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Aspectos esenciales a tener en cuenta en el diseño de

túneles viales

Ing. Camilo Marulanda E.

SOCIEDAD COLOMBIANA DE INGENIEROS

Estado de la roca en superficie y en subterráneo

Esquema Diseño Geotécnico

INVESTIGACIONES GEOTÉCNICAS Y CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA

Investigaciones Geotécnicas

Guía General para exploraciones Geotécnicas en túneles

Guía General para exploraciones Geotécnicas en túneles

• SE DEBE SEGUIR SIN EMBARGO UNA “REGLA DE CUIDADO” (Standard of Care) ( Su formulación debe ser el resultado de la mejor práctica y conocimiento posible, siguiendo además un proceso (aproximación) metódico y sistemático para su estructuración, evaluación y desarrollo comprensivo. Mientras mas grande el riesgo mas alto el grado de cuidado).

US ARMY OF ENGINEERS EM-1110-2-2901 30/5/1997

Ensayos de resistencia

Ensayos de resistencia

Sistemas de clasificación de la roca intacta según resistencia

Clasificacion de la roca intacta según Deere & Miller

Criterios de falla en macizos rocosos

13

Material Intacto

Barton-

Discontinuidades

Macizo rocoso

Macizo Isotrópico

Macizo anisotrópico

Índice de Resistencia geológica-GSI-Hoek–Kaiser y Banden( 1995)

14 Hoek y Karzulovic-2000

Módulo de Deformación del Macizo

15

cConceptos para estimar el módulo según Hoek-2007

16

17

Como se caracteriza una fractura o diaclasa?

1. Forma = plana o ondulada

2. Rugosidad=Lisa o muy Rugosa

3. Continuidad

4. Espaciamiento o persistencia

5. Espesor

6. Tipo de relleno

7. Alteración de las paredes

8. Condiciones de agua

9. Aptitud= Rumbo/Buzamiento

Parámetros y comportamiento

18

Barton & Choubey

Estado fresco

Schmith

natural

Angulo básico

ESFUERZOS EN MACIZOS ROCOSOS

Direcciones principales de los Esfuerzos

20

Influencia de la geología estructural

21

s1 s1

Falla inversa

s3 s3

Falla normal

s3

s3

s1

s1

Falla de rumbo

s3 s3

Dique

s1

s1

s1

s1

Pliegue

Medida de esfuerzos verticales

22

Relación K de esfuerzos con la profundidad-Sheorey( 1994)

23

24

Medición de Esfuerzos en macizos rocosos

a. Overcoring o sobre perforación

Método USBM

Celda triaxial CSIR

Doorstopper

b. Fractura Hidráulica o hidrogateo -Mide presiones de agua

c. Gato plano o Flat Jack -Mide dilatación mecánica

Miden deformaciones

Overcoring Celda USBM

25

Hydrojacking- Fracturamiento Hidráulico

26

GATO PLANO

27

Distribución de esfuerzos

28

Efecto de la geometría y los esfuerzos in-situ-Relación k de esfuerzos

29

s1

s1

s3 s3

s3

s1

s1

s3 K < 1

K>1

Curva Característica o de reacción del terreno

Soporte Rígido – Filosofía antigua de

diseño

Soporte Flexible –

Nueva filosofía de diseño

Curva característica

MECANISMOS DE FALLA

32

Según tipos de materiales

• Rocas duras(1)

• Roca blanda (2)

• Materiales de suelos (3)

33

Mecanismo de falla

• EMPUJES TERRENO -Squeezing-empujes montaña(2)

-Swelling-Hinchamiento(2)

-Poping-Rockburts-slabbing(1)

• CARGAS DESPRENDIMIENTO -Material suelto-suelo-portal

-Cuñas de roca(1),(2)

-Zonas fracturadas, cizalla, falla(1),(2)

• PROBLEMAS CON EL AGUA -Filtraciones(1),(2)

-Terreno que fluye (2)

-Agresividad(1)

• GASES - explosivos-metano (2)

