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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

REVISIÓN ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO D EL TÚNEL EMISOR ORIENTE, POR DEFORMACIONES SUBITAS EN EL REVESTIMIE NTO PRIMARIO

INFLUENCIADO POR UN ESTADO DE CARGA Y DESCARGA DEL GRAN CANAL, TRAMO L00 A L1A

Alejandro R. Martinez Paredes 1, Israel I. León García 1, Mario A. Aguilar Tellez 1 Jorge A. Pereyra Vargas 1

RESUMEN Se presenta la revisión estructural del revestimiento definitivo del TEO en el tramo comprendido entre L00 y L1A por efectos de deformaciones súbitas que afectan al revestimiento primario, y que por lo tanto, provocan una reducción en el espesor de proyecto del definitivo (reducción teórica en clave y cubeta, y aumento de la sección en hastiales producto de la excesiva ovalización). Las deformaciones súbitas que se presentaron, se originaron por un estado de carga y descarga en el gran canal (por el desazolve del fundo de este), no contempladas en el diseño original y que provoco necesariamente un cambio en el estado de esfuerzos iniciales alrededor del túnel. Una vez que se determina el nuevo estado de esfuerzos, se determinan los elementos mecánicos y se revisa el diseño inicial con el cambio de sección

ABSTRACT According with the first stage of construction of Tunel Emisor Oriente (first lining), excessive deformations occurred that were originated by a variation of pressure in the soil conditions. Therefore this paper describes the structural revision of the primary and definitive lining of this tunnel, because the excessive deformations reduce the principal section of the linings (transversal section 35 cm to 25 cm in the most critical case).

DESCRIPCIÓN GENERAL El Túnel Emisor Oriente tiene una longitud aproximada de 62 km; auxiliándose de 24 lumbreras y un Portal de Salida. Las distancias entre lumbreras es de 2.5 kilómetros en promedio, con profundidades de 32 m hasta 150 m, y se construirán en sitios con diferentes características geotécnicas. Conforme al tramo de estudio, este va de la Lumbrera L00 ubicada en el cruce de Periférico y Av. Gran Canal y concluye en la lumbrera L1A en el municipio de Ectapec, Edo. De México. Geométricamente el túnel es de sección circular con diámetro exterior del endovelado de 8.4 m, con diámetro interior de 7.70 m (espesor de la sección de 35 cm teóricos), posteriormente se debe revestir con el definitivo con diámetro interior terminado de 7 m para un espesor de proyecto de 35 cm (la revisión estructural de proyecto ejecutivo contemplo este valor). En el tramo mencionado, el túnel se construyo sobre depósitos de suelos de consistencia muy blanda, de alta compresibilidad y baja resistencia al corte; aunado a las características propias del subsuelo un factor importante ha sido la presencia del Gran Canal, condición que tiene una influencia en el estado de esfuerzos y deformación del túnel. Por tal motivo, ante las deformaciones excesivas del revestimiento primario y por lo tanto una reducción en el espesor efectivo del revestimiento definitivo se planteo el requerimiento técnico de revisar que la cuantía de acero determinada en el proyecto ejecutivo cumpla bajo el estado de cargas actual y bajos las condiciones de largo plazo indicadas en el proyecto ejecutivo. Es importante indicar que ante el

1 Gerencia de Ingeniería, Av. Central y Circuito Exterior Mexiquense s/n, Col. Renovación Jajalpa,

CP: 55040, Ecatepec de Morelos, Edo. De México, México, [email protected] [email protected]

XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Acapulco, Guerrero, 2012 .

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estado de deformaciones súbitas no esperadas se considero apropiado apuntalar los anillos de dovelas donde los valores de convergencia en clave y cubeta fueran lo suficientemente importantes, esta medida permitió en gran manera detener el efecto y minimizar por tanto la reducción de la sección aún más. Los marcos de apuntalamiento no se retiraron durante el colado del revestimiento definitivo, por el contrario, las secciones se completaron como anillos continuos a base de perfiles IPR de 8” y se dejaron en sitio (en este documento no se presenta la metodología de diseño de los marcos de apuntalamiento).

