Tema 8. Proyecto Tuneles

Ao Acadmico: 2008/2009

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

FACULTAD DE CIENCIAS GEOLGICAS

MDULO DE EXCAVACIONES SUBTERRNEAS

MASTER DE INGENIERA GEOLGICA TCNICAS CONSTRUCTIVAS DE 5 DE INGENIERO GELOGO

TEMA VIII

PROYECTO TNELES

Versin 2009

Francisco J. Castanedo Navarro Ingeniero de Caminos

UCM

TEMA VIII. PROYECTO TNELES

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INDICE

1. CLCULO DE TNELES ........................................................................................ 2 2. ELABORACIN DEL MODELO GEOMECNICO ................................................. 9

2.1 Modelo geolgico ........................................................................................... 9 2.2 Influencia de la estructura geolgica............................................................ 10 2.3 Tramificacin, sectorizacin e individualizacin fallas ................................. 12

3. CONDICIONANTES HIDROGEOLGICOS.......................................................... 15 4. OBTENCIN DE PARMETROS GEOMECNICOS .......................................... 21 5. TENSIONES INICIALES O GEOSTTICAS ......................................................... 28

5.1 Criterios generales ....................................................................................... 28 5.2 Criterios empricos para la determinacin de las tensiones naturales......... 29

6. EFECTO DE LA RELAJACIN DEL FRENTE ..................................................... 31 7. BIBLIOGRAFA ..................................................................................................... 35


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1. CLCULO DE TNELES

En la realizacin de cualquier proyecto de tneles es necesaria la justificacin y clculo

de los elementos de sostenimiento colocados.

Los elementos de sostenimiento son todos aquellos elementos estructurales que

colaboran en suministrar las contrapresiones necesarias para mantener abierta la

oquedad del propio tnel.

Tal y como se ha visto en captulos anteriores, los mtodos utilizables para la justificacin

y comprobacin de los sostenimientos en un tnel son:

a) Mtodos empricos

Los mtodos empricos estn basados en un dimensionado y proceso constructivo

suficientemente sancionado por la experiencia, aunque actualmente tambin se justifican

los mismos con el empleo de mtodos de clculo ms precisos.

Ejemplo de este tipo de mtodos actualmente en uso podran ser el Mtodo Alemn, el

Mtodo Belga o Tradicional de Madrid, etc. En general se trata de mtodos que siempre

son aplicables a suelos o rocas muy debilitadas, con lo que los sostenimientos que se

colocan estarn sobredimensionados respecto a los macizos de mejor calidad.

b) Mtodos basados en las clasificaciones geomecnicas aplicadas a tneles.

- Una de las ms tradicionales es la de Bieniawski, 1989, para tneles de menos de

10 m de anchura, y que se incluye en la tabla de la figura 1.1.


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Figura 1.1 Recomendaciones de Bieniawski, 1989

Como puede verse, la definicin del tipo de sostenimiento se realiza en funcin

del ndice RMR definido por el mismo Bieniawski. Desde el ao de la tabla no se

han realizado por parte de este autor modificaciones o adaptaciones,

centrndose en la mejora de los parmetros de definicin del ndice RMR y sus

correlaciones con los parmetros de rotura que puede considerarse en el macizo.

- La clasificacin y recomendaciones de sostenimiento ms desarrollada es la de

Barton, que es de aplicacin obligada en todos los tneles que se realizan en

Noruega, y cuya ltima versin se representa en la figura 1.2.


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Figura 1.2 Recomendaciones de Barton

Esta clasificacin est basada en el ndice Q de Barton, que es un ndice de aplicacin exclusiva a tneles. Estas recomendaciones de sostenimiento siguen actualizndose y mejorndose para el caso de cargas elevadas de confinamiento,

etc. Adems se tiene en cuenta el tamao de la seccin, por lo que la misma sera

aplicable a cualquier tamao de tnel o caverna.

- Recomendaciones de Romana, basadas en el ndice RMR de Bieniawski y

adaptada a la metodologa constructiva en Espaa. En efecto, tanto en Espaa

como en otros pases mediterrneos, las metodologas de construccin de tneles

han seguido procedimientos ligeramente distintos a las de los pases nrdicos y

germanos, y as las secciones partidas con sostenimientos de gunita (mtodos

basados en el S.C.L.) han sido poco aplicadas. Frente a este tipo de soluciones,

ha sido ms habitual la proteccin de la zona excavada mediante paraguas y del

frente mediante machones e incluso bulones de fibra de vidrio (Mtodo Adeco de

Lunardi).