- venenosos(1),(2)

• SUBSIDENCIA- Asentamientos y deformaciones en superficie (2)

Mecanismo de falla- Estructuras geológicas

34

Influencia de Fallas Geológicas

Influencia de pliegues

Empujes, Terreno que fluye o rueda, Cargas de desprendimiento,

Filtraciones, gases

Cargas de desprendimiento, Filtraciones, gases

Mecanismo de falla

35

Carsticidad

Filtraciones

Avalanchas

Desprendimientos

Orientación de las discontinuidades- Bloques de roca

36

Mecanismo de falla- Roca blanda

37

Hinchamiento o swelling Empujes de montaña o squezzing

SQUEEZING O EMPUJES DE MONTAÑA

Squeezing o Empujes de Montaña

39

Se produce cuando la redistribución de los esfuerzos que se forman alrededor de la excavación del túnel superan la resistencia del macizo rocoso

Filosofías de diseño y construcción de túneles

40

Po

d

t

Curva de reacción del Terreno

Punto crítico Colapso

P1

U1

P2

U2

Filosofía moderna de soporte

Soportes más flexibles y livianos

Menores costos

Menores tiempos de construcción

Filosofía Antigua de soporte

Métodos constructivos

Método ADECO-RS- Análisis de deformaciones controladas en roca y suelos – Lunardi, P.(2008)

Casos en la cordillera de los Andes

43

Chingaza Yacambú

Túnel del Colegio – Sistema de sostenimiento con arcos

44

Calificación del fenómeno de empujes (squeezing)

45

Planta Geológica

Secuencia de rocas metasedimentarias (meta lutitas, meta areniscas, meta lodolitas) con niveles carbonosos , intercaladas con franjas de vulcanitas , zonas cizalladas y cataclizadas

Esquisto negros, grises, cataclasitas, milonita, gouge de falla, sulfuros e inyecciones de cuarzo y carbonatos tectonizados

Localización Zonas de falla Campanario y La Soledad

Zona de Influencia Falla Campanario Zona de Influencia Falla La

Soledad

Desplazamientos de convergencia registrados en le túnel Piloto a mayo de 2008

Zona de Influencia Falla Campanario- 120 mm Zona de influencia Falla La

Soledad- 420 mm

Comportamiento Squeezing ground

Túnel Piloto Falla La Soledad

Deformaciones durante construcción

Desplazamientos Desplazamientos

Daños del soporte

Desplazamientos

Abombamiento de la sección

Deformaciones durante construcción

Zonas del túnel Principal con invasión de la sección y daño en arcos

Invasión de la sección por convergencia – arcos doblados

Arcos dañados HEB FALLA LA SOLEDAD

Falla La Soledad

Casos de túnel averiados y necesidades de realizar reperfilación

Arcos HEB 100 doblados

Arcos HEB 100 doblados

Arcos Cortados

Túnel de Buenavista-frente Rionegro análisis convergencias totales- Cierre del anillo de soporte- Solera

curva a tiempo

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

154

160

188

210

250

280

320

360

381

441

471

488

491

545

563

572

636

643

652

Co

be

rtu

a e

n m

etr

os

Co

nv

erg

en

cia

m

ABSCISADO

Convergencia

Cobertura

Se desconoce informacion

Sobre la construccion de la solera

Solera mas rapido

Solera mas tarde

Solera oportunamente

Efecto de la solera curva

A destiempo A tiempo

Lutitas de la formación Cáqueza

Proyecto Guavio- Zona de falla de San Luis convergencias y coberturas.

Lutitas de la formación Cáqueza

Uso de arcos similares al HEB con juntas deslizantes

Caso yacambú – Venezuela( Zona de falla Boconó

Empujes y deformaciones

58

Yielding Support

59

PROBLEMAS DE CREEP

Comportamiento de la roca bajo creep

Cambio del comportamiento de las curvas de deformación unitaria versus tiempo dependiendo del nivel de esfuerzos

62

Creep - Catedral de sal de Zipaquirá

63

Túneles para complejos turísticos derivados de Minería -

64

Nueva Catedral de Zipaquira

SWELLING O HINCHAMIENTO

PROYECTO MESITAS- TUNEL DE FUGA.

