NATM.pdf

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINERA Y METALURGICA

MECANICA DE ROCAS II

DISEO DEL SOSTENIMIENTO CON EL METODO DE CALCULO NATM

DOCENTE: Ing. CORDOVA ROJAS, Nestor David ALUMNO: GRANDEZ LLANCA Henrry Mario

2014-II


DISEO DEL SOSTENIMIENTO CON EL METODO DE CALCULO NATM Pgina1

INDICE 1. OBJETIVOS2 2. INTRODUCCIN...2 3. RESUMEN.3 4. FILOSOFA DEL NATM..4 4.1. DESARROLLO HISTRICO..4 4.2. PRINCIPIOS DEL NATM9 4.3. CLASIFICACIN DE RABCEWICZ.24 4.4. CARCTER CIENTIFICO DEL NATM25 5. DISEO DEL SOSTENIMIENTO.28 5.1. INTRODUCCIN.28 5.2. RESISTENCIA AL SOSTENIMIENTO CON HORMIGN PROYECTADO.28 5.3. RESISTENCIA DEL SOSTENIMIENTO CON BULONADO29 5.4. COMPORTAMIENTO DEL HORMIGN FRESCO..31 5.5. SOSTENIMIENTO DEL FRENTE.32 6. APLICACIN.34 6.1 GEOLOGA.34 6.2. SECCIN TRANSVERSAL TPICA..35 6.3. ETAPAS CONSTRUCTIVAS36 6.4. SOSTEMIMIENTO PRIMARIO38 6.5. COMPORTAMIENTO DEL MACIZO ROCOSO DURANTE LA EXCAVACIN DEL FRENTE.40 6.6 INCIDENTE IMPREVISTO..41 7. VENTAJAS Y DESVENTAJAS43 8. CONCLUSIONES.44 9. BIBLIOGRAFA.45



1. OBJETIVO Conocer los principios fundamentales para la aplicacin del NATM, adems de hacer uso nuestros conocimientos para el clculo de esfuerzos presentes en el macizo rocoso; de tal forma que podamos disear y elegir los elementos de sostenimiento ms adecuados.

2. INTRODUCCIN El desarrollo de la ingeniera aplicada a la construccin de tneles y galeras (en el caso de la ingeniera civil y de minas, respectivamente) exige innovacin en cunto al mtodo de realizacin de dichas obras, teniendo muy en cuenta los aspectos econmicos y de seguridad. A lo largo de este proceso de innovaciones, el profesor Rabcewicz desarroll una nueva forma de realizar estas excavaciones, basndose netamente en la experiencia y resultados de sus aplicaciones. Dicho mtodo es actualmente conocido como el Nuevo Mtodo Austriaco de la construccin de Tneles (NATM), llamado de esta forma para diferenciarlo del antiguo mtodo austriaco. El NATM no ha sido claramente definido mediante reglas estrictas, como se mencion lneas arriba, por lo cual han surgido discusiones y crticas sobre su aplicacin en los ltimos aos. Algunas veces, el Nuevo Mtodo Austraco se ha convertido en sinnimo de mtodo de tunelizacin flexible, econmico y seguro, lo cual, por supuesto, no es correcto. En el otro extremo, es difcil definir correctamente el NATM debido a su desarrollo actual en los equipos empleados para las condiciones de trabajo ms adversas. Adems, se considera mucho ms til describir proyectos junto a sus caractersticas geolgicas, bajo las cuales el NATM ha sido aplicado con xito. En el caso de los tneles, como en la mayora de las excavaciones subterrneas destinadas a uso civil, se suele colocar un revestimiento que asegure la estabilidad de la excavacin. Normalmente, el revestimiento se coloca una vez que la excavacin ya ha sido estabilizada por el sostenimiento primario; por ello, el revestimiento final no se suele colocar en primera instancia. En esta situacin la funcin estructural del revestimiento se limita a ofrecer un margen de seguridad adicional a la obra, en el caso de que el terreno o el sostenimiento se deterioren, o para hacer frente a fenmenos de carga diferidos en el tiempo. El motivo de este trabajo es disear los elementos de sostenimiento, para lo cual se debe calcular la carga que soportarn dichos elementos, y con el uso de tablas brindadas por los fabricantes se proceder a elegir los mismos.



3. RESUMEN El Nuevo Mtodo Austriaco de tunelera (NATM) ha sido desarrollado como un mtodo de tunelera emprico cientfico. Durante los ltimos 40 aos ha sido constantemente modificado para tomar ventaja de los ltimos mtodos, materiales y equipos de excavacin y estabilizacin. NATM es un mtodo flexible de construccin que ofrece gran seguridad y mejora la economa y eficiencia, mediante la integracin del comportamiento de la masa rocosa, el registro de deformaciones de la excavacin durante su construccin y la aplicacin del soporte apropiado a tiempo. El concepto del NATM es actuar el macizo rocoso y/o suelo circundante a la excavacin de modo que este se comporte como un miembro portante de carga as como influenciar el proceso de reacomodo de esfuerzos, dependiente del tiempo de forma tal que el nuevo estado secundario de equilibrio pueda ser alcanzado con requerimiento de soporte mnimos. El NATM se encuentra enmarcado dentro de los mtodos observacionales de daos que involucra la instrumentacin e interpretacin de los registros de deformacin (monitoreo) efectuado durante la construccin siendo en esencia un diseo realizado de acuerdo al avance. Adems utiliza los denominados sostenimientos flexibles o activos, que tienen un comportamiento activo en el soporte. La tendencia actual para terrenos de calidad media, media baja a baja, es el empleo preferente del hormign proyectado o shotcrete. El NATM fue inicialmente una forma de tratar el sostenimiento de rocas competentes, en tneles profundos, con anillos flexibles admitiendo sensibles deformaciones (hasta su estabilizacin) del conjunto de rocas anillo. Al extender estos conceptos a tneles poco profundos, se presentaron dificultades porque estas deformaciones pueden ser de larga estabilizacin debido a los cambios en el estado de equilibrio tensional del macizo, lo que, como mnimo, puede afectar al calibre del diseo. Se ha estimado en estos casos, criterios diferentes en la interpretacin y vigilancia del terreno en la adopcin de anillos ms rgidos. El diseo de estos sostenimientos depende esencialmente de los esfuerzos inducidos, generados al realizar la abertura en el macizo rocoso, por lo que haremos uso de ellos para el clculo de la carga que debemos soportar, las dimensiones del sostenimiento y la eleccin de los mismos. Veremos adems la aplicacin de este mtodo a la construccin de la caverna para el cruce de enlace en el tnel del canal de la Mancha.



