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Anlisis y Proyecto y de Tneles
Prof. Pietro De Marco
Gianfranco PerriUniversidad Central de Venezuela
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TUNELES MS LARGOS DEL MUNDO
N Tnel Pas Uso Ao Long.km
I Seikan Japn FFCC 1988 53.9
II Canal Mancha Inglaterra-Francia FFCC 1994 2 x 50.0
III Dishimizu Japn FFCC 1982 22.2
IV Simpln 2 Italia-Suiza FFCC 1922 19.8
V Simpln 1 Italia-Suiza FFCC 1906 19.8
VI Vereina Suiza FFCC 1999 19.0
VII Shin-Kanmon Japn FFCC 1975 18.7VIII Apeninos Italia FFCC 1934 18.5
IX San Gotardo Suiza CARR 1980 16.3
X Rokko Japn FFCC 1971 16.3
XI Henderson USA FFCC 1975 15.8
XII Haruna Japn FFCC 1982 15.4
XIII Furka Suiza FFCC 1981 15.3
XIV San Gotardo Suiza FFCC 1882 15.0
XV Nakayama Japn FFCC 1982 14.9
XVI Loetschberg Suiza FFCC 1913 14.6
XVII Mount MacDonald Canad FFCC 1988 14.6
XVIII Ta-yao Shan China FFCC 1988 14.3
XIX Arlberg Austria CARR 1978 14.0
XX Hokuriku Japn FFCC 1962 13.9XXI Mont Cenis Francia-Italia FFCC 1871 13.7
XXII Shin-Shimizu Japn FFCC 1967 13.5
XXIII Aki Japn FFCC 1973 13.0
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Estaticade las Excavaciones Subterraneas
Estado de Solicitaciones Naturales
Redistribucin de Esfuerzos y Deformaciones
Nuevo Equilibrio Esttico Desequilibrio
Estabilidad e Inestabilidad Geoestructural
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ESTADO DE LAS SOLICITACIONES NATURALES
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ESTADO DE LAS SOLICITACIONES NATURALES
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SOLICITACIONESINDUCIDAS ALREDEDORDE UN TUNEL CIRCULAR
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SOLICITACIONES REDISTRIBUIDAS ALREDEDOR DE UN TUNEL CIRCULAR
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ESTADO DE LAS SOLICITACIONES REDISTRIBUIDAS
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SOLICITACIONES INDUCIDAS ALREDEDOR DE UN TUNEL
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SOLICITACIONES INDUCIDAS ALREDEDOR DE UN TUNEL
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DEFORMACIONES INDUCIDAS ALREDEDOR DE UN TUNEL CIRCULAR
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DEFORMACIONES INDUCIDAS ALREDEDOR DE UN TUNEL CIRCULAR
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COMPORTAMIENTOELASTO - PLASTICO
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= 0.5D po (1+v) (0.29+0.71(1-e-1.5(d/0.5D)0.7
)/E(Corbetta, Bernaud & Nguyen,1991)
(Chem et Al, 1998)
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TRIDIMENSIONALIDADDEL FENOMENO DELA EXCAVACION DEUN TUNEL DURANTEEL AVANCE, TAMBIENEN TERMINOS DE LAREDISTRIBUCION DELOS ESFUERZOS YDE LA EVENTUAL
PLASTIFICACION
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(1) (6)
(5)
(2)-(3)-(4)-(7)-(8)
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POSIBLES CONDICIONES GEOESTATICAS
DURANTE LA EXCAVACION DE UN TUNEL
A a/b A
c BB
d C
e D
C
f E
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A Comportamiento a frente estable o, de tipo lapdeo
La concentracin de esfuerzos en el terreno al frente y alcontorno de la cavidad no supera la resistencia del medio.
Los fenmenos de deformacin evolucionan en campoelstico, son inmediatos y de orden centimtrico.
El frente de excavacin es globalmente estable y se puedenproducir solamente inestabilidades localizadas de cada debloques aislados debido a desfavorables circunstanciasgeomtricas y estructurales del terreno.
Lasintervenciones de proteccino estabilizacin estnprincipalmente dirigidas a evitar eventualesdesprendimientos localizados del terreno.
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B Comportamiento a frente estable a corto plazo, ode tipo cohesivo
La concentracin de esfuerzos al frente y al contorno de lacavidad, supera el lmite del campo elstico del medio.
Los fenmenos de deformacin evolucionan en campo elsto-plstico, son algo diferidos en el tiempo, son de ordendecimtrico y no condicionan la estabilidad ya que el terreno
est an en condicin de movilizar resistencia suficiente.
Los fenmenos de inestabilidad, bajo la forma dedesprendimientos localizados presentes en el frente y
contorno de la cavidad, dejan en general el tiempo de actuardespus de un relativamente limitado alejamiento del frente,medianteintervenciones tradicionales de contencin radialaunque, en raras circunstancias, puede resultar necesario
recurrir al empleo de algunas acciones de pre-consolidaciny/o de pre-contencin.
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C Comportamiento a frente inestable, o detipo incoherente
La concentracin de esfuerzos al frente y al contorno de
la cavidad, supera la resistencia del medio.
Los fenmenos de deformacin resultan inaceptables yaque evolucionan rpidamente hacia la ruptura dando
lugar a graves manifestaciones de inestabilidad hasta lacada del frente y el colapso de la cavidad, sin dejar eltiempo de actuar con intervenciones de contencin radial.