66

•Túnel 5m de diámetero, 20m de

cobertura.

•Soporte: arcos de acero y c.n.

•Cuatro meses después.

•Swelling.

•Importancia de los pernos.

•Geometría invert.

1000 µm

1000 µm1000 µm

Fig.5

b

a

CRECIMIENTO DE CRISTALES

1000 µm

1000 µm1000 µm

Fig.5

b

a

Undisturbed anhydrite Anhydrite affected by epitaxial growth

3. Lessons

68

Swelling ground

Swelling ground- Efectos

69

Swelling ground

70

Solera curva reforzada

Pernos de anclaje profundos Puenteo

Reemplazo material

deformable y solera curva

Túnel El Faro- Sistema Chingaza

Resistencia a la compresión inconfinada – Arcillolitas Formación Regadera

Túnel El Faro- Sistema Chingaza

ROCKBURTS, POPING O SLABBING

Mecanismos de falla- Estallido de rocas

74

Empujes del terreno-Rock burst

75

Fallas por Rock Burts

76

CUÑAS DE ROCA

Incidencia en el tamaño de la excavación

78

Sin cuñas de roca

METODO GRAFICO

79

Influencia discontinuidades

80

Caso de desprendimiento de una cuña de roca

81

Geometría del túnel

Cuñas de roca

82

TERRENO QUE FLUYE

Mecanismo de falla- Terreno que fluye o corre

84

Terreno que corre –Running Ground

TERRENO QUE FLUYE

85

AGUA DE INFILTRACIÓN

Problemas de filtraciones de agua

87

Fallas por irrupciones de agua

Escuela Ciolombiana de Túneles 88

Problemas de filtraciones de agua

89

PROBLEMAS O MECANISMOS DE FALLA EN SUELOS

91

• 1.FIRM GROUND= Permite colocar soporte primario Arcillas rígidas, granulares cohesivos o cementados-.

• 2. RAVELING GROUND =Material se desprende y forma huecos= soporte pronto----agua es importante -arenas y limos cohesivos

• 3. RUNNING GROUND =materiales sin cohesión= forepiling, escudos, congelamiento, inyecciones (jet grouting)---agua importante---Soporte inmediato = arena séca, gravas, que corren ángulo reposo

• 4. FLOWING GROUND= Agua con presión y terrenos cohesivos o no cohesivos =drenajes inyecciones o congelamiento.

• 5. SQUEEZING GROUND= empujes= escudos y soporte rígido inmediato.= arcillas blandas

Mecanimos de falla en túneles en suelo

SOSTENIMIENTO

Medidas de soporte frente a mecanismos de falla más frecuentes

Mecanismo de

falla CL F PA AM EN SP

SC

NC HP D I CC

1 Hinchamiento o

swelling X(1) X

2 Squeezing

Ground X X X X X X X X(2)

3 Cuñas de roca X X X

4 Cargas de

desprendimiento X X X X X x x x

5 Terreno que fluye-

Flowing groung X X X

7

Terreno que

Rueda- running

groung X X X X X X X x x

8 Creep x x x x

CL= Concreto lanzado

F=fibra

PA=pernos de anclaje

AM= Arcos metálicos

EN= enfilajes

SP= Sección parcializada

SC= solera curva

D= huecos de drenaje

I= inyecciones

NC = núcleo natural central de

sostenimiento

HP= Hueco piloto

PFV= Pernos de fibra de vidrio al

frente

CC= Revestimiento completo en

concreto convencional

1. Pernos en el piso 2. En casos de empujes altos

o severos

Pernos

Objetivo del reforzamiento con pernos

Efecto de los Pernos

96

Efecto de los Pernos

97

Pernos colocados en la Bóveda de grandes excavaciones

Forman un anillo de roca alrededor del túnel que ayuda en la preservación de la resistencia de la masa y en el proceso de estabilización y de control de las deformaciones, controlando que se prolongue el espesor de zona plástica

