Parte Iv_ El Sostenimiento En Túneles

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PROYECTO Y CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES PARTE IV  EL SOSTENIMIENTO EN TÚNELES EL SOSTENIMIENTO EN TÚNELES - ASPECTOS B ÁSICOS DEL COMPORTAMIENTO EL SOSTENIMIENTO EN TÚNELES - ASPECTOS B ÁSICOS 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 í ntimamente ntimamente al movimiento del terreno y su degradación y a las necesidades y economí a 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. 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. Su colocación viene impuesta por los motivos siguientes: - Función resistente - Impermeabilización - Estética - Funcional, 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. ROCA Y SOPORTE COMO UNA ESTRUCTURA EST ÁTICAMENTE INDETERMINADA  Modelo simplificado de la interacción terreno - soporte  ASPECTOS B ÁSICOS DEL COMPORTAMIENTO      El análisis del sistema de soporte comienza por distinguir las propiedades y objetivos relevantes: 1.- Acción temporal o definitiva. 2.- Acción de soporte o refuerzo del terreno 3.- Comportamiento rí gido gido o flexible. 4.- Caracterí sticas sticas del contacto soporteterreno 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. SEGUNDO: Se refiere al diseño del sistema soportante que asegure la estabilidad local de la excavación, al menos durante el periodo de vida previsto. TERMINO DEL VACEADO DE CONCRETO EN UN TÚNEL HIDROELÉCTRICO  ACABADO DEL REVESTIMIENTO DE UN TÚNEL HIDROELÉCTRICO. DISEÑO DE SOSTENIMIENTO       1.- MÉTODOS DE REACCIONES HIPEREST ÁTICAS. 2.- MÉTODO DE CONVERGENCIA – CONFINAMIENTO 3.- MÉTODO DEL SÓLIDO COMPUESTO 4.- EL “NEW AUSTRIAN TUNNELLING METHOD” (N.A.T.M.) 5.- CLASIFICACIONES GEOMEC ÁNICAS. 6.- EL BUEN USO DE LAS MEDICIONES GEOTÉCNICAS. 1.MÉTODO DE REACCIONES HIPEREST ÁTICAS  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.   Los resultados de este método están del lado de la seguridad, pues generalmente no actúa sobre el revestimiento el total de las cargas de excavación, sino solamente una parte. Los resultados tí picos picos con este tipo de cálculo son:la deformación del revestimiento y las leyes de axiles, cortantes y flexores. MÉTODO DE REACCIONES HIPEREST ÁTICAS  Modelación según métodos de reacciones hiperestáticas 2.- MÉTODO DE CONVERGENCIA CONFINAMIENTO   Este método estudia el terreno bajo la acci ón de un sistema de fuerzas que reemplazan al soporte. Los elementos esenciales son las curvas caracterí sticas sticas de presión – deformación del terreno y del sistema de soporte. El equilibrio final que permite determinar la presión sobre el sostenimiento queda definido por la intersección de estas dos curvas. METODO DE CONVERGENCIA -CONFINAMIENTO  Modelación según método convergencia confinamiento       3.- 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. Los métodos numéricos que pueden evaluar un sólido compuesto son: 1.- MÉTODO DE LAS DIFERENCIAS FINITAS. 2.- MÉTODOS DE ELEMENTOS DE CONTORNO. 3.- MÉTODO DE ELEMENTOS DISCRETOS 4.- MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS METODOS NUMÉRICOS UNO DE LOS PROCESOS PARA EL DISEÑO GEOMEC ÁNICO DE TÚNELES, ES EL USO DE MODELOS MATEM ÁTICOS QUE REPRESENTEN O SIMULEN EL COMPORTAMIENTO MEC ÁNICO DE LOS MACIZOS ROCOSOS  Y DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES PRESENTES EN EL CONTORNO DE LA EXCAVACIÓN DE UN TÚNEL 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. DISCONTINUA: Considera el macizo rocoso como un conjunto de bloques individuales. 1.- MÉTODO DE LAS DIFERENCIAS FINITAS   Consiste básicamente en discretizar el terreno en una serie de incrementos según X y según Y. Las ecuaciones de la Elasticidad se aplican al modelo, pero sustituyendo las derivadas parciales según X e Y por los correspondientes cocientes incrementales, con lo que se transforma el sistema de ecuaciones diferenciales que define el problema, en un sistema de ecuaciones algebraicas lineales. 