Aspectos esenciales a tener en cuenta en el diseño de
túneles viales
Ing. Camilo Marulanda E.
SOCIEDAD COLOMBIANA DE INGENIEROS
Estado de la roca en superficie y en subterráneo
Esquema Diseño Geotécnico
INVESTIGACIONES GEOTÉCNICAS Y CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA
Investigaciones Geotécnicas
Guía General para exploraciones Geotécnicas en túneles
Guía General para exploraciones Geotécnicas en túneles
• SE DEBE SEGUIR SIN EMBARGO UNA “REGLA DE CUIDADO” (Standard of Care) ( Su formulación debe ser el resultado de la mejor práctica y conocimiento posible, siguiendo además un proceso (aproximación) metódico y sistemático para su estructuración, evaluación y desarrollo comprensivo. Mientras mas grande el riesgo mas alto el grado de cuidado).
US ARMY OF ENGINEERS EM-1110-2-2901 30/5/1997
Ensayos de resistencia
Ensayos de resistencia
Sistemas de clasificación de la roca intacta según resistencia
Clasificacion de la roca intacta según Deere & Miller
Criterios de falla en macizos rocosos
13
Material Intacto
Barton-
Discontinuidades
Macizo rocoso
Macizo Isotrópico
Macizo anisotrópico
Índice de Resistencia geológica-GSI-Hoek–Kaiser y Banden( 1995)
14 Hoek y Karzulovic-2000
Módulo de Deformación del Macizo
15
cConceptos para estimar el módulo según Hoek-2007
16
17
Como se caracteriza una fractura o diaclasa?
1. Forma = plana o ondulada
2. Rugosidad=Lisa o muy Rugosa
3. Continuidad
4. Espaciamiento o persistencia
5. Espesor
6. Tipo de relleno
7. Alteración de las paredes
8. Condiciones de agua
9. Aptitud= Rumbo/Buzamiento
Parámetros y comportamiento
18
Barton & Choubey
Estado fresco
Schmith
natural
Angulo básico
ESFUERZOS EN MACIZOS ROCOSOS
Direcciones principales de los Esfuerzos
20
Influencia de la geología estructural
21
s1 s1
Falla inversa
s3 s3
Falla normal
s3
s3
s1
s1
Falla de rumbo
s3 s3
Dique
s1
s1
s1
s1
Pliegue
Medida de esfuerzos verticales
22
Relación K de esfuerzos con la profundidad-Sheorey( 1994)
23
24
Medición de Esfuerzos en macizos rocosos
a. Overcoring o sobre perforación
Método USBM
Celda triaxial CSIR
Doorstopper
b. Fractura Hidráulica o hidrogateo -Mide presiones de agua
c. Gato plano o Flat Jack -Mide dilatación mecánica
Miden deformaciones
Overcoring Celda USBM
25
Hydrojacking- Fracturamiento Hidráulico
26
GATO PLANO
27
Distribución de esfuerzos
28
Efecto de la geometría y los esfuerzos in-situ-Relación k de esfuerzos
29
s1
s1
s3 s3
s3
s1
s1
s3 K < 1
K>1
Curva Característica o de reacción del terreno
Soporte Rígido – Filosofía antigua de
diseño
Soporte Flexible –
Nueva filosofía de diseño
Curva característica
MECANISMOS DE FALLA
32
Según tipos de materiales
• Rocas duras(1)
• Roca blanda (2)
• Materiales de suelos (3)
33
Mecanismo de falla
• EMPUJES TERRENO -Squeezing-empujes montaña(2)
-Swelling-Hinchamiento(2)
-Poping-Rockburts-slabbing(1)
• CARGAS DESPRENDIMIENTO -Material suelto-suelo-portal
-Cuñas de roca(1),(2)
-Zonas fracturadas, cizalla, falla(1),(2)
• PROBLEMAS CON EL AGUA -Filtraciones(1),(2)
-Terreno que fluye (2)
-Agresividad(1)
• GASES - explosivos-metano (2)
- venenosos(1),(2)
• SUBSIDENCIA- Asentamientos y deformaciones en superficie (2)
Mecanismo de falla- Estructuras geológicas
34
Influencia de Fallas Geológicas
Influencia de pliegues
Empujes, Terreno que fluye o rueda, Cargas de desprendimiento,