Tipo de pernos

99

Pernos con resina o lechada

Pernos con expansión mecánica

Tipos de Pernos de Anclaje

Cables o tendones Inyectados con lechada

Inyectados con Resina

Tipo de pernos

101

Perno Split Set

Pernos Swellex

Resultados de ensayos de carga –Pernos según Hoek

Aporte del sistema de pernos radial con la longitud de los pernos- Reforzamiento de la masa de roca

Reducción del espesor de zona plástica

Reducción de las deformaciones radiales

Aumento de la presión de soporte interna equivalente por reforzamiento de la masa de roca

Concreto lanzado

Esquema de aplicación con robot

105

Macro fibras metálicas vs sintéticas

• Fibras metálicas:

Mejor comportamiento a bajas

deformaciones.

– La primera fisura se

presenta a mayor

carga.

– Carga máxima superior

que en fibras sintéticas.

Ductilidad

Fuente: Asocreto

• Fibras sintéticas:

Mejor comportamiento a altas

deformaciones.

– Menor caida de

capacidad de carga

posterior a la

fisuración.

– Mantiene su capacidad

de carga

Fuente: Asocreto

Resistencia residual

Macro fibras metálicas vs sintéticas

Comentarios sobre fibras de refuerzo para concreto lanzado

• El empleo de fibra sintética es más económico; sin embargo, puede representar una disminución en la durabilidad del soporte o revestimiento, cuando es sometido a cargas permanentes como creep del terreno.

• La combinación de fibras permite una reducción en el costo (Entre el 15 y el 20%), disminuyendo un poco la carga máxima pero mejorando la capacidad de carga residual.

Seguro

Inseguro

25mm 25mm

Carga Carga

Deformación Deformación

Arcos metálicos

110

Métodos de Diseño de arcos

• Clasificaciones Geomecánicas= Empíricos (dan recetas para el uso de soporte p.e arcos)

• Terzaghi-1946

• Bieniawski Rock Mass Rating)-1976-1989

Barton( Q- Quality Index)-1974

Wickham( RSR- Rock Structure Rating)-1972

• Métodos estructurales Analíticos para el diseño del arco

Protor & White-1946

Biron et al.-1980

Hoek et al.-1980

Categorías de Soporte Estimadas de Indice Q

Métodos de diseño-Análisis estructural del arco-Protor

& White o Biron y otros

112

b

qv (carga-t/m)

h

Ax By

Ay By

Momento

negativo(-)

Momento

positivo (+)

Área

Inercia o modulo de

rigidez

Espaciamiento

Secciones muy robustas

Métodos de diseño-Análisis estructural del arco

113

b

qv (carga-t/m)

h

Ax By

Ay By

Momento

negativo(-)

Momento

positivo( +)

Reducción de momentos flectores y cortantes- Arco trabaja más axialmente – Consecuentemente secciones de arcos menos pesados

Análisis confinamiento del arco en relación con el factor de momento flector

114

Factor de momento para un HPR con relacion H/B=1 en diferentes grados de confinamiento

0.000

0.010

0.020

0.030

0.040

0.050

0.060

0 2 4 6 8 10 12 14

Punto sobre el arco

Val

or fa

ctor

Factor de momento con 0% de confinamiento Factor de momento con 50% de confinamiento

Factor de momento con 100% de confinamiento

Amplificación del factor por

momento A

um

en

to

co

nfi

nam

ien

to

TIPOS DE PERFILES MAS UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE CERCHAS :

PERFIL HEB

PERFIL IPN / UPN

CERCHAS RETICULADAS

:

II.- Perfiles diseñados específicamente :

PERFIL Ω (THN)