Se requieren por lo tanto siempreintervenciones de pre-consolidacin y/o pre-contencina monte del frente deexcavacin.
A
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A Intervenciones de proteccin
* Concreto proyectado* Pernos aislados
B Intervenciones tradicionales de contencin radial* Concreto proyectado y Pernos sistemticos* Concreto proyectado y Costillas (eventualmente con Pernos)
C Intervenciones de pre-consolidacin y/o pre-contencin
* Concreto proyectado costillas y pernos* Vidrioresnas de consolidacin del ncleo* Pernos en avance* Arco troncocnico de micropilotes o, de jet grouting* Arco troncocnico en pre-corte de concreto
* Solera temporal (eventualmente a media seccin)*
Hoek Russo
Lunardi
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Hoek Russo
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Tunel Tronquoy
Debajo del Canalde San Quintinen Francia (1803)
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Tunel Widening
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Metropolitana deLondre (1865-67)
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Clase de Comportamiento f
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Clase de Comportamiento f
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Clase de Comportamiento f
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Clase de Comportamiento f
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Clase de Comportamiento f
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CUAL ES LA CLASE DE COMPORTAMIENTO ?
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De que depende ?
Como se define en proyecto y en campo la CLASE?
CUALES SON LAS DIMENSIONES DEL SOPORTE ?
De que dependen ?
Como se calculan las CARGASsobre el soporte ?
En geotecnia, es muy conocida y reconocida la dificultad prctica yconceptual de obtener o estimar y hasta definir los parmetros de
MECANICA DE SUELOS ROCAS Y MACIZOS ROCOSOS
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p y presistencia y deformacin cuando el medio al que se refieren es unmacizo rocoso, por antonomasia heterogneo, anistropo y discontinuo.
En efectos, con el desarrollarse de la mecnica de rocas fue evidente laimposibilidad de poder asumir para los macizos rocosos, lascaractersticas mecnicas obtenidas de ensayos de laboratorio sobremuestras de rocas, obligando a la ideacin y realizacin de complicados
costosos y no siempre suficientemente representativos ensayos en sitio.
Igualmente, se evidenciaron pronto los limites de los criterios deresistencia, como por ejemplo el de Mohr-Coulomb heredado de lamecnica de suelos, basados en el uso de la compresin uniaxial (c) lacohesin (c) y el ngulo de friccin (), cuando se trat de aplicarlos yano solo al clculo de la resistencia del material rocoso o de los planos de
discontinuidades definidas, sino al macizo rocoso en su conjunto, ascomo resultaba necesario en un gran numero de problemas prcticos.
PARAMETROS GEOMECANICOS DE LOS MACIZOS ROCOSOS
Cuales son y como se determinan los parmetros ( ), (c), () y (E),
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y p (c), ( ), ( ) y ( ),
del macizo rocoso, heterogneo y discontinuo?
Son iguales a los de los materiales rocosos constituyentes el macizo?
O son iguales a los de las discontinuidades presentes? (A los valorespicos, o a los valores residuales?)
O se debe hacer la media entre los parmetros de los diferentes
materiales presentes y los de las discontinuidades?Pero se har una media ponderada? (y segn cual ponderacin?)
Se determinarn con ensayos en laboratorio o en sitio?Y luego finalmente, como se pasar de los valores de ensayo a los
parmetros del macizo, que son en definitiva los que requiere el
ingeniero proyectista?
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El Criterio de Hoek-Brown (1980), introdujo parmetros de resistenciaal corte propios, sea del material rocoso como el nuevo parmetro para laroca intacta (mi) a lado de la tradicional resistencia a la compresin
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uniaxial (ci), sea del macizo rocoso (mb) y (s) con la formula:
Siendo (1 y 3) los esfuerzos principales mximos y mnimos respectivamente(eventualmente efectivos) al momento de la rotura y siendo:
mb =miexp[(GSI-100)/(28-14D)] s = exp[(GSI-100)/(9-3D)] = 0.5+(e-GSI/15-e-20/3)/6
SiendoD funciondel nivel de debilitamiento (min. =0 ymax. =1) sufrido por el macizo.
Para el material rocoso: (mb = mi), (s = 1), ( = 0.5) y el criterio es :
a
cibci sm
++=
331
1331 ++=ci
ci mi
(ci)
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CLASIFICACIONES GEOMECANICAS
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CARACTERIZACIONY ZONIFICACIONGEOMECANICA
PURAS
SE BASANSOLOSOBRE LA
CALIDADGEOMECANICADEL
MACIZOROCOSO
IBRIDAS
CONTIENENUNOOMASPARAMETROSDE EVALUACION QUE NO SOINTRINSECOSALMACIZOROCOSO
CLASIFICACIONES GEOMECANICAS
METODOS EMPIRICOS DE DISEO
INDIRECTOS:
LASINDICACIONESDE PROYECTO
DERIVANDEUNACARACTERIZACIONCUALITATIVAYDEUNACONSECUENTEEVALUACIONDELASCARGAS
DIRECTOS:
LASINDICACIONIESDEPROYECTODERIVANDIRECTAMENTE DEUNA
CARACTERIZACIONCUALITATIVADELMACIZOROCOSO
METODOS CUALITATIVOS
LASINDICACIONESDE PROYECTODERIVANDEUNACARACTERIZACIONCUANTITATIVAYEVENTUALMENTEDELAEVALUACIONDELASCARGAS
METODOS CUANTITATIVOS
Unparmetro
RQD(1)Strength-size (2)
GSI (3)RMi (4)
Masparmetros
AFTES(5)SIA199 (6)ISRM(7)
Terzaghi (8)
RSR(9)Q-System(10)RMR(11)
Rabcewicz Pacher(12)
Rock loads (8)
Unparmetro
Stand-up time (13)RQD(1)
Masparmetros
.RMR(11), RSR(9)Q-System(10)
Strength-size (2)
Recomendaciones
AFTES(5)
(1) Deere, 1964; (2) Franklin, 1975; (3) Hoek, 1994 and Hoek et al., 1995; (4) Palmstrm, 1996; (5) 1993; (6) 1975; (7) 1981; (8) Terzaghi, 1946;
(9) Wickham,1972; (10) Barton et al., 1974, 1994; (11) Bieniawski, 1973, 1989; (12) 1974; (13) Lauffer, 1958, 1988.