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En la figura 1.3 pueden verse las recomendaciones elaboradas por Romana para

el sostenimiento de tneles, basadas en el ndice RMR y subdividiendo cada clase

geomecnica en dos subclases. Estas recomendaciones estn basadas

fundamentalmente en tneles construidos para autovas de 3 carriles y alta

velocidad, con lo que los dimetros de los mismos llegan a ser del orden de los 15

m.

Figura 1.3 Recomendaciones de Romana

c) Mtodos basados en los criterios de convergencia y confinamiento

Este sistema de dimensionado y justificacin de los elementos de sostenimiento se

realiza en base a los criterios clsicos del NATM, estableciendo las leyes que relacionan


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la convergencia de la seccin con la contrapresin aplicada, as como la de rigidez de la

suma de los elementos de sostenimiento colocados (figura 1.4).

Figura 1.4 Sostenimiento de un tnel por mtodo de confinamiento-convergencia

Actualmente existen programas que pueden estar implementados en hojas de clculo,

que permiten estas comprobaciones.

Este mtodo se ha expuesto en los temas VI y VII, as como en la prctica 4, por lo que

no es necesario realizar aqu ningn desarrollo adicional.

d) Mtodos con el empleo de elementos finitos o diferencias finitas

En todos estos mtodos se realiza un clculo de la seccin real del tnel, y diferenciando

las distintas litologas de los materiales que se afectan, en dos o tres dimensiones y

mediante el empleo de programas que pueden ser de elementos finitos, como de

diferencias finitas.

Las ventajas fundamentales de este tipo de mtodos son:

- Permiten considerar la seccin real del tnel.


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- Permiten considerar las distintas fases de excavacin y colocacin de los

elementos de sostenimiento.

- Permiten diferenciar los distintos niveles del macizo atravesado, as como sus

heterogeneidades.

- Permiten obtener, no slo las tensiones actuantes sobre el sostenimiento, sino

tambin cules seran los coeficientes de seguridad en cada fase frente a la

rotura.

- En el caso de clculo por elementos finitos tridimensionales, mucho ms

complejos, pueden comprobarse situaciones ms singulares, como la interseccin

de tnel con las necesidades de refuerzo, la colocacin de paraguas y

tratamientos, etc.

Los programas que habitualmente se utilizan para el clculo o comprobacin de tneles

mediante elementos finitos (tambin elementos de contorno, que es una simplificacin

del mtodo de elementos finitos), o diferencias finitas son:

- El programa FLAC, de diferencias finitas, que permite calcular tanto en dos como

en tres dimensiones.

- El programa PLAXIS de elementos finitos, que permite calcular en dos

dimensiones (un mdulo general para todos los problemas bidimensionales) y un

programa especfico para tneles en tres dimensiones (existe otro programa

especfico en tres dimensiones para cimentaciones, diferente al anterior).

- El programa ZSOIL de elementos finitos, en dos o tres dimensiones, con mdulos

generales aplicables a cada tipo de problemas.

- El programa PHASE de elementos de contorno (elementos finitos en una malla

mucho ms reducida, limitada por un contorno en el que se definen las tensiones

por un mtodo simplificado). Solamente sera aplicable a casos bidimensionales.

Para la utilizacin de cualquiera de estos programas, va a ser siempre necesario:


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* Tener definido con la mxima precisin el terreno que va a atravesarse con el

tnel.

* Conocer el estado tensional del terreno que va a atravesarse con el tnel.

* Determinar los parmetros deformacionales y de rotura del material que se est

atravesando.

* Determinar los parmetros deformacionales y de rotura de los elementos de

sostenimiento que vayan a colocarse.

* Conocer el proceso constructivo con que va a realizarse el tnel.


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2. ELABORACIN DEL MODELO GEOMECNICO

Para el establecimiento de las condiciones litolgicas e hidrolgicas que deban tenerse

en cuenta para el diseo del sostenimiento, debe partirse de un modelo geomecnico del terreno atravesado.