Cargas en arcos metálicos

Sistemas de arcos

Enfilaje o forepoiling Lattice girder o viga reticulada

Análisis interacción soporte ( arcos – concreto lanzado ) y roca

Análisis estructural – Diagramas de capacidad estructural método numérico

Diagrama de Momentos

Axial Cortante

Diagrama capacidad estructural- Cortante

vs Axial

Diagrama capacidad estructural-

Momento vs Axial

Análisis para diferentes materiales- Arco y concreto lanzado

Momento flector

Axial

Cortante

Diagrama de capacidad estructural de elementos combinados( Arco- concreto lanzado)

Diagramas de capacidad estructural

Diagrama de capacidad estructural Arco metálico

Diagrama de capacidad estructural Concreto lanzado

REVESTIMIENTO

TÚNELES VIALES

• Confort y seguridad( Iluminación,

ventilación, visibilidad, superficies secas, etc)

• Estabilidad a largo plazo

Conceptos Generales - Revestimiento-operación

• Mejorar las condiciones de iluminación y ventilación

• Para mejorar visibilidad

• Por confort de los usuarios

• Por seguridad y estabilidad

• Para captar y manejar el agua de infiltración. Sistemas de impermeabilización con membranas u otros.

PROPÓSITOS REVESTIMIENTO

• Revestimiento = Estructura generalmente en concreto que reviste la cavidad y está generalmente en contacto con el terreno.

• Algunos indican que para terrenos con RMR> 50 el revestimiento no tiene ningún objeto estructural sino estético. Hay túneles sin revestimiento que permanecen estables.

• El tipo de roca y el soporte colocado durante construcción define si aplica estructuralmente o no. p.e Expansión, creep, aflojamiento, roca blanda y agua son factores determinantes.

Conceptos generales

Costo y tiempo de mantenimiento

Reflexión de luz alta y no difusa-por Visibilidad

Superficie no absorbente resistente al agua, aceite, hollín, lavable con detergentes

Resistente al envejecimiento y a la corrosión atmosférica dentro del túnel.

Resistente al fuego. No debe contribuir en humos nocivos en un incendio.

Reemplazable cuando se daña y removible para acceso de servicios ubicados detrás de este.

Espesor mínimo siguiendo la sección transversal del túnel.

Criterios para seleccionar revestimiento

Aplican para revestimiento apoyados sobre la roca

Mejoran el concepto de flexibilidad y compresibilidad-Reducen efectos por cargas desbalanceadas

Son inyecciones de lechada de cemento o mortero que rellenan huecos existentes entre la roca y el revestimiento.

Generalmente dos huecos penetrando 0.30 m en roca a 15° a lado y lado del eje c/a 5 m

Presiones de inyección menores a 0.2 Mpa

Se usan lechadas más o menos gruesas

Conceptos de revestimiento-Inyecciones de contacto

• Generalmente en roca y túneles profundos no se requiere acero de refuerzo.

• Dado ambiente húmedo y uso de juntas es factible reducir acero de refuerzo por retracción y fraguado- Existen otros medios para control de retracción y fraguado p.e uso puzolanas.

• El acero de refuerzo se requiere cuando hay:

Terrenos expansivos En zonas de falla En juntas de unión de zapatas y contra bóveda para

dar continuidad estructural en caso de que se requiera.

Zonas de solicitación sísmica importante-p.e hacia portales

Otros conceptos del revestimiento

• Es un problema de interacción terreno-estructura

• Cuando la instrumentación muestra que el túnel es estable con el soporte, el revestimiento en concreto no recibe cargas del terreno.

• El revestimiento en concreto actúa como una membrana que redistribuye cargas externas dependiendo del grado de flexibilidad que este tenga.

• Si el valor de coeficiente de flexibilidad es superior de 20 para el espesor de revestimiento analizado, es apropiado para absorber cargas desbalanceadas o sísmicas, reduciendo el efecto de momentos flectores, y esfuerzos cortantes sobre la sección.

Aspectos generales

Terreno

Revestimiento

El revestimiento en un túnel vial es una estructura en arco autoportante, donde si no hay cargas del terreno esta puede ser analizada por cargas por peso propio.