Cla
sif
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sificacion
deBENIA
WSKI19
74-1989
RMR=A
1+A2+A3+A4+A5
+B
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EL RMi (Rock Mass index) DE PALMSTROM - 1996
Very low RMi < 0.01
Low RMi = 0 01 0 1
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JP = D Vb jC 2 . 0 where D = 0.37jC -0.2
RMi=cJP
Low RMi = 0.01 0.1Medium RMi = 0.1 1High RMi = 1 10
Very high RMi > 10
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EL
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RMi
DE
PAL
MSTROM
-1996
CLASIFICACIN GEOMECANICA Vs. GSI(Geological Strengh Index)
Hevert Hoek 1994
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Hevert Hoek 1994
Condicin de lasDiscontinuidades
MUY BUENA
( VG )BUENA
( G )REGULAR
( F )POBRE
( P )MUY POBRE
( MP )
Macizo RocosoEN BLOQUES
( B )> 65 55 75 45 - 65 35 - 55 25 45
Macizo RocosoFRACTURADO( VB )
55 - 75 45 - 65 35 - 55 25 - 45 15 - 35
Macizo RocosoFALLADO Y PLEG.
( BF ) 45 - 65 35 - 55 30 - 45 20 - 40 10 30Macizo Rocoso
TOT. FRACTURADO( C )
40 - 55 30 - 45 25 - 40 15 - 30 < 20
El Geological Strengh Index (GSI)En 1994, Evert Hoek public en el noticiero de la Sociedad Internacionalde Mecnica de Rocas, el articulo Strengh of Rock and Rock Masses
l l i t d j d fi i d l G l i l St h I d
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en el cual introdujo, definindolo Geological Strengh Index , un nuevondice de calidad geomecnica para los macizos rocosos cuyo rangonumrico, comprendido entre 0 y 100, se basa en la identificacin yclasificacin en campo de dos de las caractersticas fsico-mecnicas deun macizo rocoso: la macroestructura y la condicin de las superficies delas discontinuidades presentes.
Hoek recomienda hacer siempre referencia a un rango numrico y nunca
a un solo valor del GSI y tambin sugiere la posibilidad, a falta de unaapreciacin directa en campo y solo para macizos rocosos caracterizados
por un GSI > 25, de estimar este a partir del RMR de Bieniawski,
depurndolo del factor orientacin de las discontinuidades y asignando10 al factor agua. Tambin se propone estimar el GSI a partir del ndiceQ de Barton, depurndolo del factor de tensin (SRF) y asignando 1 al
parmetro agua (Jw), obteniendo luego, de acuerdo con la preexistente
correlacin entre Q y RMR: GSI= 9 lg Q + 44.
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En el 2002 el Criterio de Hoek-Brown introdujo un nuevo parmetro
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En el 2002 el Criterio de Hoek Brown introdujo un nuevo parmetro(D) de afectacin del macizo rocoso, a lado de la resistencia a lacompresin uniaxial (ci), del parmetro para la roca intacta (mi) y de los
parmetros del macizo rocoso (mb) y (s) con la misma formula:
Siendo ahora:
mb =miexp[(GSI-100)/(28-14D)] s = exp[(GSI-100)/(9-3D)] = 0.5+(e-GSI/15-e-20/3)/6
DondeD es funcin del nivel de debilitamiento (min.=0 ymax.=1) sufrido por el macizo
a
cibci sm
++=
331
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PARAMETROS BASICOS DE HOEK (1988)
0.100000
1.000000
mb/mi = exp[(GSI-100)/(28-14D)]
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0.000010
0.000100
0.001000
0.010000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100GSI
mb/mi
s
s = exp[(GSI-100)/(9-3D)]
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102/166
0,16
0,18
0,20
c /Co
mi=5
mi=10
c/Co= (0.0058+0.0004 mi) exp[GSI(0.0455-0.0073 Ln(mi))]
mi=7
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COHESION DEL MACIZO ROCOSO (Hoek & Brown, 1997)
c/Co = 0.013e0.026GSI
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100GSI
mi=13
mi=30
mi=35
mi=16
mi=20
mi-25
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800000
900000
1000000
EmEm/E'
0.9
0.8
1.0
Em=SQR(Co)10exp(GSI+70)/40
Em = E 10 (GSI-100) / 40
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MODULO DEL MACIZO (Em) en Kg/cm2 SEGUN GSI y Co(Kg/cm2)
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
700000
10 20 30 40 50 60 70 80 90GSI
50
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Em/E'
Co
0.7
0.5
0.3
0.1
0.4
0.2
0.6
0
MODULO DEL MACIZO (Em) en Kg/cm2 SEGUN GSI y Co (Kg/cm2)
80000
90000
100000
Em
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0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
10 20 30 40 50 60 70 80 90
GSI
50
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Co
Em=SQR(Co)10exp(GSI+70)/40
Definiciny uso del GSI
(GeologicalStrenghIndex)
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(GeologicalStrenghIndex)
El GSI es un ndice de la calidad geomecnica de losmacizos rocosos y se utiliza para realizar estimaciones
prcticas de los parmetros del macizo rocoso a partir
de los parmetros del material rocoso (ci
- mi):