Filtraciones, gases
Cargas de desprendimiento, Filtraciones, gases
Mecanismo de falla
35
Carsticidad
Filtraciones
Avalanchas
Desprendimientos
Orientación de las discontinuidades- Bloques de roca
36
Mecanismo de falla- Roca blanda
37
Hinchamiento o swelling Empujes de montaña o squezzing
SQUEEZING O EMPUJES DE MONTAÑA
Squeezing o Empujes de Montaña
39
Se produce cuando la redistribución de los esfuerzos que se forman alrededor de la excavación del túnel superan la resistencia del macizo rocoso
Filosofías de diseño y construcción de túneles
40
Po
d
t
Curva de reacción del Terreno
Punto crítico Colapso
P1
U1
P2
U2
Filosofía moderna de soporte
Soportes más flexibles y livianos
Menores costos
Menores tiempos de construcción
Filosofía Antigua de soporte
Métodos constructivos
Método ADECO-RS- Análisis de deformaciones controladas en roca y suelos – Lunardi, P.(2008)
Casos en la cordillera de los Andes
43
Chingaza Yacambú
Túnel del Colegio – Sistema de sostenimiento con arcos
44
Calificación del fenómeno de empujes (squeezing)
45
Planta Geológica
Secuencia de rocas metasedimentarias (meta lutitas, meta areniscas, meta lodolitas) con niveles carbonosos , intercaladas con franjas de vulcanitas , zonas cizalladas y cataclizadas
Esquisto negros, grises, cataclasitas, milonita, gouge de falla, sulfuros e inyecciones de cuarzo y carbonatos tectonizados
Localización Zonas de falla Campanario y La Soledad
Zona de Influencia Falla Campanario Zona de Influencia Falla La
Soledad
Desplazamientos de convergencia registrados en le túnel Piloto a mayo de 2008
Zona de Influencia Falla Campanario- 120 mm Zona de influencia Falla La
Soledad- 420 mm
Comportamiento Squeezing ground
Túnel Piloto Falla La Soledad
Deformaciones durante construcción
Desplazamientos Desplazamientos
Daños del soporte
Desplazamientos
Abombamiento de la sección
Deformaciones durante construcción
Zonas del túnel Principal con invasión de la sección y daño en arcos
Invasión de la sección por convergencia – arcos doblados
Arcos dañados HEB FALLA LA SOLEDAD
Falla La Soledad
Casos de túnel averiados y necesidades de realizar reperfilación
Arcos HEB 100 doblados
Arcos HEB 100 doblados
Arcos Cortados
Túnel de Buenavista-frente Rionegro análisis convergencias totales- Cierre del anillo de soporte- Solera
curva a tiempo
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
154
160
188
210
250
280
320
360
381
441
471
488
491
545
563
572
636
643
652
Co
be
rtu
a e
n m
etr
os
Co
nv
erg
en
cia
m
ABSCISADO
Convergencia
Cobertura
Se desconoce informacion
Sobre la construccion de la solera
Solera mas rapido
Solera mas tarde
Solera oportunamente
Efecto de la solera curva
A destiempo A tiempo
Lutitas de la formación Cáqueza
Proyecto Guavio- Zona de falla de San Luis convergencias y coberturas.
Lutitas de la formación Cáqueza
Uso de arcos similares al HEB con juntas deslizantes
Caso yacambú – Venezuela( Zona de falla Boconó
Empujes y deformaciones
58
Yielding Support
59
PROBLEMAS DE CREEP
Comportamiento de la roca bajo creep
Cambio del comportamiento de las curvas de deformación unitaria versus tiempo dependiendo del nivel de esfuerzos
62
Creep - Catedral de sal de Zipaquirá
63
Túneles para complejos turísticos derivados de Minería -
64
Nueva Catedral de Zipaquira
SWELLING O HINCHAMIENTO
PROYECTO MESITAS- TUNEL DE FUGA.
