Anlisis determinstico de estabilidad de un tnel en rocas blandas, mediante estudio paramtrico de inestabilidad en discontinuidades, y modelado con elementos finitos usando el software Plaxis 2D y Unwedge

caso de estudio tnel de descarga No. 2 del Proyecto de Propsito Mltiple Chone

Anlisis determinstico de estabilidad de un tnel en rocas blandas, mediante estudio paramtrico de inestabilidad en discontinuidades, y modelado con elementos finitos usando el software Plaxis 2D y UnwedgeTESIS DE GRADO:

Objetivos Objetivo General: Determinar la clasificacin RMR (Rock Mass Rating) del macizo rocoso denominado Jobo 2 para verificar la aplicabilidad de este mtodo en tneles superficiales en rocas blandas, y analizar la estabilidad de la excavacin durante la etapa constructiva y post-constructiva.

Hiptesis: El mtodo semi-emprico RMR de Bieniawski permite estimar en forma conservadora el sostenimiento primario en tneles superficiales en rocas blandas

ObjetivosObjetivos especficos1. Clasificar al macizo rocoso Jobo 2 en base a la clasificacin geomecnica RMR (Rock Mass Rating) y GSI (Geological Strength Index)

2. Analizar la estabilidad del tnel de riego y abastecimiento ubicado en el macizo rocoso denominado Jobo 2 mediante el mtodo de convergencia-confinamiento en la etapa constructiva y mtodo de cuas (usando el software Unwedge)

3. Verificar la estabilidad del tnel de riego y abastecimiento ubicado en el macizo rocoso denominado Jobo 2 durante la etapa post-constructiva (usando el software Unwedge).IntroduccinPresentacin del problemaTnel de riego y abastecimiento en el macizo rocoso denominado Jobo 2.Macizo rocoso clasificado como tipo III-IV en el portal de salida del tnel (Aza R.,2014)Mecanismos de sostenimiento primario simple (cerchas metlicas)Hubiese sido adecuado un mecanismo de soporte compuesto?

Fuente: Archivo Tcnico de la Fiscalizacin CTT-ESPE-CECAI para el PPMCH. Chone , 2014

MetodologaMuestreo, sondeos y ensayos de laboratorioCampaas geotcnicas realizadas por la empresa GeosuelosSondeo 7 en las proximidades del tnel de riego y abastecimientoPerforaciones a rotacin inclinadas (60)Recuperacin entre cotas 42,89 m - 40,29 m

Fuente: Geosuelos. Perforaciones inclinadasen la Presa Propsitos Mltiples Chone, 2014

MetodologaMuestreo, sondeos y ensayos de laboratorioPerfil de meteorizacin (8m)Influencia vertical a 1,5 dimetros despreciable (Santos, 2007)Perfil de meteorizacin a 20m de la excavacin

Sondeo 7-JOBO 2CajaProfundidadCotaColorRecuperacinRQD Meteorizacin(m) (m) (%)(%)10m 50,688010Medianamente3m48,08 meteorizado28010Medianamente6m45,48 meteorizado38058Altamente9m42,89 meteorizado410073Roca fresca

12m40,29510090Roca fresca

15m37,69610090Roca fresca

18m35,09710090Roca fresca

20m33,36Fuente : Geosuelos. Perforaciones inclinadas en la Presa Propsitos Mltiples Chone,2014

Fuente Figura: Los autores

MetodologaEnsayos de compresin simple4 Testigos cilndricos de matriz rocosa intactaDimetros mnimos de 50,4 mm, H/D entre 2,5 y 3 (ISRM, 1976)Paralelismo y transmisin de carga uniforme con madera (CONSEES, 2014)Deformacin axial y lateral (diametral) controlada (ASTM D 3148,1993)

TestigoAltura [mm]Dimetro [mm]Altura /DimetroPeso [kg]188,444,22,000,282113,256,62,000,59380,040,02,000,17494,047,81,970,31

Fuente : Consultores Espn Esparza. Resistencia a la compresin simple en rocas (deformacin controlada) , 2014

MetodologaEnsayos de compresin simpleConstantes elsticas en base a pendientes promedio, tangente, secantePendiente tangente al 50% de Pendiente secante al 100% dePendiente promedio a esfuerzos intermedios (comportamiento lineal)