4. FILOSOFA DEL NATM

4.1. DESARROLLO HISTRICO El nuevo mtodo Austriaco de tunelera (NATM) es el resultado de un desarrollo continuo y prolongado cuyos comienzos se remontan a los aos 20. Se origina a partir de las observaciones del comportamiento del revestimiento de los tneles y del conjunto de rocas circundantes, es decir, en base a la experiencia prctica. Las consideraciones tericas tuvieron lugar ms adelante y su finalidad fue la formulacin de las bases analticas a fin de poder verificar y explicar las observaciones del terreno. Los mtodos tradicionales de construccin comnmente usados en un principio se originaron a partir de la experiencia obtenida en minera y se basaban en el principio que el conjunto de rocas siempre debe ser considerado como una carga pasiva que acta sobre el sostenimiento; los sistemas de excavacin y los trabajos de sostenimiento que prevalecan en ese entonces, el uso de madera, cerchas de acero, juntamente con el gran nmero de etapas de excavacin, parecen justificar este concepto, porque estos sistemas de estabilizacin son propensos a producir el aflojamiento del conjunto de rocas. Esta teora an se utiliza en muchos casos a pesar de que es obsoleta y no permite comprender claramente los verdaderos procesos mecnicos que sufren las rocas alrededor de una cavidad. Sin embargo, en las primeras pocas tambin existieron conceptos acertados, tales como la determinacin de la relacin entre la presin ejercida por la roca y la deformacin de las sostenimientos de madera, lo que dio lugar al comienzo del NATM. La presin activa de la roca siempre sta relacionada con las deformaciones permitidas en la cavidad. El principio fundamental del NATM puede explicarse como el concepto de transformar a las rocas que rodean el perfil de un tnel, de un elemento que ejerce carga a un elemento capaz de resistir carga (arco de sustentacin). Mediante elementos de sostenimiento tales como concreto lanzado y pernos de roca, y adoptando la secuencia de excavacin y los procedimiento de sostenimiento correctos, podr lograrse la accin conjugada entre el revestimiento del tnel y la masa rocosa. El NATM fue desarrollado en Austria entre 1957 y 1965, y se llam as para distinguirlo del mtodo tradicional. Sus principios fueron elaborados por Ladislaus Von Rabcewicz, Leopold Muller y Franz Pacher. La palabra mtodo en la traduccin al ingls ha conducido a confusiones. El hecho es que el NATM es una filosofa o concepcin de diseo del sostenimiento y no un mtodo de construccin o algn tipo particular de sostenimiento.



Sugiere la adopcin de determinados principios en la secuencia de trabajo que concierne a la excavacin y el sostenimiento, para que la masa rocosa que rodea la cavidad se convierta en el principal elemento de sostenimiento en la estructura de un tnel. Durante la construccin del tnel Transiran, Rabcewicz observ sntomas de presin ejercida por las rocas, adems de aquellas causadas por el aflojamiento de las mismas, tales como fuertes presiones laterales que ocasionaban fallas por corte en los revestimientos del concreto. Esta observacin lo llevo a la importante conclusin de que los revestimientos en los tneles no fallan por flexin sino a causa de esfuerzos cortantes excesivos, una afirmacin comprobada por los experimentos de Mohr llevados a cabo en modelos a escala. Rabcewicz us el principio de disear dos sostenimientos durante la construccin del tnel Loibl entre 1942-45 consideraba que un sostenimiento inicial delgado de concreto poda, despus de cierto tiempo, establecer un estado de equilibrio que se determinara verificando el proceso de deformacin. Solamente una vez que se hubieron detenido los movimientos era posible colocar el sostenimiento final. En su solicitud de patente, Rabcewicz declar que bajo determinadas circunstancias, el sostenimiento inicial podra ser suficiente siendo en este caso el definitivo. De esta manera, se establecieron los principios para la NATM, que se basa en un sostenimiento semi-rgido que acta en la primera etapa y creo un nuevo equilibrio. El sostenimiento posterior aumenta el factor de seguridad de acuerdo con el diseo, pero no ser absolutamente necesario en todos los casos. En la prctica, el principio de sostener las excavaciones eficazmente, permitiendo al mismo tiempo las deformaciones, es posible mediante la aplicacin de concreto lanzado y pernos de roca. Despus de la segunda Guerra Mundial, ALIVA, una compaa Suiza, desarroll un equipo para concreto lanzado, Muller en particular, enfatiz la funcin mecnica que cumple en las rocas un sostenimiento delgado de concreto lanzado; sella de inmediato las grietas y fisuras, y evita que la rocas se desintegren. Durante la construccin de los tneles Schwaikheim y Massenberg en Austria se reconoci la importancia que tiene el tiempo en su relacin con el establecimiento de un nuevo equilibrio desde el momento de la excavacin hasta la culminacin total del sostenimiento. Este factor es importante para la construccin de subterrneo en zonas urbanas, donde los asentamientos deben ser mnimos. Durante la onstruccin de subterrneos en Frankfurt (Alemania) la culminacin de sostenimiento se llev a cabo luego de 12 horas de excavado el tramo, lo cual tuvo un efecto muy favorable sobre asentamientos observados a nivel del terreno. Los elementos principales de sostenimiento en la aplicacin del NATM son el concreto lanzado y los pernos de roca; la adhesin del concreto lanzado a la mayora de los tipos de roca es muy grande, una capa delgada del mismo acta como material de encastre y esfuerzo para la superficie de propiedades fsicas menores. Los pernos de anclaje



aplicados en rocas extremadamente trituradas o expansivas resulta un medio ideal de estabilizacin debido a su capacidad de resistencia a la traccin casi ilimitada. El profesor Rabcewicz tuvo oportunidad de poner en prctica sus conocimientos durante el proyecto del tnel de la autopista Caracas-Valencia. El tnel fue sostenido con pernos PERFO y posteriormente se aplic una capa de concreto lanzado de 20 cm. de espesor como sostenimiento permanente. Las dems galeras y tneles fueron construidas segn los principios del NATM y se efectuaron mediciones sistemticas para controlar el comportamiento del sostenimiento y de las rocas circundantes. Otro ejemplo muy interesante es el de un tnel Massenberg en Austria. El sostenimiento del tnel fue diseado de manera convencional con anillo grueso de concreto. La perforacin del tnel se inici segn el mtodo Belga, en exquisitos grafitcos y sericiticos blandos con alto contenido de agua. El tnel se desplom y tuvo que ser rediseado por Rabcewicz; con un revestimiento comparativamente delgado de concreto lanzado reforzado de 20 cm. de espesor y pernos PERFO de 4 cm. de longitud, se logr el equilibrio permanente. La posterior colocacin de un anillo de concreto de 30 cm. de espesor aumento el factor de seguridad.

