Túneles
(64.08) Mecánica de Suelos FIUBA - 2009
Túneles
Índice
2
• • • •
Introducción conceptual Procedimientos constructivos Métodos de diseño Patología de túneles
Índice
Túneles
• Introducción conceptual – – – –
Definición de túnel Elementos de un túnel Principio de funcionamiento El efecto frente
• Procedimientos constructivos • Métodos de diseño • Patología de túneles
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Túneles
Definición de túnel
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Túnel: Paso subterráneo abierto artificialmente para establecer una comunicación a través de un monte, por debajo de un río u otro obstáculo (Diccionario de la lengua española, Real academia española)
Túneles
Definición de túnel Túnel: Paso subterráneo abierto artificialmente para establecer una comunicación a través de un monte, por debajo de un río u otro obstáculo (Diccionario de la lengua española, Real academia española)
En lo que sigue se analizarán túneles ejecutados mediante excavación subterránea, en suelos y rocas
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Túneles
Elementos de un túnel
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Los elementos de un túnel son • Bóveda • Hastiales • Solera
Túneles
Elementos de un túnel Los elementos de un túnel son • Bóveda • Hastiales • Solera Puede construirse en una o dos etapas • Sosten. primario • Rev. definitivo 7
Principio de funcionamiento de un túnel
Túneles
Un túnel es un orificio practicado en un sólido tridimensional: el terreno
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Túneles
Principio de funcionamiento de un túnel
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Un túnel es un orificio practicado en un sólido tridimensional: el terreno • Si este sólido – el terreno – es muy competente, no se requiere un “refuerzo de borde”
Túneles
Principio de funcionamiento de un túnel
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Un túnel es un orificio practicado en un sólido tridimensional: el terreno • Si este sólido – el terreno – es muy competente, no se requiere un “refuerzo de borde” • Si el sólido – el terreno – es menos competente, se requiere un “refuerzo de borde”que es el sostenimiento
Túneles
Principio de funcionamiento de un túnel
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Un túnel es un orificio practicado en un sólido tridimensional: el terreno • Si este sólido – el terreno – es muy competente, no se requiere un “refuerzo de borde” • Si el sólido – el terreno – es menos competente, se requiere un “refuerzo de borde”que es el sostenimiento El terreno se sostiene a sí mismo con la colaboración del sostenimiento, diseñado para aportar el refuerzo que el terreno – necesita
Principio de funcionamiento de un túnel
Túneles
Diseñar es elegir una forma estructural que ayude al terreno a sostenerse a sí mismo
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Túneles
Principio de NO funcionamiento de un túnel
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El efecto frente
Túneles
2D
14
3D
El efecto frente
Túneles
2D
15
3D
El efecto frente 3D
Túneles
2D
Caída de bloques
16
El efecto frente 3D
Túneles
2D
Caída de bloques Extrusión plástica
17
El efecto frente 3D
Túneles
2D
Caída de bloques Extrusión plástica Falla desde la superficie 18
Índice
Túneles
• Introducción conceptual • Procedimientos constructivos – – – –
El túnel Old Mainz Métodos Alemán, Belga, de frente completo, side drift Túneles NATM en rocas Escudos y tuneleras
• Métodos de diseño • Patología de túneles
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Procedimientos constructivos: ¿Tenemos muchas opciones?
Túneles
Nuevo túnel paralelo al Old Mainz tunnel (1884) • Viejo túnel
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– Arenas y calizas – Método Alemán – Asentamientos mayores a 10 cm
Túneles
Procedimientos constructivos: ¿Tenemos muchas opciones? Nuevo túnel paralelo al Old Mainz tunnel (1884) • Viejo túnel: Método Alemán • Nuevo túnel: NATM – Shotcrete, pernos, inyecciones, paraguas, side drift – Asentamientos < 1.5 cm
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Descripción de métodos constructivos
Túneles
• Suelos – – – –
Método alemán Método belga Side drift Método de frente completo
• Rocas – Drill & Blast – Rozadoras
• Tuneleras 22
Túneles
Método alemán
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1. 2. 3. 4.