NUEVO ESTADO DE ESFUERZOS Como se ha comentado, durante la construcción del túnel, en el Gran Canal se realizaron trabajos de desazolve y el producto de estos trabajos se coloco sobre la margen derecha, mismo que coincide con el trazo del TEO para el tramo mencionado. Lo anterior implica un cambio en el estado de esfuerzos iniciales (la sobrecarga no estaba considerada en el diseño). En la Figura 1 se muestra la sección transversal del caso estudiado, la cual corresponde al cad.1+000 del TEO. Se observa que el túnel se encuentra apoyado en la capa dura y se encuentra localizado a una distancia de 17.6m del canal, el cual tiene una profundidad y ancho máximos de 7.2m y 40m, respectivamente. Considerando la geometría del canal, la descarga inducida varió entre 8.5 a 9.7t/m2 y fue desarrollada en un ancho promedio de 35m.

Figura 1.- Sección de estudio por cambio de estado de esfuerzos Una vez ocurrido el fenómeno descrito, y que se detuvieran los trabajos de dragado, se realizo una nueva campaña de exploración geotécnica con el fin de verificar las propiedades mecánicas de diseño y en todo caso, partiendo de las nuevas propiedades, y de las sobrecarga impuesta realizar un nuevo análisis en Plaxis por etapas de construcción con el fin de determinar el nuevo estado de esfuerzos. En la Tabla 1 se presentan las propiedades mecánicas de proyecto ejecutivo, y en la Tabla 2 las determinadas en la nueva campaña de exploración.

Tabla 1.- Propiedades mecánicas de los suelos sin c onsiderar el efecto del canal

cu φ Eu mv γ

de a (kN/m2) (grados) (kN/m

2) (kN/m

2) (kN/m

2)

0 2.8 Costra superficial 24 28 12,000.0 - 16 0.35 0.357

2.8 14 Serie arcillosa superior 1 26 0 6,600.0 0.0034 11.9 0.35 0.538

14 25.8 Serie arcillosa superior 2 37 0 5,985.0 0.0029 11.5 0.35 0.538

25.8 27.5 Capa dura 59 0 13,000.0 0.0012 15.4 0.35 0.5

27.5 38 Serie arcillosa inferior 1 95 0 12,069.0 0.0006 12.5 0.35 0.538

38 44.5 Lente duro 1 59 0 39,000.0 - 15.4 0.35 0.5


Prof (m)Estrato ν ko

Tabla 1.- Propiedades mecánicas de los suelos consi derando la exploración actual

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cu φ Eu mv γ

de a (kN/m2) (grados) (kN/m

2) (kN/m

2) (kN/m

2)

0 2.8 Costra superficial 24 28 8,400.0 - 16 0.35 0.4

2.8 14 Serie arcillosa superior 1 19 0 2,885.0 0.0034 11.9 0.35 0.2

14 25.8 Serie arcillosa superior 2 30 0 4,615.0 0.0029 11.5 0.35 0.2

25.8 27.5 Capa dura 47.2 0 10,400.0 0.0012 15.4 0.35 0.5


38 44.5 Lente duro 1 47.2 0 31,200.0 - 15.4 0.35 0.5

44.5 60 Serie arcillosa inferior 2 72.8 0 9,940.8 0.0004 12.5 0.35 0.647

Prof (m)Estrato ν ko

Con base en lo anterior descrito, se realiza dos análisis en Plaxis, uno a corto plazo, donde se mantienen las propiedades del suelo definidas en la Tabla 1, al que una vez colocado el revestimiento se somete a un estado de descompresión del suelo (por el desazolve), y un segundo análisis a largo plazo, donde se establece un estado inicial (por el primario, inducido por las deformaciones súbitas), mismo al que por etapas se coloca el revestimiento definitivo y que de manera gradual es cargado partiendo del cambio de las propiedades mecánicas del suelo. En el mismo Plaxis, para el análisis a largo plazo del revestimiento secundario, se consideraron las propiedades mecánicas a corto y largo del suelo y de los revestimientos. En un primer análisis se realiza representando el revestimiento primario mediante elementos viga cuya rigidez a flexión es reducida para tomar en cuenta la presencia de las juntas entre dovelas. En esta etapa el túnel es sometido a los cambios de esfuerzos inducidos durante el desazolve del canal y recarga de los bordos, y partiendo de la deformada obtenida se coloca el revestimiento secundario representado como elementos sólidos. Posteriormente, se realizan análisis modelando el revestimiento primario con elementos sólidos reduciendo su módulo de elasticidad para tomar en cuenta la presencia de las juntas entre dovelas y posteriormente a la deformación generada por el desazolve del canal y recarga del bordo se coloca el revestimiento secundario representado con elementos viga cuyos espesores variaran entre 0.25 y 0.35m, a fin de determinar cuál de las condiciones es la crítica. En este sentido, al igual que en el diseño del revestimiento primario y definitivo (León, et. al., 2012), se realiza un proceso iterativo entre Plaxis y SAP para poder determinar la reducción en rigidez EI de la sección en Plaxis y que se equipare a nivel de convergencias.