FIG. 1 TNEL MASSENDERG FIG. 2 Esquema de redistribucin de esfuerzos

La excavacin de una cavidad produce una redistribucin de esfuerzos, la cual es progresiva y generalmente ocurre en 3 etapas (Fig. 2). Las lneas de esfuerzo son desviadas a ambos lados y concentradas cerca de las paredes, haciendo que las partes cuneiformes se compriman hacia la cavidad, en ngulo recto a la direccin del esfuerzo principal. Al liberarse los esfuerzos tangenciales a ambos lados de la cavidad, se aumenta la luz haciendo que el techo y el piso fallen y empiecen a converger. Luego el movimiento se incrementa produciendo el plegamiento del techo y el piso. Sobre la base de estas observaciones, resulto evidente que todos aquellos clculos de sostenimiento de tneles que consideran a la flexin como razn critica de derrumbe



de tneles eran errneos. El sostenimiento nicamente puede fallar por corte, las grietas por flexin se forman sin excepcin debido a una mano de obra deficiente que ha dejado vacos detrs del revestimiento. Los movimientos inevitables de las rocas hacia la cavidad hacen que disminuyan los esfuerzos principales, sta es una antigua ley de minera que fuera tericamente descrita por Fenner en 1938. El efecto recproco de los esfuerzos de comprensin respecto a la resistencia requerida del sostenimiento se muestra en el grfico de Fenner Pacer (Fig. 5)

La curva esfuerzo- desplazamiento es una caracterstica de un tipo de roca y su condicin primaria de esfuerzos. El equilibrio es alcanzado en el punto A slo si el sostenimiento est diseado apropiadamente y es colocado a tiempo. La resistencia del sostenimiento es entonces pi = a. Tratar de alcanzar el equilibrio con un desplazamiento radial considerablemente menor significara cruzar la curva r a una mayor capacidad de sostenimiento requerida; el sostenimiento tendra que ser colocado en menor tiempo, lo cual significa que sera ms costoso y el factor de seguridad no se incrementara en la misma proporcin.



Si la resistencia del sostenimiento disminuye por alguna razn (ej. Rotura de pernos, agrietamiento del concreto lanzado) la curva sera intersecada en el punto inferior sin consecuencia alguna. Si la caracterstica del sostenimiento fuera tal que el equilibrio se logra ms all del mnimo de la curva r. lo que ocurre con frecuencia con los soportes de acero convencionales, ocurrira un desplazamiento radial adicional causando un mayor aflojamiento y un aumento de las fuerzas activas. El equilibrio nicamente se lograr con medidas de refuerzo apropiadas e inmediatas. El control del comportamiento de las rocas circundantes y del sostenimiento mediante es una parte sumamente importante en el NATM. Por medio de las condiciones en toda la seccin es posible reconocer en poco tiempo si los medios de estabilizacin instalados necesitan ser modificados para poder alcanzar el punto econmico ptimo. Este mtodo de diseo, denominado dimensionamiento emprico fue creado sobre una base cientfica emprica. Por consiguiente, dicho mtodo es, en muchos aspectos, superior a ciertos tratamientos matemticos altamente elaborados porque todos los factores desconocidos son implcitamente incluidos por los controles de medicin. Esta aproximacin cientfica emprica resuelve los problemas prcticos de construccin de tneles en la actualidad, de una manera eficiente y ms segura.



4.2. PRINCIPIOS BSICOS DEL NATM

Antes de efectuar una excavacin a travs de un macizo rocoso, la roca se

encuentra sometida a un esfuerzo primario, como resultado del peso por gravedad de

la masa rocosa de cobertura y/o por los movimientos tectnicos de la corteza

terrestre.

Cuando se est efectuando la excavacin, existe la posibilidad de encontrar

espacios vacos donde no deben existir esfuerzos; consecuentemente, la roca que

encierra a una excavacin puede encontrarse bajo la accin de grandes esfuerzos

secundarios que son significativamente altos en comparacin con los esfuerzos

primarios; esto en razn de que en la mayora de las rocas no slo se cumplen

condiciones de elasticidad sino tambin existen condiciones de plasticidad y

viscosidad.

Inmediatamente despus de efectuarse una excavacin a travs de un cuerpo

rocoso, en la zona circundante a sta, se inicia un proceso de reacomodo de esfuerzos

con movimientos que tienen relacin directa con esta variacin de esfuerzos.

Mientras la roca est en movimiento, los esfuerzos alrededor de la excavacin son

redistribuidos. Este fenmeno se observa constantemente en trabajos mineros,

siendo virtualmente imposible prevenir la cantidad de roca en movimiento, as como la

presin que ejerce sobre la pared rocosa de la excavacin; sin embargo, cuanto ms se

permitan movimientos, mayor ser la liberacin de presin. Esta liberacin de presin

es requerida para amortiguar movimientos adicionales.



1) La parte ms importante de la estructura de un tnel es la masa rocosa

circundante.

2) Debe mantenerse la resistencia original de la roca tanto como sea posible

porque este es el elemento resistente fundamental.

3) Debe prevenirse la desintegracin de la roca (loosening) tanto como sea

posible porque ella conduce a una considerable prdida de resistencia.



4) Debe evitarse el estado de esfuerzos uniaxial o biaxial. Esto quiere decir que se

debe buscar el confinamiento de la roca.

5) El objetivo es crear una zona de soporte alrededor de la abertura excavada y

prevenir la desintegracin en el mximo grado posible.