Deformacin unitariaConstantes elsticasFuente : ASTM D-3148. Standard Method for Elastic Moduli of Intact Rock Core Specimens in Uniaxial Compression , 1993

8MetodologaEnsayos de corte directo4 ensayos, tres testigos cilndricos de roca intactaEncapsulamiento con mortero de cementoParalelismo y plano de transmisin del cizallamiento (ASTM D 5607,1994)Separadores temporales de cartn (cartulina) (CONSEES, 2014)

Fuente : Consultores Espn Esparza. Ensayos de corte directo en roca, 2014MetodologaEnsayos de corte directoCarga normal: 2kg, 4kg, 8 kg, 16kg, 32kgDeformacin tangencial controlada, incrementos 0,01 (0,25 mm)Envolvente lineal de Mohr-Coulomb (Resistencia pico)

Esfuerzo normalEsfuerzo tangencial vs. deformacin unitaria

Esfuerzo tangencial vs. esfuerzo normalEsfuerzo tangencialFuente : Consultores Espn Esparza. Ensayos de corte directo en roca, 2014MetodologaClasificacin geomecnica RMR (Bieniawski,1989)

Fuente : Los autores

Metodologa

Proyeccin estereogrfica

Datos geolgicos estructurales de campoFuente : Los autores

Correccin por orientacin de discontinuidades

Interpretacin del RMR (Rock Mass Rating)Metodologandice resistencia geolgica (GSI)

Fuente : Los autoresMetodologaAnlisis estructural en SAP 2000Metodologa LRFD (Load and Resistance Factor Design)

Modelo estructural bidimensionalHiptesis:Elementos sometidas a cargas axialesDistribucin uniforme de cargaCargas nodales Estado lmite de pandeo (AISC, 2010)

Radio de giroEsfuerzo crtico de EulerPandeo inelsticoPandeo elstico

MetodologaAnlisis estructural en SAP 2000Restriccin de grados de libertad traslacionalPresin(Interaccin roca-armadura) y deformacin mxima (A)

Carga/nodo:2500NCarga/armadura:112500NCarga Total:225000NDeformacin:0.0016m

Fuente : Los autoresMetodologaModelacin numrica en Unwedge

1. Importacin de geometra2. Propiedades geomecnicas

Parmetros geotcnicosFuente : Los autoresMetodologa

4. Propiedades del soporte3. Orientacin y discontinuidades

Modelacin numrica en UnwedgeCercha metlicaRevestimiento

(ACI 318, 2008)MetodologaModelacin numrica en Unwedge

3. Cargas hidrulicasCota mxima de embalse (67,50 m)Cota contraclave (44,50 m aprox)Pendiente=1%

Presin hidrostticaMetodologaTeora detrs de la modelacin numrica en Unwedge

Fuerzas activas y pasivasFactores de seguridad:

Cada o levantamientoDeslizamiento (sin soporte)Deslizamiento (con soporte)000

Fuente : Rocscience. Unwedge theory manual, 2015MetodologaModelacin numrica en Plaxis

1. Importacin de geometra

2. Asignacin del material

Parmetros geotcnicosGSI

(Hoek E.1998)MetodologaModelacin numrica en Plaxis

3. Sistemas de cargas4. Enmallado

5. Refinamiento del enmallado

Elementos triangulares15 NodosMetodologa6. Generacin de condiciones iniciales

Esfuerzo geo-esttico verticalEsfuerzo geo-esttico horizontal

MetodologaModelacin numrica en Plaxis

7. Ingreso de valores de Presin interna

Componente verticalComponente horizontal8. Validacin del modelo numrico Macizo rocoso elasto-plstico Cavidad circular Esfuerzos geo-estticos isotrpicos

Fuente : Hoek E., Practical Rock Engineering, 2007

Parmetros de resistencia

Zona plstica

ConvergenciasMetodologaCurvas de confinamiento (RMR)Cavidades circulares

Cerchas metlicasRevestimientoPernos de anclajeMetodologaCurvas de confinamiento (RMR)Aproximacin bidimensional (Panet, 1982)