Figura 2.- Modelo representativo de la sección en P laxis.

MODELACIÓN Y ANÁLISIS ESTRUCTURAL


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REVESTIMIENTO DEFINITIVO Se emplea el SAP2000 mediante un modelo de barras que simula los revestimientos primario y secundario, y que a su vez se encuentran acoplados por medio de resortes entre ellos, de tal manera que se logre idealizar el acoplamiento real que existe entre ambos revestimientos a largo plazo (León, et. al., 2012). Como se ha descrito anteriormente, en Plaxis bajo una nueva campaña de exploración, se establece un nuevo estado de esfuerzos (mismo que cambia con la reducción de las secciones transversales), y que al proceso de construcción inicial se añaden los efectos de descompresión del Gran Canal y de la sobrecarga en la margen derecha, como se muestra en la Figura 2. De este modo, como en el proyecto ejecutivo, se realiza el análisis a largo plazo por etapas. Inicialmente se simula la excavación del túnel, la colocación del revestimiento primario, aquí se induce la descompresión y carga extra, y posteriormente la colocación del revestimiento secundario, el cual no recibe cargas de manera inmediata y en el programa se simula la transmisión de cargas de manera gradual, del primario al definitivo, conforme van cambiando las condiciones del suelo que genere un incremento de carga sobre ambos revestimientos (se consideraron tres casos, con espesores de 35, 30 y 25 cm con la finalidad de establecer un margen de seguridad). El modelo estructural de dos revestimientos cuenta con los siguientes elementos: a).- Anillo de dovelas que simula las dovelas y sus juntas longitudinales b).- Mitad anterior y posterior de dovelas con sus juntas longitudinales traslapadas respecto a la posición del anillo de dovelas de análisis. c).- Anillo interior monolítico de espesor constante igual al espesor del revestimiento secundario. d).-Resortes de acoplamiento entre revestimientos con una rigidez radial y una rigidez tangencial; los radiales solo funcionan a compresión y los tangenciales a compresión como a tensión. La rigidez radial del resorte es producto del contacto entre elementos de concreto permitiendo que ambos revestimientos se desplacen simultáneamente en la misma dirección. La rigidez tangencial se define en función de la fuerza axial que trasmite el revestimiento primario al definitivo y el coeficiente de fricción entre elementos de concreto colado contra concreto endurecido.

Figura 3.- Modelo estructural de dos revestimientos acoplados Simulación de juntas longitudinales

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En el caso de las juntas longitudinales estas actúan como articulaciones con una rigidez al giro, es decir permiten un cierto giro de la junta, pero también transmiten momento flector debido a la excentricidad. A medida que el anillo de dovelas se deforma y las juntas longitudinales giran, se introduce una excentricidad mayor en la transmisión de la fuerza axial (N) en el anillo (reduciendo la superficie de contacto para la transmisión de esta fuerza, ver Figura 4). Lo anterior supone un aumento de los esfuerzos en el concreto cuya capacidad de resistencia a compresión debe ser comprobada. Esta es necesariamente una solicitación que condiciona la resistencia del concreto a adoptar.

a) b)

Figura 3.- Rotación y transmisión de esfuerzos en l a junta longitudinal (a), Variación de la rigidez a l giro de las articulaciones de las juntas longitudin ales según Jan ββββen (b).

El giro y el momento flector que transmite la junta es función de la geometría de la junta, de la rigidez del concreto y también de los elementos mecánicos. Con base a ensayos se ha determinado según Janßen que la relación entre el momento flector transmitido y la rotación en la junta es bilineal tal como se muestra en la Figura 3. El diagrama presenta la primera rama lineal, en la cual la junta transmite un momento proporcional al giro de la misma. No obstante, a partir de un cierto momento flector, la junta plastifica. Por lo que, tanto el momento transmitido como el giro de la junta, depende no únicamente de la geometría de la superficie de contacto y de la rigidez del concreto, sino también de la fuerza axial actuante en el anillo. Consecuentemente, el cálculo estructural consiste en un proceso interactivo para ajustar la rigidez de la junta a la fuerza axial actuante. Tal como se deduce de estas expresiones, el giro máximo admisible en la junta dependerá de las fuerzas axiales actuantes y de la clase de concreto. Para el modelo y diseño se consideran las siguientes propiedades de materiales: Para las dovelas prefabricadas de concreto armado se empleará un concreto Clase 1 con una resistencia, f´c en función del tramo en estudio (por la caracterización geotécnica). Para concretos de alta resistencia, el módulo de elasticidad, Ec, se determina con la siguiente expresión (concretos de alta resistencia, f’c > 400 kg/cm2 Sección 11.3.1 de las NTC-Concreto del RCDF vigente):