6) El revestimiento debe ser colocado a tiempo.

El revestimiento debe ser colocado a tiempo, ni demasiado pronto ni demasiado tarde,

y la resistencia del soporte debe ser dosificada de acuerdo a las necesidades.



Elementos de soporte que ejercen una funcin sin llegar a extremos de cargas no

deseables.

Elementos de soporte que se han instalado muy tarde y que trabajan de forma

desigual ante la convergencia del terreno.

Elementos iniciales de soporte deben colocarse en un periodo crtico durante la

relajacin de la roca de forma que se le atribuya la eficacia correspondiente a cada

elemento de sostenimiento.



El objetivo del NATM es optimizar el soporte de la apertura excavada. De all que, el

sistema de soporte necesita ser flexible y adaptable a las condiciones del terreno

encontradas. La curva de Pacher-Fenner es una importante herramienta para la

adecuada y precisa instalacin del soporte. Los resultados del revestimiento siendo

colocado demasiado temprano o demasiado tarde, o usando un revestimiento que en

exceso o pobre se ilustran en la figura.



7) La correcta estimacin del factor de tiempo para el sostenimiento de cada tipo

de roca es crtica.

8) La investigacin geomecnica de las formaciones rocosas, as como su

verificacin y comparacin, de desplazamientos y deformaciones durante la

construccin del tnel debe ser constante.

9) El shotcrete debe estar completamente adherido a la superficie de la roca.



10) El revestimiento inicial debe ser relativamente delgado y flexible para permitir

una disminucin gradual del esfuerzo de flexin, causado por las

deformaciones iniciales.

11) Si se necesitara ms sostenimiento en la lnea del shotcrete, se debe reforzar

con pernos de roca, mallas o vigas de acero; en lugar de incrementar al ancho

del shotcrete.



12) Estos soportes y su tiempo de instalacin deben ser determinados por las

medidas geomecnicas.



13) Desde el punto de vista del diseo estructural, el tnel puede considerarse

estticamente como un tubo cargado por la roca circundante con la interaccin

de los elementos de sostenimiento (como un tubo de pared gruesa, consistente

en un anillo fundamental de roca y el soporte revestimiento (teora

elastoplstica)).



Como un tubo puede actuar solo s es continuo, es importante que se considere todo

el contorno de la excavacin (incluso el piso).

14) El revestimiento inicial del tnel es esencial. Si la estructura de la roca en el piso

no es capaz de soportar la carga, deber instalarse un arco de concreto en el piso

en el debido tiempo.

La excavacin y la primera etapa de soporte, frecuentemente conocida como soporte

temporal, tiene que considerarse como parte del sistema total del tnel, porque ella

tiene una influencia significativa sobre la accin del soporte final. En realidad el

soporte temporal es el principal elemento de control de las deformaciones y permite

alcanzar equilibrios definitivos.

15) . El tiempo de instalacin de este ltimo soporte es muy importante,

especialmente en condiciones geolgicas adversas. Las interpretaciones de las

medidas geomecnicas deben corroborarse con los estudios que se realizaron

previamente. La decisin para un adecuado mecanismo de soporte y secuencia

de construccin se debe ajustar a las medidas geotcnicas obtenidas durante la

construccin del tnel.



La estabilidad debera lograrse en esencia mediante el soporte preliminar. El

revestimiento interno sirve entonces para aumentar la seguridad. Las tcnicas de

soporte que se van a emplear para asegurar la estabilidad definitiva deben protegerse

para actuar durante el largo plazo.

16) . Las distintas fases de construccin del tnel requieren especial cuidado. La

distribucin de esfuerzos debe minimizarse. Para mantener la capacidad de

carga del anillo formado por la roca circundante, se recomienda una excavacin

total.

Subdividir la seccin causa redistribuciones de carga y debe ser usado solo cuando

es absolutamente necesario. (Excavaciones muy largas, condiciones de terreno

muy pobres, etc.)



17) La secuencia de construccin y soporte son crticas para la seguridad de la

estructura final de sostenimiento del tnel.

18) Para prevenir concentracin de esfuerzos que destruyen la roca, deben evitarse

las esquinas y preferirse las secciones de contornos redondeados.



19) El revestimiento de concreto debe permanecer relativamente delgado para

evitar esfuerzos de flexin. La interaccin entre el revestimiento interior de

concreto y el revestimiento inicial de shotcrete debe permitir cierto

deslizamiento de friccin, para evitar el esfuerzo cortante. La instalacin de

una membrana impermeable entre el concreto y el shotcrete facilita las cosas.



Si se espera el deterioro de los miembros de soporte primario debido al agua, una

membrana impermeable debe ser instalada entre el revestimiento inicial de shotcrete

y el revestimiento final de concreto.

20) Si existen flujos de agua subterrnea es necesario considerar medidas de

drenaje.



4.3. CLASIFICACIN DE RABCEWICZ

Desarrollada como base para el nuevo mtodo austriaco de tunelera, su empelo est

bastante difundido en Alemania, Austria y Francia. Esta clasificacin recoge las

experiencias obtenidas en la construccin de tneles, donde la masa rocosa presenta

diversos grados de oposicin al avance de la excavacin del tnel, y se hace necesario

efectuar su correspondiente sostenimiento, en terrenos muy difciles, ejecutar

mtodos de excavacin parcial, con el consiguiente tipo de sostenimiento. Este tipo de

clasificacin tiene un valor importante, cuando se ejecutan excavaciones de gran

seccin, mayores a 50 metros cuadrados.



4.4. CARCTER CIENTIFICO DEL NATM SIMULACION EN 3D

SIMULACION DEL ARCO DE CONFINAMIENTO POR EFECTO DE LOS PERNOS DE ROCA

SIMULACION EN 2D



1.- MEDIDAS ANTICIPADAS PARAGUAS MARCHAVANTES

2.- CONGELAMIENTO ANTICIPADO DEL SUBSUELO EN CASOS DE NAPA FRETICA Y SUELO NO COHESIVO

INYECCIONES DE CONSOLIDACIN COMPENSACIN DE DEFORMACIONES



NATM ACTUAL (Versin Inglesa)

NATM ACTUAL (Version Japonesa)

COMAPARACION DE COSTOS ENTRE TBM Y NATM ( Sauer, 2004)



5. DISEO DEL SOSTENIMIENTO

5.1. INTRODUCCIN El sostenimiento primario estar en contacto directo con la roca. El macizo rocoso se reforzar contra la rotura. El sostenimiento primario ser flexible con el fin de minimizar los momentos de flexin y facilitar el proceso de reajuste de tensiones sin exponer al revestimiento a fuerzas transversales desfavorables. Se aadir un sostenimiento adicional mediante la colocacin de bulones. El incremento en el espesor del revestimiento se emplear solamente en situaciones excepcionales.