El modelo geomecnico se realiza en base al modelo geolgico, pero diferenciando y agrupando distintos materiales en funcin no slo de su litologa, sino tambin de su calidad de macizo. Igualmente, en el modelo geomecnico se diferencian cules van a ser las fallas o discontinuidades que se introduzcan como elementos singulares, o

las que se van a considerar dentro de la calidad de macizo reduciendo sus parmetros.

2.1 Modelo geolgico

De acuerdo con lo anterior, para la realizacin del modelo geomecnico debe partirse de

un modelo geolgico del terreno atravesado por el tnel, como puede ser el esquema de

la figura 2.1.

Figura 2.1 Esquema de perfil geolgico


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Como puede verse en el esquema de la figura anterior, adems de considerar la

disposicin litolgica ms previsible, se deben incluir dentro de la misma unas

zonificaciones segn el grado de fracturacin, riesgo de existencia de karstificaciones,

presencia de agua, etc.

Por tanto, los aspectos mnimos necesarios que deben quedar resueltos en la estructura geolgica son:

- Distribucin de litologas a lo largo del tnel.

- Buzamiento estructura respecto al eje del tnel.

- Direccin de la estructura respecto al eje del tnel.

- Tectnica:

* Existencia y situacin de pliegues

* Existencia y situacin de fallas, as como espesor de milonito, indicando

por tanto frecuencia de las mismas y su anchura.

* Fracturacin con caractersticas de las fracturas (frecuencia, rugosidad,

etc.)

- Presencia de agua o de presin de agua a nivel de tnel, con zonas de posibles

afluencias.

2.2 Influencia de la estructura geolgica

La mayora de los programas de clculo anteriormente reseados, admiten la

consideracin de un comportamiento del terreno tipo multilaminate, esto es terreno

anistropo (que no tiene las mismas propiedades segn todas las direcciones) en el que

se tendra:

- Isotropa en las deformaciones elsticas (mismo mdulo de deformacin en todas

las direcciones).

- Criterio de rotura general para el macizo.

- Criterios de rotura con valores distintos en hasta 3 direcciones, que podran

representar 3 familias de juntas principales o al menos la estratificacin.


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De acuerdo con esto, en el caso de materiales que presenten unas direcciones marcadas

de distinto comportamiento, como son los materiales estratificados muy tableados, los

materiales pizarrosos o esquistosos, etc., debe establecerse en el modelo

geomecnico una modelizacin del efecto de estos planos de debilidad.

Como criterios generales, sobre el efecto de la estructura geolgica sobre las

necesidades de sostenimiento puede considerarse:

a) Respecto a la disposicin de la estratificacin o esquistosidad general, se tiene:

* Disposicin de capas, segn el sentido longitudinal del tnel, que puede verse en

el esquema adjunto.

Figura 2.2 Disposicin de capas segn perfil longitudinal tnel

* Disposicin de capas segn la disposicin transversal, como puede verse tambin

en el esquema adjunto.

Figura 2.3 Disposicin de capas segn seccin transversal tnel

b) Disposicin de fallas o fracturas, como puede verse en el esquema siguiente.


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Figura 2.4 Disposicin de fracturas

c) Puntos singulares, como pliegues, cabalgamientos, etc.

Figura 2.5 Efecto de pliegues y otras singularidades geolgicas

2.3 Tramificacin, sectorizacin e individualizacin fallas

Tal y como debe haberse estudiado en cursos anteriores, para el caso de un tnel en un

macizo rocoso debe diferenciarse:

- Macizo rocoso = roca matriz + fracturacin + agua

En los primeros estudios para la sistemtica de la mecnica de rocas ya se indic la

importancia que tena el efecto escala o relacin entre la fracturacin y el tamao del

problema a estudiar, en este caso un tnel, segn la clsica figura 2.6.


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Figura 2.6 Efecto escala

Por tanto, los parmetros del macizo a introducir en el modelo geomecnico van a

depender de la relacin de tamaos entre el tnel y la disposicin de la

fracturacin.

As, en el esquema de la figura 2.7 pueden verse 3 soluciones para la consideracin de

la fracturacin, dependiendo de la relacin entre la separacin media de juntas o fallas y

el tamao del tnel a construir.