Parametros de resistencia de Hoek Brown: m - s
Parametros de resistencia de Mohr Coulomb: cm - mResistencia a la compresion uniaxial: cm
Modulo de deformacin longitudinal: Em
CARACTERISTICAS GEOMECANICAS DEL MATERIAL ROCOSO ( de la Roca Intacta )
INPUT: mi = 10+- 4
0,20
0,25
INPUT: Co = 20+-10 (Mpa)
0,06
0,07
0,08
0,09
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108/166
0,00
0,05
0,10
0,15
2 4 6 8 10 12 14 16 18
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0 5 10 15 20 25 30 35 40
INPUT: GSI = 40+- 10
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
20 30 40 50 60
INPUT : E = 45000+- 10000 (Mpa)
0,00000
0,00001
0,00001
0,00002
0,00002
0,00003
0,00003
0,00004
0,00004
0,00005
5000 25000 45000 65000 85000
Intact rock strength (Co) Discontinuity spacing
10%
20%
gr.1gr.2
gr.1+gr.2
20%
40%
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0 100 200 3000%Co [MPa] 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
%Spacing [m]
Two groups of specimens with different structuralcharacteristics normally distributed:
Group 1: Co1 = 145MPa, Co1 = 60MPa
Group 2: Co2 = 240MPa, Co2 = 60MPa
Negative exponentially distributed
sp= 0.4m, min. 0.05m, max. 2.5m.
Rock Quality Designation (RQD) Condition of discontinuities
0 20 40 60 80 100%
10%
20%
RQD [%] 20 22 24 26 28%10%
Disc.Condition [RM R rating]
18
Distribution obtained using the relationships:
RQD = 100 1 0 1( . )
& RQD e= +
100 0 1 10.1
( . ) = n discont./m,RQD= 66%
Uniformly distributed:min. 18, max. 28.
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110/166
Assumptions
Assumption: Comp. Uniax. Material Rocoso (MPa) - Cla Cell: E11
Triangular distribution with parameters:
Minimum 1
Likeliest 3Maximum 5
Comp. Uniax. Material Rocoso (MPa) - Cla
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111/166
Selected range is from 1 to 5
Mean value in simulation was 3
Assumption: Parmetro mi - Clase B Cell: E12
Triangular distribution with parameters:
Minimum 8
Likeliest 10
Maximum 12
Selected range is from 8 to 12
Mean value in simulation was 10
Assumption: GSI Clase B Cell: E16
Triangular distribution with parameters:Minimum 15
Likeliest 20
Maximum 25
Selected range is from 15 to 25
Mean value in simulation was 20
1 2 3 4 5
8 9 10 11 12
Parmetro mi - Clase A
15 18 20 23 25
GSI Clase A
Forecast: Friccin Macizo Rocoso - Clase C
Summary:
Display Range is from 7 to 14 ()
Entire Range is from 7 to 14 ()
After 1.000 Trials, the Std. Error of the Mean is 0
Statistics: Value
Trials 1000
recast: Modulo de Deformacin (Em)
Summary:
Display Range is from 2000 to 4000 MPa
Entire Range is from 2229 to 3980 MPa
After 1.000 Trials, the Std. Error of the Mean is 11
Statistics: Value
Trials 1000
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112/166
Mean 10
Median 10
Mode ---
Standard Deviation 1
Variance 2
Skewness -0,10Kurtosis 2,93
Coeff. of Variability 0,12
Range Minimum 7
Range Maximum 14
Range Width 7
Mean Std. Error 0,04
FrequencyChart
()
Mean = 10,000
,041
,083
,124
,165
0
41,25
82,5
123,7
165
7 9 11 12 14
1.000 Trials 2 Outliers
Forecast: Friccin Macizo Rocoso - Clase A
Trials 1000
Mean 2994
Median 2979
Mode ---
Standard Deviation 346
Variance 120019Skewness 0,27
Kurtosis 2,61
Coeff. of Variability 0,12
Range Minimum 2229
Range Maximum 3980
Range Width 1751
Mean Std. Error 10,96
Frequency Chart
MPa
,000
,007
,014
,020
,027
0
6,75
13,5
20,25
27
2000 2500 3000 3500 4000
1.000 Trials 0 Outliers
Forecast: Modulo de Deformacin (Em)
cast: Comp. Uniax. Macizo Rocoso
Summary:
Display Range is from 4,25 to 6,75 (MPa)
Entire Range is from 4,28 to 6,86 (MPa)
After 1.000 Trials, the Std. Error of the Mean is 0,01
Statistics: Value
Trials 1000
M 5 45
Forecast: Modulo de Reaccion de Macizo Rocoso (Kn) C
Summary:
Display Range is from 80000 to 170000
Entire Range is from 87595 to 175239
After 1.000 Trials, the Std. Error of the Mean is 511
Statistics: Value
Trials 1000
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113/166
Mean 5,45
Median 5,43
Mode ---
Standard Deviation 0,42
Variance 0,18
Skewness 0,23Kurtosis 2,94
Coeff. of Variability 0,08
Range Minimum 4,28
Range Maximum 6,86
Range Width 2,58
Mean Std. Error 0,01
Frequency Chart
(MPa)
Mean = 5,45,000
,043
,087
,130
,173
0
43,25
86,5
129,7
173
4,25 4,88 5,50 6,13 6,75
1.000 Trials 2 Outliers
Forecast: Comp. Uniax. Macizo Rocoso
Mean 126710
Median 125579
Mode ---
Standard Deviation 16144
Variance 260621736Skewness 0,23
Kurtosis 2,54
Coeff. of Variability 0,13
Range Minimum 87595
Range Maximum 175239
Range Width 87644
Mean Std. Error 510,51
Frequency Chart
,000
,008
,017
,025
,033
0
8,25
16,5
24,75
33
80000 102500 125000 147500 170000
1.000 Trials 3 Outliers
Forecast: Modulo de Reaccion de Macizo Rocoso (Kn)
CUAL ES LA CLASE DE COMPORTAMIENTO ?
