Deformacin del medio debido a la
excavacin y su control
1.- Comportamiento de las deformaciones en el frente, las paredes y techo del tnel
Extrusin : Se manifiesta por una deformacin simtrica del frente o por desprendimiento de fragmentos de roca dependiendo del tipo de material y los estados de esfuerzo.
Preconvergencia : Se entiende como la convergencia del perfil terico del tunel delante del frente. Depende de la relacin entre los esfuerzos y las propiedades de la deformacin
Convergencia : Se manifiesta como una disminucin de la seccin terica de la excavacin.
2.- Conexin entre el comportamiento de la deformacin en el frente y la cavidad existente
Establece las posibles conexiones entre la deformacin del frente (extrusin y preconvergencia) y la cavidad (convergencia)
El tamao de la convergencia en una seccin dada de un tnel es proporcional al tamao de la extrusin y preconvergencia generada previamente en la misma seccin, es decir hay una estrecha relacin entre estas.
Normalmente el colapso de la cavidad sigue a la falla en el frente, es decir hay una estrecha relacin entre estos fenmenos an si el frente ha sido sostenido.
Es importante determinar ratios de avance en terrenos elastoplsticos para evitar la deformacin
3.- Control de las deformaciones
La deformacin en el frente (dentro del radio de influencia) es la real causa de la deformacin total, como consecuencia la rigidez de esta juega un papel importante en la estabilidad de un tnel en el corto y largo plazo
La Rigidez del frente se logra mediante una accin de preconfinamiento y por confinamiento
El preconfinamiento se puede dar por proteccin del perfil del tnel o directamente por reforzamiento del frente
Pronstico de las deformaciones
Se realiza para los casos de ausencia de sostenimiento y se divide el tnel a travs de su eje en secciones de similar comportamiento
Categora A: Comportamiento estable de la roca
Categlora B: Comportamiento estable en el corto tiempo
Categora C: Comportamiento inestable o suelto
Procedimiento:
Dividir el tnel a travs del eje en secciones con comportamientos uniformes de esfuerzos o resistencia
Estudiar la gnesis y el fenmeno de deformacin en detalle para cada seccin
Analizar la presencia de agua
Reconocer el tipo y la magnitud de la inestabilidad existente
Analizar la estabilidad de los taludes naturales y artificiales alrededor de los portales
Se define una seccin con igual comportamiento de esfuerzos a aquella dentro del cual es razonable establecer una hiptesis de que la respuesta como deformacin se desarrollar de una manera constante en toda la dimensin debido a la excavacin de la roca.
Se debe tener particular consideracin en lo siguiente:
Las caractersticas geolgicas y geomecnicas de la roca con nfasis en la parte estructural y los parmetros de esfuerzos y deformabilidad
Condiciones hidrogeolgicas en general
Mtodos
Hay diferentes mtodos disponibles, estos difieren principalmente en las hiptesis en las cuales se basan para hacer los pronsticos mas confiables para determinadas situaciones.
Sin embargo es posible agruparlos en dos grandes mtodos:
Mtodos de cargas slidas
Calcula la deformacin de la roca como una consecuencia de la formacin de volmenes de material en el frente y alrededor de la excavacin y que caen bajo la accin de su propio peso. La roca matriz permanece estable.
Se produce por un fenmeno gravitacional. Si la influencia de las discontinuidades es grande el efecto arco diminuye. Estos son entonces mtodos disponibles para terrenos que tienen poca cohesin (de tipo elstica) y rocas fracturadas, el comportamiento de estos es determinado por la combinacin de las caractersticas geomecnicas, las discontinuidades y la resistencia de la matriz.
La teora de bloques es una tcnica de clculo tridimensional el cual usa el mtodo de anlisis geomtrico con un profundo estudio de los sistemas de discontinuidades y la interaccin entre ellos. Identifica cuas de roca de las cuales la estabilidad de la abertura depende. Cuando una se mueve puede generar que otras se muevan provocando una inestabilidad general
El parmetro fundamental en este mtodo es la resistencia al esfuerzo cortante de las diaclasas que viene dado por la cohesin y el ngulo de rozamiento de las juntas.