Material elasto-plsticoFormulacin general:

DespejarResultadosEnsayo de Compresin simpleComportamiento no lineal (cargas extremas) entre 0,24 y 0,98 (valores extraos) entre 54,87 MPa y 261,91 MPa (rocas blandas solidificadas sanas)

Criterio tangente:Comportamiento elstico(valores extraos)

Criterio secante:Comportamiento de rupturaCriterio promedio:Comportamiento elstico(valores extraos)Mdulo elstico:Valores de tendencia central0,1-0,4

ResultadosEnsayo de Compresin simpleGrandes rangos de valoresCriterios elsticos en materiales de comportamiento no lineal

ResultadosEnsayo de corte directo entre 26,27 y 49,62 entre 0,012 MPa y 0,039 MPa

ResultadosCuas subterrneasFactores de seguridad acordes al desempeoCuas mximas embebidas, extensin de la zona plstica (4,90 m)

Abscisa 0+150 m (Aguas abajo)Altura: 0,37 mPeso: 0,20 TonFalla: cadaEtapa: Constructiva

No reportadoFactores de seguirdadResultadosCuas subterrneasEtapa post-constructiva adecuadaIncertidumbre de campo

Altura: 0,12 mPeso: 1,80 TonFalla: cadaEtapa: ConstructivaNo reportadoFactores de seguirdadAbscisa 0+250 m, aguas arriba

ResultadosClasificaciones geomecnicasMacizo rocoso de calidad buena RMR tipo III: hormign lanzado (5 10 cm en clave y 3 cm en hastiales) y pernos de anclaje (cada 1,5 a 2,0 m)

ResultadosHormign lanzado: 28 MPa

ResultadosPernos de Anclaje: 1,5 m x 1,5 m, 4m, grado 420

ResultadosSoporte compuesto: Hormign lanzado+pernos de anclaje

ResultadosConvergencia y ConfinamientoBuena aproximacin a las soluciones exactas

ResultadosConvergencia y Confinamiento

Convergencia estable en la abscisa 0+050ResultadosFactores de seguridad: Cerchas son adecuados

ResultadosFactores de seguridad: RMR es conservador

Factores de seguridadResultadosZona plstica: No uniformeSubestimacin del espesor con ecuaciones exactas (2,5 veces mayor)

ResultadosZona plstica

ConclusionesEl uso de la clasificacin geomecnica RMR en tneles superficiales en rocas blandas conlleva a un sobredimensionamiento del soporte primario. Excepcionalmente, se podra extender su uso donde se requiera limitar las zonas de plastificacin por la incidencia que esta tendra en las subestructuras existentes.

Los factores de seguridad ante el deslizamiento de cuas y colapso obtenidos de los anlisis paramtricos de discontinuidades y tenso-deformacionales (Software Unwedge y Plaxis) demuestran que el soporte primario de diseo (cerchas metlicas ligeras cada 1,50 m) usado en el tnel de riego y abastecimiento representan un solucin adecuada ante los requerimientos geomecnicos de la excavacin.

ConclusionesSe demostr que los factores de seguridad ante el colapso obtenidos mediante anlisis tenso-deformacionales pueden ser considerablemente menores que los factores de seguridad ante el deslizamiento de cuas en la etapa constructiva y pueden llegar a controlar el diseo del soporte primario en tneles superficiales en rocas blandas

Los Factores de Seguridad calculados en la etapa post-constructiva demuestran que el tnel de riego y abastecimiento permanecera estable una vez que el embalse de la presa Ro Grande alcance su nivel mximo (cota 67,50 m).

Se pudo constatar que las ecuaciones exactas tradicionales para anlisis tenso-deformacionales de tneles circulares se ajustan de forma adecuada a los resultados obtenidos mediante software de elementos finitos en secciones de tneles no circulares, y pueden llegar a ser una herramienta de validacin de modelaciones numricas ms complejasConclusiones Se demostr que la incertidumbre de campo de las propiedades geomtricas de las familias de discontinuidades puede llegar a prevalecer sobre los factores de seguridad ante deslizamiento de cuas mximas, impidiendo la formacin de cuas que mediante anlisis paramtricos se definen como inestables.