5.2. RESISTENCIA DEL SOSTENIMIENTO CON HORMIGN PROYECTADO Mediante el empleo de hormign proyectado como revestimiento se consigue un estrecho contacto con la superficie de la roca, que se logra dando lugar a una interaccin entre revestimiento y roca. De este modo se evitan las cargas puntuales que aparecen cuando se emplean sostenimientos con vigas de madera o puntales de acero. Sattler muestra que la ruptura de una excavacin con sostenimiento continuo a plena seccin no ocurre debido a los momentos de flexin sino debido a la fractura por esfuerzos cortantes. Se ha demostrado que el hormign proyectado puede resistir las siguientes fuerzas tangenciales una vez que la resistencia final ha sido alcanzada por ste, Fig. 7:



Ps = 2* *ds / b siendo:

ds = d sen b = 2*R*cos Figura 7. Hiptesis de rotura a cortante (Sattler, 1965). Ejemplo: R = 5,000 m Radio del tnel d = 200 mm Espesor de hormign proyectado

= 30 ngulo de fractura

= 0.2 Resistencia al corte

c = 25 MN/m2 Resistencia a compresin del hormign Ps = 0.5 MN/m2 Resistencia a cortante hasta la rotura

5.3. RESISTENCIA DEL SOSTENIMIENTO CON BULONADO Si se admite la hiptesis de rotura por esfuerzos cortantes, es obvio que el bulonado de la roca incrementa considerablemente la resistencia del revestimiento. De acuerdo con Rabcewicz y Golser, dos aspectos estn relacionados, segn se observa en la Fig. 8: a) Los bulones contribuyen a la presin radial del revestimiento mediante la presin siguiente: Con la presin lateral dada por: y con la envolvente de Mohr, se determinan la resistencia A cortante del macizo rocoso y el ngulo de cizallamiento , suponiendo que las tensiones principales son paralelas y en sentido horario de la lnea de excavacin.



Figura 8. Resistencia del sostenimiento aplicando bulones (Rabcewicz y Golser, 1973). La capacidad de carga del arco de roca bulonada viene dada por: b) La resistencia de los anclajes contra el movimiento del macizo rocoso a cizalla hacia el hueco es la siguiente: donde: Pi

A= Resistencia de los bulones (MPa) b = Altura de la zona que trabaja A cortante (m) d = Espesor del revestimiento (m)



e,t = Espaciamiento entre bulones (m) s = Longitud del plano que trabaja A cortante (m)

gd = Resistencia a compresin simple de la roca (MPa) c = Cohesin de la roca (MPa) = ngulo de rozamiento interno () fst = Seccin de los bulones (cm2)

pst

= Resistencia mxima admisible de los bulones (MPa)

R=Res istencia a cortante de la roca (MPa)

nR = Tensin normal en el plano de cizallamiento (MPa)

=ngulo de cizallamiento () I = Inclinacin media del plano de cizallamiento () = Inclinacin de los anclajes ()

5.4. COMPORTAMIENTO DEL HORMIGN FRESCO En 1985 fueron publicados por Rokahr y Lux los resultados de un gran nmero de ensayos sobre hormign fresco y que pueden se resumidos como sigue. El hormign proyectado muestra deformaciones a fluencia muy pronunciadas durante su primera etapa, y solamente puede soportar tensiones limitadas. En cada avance, se suman cargas adicionales a las ya existentes, las cuales disminuyen posteriormente por fluencia. Si se incorpora este comportamiento a la curva de Fenner-Pacher se obtiene que el revestimiento de hormign proyectado presenta un comportamiento elasto-plstico, Fig. 9. Considerando la intensa fluencia del hormign fresco se llega al siguiente proceso de carga del mismo. Las tensiones en el hormign proyectado se incrementan primero con las deformaciones del macizo rocoso, pero disminuyen en gran medida debido al fenmeno de fluencia del hormign proyectado. Simultneamente, la capacidad de carga del hormign proyectado se incrementa. Las deformaciones del hueco desaparecen gradualmente en funcin del comportamiento del conjunto de la estructura, al mismo tiempo que el hormign proyectado todava muestra un



comportamiento de fluencia. Esto significa que la fase ms crtica respecto a la estabilidad ocurre generalmente a una distancia aproximada de un dimetro por detrs del frente de excavacin, ya que las deformaciones desaparecen gradualmente mientras que la fluencia del hormign proyectado todava se est produciendo. Este fenmeno puede demostrarse mediante clculos en los que se considera un comportamiento dependiente del tiempo tanto del macizo rocoso como del hormign proyectado.

Figura 9. Sostenimiento con hormign proyectado en funcin del tiempo (Rokahr y Lux, 1985).

5.5. SOSTENIMIENTO DEL FRENTE Uno de los aspectos principales del NATM consiste en la aplicacin de medidas de sostenimiento despus de cada avance del frente. Las medidas de sostenimiento se aplicarn mientras se produce la deformacin e inestabilidad tpica posterior a la excavacin en la direccin longitudinal de avance del tnel, con el fin de conseguir su efectividad durante la restriccin tensional, Fig. 10. Las cerchas metlicas son colocadas en caso de que exista peligro de desprendimientos de rocas antes de que el hormign proyectado se haya endurecido suficientemente. En el caso de que se produzcan roturas en el techo incluso antes que se haya aplicado el hormign proyectado, se requieren medidas de sostenimiento por delante del frente. Dependiendo de las condiciones del terreno, se emplea el revestimiento provisional del techo o paraguas, placas de acero, bulones inyectados, etc.



