋅=
3.18.09.0
8.03.12.1
3.13.12.1
14.- Para los casos de carga superficiales e intermedios, se aplican las combinaciones que incluyen también la carga de hastíales (CH)