Hastiales con hormigón moldeado Bóveda primaria con hormigón proyectado Bóveda secundaria con hormigón moldeado Solera con hormigón moldeado
Túneles
Método alemán
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Túneles
Método alemán
25
Túneles
Método alemán
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Túneles
Influencia del método constructivo sobre el diseño
Axial forces Extreme axial force -293.27 kN/m
27
Túneles
Influencia del método constructivo sobre el diseño
15.00
Axial forces Extreme axial force -293.27 kN/m
28
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
21.00
22.00
23.00
24.00
25.00
26.0
Túneles
Método belga 1. 2. 3. 4.
Bóveda primaria con hormigón proyectado Bóveda secundaria con hormigón moldeado Hastiales con hormigón moldeado por troneras Solera con hormigón moldeado 1
29
2
3
4
5
6
Túneles
Método belga
30
Túneles
Método belga
31
Túneles
Método belga
32
Túneles
Método belga
33
Túneles
Método belga
34
Túneles
Método belga
35
Túneles
Método belga
36
Túneles
Método belga
37
Túneles
Método de frente completo
38
1. Bóveda y hastiales con hormigón proyectado 2. Solera con hormigón moldeado 3. Bóveda y hastiales con hormigón moldeado
Túneles
Método de frente completo
39
Túneles
Método de frente completo
40
Túneles
Método de frente completo
41
Túneles
Método de frente completo
42
Túneles
Método de frente completo
43
Túneles
Método de frente completo
44
Túneles
Método de frente completo
45
Túneles
Método de frente completo
46
Túneles
La Estación Corrientes
47
Túneles
La Estación Corrientes
48
Túneles
La Estación Corrientes
49
Túneles
La Estación Corrientes
50
Túneles
La Estación Corrientes
51
Túneles
La Estación Corrientes
Todas las etapas de construcción a la vez 52
La Estación Corrientes
Túneles
Vista desde el banco intermedio
53
Túneles
NATM para macizos rocosos
54
Túneles
NATM para macizos rocosos
55
Túneles
Escudos Equipos para excavación mecanizada • Excavadora de uñas • Rozadora Permiten secciones no circulares
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Túneles
Tuneleras Máquina provista de • Disco circular que rota y avanza • Dispositivos para – Erección de dovelas – Colocación de pernos
El terreno no queda expuesto, la estructura se coloca en una única etapa 57
Tipos de tuneleras
Túneles
Hay tres tipos de tuneleras • Escudo simple – Empuja contra dovelas – Funcionam. intermitente
• Cuerpo abierto – Mordazas de agarre – No requiere dovelas
• Escudo doble – Máquina frontal excava con mordazas – Máquina posterior instala dovelas 58
Túneles
Cuerpo abierto
59
Túneles
Escudo doble
60
Túneles
Índice • Introducción conceptual • Procedimientos constructivos • Métodos de diseño – – – – –
Métodos analíticos vs. numéricos Método de convergencia-confinamiento Método de E. Núñez Método de Barton (m. rocosos) Métodos numéricos
• Patología de túneles 61
Métodos analíticos vs numéricos
Túneles
• Métodos analíticos (resistencia de materiales) – Hacen hipótesis sobre materiales y geometría – No permiten modelar el método constructivo – Llegan a una fórmula
• Métodos numéricos (mecánica computacional) – – – – 62
Hacen (menos) hipótesis sobre materiales Permiten geometrías libres Permiten modelar el método constructivo Llegan a un resultado que vale únicamente para el caso estudiado
Túneles
Método de convergencia confinamiento • • • •
Sección circular Macizo elastoplástico Estructura elastoplástica Tiene en cuenta – El efecto del frente – La rigidez relativa macizo – estructura – El momento de la colocación del revestimiento