De que depende ?
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Como se define en proyecto y en campo la CLASE?
CUALES SON LAS DIMENSIONES DEL SOPORTE ?
De que dependen ?
Como se calculan las CARGASsobre el soporte ?
Clases de Comportamiento de la Excavacin
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Clases de Comportamiento de la Excavacin
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116/166
Clases de Comportamiento de la Excavacin
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117/166
CLASE DE COMPORTAMIENTO clase geomecanica CLASE TECNICAClases de
Comportamientode la Excavacin
ElementosCaracterizantes
(Definitorios)
ElementosDeterminantes
(Discriminantorios)
ElementosConcomitantes
(Asociados)
ElementosConsecuentes
(Acciones a tomar)
a b
Estabilidad al frente
Estabilidad en la cavidad Eventuales inestabilidades
(cinematismos de bloques)
FSf > 1
FSc >1(Rp/Ro = 1)
RMR = > 80
GSI = > 70Co = > 40 MPa
Em=5000-10000 MPa
Concreto Proyectado (510 cm)
(Eventual)Pernos L = 3 5 m
(Eventuales o Sistemticos)
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IC>0.45
c Estabilidad al frente Cavidad inestable
(o 1
FSc < 1
(Rp/Ro = 1-2)
RMR = 60 80
GSI = 50 80
Co = 20 - 60 MPaEm = 20008000 MPa
0.30
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119/166
IC = cm/H = (0.0034mi0.8) ci[1.029+0.025e(-0.1mi)]GSI/H
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Clases de Comportamiento de la ExcavacinLunardi A B C
Hoek y Marinos A B C D ERusso y Otros a-b c d e f
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Russo y Otros a b c d e f
Convergencia IC>0.2) (0.2> IC>0.15) IC4
Secciones
GSIIntermedias (RMR-Q-RSR-Rmi )
GSI > 70 70 > GSI > 50 50 > GSI > 25 25 > GSI > 15 GSI < 15
Secciones
Profundas
Secciones (GSI-RMR-Q-RSR-Rmi )
Geometria Seccin
Superficiales Estabilidad Frente GSI < 50
GSI > 50
Clase de Comportamiento de la Excavacin
secciones superficiales
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Clase de Comportamiento de la Excavacin
secciones profundas
IC < 0 15 0 15 0 20 0 20 0 30 0 30 0 45 > 0 45
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123/166
IC < 0.15 0.15 - 0.20 0.20 - 0.30 0.30 - 0.45 > 0.45
70 N.P. N.P. P.P. c/a-b a-b
GS
I
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124/166
EstaticadelasExcavacionesSubterraneas
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125/166
Estaticade las Excavaciones Subterraneas
E..
R.. N..
Estabilidad e Inestabilidad Geoestructural (Clase A-a/b)
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126/166
ESTABILIDAD CONTROLADA GEO-ESTRUCTURALMENTE
7/29/2019 Tuneles UCV 2006
127/166
ESTABILIDAD CONTROLADA GEO-ESTRUCTURALMENTE
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128/166
7/29/2019 Tuneles UCV 2006
129/166
ESTABILIDAD CONTROLADA GEO-ESTRUCTURALMENTE
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130/166
Datos Necesarios paraSoportey Revestimiento:
Diseo Geotcnico Estructural de un Tnel
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131/166
p p y
Geometra: Dimensiones y Forma
Materiales constituyentes
Vnculos de apoyo
Cargas actuantes
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132/166
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133/166
Determinacin de las Cargas Actuantes
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134/166
Prehistoria de la Ingeniera de Tneles:Ritter, 1879
Engesser, 1882
Kommerell, 1912 Bierbhaumer, 1913
Terzaghi: 1936 -1946
Protodyakonof, 1960 ..