Plasticised ring methods
Calcula la deformacin de la roca como consecuencia de la formacin de una banda de perturbacin alrededor del frente y la cavidad que tiende a extenderse con una geometra circular y con una radio de influencia que se incrementa como una funcin de la resistencia del material rocoso.
La teora de las lneas caractersticas es una alternativa econmica de estudio sin muchos errores.
Mtodo de los elementos finitos: consiste en modelizar el terreno (continuo) mediante una serie de elementos discretos conectados unos a otros a travs de unos puntos comunes; dentro de cada elemento se plantea ecuaciones de elasticidad y rigidez. El modelo que se genera puede ser en 2D o 3D. Los resultados del clculo generalmente se presentan en grficos y tablas.
Manifestaciones de
inestabilidad por
estructuras
geolgicas
Portadas
Identifica la respuesta al esfuerzo de los taludes donde se van a construir los ingresos .
Se analiza:
La litologa, la morfologa y la tectnica
La hidrologa, edificios o construcciones pre-existentes.
Las caractersticas geomecnicas
Es bsicamente un tema de predecir si el terreno donde se va a construir el ingreso del tnel va a permanecer estable o inestable en ausencia de algn tipo de sostenimiento
Los taludes pueden tener una falla circular, plana, tipo cua, etc. (ver figura)
La estabilidad y seguridad de la excavacin y de la infraestructura cercana asegurando que se produzca el efecto arco cerca del perfil de la abertura
La industrializacin de los trabajos de construccin que sea compatible de trabajar con respeto al medio ambiente, los niveles de avance, etc.
Definir el sistema mas apropiado de excavacin (mecanizado o convencional
Definir los elementos de estabilizacin que se van a usar
Factores que influyen en la excavacin
El sistema de excavacin que puede ser mecanizados a seccin completa (TBM) o convencional (voladura y otros)
Reforzamiento/sostenimiento
Las fases de excavacin (seccin completa, a media seccin, dividido en muchas secciones, etc)
Forma o seccin
La longitud del tnel
La velocidad de avance
Decisiones operacionales
Excavacin convencional o mecanizada?
Se debe tener en cuenta lo siguiente:
Seccin y longitud del tnel
En excavaciones mecanizadas a seccin total se debe utilizar una seccin
circular, sin embargo este es eficiente desde un punto de vista esttico, no es la
mejor para condiciones de esfuerzos naturales sensiblemente asimtricas. Los
tneles actuales para vehculos requieren dimetros entre 10 y 14 m y los TBM
pueden con esas dimensiones (15 meses de ensamblaje).
Las excavaciones convencionales son mas flexibles, toma mas tiempo que puede
ser reducido
Geometra vertical y horizontal a lo largo del eje
Pequeos radios de curvatura no alcanzara la capacidad de un TBM
Limitaciones logsticas
Se debe poner especial cuidado al transporte, ensamblaje y repuestos de la
mquina en el lugar de trabajo
La naturaleza del terreno, los estados de esfuerzos, la hidrogeologa y la
presencia de gas
Existencia de edificios y estructuras
Seguridad y medio ambiente
Diseo usando excavacin convencional
Los factores que influyen son:
Accin de reforzar, mejorar o estabilizar el terreno
Esta en funcin a la estabilidad en el corto y largo plazo
Las etapas de la excavacin
Tiene una enorme influencia en la estabilidad del tnel y en el avance, puede ser como frente total, a media seccin , etc
El sistema de excavacin
Depende de la resistencia de la matriz, las discontinuidades, capacidad de transmisin de energa, tamao aceptable de sobrerotura, infraestructura cercana, etc.
La longitud de la excavacin
La forma del frente
La velocidad de avance
Parmetro
Menor a 3 De 3 a 20 Mayor a 20
Sistema de
excavacinRipper
Hammers, Road
headersVoladura
Resistencia de la roca (Mpa)
Intervencin para estabilizacin
Intervencin de Preconfinamiento
Cuando se acta delante del frente de tal manera que facilita la formacin en
forma artificial del efecto arco de tal manera que da una proteccin estructural,
acta dentro de la roca, hace que sigma 3 se reduzca a cero haciendo que la
deformacin sea controlada. Es muy importante conservar la presin de
confinamiento delante del frente a fin de evitar el colapso del terreno.