Si el material que se excava y permanece en estado elástico o las deformaciones se han estabilizado con un FS adecuado, el revestimiento no recibe cargas del terreno.

Para reducir su espesor y requerimientos de acero de refuerzo se deben adoptar criterios de flexibilidad y compresibilidad.

Se diseña por carga externa. P.e agua fréatica detrás acumulada por geomebrana impermeable, peso propio. Solo cargas del terreno cuando eventualmente hay empujes remanentes previo registro de instrumentación.

Criterios para diseñar el revestimiento

Métodos de diseño

SAP 2000 U OTROS

Método de las reacciones híper-estáticas

Métodos basados en líneas características= Parten de hipótesis simples= geometría circular, cargas hidrostáticas

Cálculos basados en elementos finitos= permite revisar el revestimiento para: a) geometría real, b) anisotropía del medio, c) esfuerzos remanentes del terreno o d) tipos de cargas por eventos de agua o eventos sísmicos, d) interacción roca – estructura.

Métodos de diseño

SISTEMA DE IMPERMEABILIZACIÓN Y DRENAJE

Las infiltraciones ocasionan daños a

equipos, a la capa de rodadura,

revestimiento y por lo tanto

repercuten en la seguridad y confort

de los usuarios de la vía.

Su presencia ocasiona altos costos de

mantenimiento de túneles viales.

CRITERIOS Y CONCEPTOS GENERALES

El concepto en túneles viales es captar aguas y encausarlas a un colector general.

Se debe evitar presiones de agua detras de los revestimientos mediante sistemas elaborados de drenaje. Con esto se aumenta la seguridad y se reducen costos en el revestimiento.

CRITERIOS GENERALES

Inyecciones del terreno –costoso y no muy efectivo.

Huecos de drenajes y tuberias o mangueras- para casos aislados y de agua concentrada en fracturas

Membranas o láminas impermeables- Sistema más común y efectivo

Revestimientos en concreto poco permeables

Colocación de aceros de refuerzo para reducir filtraciones es poco efectivo y costoso.

SISTEMAS DE IMPERMEABILIZACION Y CONTROL DE AGUA

SISTEMAS DE IMPERMEABILIZACION Y CONTROL DE AGUA

Control de aguas de infiltración

Sistema Oberhasli para drenaje de Tuneles Fuente: Adaptado, (Rivas & Rey, 2005). Sistema Impermeabilización Posterior de Túneles y Galerias

140

. Sistema control del agua, solución drenada.

Fuente: Adaptado, (BASF, 2014). Pre inyecciones de Excavación

para túneles en roca.

Sistemas de control y drenaje del túnel Fuente: Adaptado. Manual de Túneles y Obras subterráneas.

(Jimeno, 1997) Lamina drenante con Geotextil

Fuente: Exposición Orión, 2017

Manejo de surgencias puntuales en un túnel.

Detalle de impermeabilización y drenaje

Viga base

Impermeables

Resistentes al fuego

Durables

Resistentes a los agentes químicos

Fáciles de instalar y reparar

Resistencia mecánica y térmica-elástica; tracción o desgarramiento y punzonamiento

Membranas Impermeables

Comparación de características PVC y PR

Otros aspectos – resistencia al fuego

Ante un incendio, estos elementos deben ser : Auto extingibles Reducir o evitar la producción de gases tóxicos No deben producir gota de llama, para así reducir fatalidades

dentro de los túneles, y garantizar seguridad vial. Tanto el policloruro de vinilo ( PVC) como el polietileno de alta

densidad( PHD) y el polietileno reticulado producen gases tóxicos.

Detalles membrana

Sistemas de colocación – Concreto lanzado

Pernos especiales de fijación

Aplicación de concreto Lanzado

Instalación de arañas

• Se utiliza malla electrosoldada para aumentar

la rugosidad

• Se fijan por medio de pernos especiales y

“arañas” de fijación

Proceso constructivo

Nichos de parqueo

DETALLES TIPICOS DE LA SECCIÓN DE REVESTIMIENTO TERMINADA

Fin