En el caso de que el macizo rocoso est intensamente fracturado y se prevean movimientos a lo largo de los planos de estratificacin, la estabilidad del frente puede ser mejorada empleando bulones e accin rpida tales como el buln Swellex. Si se desarrollan altas presiones en la roca del frente, se emplearn bulones de rosca continua que permiten reajustar la placa del reparto en cada etapa de avance. Otro mtodo utilizado para mejorar la estabilidad del frente consiste en adaptar la secuencia de construccin. El frente puede irse dejando inclinado, formando como un machn. Igualmente, el avance del frente de excavacin puede ser limitado. Finalmente, se pueden considerar diversas combinaciones de medidas de estabilizacin.

Figura 10. Sostenimiento aplicado en el frente de excavacin



6. APLICACIN

CAVERNA PARA EL CRUCE DE ENLACE EN EL TNEL DEL CANAL DE LA MANCHA 6.1. GEOLOGA La Fig. 11 muestra un corte geolgico transversal a travs de la caverna y el tnel de servicio. Las calizas margosas estn bajo las calizas grises, las cuales llegan al fondo marino y estn intensamente alteradas. Las calizas margosas tienen por debajo unas arcillas compactas y duras y una marcada serie de rocas ms blandas, con tendencia al hinchamiento. La permeabilidad generalmente se incrementa con la profundidad y las calizas margosas estn adems subdivididas estratigrficamente.

Figura 11. Corte geolgico transversal (John, 1994)



La estratificacin es casi horizontal, con los estratos buzando ligeramente al Norte y aflorando las margas glautonticas en el fondo marino a unos 5km hacia el sur. La parte britnica del cruce de enlace est situada en el rea de un sinclinal Norte-Sur, lo cual se refleja en un incremento de la frecuencia de las discontinuidades con direccin Este-Oeste. Debido a consideraciones regionales, se supuso que prevaleceran elevadas presiones laterales, con lo que se adopt un coeficiente de presin lateral K0 = 1,5 en la direccin transversal, y de K0 = 2,0 en la longitudinal. Admitiendo una cierta incertidumbre en esta prediccin, las investigaciones llevadas a cabo para el dimensionamiento de la caverna consideraron un valor de k0 = 0,5 en las dos direcciones horizontales.

6.2. SECCIN TRANSVERSAL TPICA Siguiendo los principios del NATM, la caverna se construy aplicando un sistema de doble revestimiento, consistente en un revestimiento primario y otro secundario. La luz de la caverna, Fig. 12, se determin por la distancia mnima entre los dos tneles a la entrada de la caverna. En vista de las condiciones geolgicas predominantes en el cruce britnico y francs, pareca ser estrictamente necesario dejar un pilar de anchura mnima de 2m entre los dos tneles. Para ello, los centros de los tneles deban distar entre s 10,5 m.

Figura 12. Seccin de la caverna (John, 1994). Debido a las instalaciones internas de los tneles, el hastial interior de la caverna deba ser idntico al hastial externo de los tneles, lo que implic realizar un hueco interior de la caverna de 18,1 m. La altura de la caverna y el espesor del revestimiento secundario necesarios se determinaron en funcin de los anlisis de estabilidad efectuados. Estos anlisis revelaron que para una altura de columna de agua de aproximadamente 80 m, se determin el radio de la solera y el espesor mnimo requerido para el revestimiento secundario, dejando ste en 0,6 m de la bveda. El revestimiento secundario debera permanecer generalmente sin ser reforzado con el objeto de minimizar posibles problemas de corrosin.



Las dimensiones del perfil de la excavacin no fueron determinadas solamente por el espesor del revestimiento secundario, sino que fueron dictadas adems por las tolerancias constructivas y el espesor del revestimiento primario. Las tolerancias constructivas son las formadas por los errores estimados para la investigacin y la construccin (150 mm), los debidos a las deformaciones sucedidas durante el avance (50 mm), y por un margen de seguridad de 100 mm para asentamientos inesperados. El espesor de hormign requerido se determin que fuese de 300 mm, y las tolerancias espaciales fueron estimadas en otros 100 mm de hormign proyectado adicional con el fin de guardar un margen de seguridad en las medidas de sostenimiento que se deben tomar en el caso de que ocurran incidentes inesperados. Esto dio lugar a unas dimensiones globales de la excavacin de 21,2 m de anchura y 15,4 m de altura, con una seccin de 252,2 m2. Entre el revestimiento primario y el secundario se instal un sistema de sellado consistente en una membrana impermeable y un geotextil orgnico. ste est situado detrs de la membrana impermeable y descarga el agua subterrnea en drenajes localizados en los contrafuertes. Este sistema correspondi al de uno de los tneles adyacentes, cuyas dovelas en el lado britnico no eran estancas. El agua subterrnea recogida se canaliz hacia un colector para su bombeo. Para el cruce, se previ un caudal de entrada de agua de 1 l/s, lo cual se confirm mediante mediciones efectuadas in situ hasta completar la construccin.

6.3. ETAPAS CONSTRUCTIVAS Debido al escaso tiempo que se tena para la ejecucin del proyecto, se planific inicialmente subdividir la caverna en tres secciones de 6 m o 7 m de altura en la calota, seguidas de 5 m 6 m de alto en la destroza y una excavacin de la contrabveda extendida a toda la anchura de la excavacin. Los anlisis de estabilidad revelaron que, si la roca verificaba las condiciones supuestas en un principio, este mtodo podra ser aceptable. Segn discusiones mantenidas posteriormente, se decidi realizar la excavacin de la caverna empleando galeras laterales, Fig. 13, dividiendo aquella en las siguientes etapas: a) Excavacin de las galeras laterales. Las galeras laterales sirven para el reconocimiento previo a la excavacin de la calota siguiente. b) Las galeras laterales permiten que la calota sea drenada antes de su excavacin. En esta fase se prepara tambin la solera de las galeras laterales. c) Excavacin de la calota. El peligro de las filtraciones de agua es reducido proporcionalmente a las secciones de los frentes abiertos en cada caso.



d) Excavacin de los ncleos y demolicin del hormign proyectado de las galeras laterales. La reduccin en las deformaciones disminuye las filtraciones de agua que se supone que pueden ocurrir a lo largo de los planos de estratificacin y/o entre la superficie de la excavacin y el revestimiento. e) Paso de las TBM. La reduccin del avance del frente permite determinar su estabilidad segn una seccin transversal inicialmente menor. f) Se evita la excavacin de la solera en bancadas con luces mayores de 18 m en secciones pequeas; la supresin del pilar central es relativamente sencilla, ya que las elevadas tensiones primarias que se produjeron inicialmente se habran liberado. g) La excavacin de la solera en tres secciones prepara el terreno para mayores avances debido a las reducidas redistribuciones de tensiones.