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Figura 2.7 Esquema de sectorizacin segn disposicin fracturacin

Siendo los materiales diferenciados en la parte inferior de la figura los siguientes:

1 Material representativo de la roca intacta o de la roca fracturada, pero sin

considerar esa familia de juntas o fallas.

2 Material representativo del macizo rocoso, considerando esa familia de juntas o

fallas.

Como puede verse, dependiendo de la escala entre la disposicin de las fracturas o fallas

respecto al tamao de la oquedad, pueden ser ms recomendables las siguientes

modelizaciones, que seran las correspondientes a la parte inferior y de izquierda a

derecha:

a) Modelizar individualizadamente toda esta familia de fallas o fracturas, y por otro

lado el macizo rocoso o roca intacta, sin tener en cuenta las anteriores

discontinuidades.

b) Modelizar, en la seccin atravesada por el tnel o en las partes ms prximas, las

fallas o fracturas individualizadamente, y la roca intacta o macizo rocoso sin


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considerar las juntas anteriores. Por el exterior de la zona atravesada por el tnel

o ms prxima a l, se realizara una modelizacin del material, incluyendo

tambin en sus parmetros geomecnicos la contribucin de estas fracturas.

c) Considerar el material atravesado como un nico tipo, incluyendo la contribucin a

los parmetros del macizo de la existencia de estas fracturas o fallas.

Los criterios para realizar esta modelizacin son fundamentales a la hora de

establecer el dimensionado de un sostenimiento, y se alcanzan con la experiencia

en el diseo de tneles, y en la comprobacin mediante estudios de sensibilidad

de cmo variaran los esfuerzos modificando el tipo de modelizacin. (Un estudio de

sensibilidad es un anlisis de las variaciones que se obtienen en las conclusiones, en

este caso podran ser los esfuerzos sobre el sostenimiento, cuando se modifican una o

varias de las hiptesis de partida, en este caso la forma de realizar la modelizacin de

cada tramo de macizo).

Por tanto, para la realizacin del modelo geomecnico, partiendo del modelo geolgico y de la disposicin de fallas o fracturas debe realizarse una zonificacin o sectorizacin de las distintas litologas, segn el siguiente proceso: - Definicin de fallas individualizadas - Definicin de formaciones litolgicas - Subdividir las formaciones litolgicas en formaciones geomecnicas, de

acuerdo con los siguientes criterios: * Direccin de fracturacin * Tipo y densidad de fracturacin

3. CONDICIONANTES HIDROGEOLGICOS

El efecto del agua en la ejecucin de un tnel se resume en 3 puntos principales:

- Necesidades de evacuacin de agua en la zona del frente, evitando que la

escorrenta de la misma pueda afectar al apoyo de los sostenimientos.


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* En el caso de que el tnel se realice en contrapendiente, para que las

aguas salgan por gravedad, como se recomendaba antes en que los

periodos de construccin eran ms dilatados y se haca el ataque por una

sola boca, debe disponerse de las oportunas zanjas, rellenas de material

granular, para canalizar los regueros de evacuacin, y en ningn caso permitir que los mismos se ubiquen junto al apoyo de sostenimiento, especialmente si el mismo est constituido por cerchas y gunita y el

terreno de apoyo es reblandecible (arcillas, margas, pizarras, areniscas

poco cementadas, etc.).

* En el caso de que el tnel se realice en pendiente, el agua debe extraerse

mediante tuberas conectadas a una bomba de lodos. En este caso debe

cuidarse que la salida del agua evacuada por la bomba quede fuera del

tnel, ya que en muchos casos al ir avanzando el avance, se realizan

pozas intermedias de recogida que pueden adosarse incorrectamente al

apoyo del sostenimiento.


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- Inestabilidad del frente por presin de agua.

Los mayores problemas debidos al agua en los tneles, no son los de su

evacuacin, sino que la presin de la misma en el frente puede provocar su

inestabilidad, tal y como se representa en el esquema de la figura 3.1.

Figura 3.1


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Como puede verse en el esquema anterior, las soluciones a este tipo de

problemas varan desde la disposicin de un machn central, que cree una

contrapresin en el frente del tnel que contrarreste parcialmente la sobrepresin

del agua, hasta la realizacin de drenes en el frente por delante del avance que

eliminen la carga piezomtrica por delante de ste ltimo.

- Inestabilidad del frente y zona excavada incluso sostenida por tubificacin y

arrastre de finos.