66
•Túnel 5m de diámetero, 20m de
cobertura.
•Soporte: arcos de acero y c.n.
•Cuatro meses después.
•Swelling.
•Importancia de los pernos.
•Geometría invert.
1000 µm
1000 µm1000 µm
Fig.5
b
a
CRECIMIENTO DE CRISTALES
1000 µm
1000 µm1000 µm
Fig.5
b
a
Undisturbed anhydrite Anhydrite affected by epitaxial growth
3. Lessons
68
Swelling ground
Swelling ground- Efectos
69
Swelling ground
70
Solera curva reforzada
Pernos de anclaje profundos Puenteo
Reemplazo material
deformable y solera curva
Túnel El Faro- Sistema Chingaza
Resistencia a la compresión inconfinada – Arcillolitas Formación Regadera
Túnel El Faro- Sistema Chingaza
ROCKBURTS, POPING O SLABBING
Mecanismos de falla- Estallido de rocas
74
Empujes del terreno-Rock burst
75
Fallas por Rock Burts
76
CUÑAS DE ROCA
Incidencia en el tamaño de la excavación
78
Sin cuñas de roca
METODO GRAFICO
79
Influencia discontinuidades
80
Caso de desprendimiento de una cuña de roca
81
Geometría del túnel
Cuñas de roca
82
TERRENO QUE FLUYE
Mecanismo de falla- Terreno que fluye o corre
84
Terreno que corre –Running Ground
TERRENO QUE FLUYE
85
AGUA DE INFILTRACIÓN
Problemas de filtraciones de agua
87
Fallas por irrupciones de agua
Escuela Ciolombiana de Túneles 88
Problemas de filtraciones de agua
89
PROBLEMAS O MECANISMOS DE FALLA EN SUELOS
91
• 1.FIRM GROUND= Permite colocar soporte primario Arcillas rígidas, granulares cohesivos o cementados-.
• 2. RAVELING GROUND =Material se desprende y forma huecos= soporte pronto----agua es importante -arenas y limos cohesivos
• 3. RUNNING GROUND =materiales sin cohesión= forepiling, escudos, congelamiento, inyecciones (jet grouting)---agua importante---Soporte inmediato = arena séca, gravas, que corren ángulo reposo
• 4. FLOWING GROUND= Agua con presión y terrenos cohesivos o no cohesivos =drenajes inyecciones o congelamiento.
• 5. SQUEEZING GROUND= empujes= escudos y soporte rígido inmediato.= arcillas blandas
Mecanimos de falla en túneles en suelo
SOSTENIMIENTO
Medidas de soporte frente a mecanismos de falla más frecuentes
Mecanismo de
falla CL F PA AM EN SP
SC
NC HP D I CC
1 Hinchamiento o
swelling X(1) X
2 Squeezing
Ground X X X X X X X X(2)
3 Cuñas de roca X X X
4 Cargas de
desprendimiento X X X X X x x x
5 Terreno que fluye-
Flowing groung X X X
7
Terreno que
Rueda- running
groung X X X X X X X x x
8 Creep x x x x
CL= Concreto lanzado
F=fibra
PA=pernos de anclaje
AM= Arcos metálicos
EN= enfilajes
SP= Sección parcializada
SC= solera curva
D= huecos de drenaje
I= inyecciones
NC = núcleo natural central de
sostenimiento
HP= Hueco piloto
PFV= Pernos de fibra de vidrio al
frente
CC= Revestimiento completo en
concreto convencional
1. Pernos en el piso 2. En casos de empujes altos
o severos
Pernos
Objetivo del reforzamiento con pernos
Efecto de los Pernos
96
Efecto de los Pernos
97
Pernos colocados en la Bóveda de grandes excavaciones
Forman un anillo de roca alrededor del túnel que ayuda en la preservación de la resistencia de la masa y en el proceso de estabilización y de control de las deformaciones, controlando que se prolongue el espesor de zona plástica
Tipo de pernos
99
Pernos con resina o lechada
Pernos con expansión mecánica
Tipos de Pernos de Anclaje
Cables o tendones Inyectados con lechada
Inyectados con Resina
Tipo de pernos
101
Perno Split Set
Pernos Swellex
Resultados de ensayos de carga –Pernos según Hoek
Aporte del sistema de pernos radial con la longitud de los pernos- Reforzamiento de la masa de roca
Reducción del espesor de zona plástica
Reducción de las deformaciones radiales
Aumento de la presión de soporte interna equivalente por reforzamiento de la masa de roca
Concreto lanzado
Esquema de aplicación con robot
105
Macro fibras metálicas vs sintéticas
• Fibras metálicas:
Mejor comportamiento a bajas
deformaciones.