Figura 13. Fases en la construccin del tnel (John, 1994).



6.4. SOSTENIMIENTO PRIMARIO Las medidas de sostenimiento primario fueron definidas en consonancia con las etapas individuales de construccin, Fig. 14. En el avance de las galeras laterales, se colocaron 150 mm de hormign proyectado reforazado, rigidizados mediante cerchas de celosa con una separacin de 2,0 m, correspondientes al ciclo de avance.

Figura 14. Medidas de sostenimiento aplicadas (Jhon, 1994). En la parte exterior de los hastiales se realizaron dos operaciones consecutivas: a) Se instalaron los mismos arcos de celosa que se colocaron en la calota. En la transicin con la calota se insert una viga transversal, lo que permita localizar encualquier parte del frente dichos arcos. Se aplic posteriormente una segunda capa de hormign proyectado de 100 mm, reforzando as el revestimiento al suponer que se inducan cargas adicionales debido a la excavacin del frente. b) La clave de la galera se reforz con una segunda capa de mallazo incorporando en los 200 mm de hormign proyectado, permitiendo as soportar las cargas adicionales ejercidas por la maquinaria durante la excavacin del frente. Cuando se decidi limitar el empleo de la rozadura ATM 70 alpilar central, fue suficiente aplicar en el rea del pilar un espesor de hormign proyectado de 150 mm.



Las medidas de sostenimiento para el frente consistieron en la aplicacin de los siguientes elementos: a) 300 mm de hormign proyectado aplicados en dos capas sucesivas y ambas reforzadas con mallazo. b) Arcos de celosa PS 130/20/30 espaciados de 1,5 m a 2,0 m, dependiendo de la longitud del ciclo completo de avance. c) Bulones de anclaje repartido con una capacidad de carga mnima de 200KN y una longitud comprendida entre 4,0 m y 6,0 m. Se previ desde un principio usar hormign proyectado en dos capas de 200 mm y 100 mm, y asegurar las rocas sueltas con bulones Super Swellex antes de la aplicacin del hormign proyectado. Tuvieron que ser instalados bulones de anclaje repartido de 6 m de longitud fijados con mortero de cemento en el rin (parte comprendida entre la clave y los hastiales) despus de haber sido aplicada la primera capa de hormign proyectado, segn se puede observar en la Fig.15 de la secuencia del sostenimiento segn el diseo. Como los avances en las galeras laterales indicaron que no exista peligro de que se produjeran roturas externas y como el hormign proyectado constitua el elemento predominante de sostenimiento, la primera capa de hormign proyectado se aument a 250 mm y su unin al macizo rocoso fue mejorada posteriormente mediante un bulonado de anclaje puntual segn se observa en la Fig. 15, sobre la secuencia del sostenimiento segn la construccin. Para este propsito, se prefirieron los bulones de anclaje repartido fijados con un mortero de cemento, ya que stos permitan el tensionado de las placas de anclaje.

Figura 15. Secuencia de instalacin del sostenimiento (John, 1994)



Los bulones del tipo Super Swellex se aplicaron en los casos en los que, debido a la irrupcin de agua, no poda asegurarse la eficacia del uso de los bulones de anclaje repartido fijados con mortero de cemento.

6.5. COMPORTAMIENTO DEL MACIZO ROCOSO DURANTE LA EXCAVACIN DEL FRENTE De acuerdo con los anlisis de estabilidad, se haba previsto un asentamiento del techo de la excavacin de 40 a 50 mm. Se ha supuesto una convergencia lateral de 30 a 40 mm, debido a que se consider un coeficiente de tensin lateral primaria k0 = 1,5. El desarrollo del asentamiento tpico en el frente de la excavacin se ilustra en la Fig. 16, donde se describen los resultados obtenidos en el tramo 27099. De hecho, los asentamientos del techo de la galera alcanzaron los valores previstos de 40 a 50 mm, los asentamientos en los riones fueron del 70% de los asentamientos del techo y, a 1,5 m sobre la galera lateral, alcanzaron el 20% de dichos asentamientos. Las convergencias laterales a 1,5 m sobre la galera lateral fueron, sin embargo, netamente inferiores, del orden de unos 5 mm como mnimo.

Figura 16. Asentamiento con/sin rotura de la capa de hormign proyectado (John, 1994). Los resultados obtenidos de las mediciones con extensmetros y de los bulones mostraron convergencias laterales en los riones, las cuales fueron interpretadas como sucesos ocurridos a lo largo de los planos de estratificacin. Las lecturas no



indicaron ninguna zona de fractura. Las tensiones registradas en el revestimiento de hormign fueron variables, tal como se esperaba, pero, generalmente nunca alcanzaron los valores calculados. El incremento de las tensiones en el hormign proyectado en las galeras laterales durante la excavacin del frente se encontr apreciablemente por debajo de los valores que se predijeron, indicando una interaccin entre el hormign proyectado y el macizo rocoso.

6.6. INCIDENTE IMPREVISTO Cuando la excavacin de la calota en la direccin de Gran Bretaa se encontraba a unos 20 m del final de la caverna, aparecieron sbitamente grietas en el hormign proyectado a 6 m por detrs del frente de excavacin, entre 1,5 m y 3m por encima de la solera de la calota, las cuales, en un plazo de 2 horas, se extendieron en una longitud de 16 m. La curvatura de los arcos de celosa indic que se haba producido un fallo en el revestimiento de hormign proyectado, debido a la solicitacin por compresin. Los asentamientos del techo, Fig. 16, aumentaron de 15 a 60 mm; en el rin aumentaron de 10 a 45 mm, mientras que los estribos o contrafuertes de la calota permanecieron estables. En dos secciones comprendidas en el rea de formacin de grietas se registr un incremento en las tensiones de compresin en el hormign proyectado, llegando al doble de los valores que se midieron previamente en estas zonas antes de que se manifestaran las grietas. Sin embargo, como estas tensiones obtenidas estaban todava por debajo de los valores calculados (el valor mximo registrado fue de 12 MN/m2), no se tomaron medidas de refuerzo adicionales. Despus de verificar los resultados de los clculos y de efectuar unos sondeos con extraccin de testigo, se desarroll y confirm posteriormente la hiptesis que se comenta a continuacin.