Es la principal causa de formacin de chimeneas en el caso de los tneles, y

es debido a que se produce la tubificacin o arrastre de finos por efecto del

aumento de gradiente del agua infiltrada en el frente del tnel.

En efecto, en el caso de nivel fretico superficial, en un terreno permeable o

incluso semipermeable, debido a la filtracin por el tnel pueden producirse


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tubificaciones y arrastres de finos que crean recorridos de mayor permeabilidad, y

en los que por tanto se concentra el flujo de agua y se eleva el gradiente. Este

incremento del gradiente provoca a su vez una mayor tubificacin o arrastre de

finos, con lo que se entra en un proceso progresivo que culmina cuando se forma

la chimenea, que puede llegar a alcanzar incluso la superficie del terreno original

(con alturas de chimenea en muchos casos superiores a los 50 m). En la figura

3.2 puede verse un esquema de tubificacin con formacin de chimenea

alcanzando la superficie.

Figura 3.2 Formacin de chimeneas por tubificaciones

An en el caso de que no se produzca la chimenea, ni sea visible la tubificacin,

s puede tenerse una prdida de finos que provoque posteriormente aumentos de

presiones sobre el sostenimiento y asientos sobre elementos que puedan ser

afectados.

Adems de los efectos del agua sobre la ejecucin del tnel, se tendran tambin los

efectos que la realizacin del tnel puede producir en los acuferos de los terrenos

atravesados.

En situacin final, los tneles pueden dividirse en drenados, en que se realiza la

evacuacin de todo el agua que alcance el paramento exterior del revestimiento, o

tneles no drenados, en que se calcula el revestimiento para soportar la presin de agua

y se impide la salida de sta ltima.


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La ejecucin del tnel conlleva a una depresin del acufero, bien sea de forma transitoria

durante el proceso constructivo, o permanente en el caso de un tnel drenado.

La depresin del acufero ocasiona:

- Prdida de manantiales y de fuentes que existan en el terreno por encima de la

cota del tnel.

- Pueden secarse pozos que se utilicen para abastecimiento o aprovechamiento.

- Las aguas infiltradas al tnel y que se evacuan por su salida, modifican las

condiciones hidrolgicas de la zona.

Para evitar estos efectos, incluso durante el periodo constructivo, sera necesario un

pretratamiento de inyecciones, que permita que la ejecucin del tnel se realice en un

terreno impermeable. Este tipo de tratamientos puede incluso triplicar el coste unitario del

tnel, y por tanto nicamente se realizaban hasta ahora en pases nrdicos, en que se da

mayor valoracin a los condicionantes ambientales, aunque a pesar de que se hayan

realizado en algunos casos los mismos, las condiciones finales hayan sido mucho ms

desastrosas que con un sistema tradicional.

Otro aspecto que debe considerarse es la contaminacin de acuferos, que puede

producirse incluso durante el proceso constructivo, y que tiene la mayor importancia

cuando los mismos son aprovechables para abastecimiento. En estos casos puede ser

necesaria la realizacin de abastecimientos alternativos provisionales o definitivos desde

zonas ms alejadas del trazado del tnel y cuyo acufero no vaya a ser afectado por el

mismo durante el proceso constructivo.


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4. OBTENCIN DE PARMETROS GEOMECNICOS

Los parmetros geomecnicos a considerar en las distintas formaciones se obtienen:

- En el caso de suelos, esto es materiales cuya resistencia a compresin sea inferior a 5 Mpa, mediante los resultados de ensayos de laboratorio, en concreto:

* Ensayos triaxiales o de corte directo para determinar los parmetros de

rotura segn el criterio de Mohr Coulomb.

* Ensayos de penetracin estndar o ensayos presiomtricos para

determinar el mdulo de deformacin.

Conocido el mdulo de deformacin y estimado el coeficiente de Poisson, junto

con los parmetros c y del criterio de rotura Mohr Coulomb, quedara totalmente definido el comportamiento tensodeformacional de ese material.

El criterio de rotura de Mohr Coulomb es:

= c + x tg

Siendo : tensin tangencial de rotura; : tensin normal en la rotura; c: cohesin, y : ngulo de rozamiento interno.