La implementacin del software de elementos finitos permiti determinar que la extensin de la zona plstica en tneles en forma de herradura puede llegar a ser hasta 2,5 veces mayor que la extensin estimada para un tnel circular de dimensiones anlogas, y la misma puede llegar a extenderse principalmente en la clave en direccin sub-paralela a los hastiales.RecomendacionesInvestigar a futuro la incidencia de la variabilidad de las propiedades geomecnicas en macizos rocosos en rocas blandas en el comportamiento tenso-deformacional de tneles superficiales. Comparar los resultados de modelaciones numricas con el comportamiento real en campo en macizos rocosos de caractersticas semejantes a las analizadas en esta investigacin, sea en proyectos reales o galeras de prueba.

Extender la presente investigacin hacia la aplicabilidad del ndice Q en tneles superficiales en rocas blandas.Referencias1. ACI 318. (2008). Requisitos y Reglamentos para Concreto Estructural y Comentario . 2. ACOLIT CIA LTDA. (2008). Actualizacin del Proyecto de Propsito Mltiple Chone. Portoviejo.3. AISC 360. (2010). ANSI/AISC 360-10 Specification for Structural Steel Building. 4. ASTM. (1993). ASTM D 3148. Standard Method for Elastic Moduli of Intact Rock Core Specimens in Uniaxial Compression.5. ASTM. (1994). ASTM D 5607. Standard Test Method for Performing Laboratory Direct Shear Strentgh Tests of Rock Specimens Under Constant Normal Shear.6. Aza R. (2014). Informe Final del Portal de Salida JOBO 2. Chone.7. Aza R. (2014). Informe Geolgico-Geotcnico PPMCH-Clasificacin del Macizo Rocoso, Sitio de extraccin de Materiales JOBO 1. Chone.8. Balmer. (1952). A general Analytical solution for Mohr's Envelope. American Society for Testing Materials, 1260-71.9. Barton N. (2000). El sistema Q para la seleccin del sostenimiento con el m[etodo noruego de excavacin de tneles. Madrid.10. Barton N., Lien R. y Lunde J. (1974). Engineering Classification of Rock masses for the design of tunnel support. Rock mechanics, Springer Verlag, 189-236.11. Bieniawski Z. (1967). Mechanism of Brittle fracture in Rock. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 395-430.12. Bieniawski, Z. (1989). Engineering Rock Mass Classifications. John Wiley and Sons, Inc.Referencias13. CONSORCIO E & E. (2014). Informe Geolgico-Geotcnico Preliminar del Tnel de riego-Jobo 2. Chone.14. Consultores Espn Esparza. (2014). Resistencia a la compresin simple en rocas (deformacin controlada). 15. COWI Consulting Group. (2015). Copenhagen Tunnel. Copenhagen.16. Cristescu N. (1993). Rock Geology. Hudson John-Comprehensive Rock Mechanics, 523-544.17. Daz Mendez B. (1997). Clasificacin de los terrenos segn su excavabilidad. En Manual de Tneles y obras subterrneas. 18. El Diario. (17 de Junio de 2013). Expectativas por nuevos constructores del PPMCH. El Diario.19. El Diario. (14 de Junio de 2014). Avance del 47% en Presa Ro Grande. El Diario.20. Empresa Pblica Metropolitana de Movilidad y Obras Pblicas. (2011). Cierre de los Tneles San Juan y San Roque. Quito.21. Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de Caminos,Canales y Puertos de Barcelona-Universidad Politcnica de Catalunya. (2015). Ingeniera Geolgica-Excavaciones Subterrneas. 22. ESPE. (2014). Archivo Tcnico de la Fiscalizacin CTT-ESPE-CECAI para el PPMCH. Chone.24. ESPOL. (2014). Informe de ensayo de resistencia a la compresion en cilindro de roca. Guayaquil.25. FHWA. (2013). Technical Manual for Design and Construction of Road Tunnels - Civil Elements. 26. Franklin J. (1974). Rock quality in relation of the quarrying and performance. Segunda Conferencia IAEG. Sao Paulo.27. Geosuelos . (2014). Perforaciones inclinadasen la Presa Propsitos Mltiples Chone. Chone.28. Gonzlez L. (2004). Ingeniera Geolgica. Madrid: Pearson Educacin S.A.