Ec = 8500 √f’c + 110 000, en kg/cm2 (1) Para el acero de refuerzo se empleará un acero con esfuerzo de fluencia fy=4200kg/cm2 y módulo de elasticidad Es de 2,030,000 kg/cm2. En las Figuras 4, 5 y 6 se indican la aplicación de fuerzas al modelo con barras para el tramo mencionado, pero considerando estados de esfuerzos del Plaxis con secciones del definitivo de 25, 30 y 35 cm respectivamente. Posteriormente, en las Figuras 7, 8 y 9 se presentan los elementos mecánicos obtenidos.


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a) Fuerzas horizontales de tierras efectivas. b) Fu erzas verticales de tierras efectivas

Figura 4.- Aplicación de fuerzas al modelo en barra s, fuerzas en kN/m (t=25 cm)





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a) Diagrama de momentos flexionantes (kNm/m) b) Di agrama de fuerzas axiales (kN/m)

c) Diagrama de fuerzas cortantes (kN/m)

Figura 7.- Elementos mecánicos (t=25 cm)


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c) Diagrama de fuerzas cortantes (kN/m)

Figura 8.- Elementos mecánicos (t=30 cm)

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c) Diagrama de fuerzas cortantes (kN/m) Figura 9.- Elementos mecánicos (t=35 cm)

En la Tabla 3 se presenta un resumen de los elementos mecánicos obtenidos para los tres casos de estudio.


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Tabla 3.- Elementos mecánicos

t=25 cm t=30 cm t=35

Deformaciones

Convergencia vertical (mm) 74.6 38.4 36.1

Convergencia horizontal (mm)

72 38 35.6

Elementos mecánicos en

clave

Momento máximo (kNm/m)

283.5 140.83 256.08

Carga Axial respectiva (kN/m) -781.5 -1723.5 -768.19

Elementos mecanicos en

cubeta

Momento máximo (kNm/m) 492 514.32 460.61

Carga Axial respectiva (kN/m) -855 -1810.5 -881.35

Elementos Zona de Hastiales

Momento máximo (kNm/m) -160 -220 -227

Carga Axial respectiva (kN/m)

-246 -214.5 -221

Momento máximo (kNm/m)

-160 -220 -227

Carga Axial respectiva (kN/m) -246 -214.5 -221


sección compuesta

Cortante máximo (kN/m) -460.5 -573.5 -429.5

Carga Axial respectiva (kN/m) -1017 -2019.5 -1040.5


sección de revestimiento secundario

Cortante máximo (kN/m) 86.5 122 143.5

Carga Axial respectiva (kN/m) -210 -162.5 -168

REVISIÓN ESTRUCTURAL La revisión estructural se enfoco en volver a evaluar si con el armado de proyecto (Figura 10), y las secciones reducidas (caso crítico de 25 cm) y la resistencia a compresión de diseño (f´c = 250 kg/cm2) era posible que se siguiera cumpliendo con el estado límite de falla y de servicio conforme las NTC-Concreto del RCDF vigente (2004). Conforme al proyecto ejecutivo, únicamente se reviso por flexocompresión y por cortante, considerando de manera particular que para clave y cubeta estas deberán de trabajar de manera conjunta con el revestimiento primario (endovelado) y que las secciones de los hastiales del revestimiento definitivo deberán trabajar independientes.

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a) Armado general

b) Refuerzo de armado

Figura 10.- Armado de proyecto para el tramo L00 y L1A

Estado límite de servicio Conforme a la Tabla 3 se indican los valores máximos de convergencias obtenidos en el SAP2000, y de acuerdo con los términos de referencia del proyecto, la deformación diametral máxima será de 0.01 veces el diámetro, por lo que la deformación permisible es de 70 mm, siendo únicamente el caso de 25 cm de revestimiento definitivo que se encuentra en el límite, pero se considera aceptable.