Este mismo criterio puede expresarse en funcin de las tensiones de clula 3, y del desviador 1, segn la siguiente ecuacin de la rotura:

1 - 3 (1 + 3) sen - 2 c cos = 0

- En el caso de rocas, esto es materiales cuya resistencia a compresin sea superior a 5 Mpa, los parmetros tensodeformacionales se obtienen en base a

ensayos en la roca intacta (que en la mayora de los casos se considera que

influyen poco en el comportamiento del macizo), y el efecto de la fracturacin,


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considerado en base al RMR de Bieniawski, GSI de Hoek o ltimamente Q de

Barton.

El principal xito actual de las clasificaciones geomecnicas RMR y Q de Barton,

es que han permitido la estimacin del mdulo de deformacin del macizo, as

como los parmetros de rotura, bien sea del criterio de Hoek y Brown o el de Mohr

Coulomb (para un rango de la presin de confinamiento, pueden obtenerse los

parmetros de rotura de Mohr Coulomb en base al criterio de rotura de Hoek y

Brown).

El criterio de Hoek y Brown establece dos parmetros de rotura, m y s, para el

macizo rocoso, de acuerdo con la frmula

1 = 3 + 23 cc sxmx +

Siendo: 1 y 3 las tensiones desviadoras y de confinamiento respectivamente; c la resistencia a compresin de la roca intacta; m y s: los parmetros del criterio

de rotura de Hoek y Brown.

En el caso de roca intacta, s = 1, m = mi, que se obtiene por la realizacin de

ensayos triaxiales o mediante las tablas de recomendaciones del propio Hoek.

De acuerdo con los puntos anteriores, podran utilizarse las siguientes

correlaciones para la obtencin de los parmetros de rotura o deformacionales:

* Parmetros de rotura

En base al ndice RMR de Bieniawski, segn Priest y Brown, 1983:

m = mi exp

14

100RMR

s = exp

6

100RMR


23

Existen otras correlaciones aplicables al caso de emboquilles, etc.

En base al ndice GSI de Hoek y Brown

m = mi exp

28

100GSI

s = exp

9 a 6

GSI 100

Este procedimiento presenta la facilidad de que permite obtener

resultados inmediatos con los parmetros de rotura tanto del criterio

de Hoek y Brown como el de Mohr Coulomb con la tensin de

confinamiento, mediante el programa ROCDATA, que puede

descargarse en la pgina web: www.rocscience.com. Mediante este

programa, introduciendo el valor del parmetro m de roca intacta, la

presin de confinamiento 3, y el ndice GSI, se obtienen, como puede verse en el ejemplo de la figura 4.1, la curva de rotura de

Hoek y Brown, la ley de rotura de Mohr Coulomb hasta el nivel de la

presin de confinamiento, la resistencia a compresin del macizo y

el mdulo de deformacin del mismo.


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Figura 4.1


25

* Parmetros deformacionales.

El mdulo de deformacin del macizo puede estimarse en funcin de los

ndices de las clasificaciones geomecnicas segn las siguientes frmulas:

As, se tendra:

Segn Serafm y Pereira, 1983:

Ed (Gpa) = 10 exp

40

10RMR

Segn Hoek y Brown, 1997

Ed =

40

10

10100

GSIc x

Siendo c la resistencia a compresin de la roca intacta.

Segn Barton

Qc = Q x 100c E = 10 x Qc1/3

E = 10(15 log Q 40)/40

- Reduccin de la traccin.

En programas especficos para tneles o geotecnia existentes anteriormente, como el

Rheo Staub, se permita limitar las tracciones, esto es imponer como plastificado (en

rotura) cualquier elemento que tuviera una traccin en cualquiera de sus direcciones.

Esto era muy importante sobre todo para el clculo de elementos de contencin

(pantallas, etc.), ya que mientras la direccin vertical se encuentra siempre en

compresin, la horizontal quedara en traccin antes de la rotura al deformarse el

elemento de contencin.


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Sin embargo, actualmente en los programas comerciales que anteriormente hemos

reseado, y por ahorro de tiempo informtico, se ha limitado el criterio de reduccin de las tracciones al valor de la compresin media o isotrpica, esto es a limitar el valor del primer invariante o suma de las tres tensiones principales. Esto hace que en el caso anteriormente citado de una pantalla de contencin no se

plastificara el elemento, aunque horizontalmente estuviera a traccin, ya que la misma

siempre va a ser muy inferior a la compresin debida al peso propio del terreno, que

sera la tensin vertical, con lo que la tensin octadrica siempre sera de compresin.