– La primera fisura se
presenta a mayor
carga.
– Carga máxima superior
que en fibras sintéticas.
Ductilidad
Fuente: Asocreto
• Fibras sintéticas:
Mejor comportamiento a altas
deformaciones.
– Menor caida de
capacidad de carga
posterior a la
fisuración.
– Mantiene su capacidad
de carga
Fuente: Asocreto
Resistencia residual
Macro fibras metálicas vs sintéticas
Comentarios sobre fibras de refuerzo para concreto lanzado
• El empleo de fibra sintética es más económico; sin embargo, puede representar una disminución en la durabilidad del soporte o revestimiento, cuando es sometido a cargas permanentes como creep del terreno.
• La combinación de fibras permite una reducción en el costo (Entre el 15 y el 20%), disminuyendo un poco la carga máxima pero mejorando la capacidad de carga residual.
Seguro
Inseguro
25mm 25mm
Carga Carga
Deformación Deformación
Arcos metálicos
110
Métodos de Diseño de arcos
• Clasificaciones Geomecánicas= Empíricos (dan recetas para el uso de soporte p.e arcos)
• Terzaghi-1946
• Bieniawski Rock Mass Rating)-1976-1989
Barton( Q- Quality Index)-1974
Wickham( RSR- Rock Structure Rating)-1972
• Métodos estructurales Analíticos para el diseño del arco
Protor & White-1946
Biron et al.-1980
Hoek et al.-1980
Categorías de Soporte Estimadas de Indice Q
Métodos de diseño-Análisis estructural del arco-Protor
& White o Biron y otros
112
b
qv (carga-t/m)
h
Ax By
Ay By
Momento
negativo(-)
Momento
positivo (+)
Área
Inercia o modulo de
rigidez
Espaciamiento
Secciones muy robustas
Métodos de diseño-Análisis estructural del arco
113
b
qv (carga-t/m)
h
Ax By
Ay By
Momento
negativo(-)
Momento
positivo( +)
Reducción de momentos flectores y cortantes- Arco trabaja más axialmente – Consecuentemente secciones de arcos menos pesados
Análisis confinamiento del arco en relación con el factor de momento flector
114
Factor de momento para un HPR con relacion H/B=1 en diferentes grados de confinamiento
0.000
0.010
0.020
0.030
0.040
0.050
0.060
0 2 4 6 8 10 12 14
Punto sobre el arco
Val
or fa
ctor
Factor de momento con 0% de confinamiento Factor de momento con 50% de confinamiento
Factor de momento con 100% de confinamiento
Amplificación del factor por
momento A
um
en
to
co
nfi
nam
ien
to
TIPOS DE PERFILES MAS UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE CERCHAS :
PERFIL HEB
PERFIL IPN / UPN
CERCHAS RETICULADAS
:
II.- Perfiles diseñados específicamente :
PERFIL Ω (THN)
Cargas en arcos metálicos
Sistemas de arcos
Enfilaje o forepoiling Lattice girder o viga reticulada
Análisis interacción soporte ( arcos – concreto lanzado ) y roca
Análisis estructural – Diagramas de capacidad estructural método numérico
Diagrama de Momentos
Axial Cortante
Diagrama capacidad estructural- Cortante
vs Axial
Diagrama capacidad estructural-
Momento vs Axial
Análisis para diferentes materiales- Arco y concreto lanzado
Momento flector
Axial
Cortante
Diagrama de capacidad estructural de elementos combinados( Arco- concreto lanzado)
Diagramas de capacidad estructural
Diagrama de capacidad estructural Arco metálico
Diagrama de capacidad estructural Concreto lanzado
REVESTIMIENTO
TÚNELES VIALES
• Confort y seguridad( Iluminación,
ventilación, visibilidad, superficies secas, etc)
• Estabilidad a largo plazo
Conceptos Generales - Revestimiento-operación
• Mejorar las condiciones de iluminación y ventilación
• Para mejorar visibilidad
• Por confort de los usuarios
• Por seguridad y estabilidad
• Para captar y manejar el agua de infiltración. Sistemas de impermeabilización con membranas u otros.