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Estado límite de falla Conforme a cada caso de estudio, con secciones de revestimiento de 25, 30 y 35 cm, y manteniendo los armados de proyecto ejecutivo, se verifican los diagramas de interacción con relación a los elementos mecánicos determinados por el nuevo estado de esfuerzos. En la Figura 11 se indican los diagramas de interacción correspondientes, y en la Tabla 4 un resumen de los armados calculados conforme a la Tabla 1.

P=135.0 t

M= 70 t-m

P=117.5 t

M= 39.18 t-m

P=117.9 t

M=37.46 t-m

P=134.7 t

M=68.44 t-m

a) Sección de 35 cm b) Sección de 30 cm

P=119.6 t,

M=43.4 t-m

P=130.8 t,

M=75.30 t-m

c) Sección de 25 cm

Figura 11.- Diagrama de interacción

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Tabla 4.- Resumen de revisión de armados

Revestimiento definitivo

Peralte de diseño

Arm ado por flexo-

compresión

Armado por temperatura

Armado por cortante

Lecho interior 70 a 60 cm #[email protected]

#4 @ 30

Grapas del #3 @ 50cm longitudinal y @15cm

transversal Lecho exterior 70 a 60 cm #[email protected]

Lecho interior 35 a 30 cm 2#[email protected] Grapas del #3 @ 50cm longitudinal y @15cm

transversal Lecho exterior 35 a 30 cm 2#[email protected]

Revestimiento definitivo

Peralte de diseño

Armado por flexo-

compresión

Armado por temperatura

Armado por cortante

Lecho interior 60 cm #[email protected]

#4 @ 30

Grapas del #3 @ 50cm longitudinal y @12.5cm

transversal Lecho exterior 60 cm #[email protected]

Lecho interior 25 cm 2#[email protected] Grapas del #3 @ 50cm longitudinal y @12.5cm

transversal

Como se observa en la Tabla 4, únicamente para el caso donde la sección es de 25 cm el requerimiento extra es cerrar la colocación de las grapas de 15 a 12.50 cm, manteniéndose la separación del acero transversal y del longitudinal por temperatura.

CONCLUSIONES Se indican las conclusiones siguientes: 1.- Se verificó el diseño del revestimiento definitivo realizado en el proyecto ejecutivo., para las condiciones de deformación actuales que se tienen en el túnel (reducción en clave hasta 25 cm) por deformaciones súbitas no contempladas en el proyecto original. 2.- La revisión a flexocompresión, indica que la capacidad de la sección no se excede, tomando las secciones de 35, 30 y 25 cm; sin embargo, para la sección de 25 cm se recomienda adicionar un refuerzo en la zona de clave y cubeta, equivalente a una barra del #4@ 25 cm. 3.- Para la revisión a cortante, las secciones de 35 a 30 cm cumplen satisfactoriamente. En el caso de la sección de 25 cm (por lo menos de 28 a 25 cm), se requiere cerrar las grapas indicadas en la del #[email protected] cm en el sentido transversal, y @50 cm en el sentido longitudinal. En el presente documento, no se presenta la revisión en los hastiales, dado que es una sección que aumentará su peralte, lo cual se vuelve una condición más favorable para cumplir las revisiones a flexocompresion y cortante.


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REFERENCIAS COMISSA (2011) “Diseño geotécnico del revestimiento definitivo del Túnel Emisor Oriente tramo 1, zona 1 de L00 a L1A”, TEO-1-T-00-1A-AG-RD COMISSA (2011), “Memoria de cálculo estructural del Revestimiento Definitivo Zona 1 de L00 a L1A km 0+000 a 2+753.213” TEO-1-T-00/1A-ME-RD-01 COMISSA (2011) “Dictamen Técnico Deformaciones súbitas en el Túnel” CONAGUA (2008), “Proyecto Ejecutivo para la Construcción del Túnel Emisor Oriente localizado en el Distrito Federal, Estado de México, dentro de la cuenca del Valle de México y el Estado de Hidalgo”. Anexo 10a. Términos de Referencia. CONAGUA Leon, et. al., (2012) “Análisis Geotécnico – Estructural y Diseño del revestimiento Primario y Definitivo del Túnel Emisor Oriente” XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural RCDF-NTC (2004), “Reglamento de Construcciones del Distrito Federal y sus Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto”.

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