Geotecnia 3

UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

ASIGNATURA DE GEOTECNIA CAPITULO VI

TUNELES

Ing. Javier Navarro Vèliz CIP. No. 42152

Los túneles son excavaciones lineales subterráneos, de pequeña altura y anchura en comparación con su longitud. El aprovechamiento del espacio subterráneo constituye en la actualidad una de las alternativas mas idóneas para el desarrollo de vías rápidas de comunicación. A pesar de su mayor costo con respecto a otras soluciones de superficies , presenta ventajas desde el punto de vista del medio ambiente, como funcional en el acortamiento de distancias, seguridad , etc. La gran parte de Túneles se excavan para infraestructura de transporte, basándose su diseño en la seguridad y la economía. Se debe considerar el SOSTENIMIENTO , se refiere a los elementos estructurales de sujeción del terreno, aplicados inmediatamente después de la excavación con el fin de asegurar su estabilidad durante la construcción y después de ella.

El REVESTIMIENTO se coloca con posterioridad al sostenimiento consiste en aplicar sobre dicho sostenimiento una capa de hormigón , u otros elementos estructurales, con el fin de proporcionar resistencia a largo plazo al túnel y dar un acabado regular , mejorando su funcionabilidad aerodinámica, impermeabilidad, luminosidad, albergar instalaciones y proporcionar la estética a la obra.

TUNELES DE ACCESO A MINAS: Útiles para exploración y explotación de recursos minerales, drenaje de aguas subterráneas, ventilación y otros.

TUNELES PARA TRANSPORTES: Carreteros, peatonales, navegación o ferrocarriles. Estos son los mas largos y en ocasiones los mas difíciles de excavar. TUNELES PARA CONDUCCION DE AGUA: Que puede ser vertedores, de desfogue o de desvió.

TUNELES MILITARES: Bunkuer

TUNELES DE ACCESO A CÁMARAS O BÓVEDAS SUBTERRÁNEAS:

TUNELES DE UTILIDAD PUBLICA: Para llevar cables, gas , agua.

TUNULES EN MINA

TUNELES MILITARES

TUNULES PARA TRANSPORTE

TUNULES PARA CONDUCCION DE AGUA

TUNULES DE BOVEDAS

TUNULES DE UTILIDAD PUBLICA

PARTES DE UN TUNEL

METODOLOGÍA DE LOS ESTUDIOS GEOLÓGICOS-GEOTÉCNICOS PARA TUNULES

INVESTIGACIONES IN SITU PARA TUNULES

METODOS DE EXCAVACION

Los métodos convencionales de tuneleo, también llamado “clásicos”, son operaciones cíclicas que en general tiene esta secuencia: perforación, carga, explosión, rezagado e instalación de soportes (si son necesarios).

INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES GEOLGICAS Al excavar un túnel se puede encontrar mas ampliamente los problemas geotécnicos que se presenta con mayor frecuencia en túneles. Pueden ser: 1.

Orientación desfavorable de discontinuidades.

2.

Orientación desfavorable de las tensiones con respecto al eje del túnel.

3.

Flujo de agua hacia el interior de la excavación a favor de fracturas, acuíferos o rocas carstificadas.

FALLAS Se debe conocer la posición que guardan estas con respecto al eje del túnel y la longitud en que lo afectan. Se determinara también si son activas o no, y la magnitud que tienen para saber si se encontrará roca triturada en la zona de túnel. Si se cruzan una falla activa, el túnel puede verse sometido repentinamente a grandes esfuerzos cortantes de gran peligro. El corrimiento puede ocurrir, claro en cualquier dirección, de acuerdo con el sentido de los esfuerzos y la orientación de la superficie de corrimiento, respecto al túnel. Es aconsejable tratar de atravesar las fallas perpendicularmente , para disminuir el área con problemas y si por necesidad del proyecto es preciso seguirlo paralelamente , conviene que la obra se encuentre lo mas alejada posible de ella.

Las fallas pueden constituirse en planos de debilidad y por lo mismo de deslizamiento.