PROPÓSITOS REVESTIMIENTO
• Revestimiento = Estructura generalmente en concreto que reviste la cavidad y está generalmente en contacto con el terreno.
• Algunos indican que para terrenos con RMR> 50 el revestimiento no tiene ningún objeto estructural sino estético. Hay túneles sin revestimiento que permanecen estables.
• El tipo de roca y el soporte colocado durante construcción define si aplica estructuralmente o no. p.e Expansión, creep, aflojamiento, roca blanda y agua son factores determinantes.
Conceptos generales
Costo y tiempo de mantenimiento
Reflexión de luz alta y no difusa-por Visibilidad
Superficie no absorbente resistente al agua, aceite, hollín, lavable con detergentes
Resistente al envejecimiento y a la corrosión atmosférica dentro del túnel.
Resistente al fuego. No debe contribuir en humos nocivos en un incendio.
Reemplazable cuando se daña y removible para acceso de servicios ubicados detrás de este.
Espesor mínimo siguiendo la sección transversal del túnel.
Criterios para seleccionar revestimiento
Aplican para revestimiento apoyados sobre la roca
Mejoran el concepto de flexibilidad y compresibilidad-Reducen efectos por cargas desbalanceadas
Son inyecciones de lechada de cemento o mortero que rellenan huecos existentes entre la roca y el revestimiento.
Generalmente dos huecos penetrando 0.30 m en roca a 15° a lado y lado del eje c/a 5 m
Presiones de inyección menores a 0.2 Mpa
Se usan lechadas más o menos gruesas
Conceptos de revestimiento-Inyecciones de contacto
• Generalmente en roca y túneles profundos no se requiere acero de refuerzo.
• Dado ambiente húmedo y uso de juntas es factible reducir acero de refuerzo por retracción y fraguado- Existen otros medios para control de retracción y fraguado p.e uso puzolanas.
• El acero de refuerzo se requiere cuando hay:
Terrenos expansivos En zonas de falla En juntas de unión de zapatas y contra bóveda para
dar continuidad estructural en caso de que se requiera.
Zonas de solicitación sísmica importante-p.e hacia portales
Otros conceptos del revestimiento
• Es un problema de interacción terreno-estructura
• Cuando la instrumentación muestra que el túnel es estable con el soporte, el revestimiento en concreto no recibe cargas del terreno.
• El revestimiento en concreto actúa como una membrana que redistribuye cargas externas dependiendo del grado de flexibilidad que este tenga.
• Si el valor de coeficiente de flexibilidad es superior de 20 para el espesor de revestimiento analizado, es apropiado para absorber cargas desbalanceadas o sísmicas, reduciendo el efecto de momentos flectores, y esfuerzos cortantes sobre la sección.
Aspectos generales
Terreno
Revestimiento
El revestimiento en un túnel vial es una estructura en arco autoportante, donde si no hay cargas del terreno esta puede ser analizada por cargas por peso propio.