- Parmetros de modelos ms elaborados.

Tanto en el caso de suelos como en el de rocas blandas, pueden adoptarse modelos de

comportamiento del terreno ms elaborados, como los siguientes:

* Modelo Cam Clay o Cam Clay modificado, aplicable a suelos duros

preconsolidados o rocas blandas cementadas con rotura dctil en compresin

isotrpica (esto es, que antes de producirse el colapso total de la estructura de

cementacin de los granos por compresin, se van produciendo deformaciones

volumtricas crecientes por rotura de parte de esos enlaces cementados).

* Modelo Hard-soil, del programa PLAXIS, similar al modelo Cam Clay, pero

estableciendo una variacin en el mdulo de deformacin transversal decreciente

con el primer valor.

* Modelo hiperblico, etc.

Todos estos modelos necesitan normalmente, adems de los parmetros de y c del criterio de rotura tradicional, la definicin de otra serie de parmetros, cuya obtencin a

partir de ensayos es ms compleja.

La utilizacin de estos criterios no suele mejorar la resolucin tensional del clculo ni los

esfuerzos actuantes sobre el sostenimiento, pero s tiene importancia de cara a la determinacin de subsidencias o deformaciones debidas a la realizacin del tnel.


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En cualquier caso, en la prctica habitual actual no suelen utilizarse todava de forma

sistemtica este tipo de modelos.


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5. TENSIONES INICIALES O GEOSTTICAS

5.1 Criterios generales

Adems de la caracterizacin de las distintas formaciones atravesadas en base a sus

parmetros tensodeformacionales, debe tambin estimarse cules van a ser las

tensiones geostticas iniciales, que van a depender fundamentalmente del peso de

tierras actuantes y de la tectnica.

La carga vertical actuante sobre el tnel va a corresponder al peso de las tierras, esto es:

v = x H

Siendo H la profundidad de cada punto del permetro de la excavacin antes de que se

procediera a realizar la misma.

La tensin horizontal se representa siempre como un porcentaje de la vertical, esto es:

h = K x v

Siendo K el coeficiente de empuje horizontal, y que puede tomar los siguientes valores:

- Segn el modelo elstico K = 1

- En suelos normalmente consolidados K = 1 sen - En suelos preconsolidados K = (1 sen )r, siendo r la razn de

preconsolidacin.

- En rocas:

* Para grandes profundidades y sin tectnica K = 1

* Para profundidades reducidas K = 0.50

* En rocas sedimentarias o volcnicas poco


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afectadas por la tectnica K = 1

* En rocas metamorfizadas o tectonizadas K > 0.50

El valor de K puede determinarse por mtodos empricos o mediante la

realizacin de ensayos (fracturacin hidrulica), corrigiendo los valores que

se obtengan a un rango razonable).

5.2 Criterios empricos para la determinacin de las tensiones naturales

Como ya se ha citado, pueden utilizarse mtodos empricos para determinar el

coeficiente de empuje horizontal, en el caso de rocas tectonizadas o metamorfizadas.

Los mtodos usuales son:

- Indice SRF de Gonzlez de Vallejo.

- Mtodo de Sheorey.

a) Indice SRF


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b) Mtodo de Sheorey


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6. EFECTO DE LA RELAJACIN DEL FRENTE

Las tensiones geostticas iniciales se relajan parcialmente antes de la colocacin del

sostenimiento e incluso por delante del avance, segn el esquema de la figura 6.1.

Figura 6.1 Esquema de deformacin en un macizo rocoso que rodea a un tnel en excavacin

Para clculos bidimensionales, que son los hasta ahora usualmente utilizados para el

diseo de tneles, el mtodo seguido para modelizar este comportamiento es considerar

una presin radial ficticia con un valor mximo en la seccin del frente y que se anula a

suficiente distancia del mismo (1 a 3 dimetros).

En la figura 6.2 pueden verse las curvas del desplazamiento radial en funcin de la

distancia al frente, segn distintos autores.