Es posible también que estas estructuras se conviertan en vías de acceso o salida de agua del túnel, si es que están abiertas o rellenas de material permeable.

DIFERENTE POSICIOES DE UN TUNEL CON RESPECTO A UAN FALLA

ESTRATIFICACION En la selección de la localización y profundidad del eje del túnel, la posición relativa de la estratificación debe ser estudiada cuidadosamente. La presión total sobre un túnel y la forma como esta se distribuye a lo largo de el en rocas sedimentarias, depende principalmente de la estratificación. ( a, b y c)

Las rocas con estratificación inclinada pueden presentar problemas de estabilidad, por lo cual hay que seleccionar correctamente el sentido de ataque y el método de perforación. Si el eje del túnel es llevado perpendicularmente al rumbo de rocas que tienen un echado fuerte (b), se hallaran varios contactos de rocas con diferentes propiedades, lo cual puede ocasionar problemas de permeabilidad de estabilidad, es conveniente , si las condiciones del proyecto lo permite llevar el túnel paralelo al rumbo de una sola formación con propiedades adecuadas, (a). Si los estratos son verticales y se construye un túnel perpendicular al rumbo, cada estrato puede actuar como una viga lo cual da mayor estabilidad (c), la desventaja es que puede filtrarse mucha agua, o bien, por su posición, la efectividad de los explosivos es menor. En el caso de que el túnel sea paralelo al rumbo de los estratos verticales (d) estos pueden separarse en bloques y deslizarse sobre todo en los portales de entrada y de salida.

INFLUENCIA DE LA ESTRATIFICACION EN EL REVESTIMIENTO DE UN TUNEL

LOCALIZACION DE TUNELES ADECUADOS: a, d, y e. LOCALIZACION DE TUNELES INADEACUADOS: b y f.

ANTICLINALES Y SINCLINALES Los anticlinales presentan condiciones mas favorables para ubicar un túnel, en primer lugar porque la presión que existe en el centro de este es menor que en un sinclinal y en segundo porque si la formación es permeable en un anticlinal el agua tiende a escurrir, mientras que en los sinclinales se acumula en el centro. Hay que tener en cuenta que en los anticlinales los estratos superiores están mas deformados debido al plegamiento y por tanto mas fisurado que los estratos inferiores de la estructura, por lo que es aconsejable tratar de situar el túnel a una profundidad en la cual el fractura miento no tenga consecuencias.

FILTRACIONES Conocer la posición del nivel freático del agua dentro del macizo rocoso.

La presencia de agua dentro del túnel ocasiona problemas en los trabajos de construcción, pues puede infiltrarse ya sea por goteo, como corriente continua a través de las paredes de la perforación o bien a gran presión si esta confinada. Las zonas de falla con relleno arcilloso o roca fracturada se puede comportar, o bien como un umbral impermeable que impida el paso del agua, o como un acuífero.

Las discordancias o el contacto con rocas impermeables son también puntos con gran posibilidad de presentar agua. Rocas como las calizas, dolomías, yesos y rocas volcánicas como los basaltos escoriaceos o fracturados siempre tienen una elevada permeabilidad. Controlar que las aguas no contengan sales sulfúricas (yeso, anhidrita) o alguna sustancia que reaccione con los álcalis del cemento.

PARAMETROS GEOMECANICOS DE DISEÑO DATOS BASICOS DEL PROYECTO:  Perfil topográfico y planta del trazado a lo largo del eje del túnel.  Tipo de excavación, accesos intermedio.

DATOS DE CARÁCTER SISTEMATICO:     

Estructura geológica, litológica, falla y además discontinuidades, mapas y corte. Condiciones hidrogeológicas, permeabilidad y flujo subterráneo. Propiedades Geomecánica de la matriz rocosa, discontinuidades y macizo rocoso. Dirección y magnitud de las tensiones. Clasificación Geomecánica del trazado y perfil de sectorización Geomecánica.