Si el material que se excava y permanece en estado elástico o las deformaciones se han estabilizado con un FS adecuado, el revestimiento no recibe cargas del terreno.
Para reducir su espesor y requerimientos de acero de refuerzo se deben adoptar criterios de flexibilidad y compresibilidad.
Se diseña por carga externa. P.e agua fréatica detrás acumulada por geomebrana impermeable, peso propio. Solo cargas del terreno cuando eventualmente hay empujes remanentes previo registro de instrumentación.
Criterios para diseñar el revestimiento
Métodos de diseño
SAP 2000 U OTROS
Método de las reacciones híper-estáticas
Métodos basados en líneas características= Parten de hipótesis simples= geometría circular, cargas hidrostáticas
Cálculos basados en elementos finitos= permite revisar el revestimiento para: a) geometría real, b) anisotropía del medio, c) esfuerzos remanentes del terreno o d) tipos de cargas por eventos de agua o eventos sísmicos, d) interacción roca – estructura.
Métodos de diseño
SISTEMA DE IMPERMEABILIZACIÓN Y DRENAJE
Las infiltraciones ocasionan daños a
equipos, a la capa de rodadura,
revestimiento y por lo tanto
repercuten en la seguridad y confort
de los usuarios de la vía.
Su presencia ocasiona altos costos de
mantenimiento de túneles viales.
CRITERIOS Y CONCEPTOS GENERALES
El concepto en túneles viales es captar aguas y encausarlas a un colector general.
Se debe evitar presiones de agua detras de los revestimientos mediante sistemas elaborados de drenaje. Con esto se aumenta la seguridad y se reducen costos en el revestimiento.
CRITERIOS GENERALES
Inyecciones del terreno –costoso y no muy efectivo.
Huecos de drenajes y tuberias o mangueras- para casos aislados y de agua concentrada en fracturas
Membranas o láminas impermeables- Sistema más común y efectivo
Revestimientos en concreto poco permeables
Colocación de aceros de refuerzo para reducir filtraciones es poco efectivo y costoso.
SISTEMAS DE IMPERMEABILIZACION Y CONTROL DE AGUA
SISTEMAS DE IMPERMEABILIZACION Y CONTROL DE AGUA
Control de aguas de infiltración
Sistema Oberhasli para drenaje de Tuneles Fuente: Adaptado, (Rivas & Rey, 2005). Sistema Impermeabilización Posterior de Túneles y Galerias
140
. Sistema control del agua, solución drenada.
Fuente: Adaptado, (BASF, 2014). Pre inyecciones de Excavación
para túneles en roca.
Sistemas de control y drenaje del túnel Fuente: Adaptado. Manual de Túneles y Obras subterráneas.
(Jimeno, 1997) Lamina drenante con Geotextil
Fuente: Exposición Orión, 2017
Manejo de surgencias puntuales en un túnel.
Detalle de impermeabilización y drenaje
Viga base
Impermeables
Resistentes al fuego
Durables
Resistentes a los agentes químicos
Fáciles de instalar y reparar
Resistencia mecánica y térmica-elástica; tracción o desgarramiento y punzonamiento
Membranas Impermeables
Comparación de características PVC y PR
Otros aspectos – resistencia al fuego
Ante un incendio, estos elementos deben ser : Auto extingibles Reducir o evitar la producción de gases tóxicos No deben producir gota de llama, para así reducir fatalidades
dentro de los túneles, y garantizar seguridad vial. Tanto el policloruro de vinilo ( PVC) como el polietileno de alta
densidad( PHD) y el polietileno reticulado producen gases tóxicos.
Detalles membrana
Sistemas de colocación – Concreto lanzado
Pernos especiales de fijación
Aplicación de concreto Lanzado
Instalación de arañas
• Se utiliza malla electrosoldada para aumentar
la rugosidad
• Se fijan por medio de pernos especiales y
“arañas” de fijación
Proceso constructivo
Nichos de parqueo
DETALLES TIPICOS DE LA SECCIÓN DE REVESTIMIENTO TERMINADA
Fin