Convergencia-Confinamiento (AFTES, 1978 - 1984 - 2002)
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TEORIA DE
TERZAGHISOBBRE EL
EFECTO ARCO
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EFECTO ARCO
EN SUELOS(1936)
Hp = B / Ko tg
SOLIDO DECARGA DETERZAGHI
EN ROCAS
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1946
Hp = (B+Ht)
v = Hp
h = Ko v
Para H< 1,5 (B+Ht):
Hp = H
CLASIFICACION DE TERZAGHI - 1946
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139/166
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
mi=10
mi=5mi=7
= 1244mi-1,433GSI(mi0,0004mi-0,0046mi-1,2344)
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140/166
FACTOR DE CARGAS "ALPHA" DE TERZAGHI (Perri, 2000)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
,
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100GSI
mi=13
mi=16
mi=20
mi=30
mi=25
mi=35
SLIDO DE CARGASDE
PROTODYACONOF
Hp = b / 2 f
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Ancho del slido de cargas
b = B+2Ht*tg(45- /2)
Hp b / 2 f
f = tg + c / Co
f = Co / 100
(Co en Kg/ cm2)
v = b / 3f
h = Ko v
H
RecomendacionesAFTES
Ancho del slido de cargasb = B+2Ht*tg(45- /2)
*Para H < b :
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H
Hp = (B+Ht) (en rocas)(mnimo Hp= b)
* Para b < H < 2,5 b :
Hp =(b-2c/ ) (1-e-2Htg/b)/2tg
* Para H > 2,5 b : L.C.
Hp = (b-2c / )/2tg (en suelos)
Para H b :
Hp = H
Hp = (B+Ht) (en rocas)
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Clasificacin de la Excavacinpor Rangos de Cobertura
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Cargas de diseo porRangos de cobertura
CondicinCobertura
Clasificacin
Caso I: (GSI25 y/o suelo) Caso II: (GSI>25)
1 Superficial HB [pv=H] Hb [pv=H]
2 IntermediaB2.5B
pv=radial/gravitacional
H = Cobertura de la excavacin;b = Ancho de la excavacin; (*) No aplica para GSI>40B = b + 2*h*tan(45-/2)*25/GSI: Ancho del slido de Terzaghi;siendo: h = Altura de la excavacin; = ngulo de friccin del macizo rocoso = Densidad del macizo rocoso; = Factor de carga de Terzaghi.
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Curvas de Interaccion Soporte - Terreno y Extencion de la Plastificacion
0,70
0,80
0,90
1,00
P
1,30
1,35
1,40
Radio
de
L.C. Terreno: Rama plastica
L.C. Terreno: Rama elastica
L.C. Soporte
Radio plastico/Radio tunel
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147/166
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0
Convergencia [mm]
res
ion
interna
[M
Pa
]
1,00
1,05
1,10
1,15
1,20
1,25
e
plastificacion
/Ra
dio
deltune
CAPACIDAD Y RIGIDEZ DE SOPORTES TIPICOS
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149/166
Approximate maximum capacities for different support systems installed incircular tunnels. Note that steel sets and rockbolts are all spaced at 1 m.
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150/166
Presion
p
(Kg/cm2)
RIGIDEZ GLOBAL Y CAPACIDAD GLOBAL DE LOS SOPORTES COMBINADOS
Capacidad Global Teorica
(C1+C2+C3)
CAPACIDAD GLOBAL Efectiva
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Deformacion u (cm)
1
2
3
RIGIDEZ GLOBAL = (R1+R2+R3)
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153/166
F o r e c a s t : P - c : R e s i s te n c i a e fe c t iv a d e l s o p o r t e
S u m m a ry :D i s p la y R a n g e i s f r o m 1 , 7 5 t o 3 , 5 0 ( K g / c m 2 )E n t i r e R a n g e i s f r o m 1 , 7 4 t o 3 , 8 6 ( K g / c m 2 )
A f t e r 1 . 0 0 0 T r ia l s , t h e S t d . E r r o r o f t h e M e a n i s 0 , 0 1
S t a t i s t i c s f o r D i s p la y R a n g e : V a lu eT r ia l s 9 9 4M e a n 2 , 6 0M e d ia n 2 , 5 8M d
CALCULO ESTRUCTURAL DEL SOPORTE
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154/166