ZONAS DE EMBOQUILLE Y ACCESO: Las zonas de emboquille deben ser estudiadas de forma particular, el bajo espesor de recubrimientos da lugar a mayores grados de alteración y mayor permeabilidad y flujo de agua, factores que en conjunto predeterminan una mayor deformabilidad y menor resistencia que el resto del trazado.

PRESENTACION DE DATOS GEOMECANICOS.  Planos geológicos de superficie y cota de túnel.  Cortes geológicos longitudinales y transversales al túnel.  Perfil de sectorización Geomecánica (PSG) a lo largo del eje del túnel y a la cota de excavación.  En el PSG se debe de incluir: 1.Litología y grado de fracturación. 2. Zonas de filtraciones 3. Clasificación Geomecánica. 4.Parametros geo mecánicos de diseño. 5.Sostenimiento, método de excavación y tratamiento del terreno. 6.Puntos singulares de tipo litológico, tectónico, hidrogeológico.

RESISTENCIA RESITENCIA DE LA MATRIZ ROCOSA:  

Ensayos de compresión simple, tracción y triaxial. Criterios de Hoek y Brown.

RESISTENCIA AL CORTE DE LAS DISCONTINUIDADES:   

Ensayos de corte directo y de rozamiento. Criterio de Mohr-coulomb. Método de Barton y Choubey,

RESISTENCIA DEL MACIZO ROCOSO:  

Criterio de Hoek y Brown. Criterio de Morhr-coulomb.

DEFORMABILIDAD

Es uno delos parámetros mas complejos de evaluar dad la heterogeneidad y anisotropía que caracteriza al macizo rocoso. Se evalúa:  Ensayo in situ y métodos geofísico.  Correlaciones con el modulo de deformabilidad de la matriz rocosa, el modulo dinámico y el RQD.  Método empírico a partir de los índices RMR , Q y GSI.

INDICE SRF (stress relief factor) Permite estimar empíricamente el parámetro K, a partir de datos geológicos y de la deformabilidad del macizo rocoso, cuando el macizo se encuentra sometido a campos tensionales tectónicos.

SRF= Log (T/(E x H)) x NC x SC T = E = H = NC = SC =

Edad del ultimo plegamiento principal que efecto al macizo (años). Modulo de elasticidad de la roca matriz (Gpa). Máxima carga litostatica a lo largo de la historia geológica, dada en metros. Coeficiente de actividad sismo tectónica. Coeficiente de influencia topográfica.

APLICACIÓN DEL INDICE SRF: Para rocas plegadas en el Hercínico se aplica la siguiente expresión, para valores absolutos de K y SRF comprendidos entre 5 y 3: k= (SRF – 4,02) / (-0,34)

Para las rocas plegadas en el Alpino, la expresiones, para valores absolutos de K y SRF comprendidos entre 4 y 2:

k= (SRF – 2,67) / (-0, 27)

La evaluación del estado tensional se efectúa según se indica en el siguiente cuadro:

CLASIFICACION GEOMECANICAS

La clasificación Geomecánica mas utilizada en túneles son la RMR (rock mass rating) desarrollada por Bieniawski que permite relacionar índice de calidad con parámetros geotécnicos del macizo y de excavación y sostenimiento en túneles.

El índice de calidad de roca RQD, Se refiere a un porcentaje de recuperación modificada en el cual todas las piezas del núcleo de roca sana mayores de 10 cm., según Deere.

Q, desarrollada por Barton, constituye un sistema de clasificación de macizo rocosos que permite estimar parámetros geotécnicos del macizo y diseñar sostenimientos para túneles y cavernas subterráneas.

SRC, (Gonzalez de Vallejo) se basa en la RMR y se diferencia de esta por considerar esl estado tensional del macizo rocoso, las condiciones constructivas del túnel y la ubicación de datos de afloramientos.

APLICACIÓN DE LA CLASIFICACIÓN SRC El índice SRC base como referencia y obteniéndose SRC corregido refleja la influencia del proceso constructivo, el valor de SRC obtenido se utiliza directamente en sustitución del RMR, es decir SRC 0 RMR.