32

Figura 6.2 - Curvas del desplazamiento radial en funcin de la distancia al frente,

segn distintos autores

De acuerdo con esto, y siguiendo el mtodo de Panet y Guenot, 1982, se supone una

presin radial ficticia en el contorno del tnel de valor:

r = (1 - ) x 0

Siendo 0 la tensin inicial geosttica, y una funcin creciente desde el frente hasta la unidad, valor ste ltimo que adopta a suficiente longitud del frente para que ya no se

tenga en cuenta el efecto del mismo.

El valor de se toma igual a

= 0 + (1 - 0) m

Siendo 0 un parmetro que vara con el grado de plastificacin del macizo, y m un parmetro en funcin de la distancia al frente y del radio de plastificacin.


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Tanto el radio de plastificacin como el grado de la misma puede estimarse en funcin

del nmero de estabilidad:

N = 2 0 / c

Siendo 0 la tensin geosttica, y c la resistencia a compresin del macizo.

En funcin del valor de N se tiene:

N = 1 Tnel en estado elstico

N = 2.75 Comienza la plastificacin del tnel

N = 4 Frente con problemas

N = 6 Frente inestable

De acuerdo con esto, se obtiene que en el caso elstico, con N = 1:

0 = 0.265 m = 1 - xrx

e 7.0

Siendo r: radio de excavacin o semiancho; x: distancia al frente

En el caso elastoplstico, con N = 3

0 = 0.58 m = 1 - 2

84.01

+

pxrx

con rp = radio de plastificacin, que puede estimarse tambin en funcin del nmero de

estabilidad, segn la tabla siguiente:


34

N 1 1.5 2 2.5 3

rp/r 1 1.125 1.45 1.75 2.15

Respecto al efecto de la reduccin de las tensiones actuantes sobre el sostenimiento por

efecto de la relajacin de las cargas antes de la colocacin del mismo, deben tenerse en

cuenta los siguientes puntos:

- Como norma general, para tneles superficiales (profundidades inferiores a 100

m), pueden considerarse coeficientes de relajacin comprendidos entre 0.30 y

0.40 (esto es que slo se aplicara al sostenimiento del 70 al 60% de la carga

geosttica).

- Evidentemente, si se retrasara la colocacin del sostenimiento respecto al frente,

podran reducirse las tensiones actuantes sobre el primero, pero este

procedimiento es peligroso por los siguientes aspectos:

* Podra producirse un hundimiento por rotura frgil en terrenos

reblandecibles.

* Los parmetros a corto plazo del terreno prximo al frente pueden ser

mejores que los de largo plazo, lo que llevara a subestimar las presiones

sobre el sostenimiento, y a realizar sobre el mismo un dimensionado del

lado de la inseguridad.


35

7. BIBLIOGRAFA

- Chris Clayton, Alun Thomas y Piere Van Der Berg Diseo de tneles

revestidos con hormigon proyectado en terrenos blandos - percepciones a

partir de la auscultacin y la simulacin numrica Ingeo Tneles

Volumen 10. Captulo 8.

- Jorge Almeida e Sousa (FCTUC) Coimbra Tendencias de la modelacin

numrica en el anlisis de tneles en suelos. Ingeo Tneles Volumen 9.

Captulo 5.

- Covadonga Alarcn, Alberto Fraile, Lutz Hermanns y M Sagrario Gmez-

Lera Comparacin entre mtodos para el clculo de la fiabilidad en

sostenimientos de tneles Ingeo Tneles Volumen 8. Captulo 6.

- Eric Leca, Yann Leblais y Kari Kunhnenn Obras subterrneas en suelos y

construccin de tneles en roca dbil Ingeo Tneles Volumen 7.

Captulo 9.

- Arild Palmstrom Caracterizacin de macizos rocosos mediante el RMi y su

aplicacin en mecnica de rocas. Parte 2: Algunas aplicaciones prcticas

del Indice del Macizo Rocoso (Rmi) Ingeo Tneles Volumen 3. Captulo

2.

- Giordano Russo, George S. Kalamaras y Piergiorgio Grasso Conceptos

sobre clases geomecnicas, categoras de comportamiento y clases

tcnicas en un proyecto de obra subterrnea Ingeo Tneles Volumen 3.

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36

- Jos Manuel Reig Ramos Informtica aplicada a la ingeniera de tneles

Ingeo Tneles Volumen 1. Captulo 3

Tema 8. Proyecto Tuneles

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