M o d e - - -
S t a n d a r d D e v ia t i o n 0 , 3 1V a r i a n c e 0 , 1 0S k e w n e s s 0 , 2 8K u r t o s is 2 , 7 8C o e f f . o f V a r ia b i l i t y 0 , 1 2R a n g e M in im u m 1 , 7 5R a n g e M a x im u m 3 , 5 0
R a n g e W id t h 1 , 7 5M e a n S t d . E r r o r 0 , 0 1
F r e q u e n c y C h a r t
( K g / c m 2 )
,000
,008
,015
,023
,030
0
7 ,5
1 5
22 ,5
3 0
1 ,7 5 2 ,1 9 2 ,6 3 3 ,0 6 3 ,5 0
9 9 4 Tr i a l s
F o r e c a s t : P - c : R e s i s t e n c ia e fe c ti v a d e l s o p o r te
Soportes Primarios: Caractersticas estructurales y estadsticas
lase de
Roca
Soporte
Primario
Concreto
Proyectado
Costillas
Metlicas
Pernos Metlicos
(20t)
Capacidad
(Kg/cm2)
Rigidez
(Kg/cm2/cm)
II P-a/b 10 cm - - 1.5 (=0,16) 4.0 (=0,43)
P-a/b* 10 cm - eventuales 1.5 (=0,16) 4.0 (=0,43)
P-c2 10 cm 2 IPN140 @ 150 cm 2 x 4 m @ par de costillas 2.3 (=0,20) 6.2 (=0,55)
III P-c1 14 cm 2 IPN140 @ 150 cm 2 x 4 m @ par de costillas 3.1 (=0,29) 8.3 (=0,76)
CALCULO ESTRUCTURAL DEL SOPORTE
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155/166
III P c1 14 cm 2 IPN140 @ 150 cm 2 x 4 m @ par de costillas 3.1 ( 0,29) 8.3 ( 0,76)
P-d2 14 cm 2 IPN160 @ 125 cm 4 x 6 m @ par de costillas 3.6 (=0,31) 9.6 (=0,83)
IV3 P-d1 16 cm 2 IPN160 @ 125 cm 4 x 6 m @ par de costillas 4.1 (=0,36) 10.7 (=0,95
IV-2 P-e1 16 cm 2 IPN200 @ 100 cm 4 x 6 m @ par de costillas 4.6 (=0,35) 12.3 (=0,95
IV-1 P-f 1 20 cm 2 IPN200 @ 100 cm 4 x 6 m @ par de costillas 5.3 (=0,44) 14.4 (=1,20
V P-f 1* 20 cm 2 IPN200 (H variab.) Micropilotes (Vert. y Horiz.) 5.3 (=0,44) 22.4 (=1,72)
P-f 2 20 cm 2 IPN200 @ 100 cm 7 x 6 m @ par de costillas 6.1 (=0,27) 16.9 (=0,74
P-f 3 20 cm 2 IPN200 @ 100 cm 11 x 6 m @ par de costillas 6.5 (=0,49) 17.5 (=1,31
P-f 4 20 cm 2 IPN200 @ 100 cm 15 x 6 m @ par de costillas 7.2 (=0,54) 19.5 (=1,45
P-f 5 20 cm 2 IPN200 @ 75 cm 15 x 6 m @ par de costillas 8.0 (=0,53) 21.5 (=1,44
P-f 6 20 cm 2 IPN200 @ 50 cm 15 x 6 m @ par de costillas 9.9 (=0,56) 26.7 (=1,51
F o r e c a s t : C a r g a s o b r e e l s o p o r t e C e l
S u m m a r y :
D i s p l a y R a n g e i s f r o m 3 , 0 0 t o 6 , 5 0 K g / c m 2
E n t i r e R a n g e i s f r o m 3 , 0 9 t o 6 , 6 2 K g / c m 2
A f t e r 1 . 0 0 0 T r i a l s , t h e S t d . E r r o r o f t h e M e a n i s 0 , 0 2
S t a t i s t i c s : V a l u eT r i a l s 1 0 0 0
M e a n 4 , 7 1
M e d i a n 4 , 6 8
M o d e - - -
S t a n d a r d D e v i a t i o n 0 , 6 1
V a r i a n c e 0 , 3 7
S k 0 2 6
7/29/2019 Tuneles UCV 2006
156/166
S k e w n e s s 0 , 2 6
K u r t o s i s 2 , 9 7C o e f f . o f V a r i a b i l i t y 0 , 1 3
R a n g e M i n i m u m 3 , 0 9
R a n g e M a x i m u m 6 , 6 2
R a n g e W i d t h 3 , 5 3
M e a n S t d . E r r o r 0 , 0 2
F r e q u e n c y C h a r t
K g / c m 2
, 0 0 0
, 0 0 8
, 0 1 6
, 0 2 4
, 0 3 2
0
8
1 6
2 4
3 2
3 ,0 0 3 ,8 8 4 , 7 5 5 ,6 3 6 ,5 0
1 . 0 0 0 T r i a l s 4 O u t l i e r s
F o r e c a s t : C a r g a s o b r e e l s o p o r te
7/29/2019 Tuneles UCV 2006
157/166
Capacidad vs. Demanda
,112
,149
Normal DistributionMean = 4,56Std Dev = 0,16
Overlay Chart
7/29/2019 Tuneles UCV 2006
158/166
,000
,037
,074
2,75 3,50 4,25 5,00 5,75
Resistenciadel soport
Demanda
Cumulative Chart
,750
1,000
745,5
994
994 Trials
Forecast: C-D
7/29/2019 Tuneles UCV 2006
159/166
Certainty is 90,85% from 0,00 to 1,75
,000
,250
,500
0
248,5
497
-0,75 -0,13 0,50 1,13 1,75
7/29/2019 Tuneles UCV 2006
160/166
7/29/2019 Tuneles UCV 2006
161/166
Margen de Seguridad (MS=C-D), Probabilidad de Falla (Pf%) y Factor de Seguridad (FS)
MACIZOS ROCOSOS FRESCOSA POCO METEORIZADOS
Cobertura Hmax=50 m Hmax=100m Hmax=200m Hmax=300m Hmax=375m
MS=1,1 (Pd-1) MS=1,1 (Pf-2)