Como resumen para aplicar la clasificación SRC se recomienda seguir los siguientes pasos: 1.

Dividir la traza del túnel en tramos litológicamente homogéneos.

2.

Subdividir los tramos identificados en el paso anterior que presenten una marcada variación estructural o grado de fractura miento.

3.

Identificar los puntos singulares del trazado.

4.

Calcular las puntuaciones y determinar SRC.

5.

Aplicar factores de corrección cuando los datos procedan de afloramientos y obtener el SRC base.

6.

Caracterizar geo mecánicamente el macizo rocoso sustituyendo el índice RMR por el SRC base en la expresión que relacionan RMR con los parámetros de resistencia y deformabilidad del macizo.

7.

Estimar el sostenimiento sustituyendo el valor RMRRR por el SRC.

8.

Una vez iniciado el proceso constructivo del túnel, obtener el SRC corregido mediante las correcciones por condiciones constructivas.

9.

Estimar los sostenimientos sustituyendo el valor del RMR por el SRC corregido.

SOSTENIMIENTO APARTIR DEL INDICE RMR La clasificación RMR indica explícitamente los tipos de sostenimiento a emplear según el cuadro adjunto, donde SRC = RMR.

Longitud de pase= P= (100 –RMR /100 ) 𝜸B 𝜸 es el peso especifico de la roca B el ancho del túnel.

SOSTENIMIENTO A PARTIR DEL INDICE Q Diámetro equivalente del túnel = anchura, diámetro o altura (m) / ESR ESR = (Excavatión support ratio), factor que depende del tipo de excavación, valores que se indica en el cuadro siguiente. 0,4 Máximo valor sin sostener (longitud de pase) : ( 2ESRQ ) m. Carga de roca sobre clave (Pr) (kp/cm2).

𝑱𝒏

𝟐 Pr =

𝟑𝑱𝒓

𝟑

𝑸

(Macizos con menos de tres familias de discontinuidades)

𝟐 𝟏 Pr =

𝑱𝒓 𝟑 𝑸

(Macizos con menos de tres familias de discontinuidades)

Carga de roca en hastiales (Ph) (kp/cm2): Q > 10 Ph = 5Q 0,1 < Q < 10

Ph = 2,5Q

Q < 0,1

Ph = Q

EXCAVABILIDAD Las propiedades que define la excavabilidad son las siguientes:  Resistencia de la matriz rocosa.  Dureza y abrasividad.  Fracturamiento,  Índice de calidad Geomecánica. Excavabilidad en función de la abrasividad . Índice Schimazek y cerchar:

F = Qd

50

𝝈

t

F = Coeficiente de abrasividad (N/mm). Q = Contenido en cuarzo equivalente en minerales abrasivos (%). d = Diametro medio del cuarzo (mm). 𝝈 = Resistencia a tracción. 50 t ABRASIVIDAD F (KP/CM)

ROZABILIDA D

0,2 - 0,3

Muy buena

0,3 - 0,4

Buena

0,4 - 0,5

Moderada

0,5 - 0,6

Regular

0,6 - 0,8

Mala

0,8 - 1,0

Muy mala

EXCAVACION PERFORACIÓN Y VOLADURA: El arranque se efectúa con explosivos y se utiliza en rocas de alta resistencia con velocidad sísmica del orden de Vp > 2000 – 2500 m/s, este método consiste en efectuar unos taladros en el frente de excavación cargarlos con explosivos y hacerlo detonar, la perforación se realiza por medio de Jumbos o carros perforadores.

EXCAVACION MECANIZADA: El arranque se efectúa por medios mecánicos mediante rozadoras o maquinas tuneladoras (TBM) o llamadas también topos, además de otras maquinas de ataque puntual

FASES DE EXCAVACION EN UN TUNEL

TRATAMIENTO ESPECIALES DE ESTABILIZACION

METODO TRADICIONAL- TUNELES EN SUELO SISTEMA DE AUSCULTAMIENTO DE UN TUNEL

GRACIAS