Puede ser
Revestimiento de shotcrete con fibra con precorte
Reforzamiento con elementos estructurales de fibra de vidrio dentro del terreno
con mortero de cemento
Techos tipo cono truncado que consiste en columnas subhorizontales de
cemento inyectado de lado a lado con parcial superposicin
Cellular arc
Techos artificiales
Revestimiento de shotcrete creado por precorte mecnico
Consiste en crear un revestimiento continuo antes que la excavacin se inicie el cual es capaz de ejercer un preconfinamiento radial haciendo que sigma 3 tienda a cero
Esto funciona por que al colocar el shotcrete mas all del frente disminuye el potencial de extrusin, el efecto de sigma 3 desaparece, reduce al zona de comportamiento plstico alrededor de la cavidad y se genera el efecto arco
Se aplica en terrenos estables en el corto tiempo
Reforzamiento con elementos estructurales de fibra de vidrio
Cosiste en perforar una serie de taladros en el frente sub paralelos al eje del tnel y con una longitud no menor al dimetro donde son insertado elementos especiales de fibra de vidrio e inmediatamente se inyecta cemento a baja presin, luego del cual se continua con el tnel. Si no es suficiente para contener la extrusin se colocan mas taladros. Ofrece gran seguridad. Se aplica en terrenos de comportamiento elasto plstico
Conos truncados (paraguas)
Consiste en un traslape parcial de columnas subhorizaontales de cemento inyectado colocadas delante del frente capaz de producir una accin de preconfinamiento (efecto arco artificial)
Tecnologa del arco celular
Puede ser usado para la construccin de grandes cavidades subterrneas debido a que se coloca el revestimiento antes de excavar el tnel
Consiste en una estructura reticulada con una seccin semicircular donde los elementos longitudinales (celulas) son tubos llenados con concreto reforzado y son unidos por arcos de acero y concreto
Existen 5 pasos en la implementacin de este mtodo
Excavacin de los tneles laterales y vaciado de las paredes del revestimiento final
Tubos de concreto reforzado son insertados en el terreno de lado a lado (2 m de dimetro aprox.) alrededor del perfil del futuro tnel (minitneles)
Se hacen tneles transversales a intervalos desde los minitneles para conectar los arcos con las celulas, se colocan y se rellenan
Se excava la seccin debajo de el arco celular
Se llena el tnel invertido
Permite hacer aberturas con dimetros mayores a 60 m
Conos truncados con inyeccin convencional de cemento
Consiste en alternar el avance del tnel con fases de cemento inyectado
Conos truncados como tubos de drenaje
Se aplica debajo de la napa fretica
Intervencin de Confinamiento
Cuando se acta en el tnel desde el frente hacia atrs con la
finalidad de contener el fenmeno de la deformacin
Pueden ser:
Revestimiento primario de shotcrete que produce presin de
confinamiento alrededor de la cavidad en funcin de del espesor
Pernos de roca en forma radial
El tnel invertido
Shotcrete como revestimiento preliminar
Si es reforzado con pernos de acero o malla de acero o fibra, una mezcla de cemento puede proporcionar un buen confinamiento en unas cuantas horas. Se puede aplicar
En rocas con comportamiento estable pero fracturadas, protege contra cadas de rocas o estallidos
En rocas con comportamiento estable en el corto tiempo forma una estructura fuerte y en terrenos inestable complementa el preconfinamiento
Empernado radial usando pernos de anclaje
Se usa para tensar la roca. Se usa en terrenos fracturados
El tnel invertido
El vaciado del tnel invertido completa el preliminar y final revestimiento para crear una estructura cerrada capaz de crear una considerable presin de confinamiento
Tneles debajo del nivel fretico
Cuando se avanza dentro de un acufero y no se protege tiene el efecto de un gran drenaje, un movimiento natural de infiltracin se crea en la direccin de la excavacin. Es importante identificar el rgimen hidrosttico y el hidrodinmico
Intervencin de Pre sostenimiento
Cuando se acta delante del frente, sin embargo no tiene
ninguna accin o influencia en la formacin del efecto
arco, es decir no disminuye el esfuerzo principal tampoco
incrementa la resistencia al corte, es una intervencin
pasiva