Pf= 2,2 % Pf= 0,6 % - - -Filitas GSI= 10-25FS = 1,4 FS =1,2
MS=1,1 (Pc-1) MS=1,3 (Pc-1) MS=1,9 (Pf-6)
Pf= 0,0 % Pf= 0,9 % Pf= 2,3% - -Esquistos GSI = 25-40FS = 1,6 FS = 1,3 FS = 1,2
7/29/2019 Tuneles UCV 2006
162/166
, , ,
MS=0,5 (P-a/b) MS=1,1 (Pc-1) MS=1,3 (Pf-1) MS=1,2 (Pf-4) MS=2,9 (Pf-6)
Pf= 0,0% Pf= 0,0% pf= 0,9 % Pf= 6,0% Pf= 0,0%Marmoles GSI = 40-60FS = 1,5 FS = 1,3 FS = 1,3 FS = 1,2 FS = 1,4
MS=0,5 (P-a/b) MS=0,5 (P-a/b) MS=1,1 (Pc-1) MS=1,1 (Pd-1) MS=1,3 (Pf-1)
Pf= 0,0% Pf= 0,0% pf= 0,0 % Pf= 2,2% Pf= 0,9%Cuarcitas-Anfibolitas GSI = 40-60
FS = 1,5 FS = 1,5 FS = 1,6 FS = 1,4 Fs = 1,3MS=0,5 (P-a/b) MS=0,5 (P-a/b) MS=0,5 (P-a/b) MS=1,3 (Pc-2) MS=1,1 (Pc-1)
Pf= 0,0% Pf= 0,0% Pf= 0,0% Pf= 0,0% Pf= 0,0%Gneises-Granitos GSI = 50-70FS = 1,5 FS = 1,5 FS = 1,5 FS = 2,3 FS = 1,6
Cobertura Hmax=10m Hmax=20m Hmax=30m Hmax=40m Hmax=55m
MS=1,2 (Pc-1) MS=1,5 Pf-1) MS=1,8 (Pf-5) MS=1,2 (Pf-6)
Pf= 0,1% Pf= 2,4% Pf= 2,1% Pf= 12,5% -GSI 25FS = 1,6 FS = 1,4 FS =1,3 FS = 1,1
MS=1,3 (Pd-1) MS=1,3 (Pd-1) MS=1,3 (Pd-1)
Pf= 0,0% Pf= 0,0% Pf= 0,0% - -
MACIZOS ROCOSOS
SUPERFICIALES
MUY METEORIZADOS
Y METEORIZADOS
GSI >> 25
FS = 1,5 FS = 1,5 FS = 1,5
Datos Necesarios para Soporte yRevestimiento:
Diseo Geotcnico Estructural de un Tnel
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163/166
Geometra: Dimensiones y Forma
Materiales constituyentes
Vnculos de apoyo
Cargas actuantes
7/29/2019 Tuneles UCV 2006
164/166
CARGAS DE DISENO PARA EL REVESTIMIENTO DEFINITIVO
7/29/2019 Tuneles UCV 2006
165/166
Rp
C a r a c t e r i z a c i n : G S I c i - m i
L e v a n t a m i e n t og e o m e c n i c o d e l f r e n t e d e e x c a v a c i n
V e r i f ic a c i ny a j u s t e
R e - c a r a c t e r i z a c i ng e o m e c n ic a e n
l a e t a p a d ec o n s t r u c c i n
C o n d i c io n e s d e e s t a b i l i d a d e n l e f r e n t e
V e l o c i d a d d e c o n v e r g e n c i a h a s t a la
L o n g i t u d l i b r e
R E T R O A L I M E N T A C I N D E L D I S E O D U R A N T E L A C O N S T R U C C I N
D E T E R M I N A C I N D E L A C L A S E D E C O M P O R T A M I E N T O
S E L E C C I N D E L T I P O D E S O P O R T E
D E F I N I C I N D E L E V E N T U A L T R A T A M I E N T O D E L L A R O C A
D e t e rm i n a c i n d e l o sp a r m e t r o s
g e o m e c n ic o s y d e le s t a d o t e n s i o n a l
E n s a y o s g e o m e c n ic o s e ns i t u y e n l a b o r a to r io y
E s t a d o t e n s i o n a l d e r e f e r e n c i a : H
7/29/2019 Tuneles UCV 2006
166/166
d e l d i s e oV e l o c i d a d d e c o n v e r g e n c i a h a s t a lad i s t a n c i a d e u n r a d i o d e e x c a v a c i nT i e m p o d e a u t o - s o p o r te
M o n i t o r e o y e n s a y o sc o m p l e m e n t a r io s
E l a b o r a c i n d e l o s d a t o s d e m o n i to r e o y e n s a y o s
M o d i f i c a c i o n e st c n i c a s , Y / O
R e d i s e o
V a l o r e s d e l m o n i to r e oe n t r e l o s l m i t e s d e l
m o d e l o d e p r e v i s i n
C o i n c id e n c i a c o n l ac l a s e d e d i s e o
M o n i t o r e o d e c h e q u e o
C o n f ir m a c i n d e lm o d e l o d e p r e v i s i n
N o c o n f i r m a c i n d e lm o d e l o d e p r e v i s i n
A p l ic a c i n d e l a s e c c i nt ip o p r e v i s t a
N o c o i n c id e n c i a c o nl a c l a s e d e d i s e o
I n t e r a c c i n c o n l o sp r o y e c t i s t a s
A p l ic a c i n d e l a sc o n t r a - m e d i d a s
p r e d e f i n i d a s( e j . c o n s o l i d a c i n
s u p l e m e n t a r )
I n t e r a c c i n c o n l o sp r o y e c t i s t a s
V a l o r e s d e l m o n i t o r e of u e r a l o s l im i t e s d e l
m o d e l o d e p r e v i s i n