63
Túneles
Método de convergencia confinamiento: Pasos • Caracterizar el terreno • Caracterizar el sostenimiento • Determinar la curva característica de la excavación • Determinar la curva característica del sistema de soporte • Elegir cuándo colocar el soporte – muy pronto: muy caro – muy tarde: muy riesgoso 64
Curva de la excavación
Plastico
p Túneles
σ Elástico
Falla
δ p δ
pmin δ 65
Curva del revestimiento
Túneles
pmax Falla
p Plastico
p δ
Elástico
δ 66
Posición de equilibrio
Túneles
p
Elástico
Falla Plastico
peq
Plastico
Falla Elástico 67
δ
Un revestimiento menos rígido
Túneles
p
Elástico
peq
Plastico
Elástico 68
δ
Un revestimiento más tardío
Túneles
p
Elástico
Plastico
peq Elástico 69
δ
Método de E. Núñez Compute relative stiffness factor
Túneles
a = 16
Er (1 −ν E (1 −ν
2
2 r
)⎛ e ⎞ ) ⎜⎝ D ⎟⎠
3
lattice girders @ 1.0 m unreinforced shotcrete 15 cm no ring closure
Select a shift ( A ) 2 A 3 3D
η= −
Compute structural forces 1⎛ 2 1 − K0 ⎞ N = ⎜ K0 + ⎟η pv D 2⎝ 3 1+ a ⎠ a 1 M = (1 − K 0 ) η pv D 2 16 1+ a 70
typical 2 lane tunnel
Túneles
Método de Barton
71
• Es imposible predecir las condiciones geotécnicas a lo largo del trazado de un túnel • Se determinan diferentes sistemas de soporte en función de un índice de calidad del macizo • Se elige el sistema de sostenimiento de acuerdo al material encontrado
Método de Barton
Túneles
• El índice de calidad se calcula a partir de: – – – – – –
RQD Jn (numero de sets estructurales) Jr (rugosidad de las discontinuidades) Ja (meteorización de las discontinuidades) Jw (factor que tiene en cuenta la presencia de agua) SRF (Stress Reduction Factor)
RQD J r J w Q= J n J a SRF 72
Túneles
Tabla de Barton (1993)
73
74 Túneles
Túneles
Diferentes opciones de sostenimiento en función de Q
75
76 Túneles
77 Túneles
Túneles
Métodos numéricos de diseño
78
Estado inicial
Túneles
A
79
A
A B
B
B
Abatimiento de napa
Túneles
A
80
A
A B
B
B
Excavación hastial izquierdo
Túneles
A
81
A
A B
B
B
Hormigonado hastial izquierdo
Túneles
A
82
A
A B
B
B
Excavación hastial derecho
Túneles
A
83
A
A B
B
B
Hormigonado hastial derecho
Túneles
A
84
A
A B
B
B
Excavación de calota
Túneles
A
85
A
A B
B
B
Hormigonado calota 1era etapa A
A B
Túneles
A
Solicitaciones del revestimiento 1era etapa: 86
B
B
Excavación en banco
Túneles
A
87
A
A B
B
B
Hormigón de 2da etapa y solera A
A B
Túneles
A
Solicitaciones del revestimiento 2da etapa: 88
B
B
Segundo túnel
Túneles
A
89
A
A B
B
B
Restitución de napa
Túneles
A
90
A
A B
B
B
Asentamientos Uy [m]
Túneles
0.000
Superficie Excavación de calota
-1.00E-03
-2.00E-03
Excavación de hastial
-3.00E-03
-4.00E-03
Excavación de banco
-5.00E-03
-6.00E-03
-7.00E-03 0
δcalc = 5.8 mm δreal = 5.0 mm 10
Calota 20
30 Paso de calculo
91
40
50
Túneles
Comparación entre proc. constructivos: Asentamientos
92
Túneles
Comparación entre proc. constructivos: Estabilidad frente
93
Túneles
Cruce sobre el Cloacal Caseros
Desplazamientos
94
Momentos
Túneles
Cruce sobre el Cloacal Caseros
95
Túneles
Cruce sobre el Cloacal Caseros
96
Túneles
Índice • • • •
Introducción conceptual Procedimientos constructivos Métodos de diseño Patología de túneles – – – – –
97
Consecuencias de los métodos constructivos Túnel Río Blanco Big Dig Ejemplo de estudio forénsico La III Cloaca Máxima
Túneles
Método alemán
98
Túneles
Método alemán
99
Túneles
Método belga
100
Túneles
Frente completo
101
Túneles