Figura 17. Distribucin de cargas con/sin una capa impermeable de 4 m sobre el techo (John, 1994).



Debido a la permeabilidad en las formaciones calizas del macizo rocoso y al hecho de que normalmente la roca y el hormign proyectado no eran impermeables, la presin de agua generalmente disminuye sobre la calota y las fuerzas verticales de drenaje se distribuyeron aproximadamente a una distancia de un dimetro de la ecavacin por detrs del techo de la caverna, Fig. 17-a. En la zona de agrietamiento del hormign proyectado, el macizo rocoso estaba relativamente seco durante el avance. Despus se observ que una capa margosa haba interrumpido el flujo de agua, formmdose un embalsamiento que aadi a la presin existente una presin de agua a unos 4 m por encima del techo de la galera. Este aumento de la presin de agua condujo a una apertura en el plano de estratificacin, interrumpiendo el arco de roca soporte de la carga, Fig. 17-b. La reduccin en ste, inducida sobre 2 3 pliegues, incrementa las tensiones en el hormign proyectado. El factor que influy en el proceso de liberacin de presiones fue el cruce de las juntas transversales a lo largo de toda la anchura de la caverna a unos 6 9 m detrs del frente. Con la supresin de la accin del sostenimiento en el frente en direccin longitudinal, las cargas se incrementan sbitamente en el plazo de dos horas de medidas preventivas tomadas a su debido momento. La caverna no se fractur con la sobrecarga adicional del revestimiento de hormign, ya que sta puede ser atribuida al hecho de que la capacidad de carga del macizo rocoso fue capaz de soportar las tenciones adicionales, Fig. 18. Originalmente, la excavacin por banqueo de la calota se previ en funcin de asentamientos del techo comprendidos entre 80 y 100 mm, mientras que para las galeras laterales se supuso solamente 40 mm. Esto quiere decir que, adoptando el mtodo de las galeras laterales, no fue alcanzada la capacidad de carga del macizo rocoso. Tan pronto se observ el agrietamiento del hormign, se instalaron bulones de anclaje puntual y se realizaron barrenos de expansin de forma que se pudiesen liberar las tensiones producidas por la presin del agua. Como resultado de estas medidas, la apertura del plano de estratificacin fue cerrada y la distribucin original de tensiones restaurada. Cuando se reinici el avance de la calota, se produjeron asentamientos adicionales de unos pocos milmetros. Sin embargo, la estabilidad de las cavernas no haba estado nunca en peligro, ya que se incluyeron unos mrgenes de seguridad estructurales en la etapa de diseo. Este suceso tambin subraya el comportamiento esttico favorable del sistema de sostenimiento NATM. Figura 18. Curva de Fenner-Pacher para distintos procedimientos constructivos (John, 1994).



7. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MTODO VENTAJAS

Su adaptabilidad a condiciones geolgicas variadas, especialmente en

condiciones difciles.

Reduccin en los presupuestos de obra.

Disminucin de la probabilidad de accidentes en el frente de trabajo, por causa

de rocas o derrumbes.

Econmicamente mucho ms rentable comparado con otros mtodos de

tunelera.

DESVENTAJAS

El nuevo mtodo austriaco ha dado magnficos resultados en materiales rocosos en que las deformaciones antes de la rotura pueden ser relativamente grandes. En suelos estas deformaduras antes de la rotura, son ms pequeas y hay mayor riesgo de utilizar esta filosofa.

El NATM tiene dificultades en zonas urbanas a poca profundidad donde la

subsidencia, que el mtodo provoca, lo hace inviable.



8. CONCLUSIONES

Una excavacin subterrnea afecta las condiciones iniciales de equilibrio del

macizo rocoso; las cuales tienden a esta estabilizarse con el tiempo, siendo

necesario en primera instancia reforzar el terreno para que se logre dicho

equilibrio y finalmente colocar el sostenimiento final, lo cual aumentar

nuestro factor de seguridad.

El NATM tiene como principio el uso de la roca circundante de la excavacin

como sostenimiento principal.

La calidad de la roca influye mucho en la estabilidad del terreno; por

consiguiente, las dimensiones del diseo para el sostenimiento dependen

fundamentalmente de sta.

El contacto uniforme al aplicar el hormign proyectado es muy importante para

que no se generen cargas puntuales en el macizo rocoso.

El continuo control de los esfuerzos en la excavacin es muy importante para la

ejecucin de este mtodo.

Todas las rocas sin excepcin poseen, en mayor o menor grado, defectos

mecnicos que no estn en relacin con sus propiedades inherentes.

El control de los esfuerzos que se generan alrededor de una excavacin

subterrnea, requiere de que en el menor tiempo posible se restituyan las

condiciones de equilibrio originales.

La forma como se apuntale o refuerce una excavacin y la calidad de los

materiales que se utilicen para tal fin, deben orientarse a parar el proceso de

aflojamiento.

En la medida que transcurra el tiempo, para una excavacin efectuada sin

refuerzo, siempre que lo necesite o que sea apuntalada deficientemente o que

se hayan empleado materiales no apropiados, dar lugar a una mayor

disturbacin de la roca circundante a la excavacin, cargando paulatinamente

sobre el apuntalamiento hasta sobrepasar los lmites de fluencia o resistencia

del material empleado en el reforzamiento.



9. BIBLIOGRAFA

Ingeotneles 3, Pgina 192 Autor: Carlos Lpez Jimeno

Curso: Proyecto y construccin de tneles Expositor: MSc. Ing. Gaither de la Sota Prez

Tunnelling and Tunnel Mechanics, Pg. 181 Autor: Dimitrios Kolymbas

Principios del NATM

Autor: Ladislaus Von Rabcewicz

Para la eleccin de los bulones se puede seguir el siguiente link: http://procedimientosconstruccion.blogs.upv.es/2013/07/28/la-tecnica-del-bulonaje/#more-2349

Excavaciones subterrneas en roca.

Hoek & Brown.

Principios del NATM

Ladislaus Von Rabcewicz

www.tuneleros.com

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