2.- MÉTODO DE LOS ELEMENTOS DE CONTORNO   Este método se basa en discretizar el contorno de la excavación del túnel mediante unos elementos lineales, mientras que el terreno se supone elástico, homogéneo e isótropo. 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 t únel, cuya expresión analí tica tica es conocida. 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. Estos bloques se supone que representan al macizo rocoso roto por las diversas familias de diaclasas. Las ecuaciones se plantean en el movimiento de cada bloque, pudiendo ser éstos rí gidos gidos o deformables. 4.- MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS    Método de mayor influencia, y que consiste en discretizar el sistema completo a estudiar en una serie de elementos de un tamaño relativamente pequeño respecto del sistema. Estos elementos se denominan ELEMENTOS FINITOS, cada uno de los cuales posee una ecuación propia, 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 geometrí a 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. INPUT de la magnitud y dirección de esfuerzos tectónicos. Resultado de las mediciones con Overcoring. 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 GEOMEC ÁNICAS PROPÓSITO DE UNA CLASIFICACIÓN GEOMEC ÁNICA, EN UNA APLICACIÓN A TÚNELES     Dividir una masa rocosa particular en grupos de comportamiento similar. Suministrar las bases para comprender las caracterí sticas sticas de cada grupo. Entregar datos cuantitativos para el dise ño del soporte de túneles. Ser una base común de comunicación. DESCRIPCION DE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACION CLASIFICACIÓN PARÁMETRO INDICE COMP RES IÓN UNIAXIAL COHES IÓN - FRICIÓN MÓDULO EL ASTICIDAD  AL TERACIÓ N R.Q.D. N° DE FAMILIAS ESPACIAMIENTO CONTINUIDAD RELLENO ORIENTACIÓN,Rb Y B z CONDICIÓN DE AGUA S STAND UP TIME LITOLOGÍA CARGA DE LA ROCA ESFUERZOS INDUCIDOS VOLADURA    I    H    G    A    Z    R    E    T    S    C    I    W    E    C    B    A    R    R    E    F    F    U    A    L    E    R    E    E    D    R    I    S    C    )    R    M    R    (    I    K    S    W    A    I    N    E    I    B    M    A    H    K    C    I    W    S    E    T    F    A    )    Q    (    I    G    N    R    E    H    C    S    B    U    A    L    C    I    V    O    L    U    T    S    R    K    )    I    S    G    (    N    W    O    R    B    &    K    E    O    H    A    S    L    G Sistema propuesto por  TERZAGHI CLASI FI CACI ÓN DE LAUFFER El mét odo consi st e en obser var el compor t ami ent o de di f er ent es t er r enos por medi o de gal er í as exper i ment al es. De acuer do a est o, el cr i t er i o de cl asi f i caci ón adopt ado es l a dur aci ón de l a est abi l i dad de l a excavaci ón exper i ment al si n ni ngún r evest i mi ent o, l o que conduce a una cl asi f i caci ón de t er r enos en t i pos A, B, C, D, E, F y G, obt eni da a par t i r de un di agr ama en que se señal an l as s i et e cal i dades, f i gur ando en l as absci sas l a dur aci ón de l a est abi l i dad de l a excavaci ón y en l as or denadas l a " l ongi t ud l i br e" o " l uz act i va" , par ámet r o def i ni do como l a menor de l as di mensi ones ( di ámet r o y l ongi t ud de l a l abor no sost eni da) . CLASI FI CACI ÓN DE RABCEWI CZ RABCEWI CZ i nt r oduce un i mpor t ant e el ement o de anál i si s, consi st e en l a noci ón de t i empo de est abi l i dad de l a l abor si n sost ener después de l a excavaci ón. El si st ema def i ne nueve cl ases de maci zos y l os cr i t er i os par a def i ni r l as, su est ado de al t er aci ón, f r act ur ami ent o, t ensi ones nat ur al es, car act er í st i cas expansi vas y condi ci ones hi dr ogeol ógi cas. La t abl a si gui ent e muest r a el det al l e del si st ema pr opuest o por RABCEWI CZ en cuant o a l a def i ni ci ón de l os di st i nt os t i pos de cal i dades de r oca. CLASI FI CACI ON DE