Drill & blast, sobre-excavación Los explosivos producen secciones irregulares • Inducen fisuración • Importantes espesores de hormigón – Pobre contacto macizo-estructura – Oquedades en clave – Importantes contracciones – Deformación de encofrados 102
Túneles
Drill & blast
103
Túneles
Drill & blast
104
Túneles
Drill & blast
105
Túneles
Tuneleras
106
Túneles
Tuneleras
107
Túneles
El túnel Río Blanco • • • •
Túnel acueducto Teniente Dia: 4.65 m Long: 11 km Tunelera cuerpo abierto Perno y mallas
Construcción • 285 metros/mes promedio • Largos tramos sin sostenimiento 108
Túneles
El túnel Río Blanco Construcción • 285 metros/mes promedio • Largos tramos sin sostenimiento
Luego de construcción • Minerales arcillosos tomaron agua • Colapso de paredes y techo 109
Túneles
Central Artery Project, “Big Dig”
110
Túneles
Ejemplo de estudio forénsico
111
Túneles
Ejemplo de estudio forénsico
112
Túneles
Ejemplo de estudio forénsico
113
Túneles
La III Cloaca Máxima: Los hechos
114
A fin de 1997, el túnel de la III Cloaca Máxima colapsó, produciendo el hundimiento del pavimento en coincidencia con la traza del conducto
Túneles
El mecanismo físico del colapso
115
Estos hundimientos se produjeron como consecuencia de la erosión de suelo arrastrado hacia el interior del túnel por las aguas freáticas que se infiltraban en el conducto a través de sus fisuras
Túneles
Secuencia cronológica
116
El colapso ocurrió meses después que se completó la construcción de Supermercado Coto • Abatimiento del nivel freático • Hinca de pilotes • Ejecución de una excavación de 2 m prof.
Túneles
Dos opiniones
117
Hay dos opiniones encontradas • La obra produjo todo el daño • El túnel estaba comprometido; la obra fue el factor final
Otros factores condicionantes
Túneles
• El túnel atravesaba suelos blandos
118
– Conducto rodeado por suelo erosionable de pobre competencia mecánica – Entorno heterogéneo, con bóveda en terrenos blandos y solera en suelos duros
Túneles
Otros factores condicionantes
119
• El túnel atravesaba suelos blandos • El túnel era de hormigón simple construido con aire comprimido – Estructura muy rígida – Excavación en caverna + hormigón simple moldeado = muchas juntas transversales defectuosas – Hormigón moldeado por etapas = numerosas juntas frías horizontales
Túneles
Otros factores condicionantes • El túnel atravesaba suelos blandos • El túnel era de hormigón simple construido con aire comprimido • Operación intermitente – Inversión en el sentido de flujo de agua a través de las fisuras – Acelera la erosión de los suelos
120
Túneles
Otros factores condicionantes • El túnel atravesaba suelos blandos • El túnel era de hormigón simple construido con aire comprimido • Operación intermitente • Falta de mantenimiento La existencia de fisuras pueden ser detectada mediante un programa convencional de inspección y mantenimiento 121
Túneles
Otros factores condicionantes
122
Túneles
Análisis Modelos numéricos simples que simularon el proceso completo de la obra desde su construcción hasta su colapso Construcción y operación
123
Análisis
Túneles
Construcción y operación
124
Túneles
Análisis
125
Túneles
¿Qué responsabilidad tienen los pilotes?
126
• Los pilotes atravesaron suelos blandos y penetraron en el Pampeano • Las vibraciones producidas por la hinca se propagaron por el Pampeano e incidieron en la base del conducto • Es evidente que estas vibraciones no pueden romper una estructura sana • Es muy difícil establecer hasta qué punto pudieron abrir fisuras preexistentes • Podemos iniciar un debate…
127 Túneles