LA AFTES La AFTES ( Asoci at i on Fr ancai se des T en Sout er r ai n) , el abor ó un t ext o r ecomendaci ones r el at i vas a sel ecci on t i po de sust ent aci ón en t únel es. Los i nvest i gador es de est a asoci ci ent í f i ca f r ancesa, r eal i zan cl asi f i caci ón de medi os r ocosos en l a se def i nen 10 cl ases de t er r enos; cl asi f i caci ón es en f unci ón del coef i de r esi st enci a (f) def i ni do PROTODI AKONOV en 1974 medi ant e f = tg + C / s s para Suelos f = s c / 100 para Rocas Donde: φ : ángulo de fricción interna C : Cohesión (bars) ss : Resistencia a la compresión simple del suelo (bars) sc : Resistencia a la compresión simple de la roca (bars) CLASIFICACION DE LA AFTES CLASI FI CACI ON DE WI CKHAM, TI EDEMANN Y SKI NNER Los aut or es desar r ol l an el concept o de eval uaci ón numér i ca del medi o r ocoso, concept o que denomi nan RSR ( Rock St r uct ur e Rat i ng) . Par a l a det er mi naci ón del RSR def i nen 3 par ámet r os cuant i f i cabl es: Par ámet r o A : r el aci ona el t i po de r oca ( en f unci ón de su or i gen) y l a est r uct ur a geol ógi ca del maci zo. Par ámet r o B: r el aci ona l as di scont i nui dades ( espaci ami ent o y or i ent aci ón) y la or i ent aci ón de l a excavaci ón. Par ámet r o C : r el aci ona l as car act er í st i cas hi dr ogeol ógi cas ( en t ér mi nos de caudal es) y l as condi ci ones de l as par edes de l as di scont i nui dades. El RSR est ar á def i ni do por l a suma de l os par ámet r os A, B y C. En base al anál i si s de mas de 50 pr oyect os de t únel es se f or mul a el í ndi ce RR, que r epr esent a el por cent aj e de sopor t e r equer i do en r el aci ón a l o exi gi do por  Ter zaghi : Espaci ami ent o t eór i co ent r e ar cos met ál i cos según Ter zaghi RR = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - x 100 Espaci ami ent o r eal en l os t únel es est udi ados Empí r i cament e, RSR y RR est abl ecen una r el aci ón ent r e ( RR + 80) x ( RSR + 30) = 8800 Si RR var í a ent r e 0 y 100, est e def i ne un r ango par a RSR de 80 a 19, l o que def i ne l os l í mi t es de l os t i pos de maci zos r ocosos consi der ados por el model o. En l a t abl a se r el aci ona el sol i ci t aci ón ej er ci da por el par a di st i nt os di ámet r os de apl i caci ón cons i der a la ej er ci da por el maci zo y l as r esi st i vas de l os sopor t es. RSR con l a maci zo ( Wr ) t únel es. Su s ol i ci t aci ón pr opi edades PLANTILLA PARA CLASIFICACION RMR CL ASES DE MACI ZOS ROCOSOS EN FUNCION DEL RATING  TOTAL RATING CLASE N° 100 - 81 I 80 - 61 II DESCRIPCION MUY BUENA  TIPO DE ROCA BUENA 60 -41 III 40 - 21 IV REGULAR MALA <20 V MUY MALA SIGNIFICADO DE L AS CLASES CLASE N°  TIEMPO DE SOSTEN DE LA LABOR I II 10 AÑOS 6 MESES PARA PARA 5 m de luz 4 m de luz III 1 SEMANA PARA 3 m de luz IV 5 HORAS PARA 1.5 m de luz V 10 MIN. PARA 0.5 m de luz COHESION DEL > 300 Kpa 200-300 Kpa 150-200 Kpa 100-150 Kpa < 100 Kpa MACIZO ROCOSO ANGULO DE FRICCION DEL MACIZO ROCOSO > 45° 40° - 45° 35° - 40° 30° - 35° < 30° L UZ MAXIMA DE EXCAVACION ESTABLE  EL ANALISIS DE NUMEROSOS CASOS DE EXCAVACIONES SIN REFUERZO EN ROCA CON DIFERENTE INDICE RMR, HA DEFINIDO UNA FORMULA PARA LA LUZ MAXIMA (CLARO) DE EXCAVACION SIN REFUERZO SEGÚN LA SIGUIENTE EXPRESION: CLARO (m) = ESR x 0.035 x RMR RMR<60 CLARO (m) = ESR x ( 0.4 x RMR - 22 ) RMR>60 Donde: CLARO RMR ESR : LUZ MAXIMA DE EXCAVACION ESTABLE (m) : RATING DEL MACIZO ROCOSO : PARAMETRO DE SEGURIDAD SEGÚN EL TIPO DE EXCAVACION (Ver cuadro)  TIEMPO DE PERMANENCIA DE LA L ABOR SIN SUSTENTACIÓN  DISEÑO DEL SISTEMA DE SOSTENIMIENTO DE  ACUERDO AL NGI CLASIFICACIÓN DE LAUBSCHER  Clasificación del Rmi (Palmstrom-Noruega) ÚLTIMAS CLASIFICACIONES GEOMEC ÁNICAS    Clasificación del G.S.I. (Hoek and Brown) Clasificación SRC (Gonzales de Vallejo, 2003). En proyecto: la Clasificación Geomecánica aplicada al macizo de la Cordillera de los  Andes ( C. Vallejo).