Referencias29. Goodman R. (1985). Block Theory and its application to Rock Engineering. Londres: Prentice Hall International.30. Goodman R. (1989). Introduction to Rock Mechanics. New York: John Wiley & Sons.31. Griffith A. (1921). The phenomena of rupture and flow in solids. Philos. Trans. R. Soc. Lond., 163-198.32. Herget G. Unrug K. (1976). In situ rock strength form triaxial testing. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 299-302.33. Hobst y Zajik. (1957). Anchoring in Rock. Elsevier.34. Hoek E. (1998). Rock mass properties in underground mines.35. Hoek E. (2007). Practical Rock Engineering. Toronto.36. Hoek E. y Brown E. (1980). Empirical Strength Criterion for Rock Masses. Journal of Getechnical Engineering Division, ASCE 106 (GT9), 1013-35.37. Hoek E. y Brown E. (1980). Support of Underground excavations in hard rock. Londres.38. Hoek E. y Brown E.T. (1988). The Hoek-Brown Failure Criterion. Procedures of the 15th Canadian Rock Mechanics Symposium. Toronto.39. Hoek E. y Diederichs M. (2006). Empirical Estimation of Rock Mass Modulus. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences , 203215.40. Hoek E., B. E. (1997). Practical estimates of rock mass strength, . International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Elsevier, vol. 34 n. 8, Pginas 1165-1186.41. Hoek E., Carranza-Torres C., Corkum B. (2002). Hoek-Brown Failure Criterion-2002 edition. Proceedings. North America Rock Mechanics Society Meeting, (pgs. 267-73). Toronto, Canad.Referencias42. Hoek E., WoodD, y Shah S. (1992). A modified Hoek-Brown criterion for jointed rock masses. Proceedings. Rock Characterization Symposium. International Society of Rock Mechanics (pgs. 209-14). Londres: British Geotechnical Society.43. Hoffstetter R.y Bristow C. (1977). Amrique Latine, Vol. 5 a2,. Pars: Centre National de la Recherche Scientifique.44. INGEMEY. (2009). Autova Orbital de Barcelona B- 40. Barcelona.45. ISRM. (1976). Suggested methods for determining the uniaxial compressive strength and deformability of rock materials.International Society of Rock Mechanics-Comission on Standarization of laboratory an field tests. International Journal of Rock Mechanics, Mining Sciences and Geomechanical Abstracts.46. JTP Consulting. (2013). Box Culvert Jacking. Australia.47. Kim et al. (2004). Tunnel convergence analyses in heterogeneous/anisotropic rock masses. TUGrazonline.48. Koiter W. (1960). General Theorems for Elastic Plastic Solids. Progress in Solid Mechanics North Holland, 165-221.49. Ladanyi B. (1993). Time dependant Response of Rock Around tunnels. Hudson John-Comprehensive Rock Engineering, 77-112.50. Lombardi. (2000). Los problemas actuales de la geo-ingeniera. Buenos Aires.51. Lopez C. (1998). Ingeniera de Tneles-Libro 1. Madrid.52. MacCormack J. (2012). Structural Steel Design. Boston: Prentice Hall.53. Maranini E. y Brignoli M. (1999). Creep Behaviour of a Weak Rock: Experimental characterization. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 127-138.54. Marn L. (1991). Mecnica de Suelos. Guayaquil: Coleccin Texto Universitario.

Referencias55. METRO. (17 de Octubre de 2012). Cierre Nocturno de Tneles. Crnica.56. NJ DOYNE CONSTRUCTION LTD. (2013). Dublin Port-Case Study. 57. Norwegian Geotechnical Institute. (2013). Using the Q System-Rock Mass Classfication and Support Design. Oslo.58. Oreste P. (2009). The Convergence-Confinement Method: Roles and limits in modern geomechanical design. American Journal of Applied Sciences 6(4), 757-771.59. Panet M, G. A. (1982). Analysis of convergence behind the face of a tunnel. Proceeding of the International Symposium Tunnelling, 197-204.60. Plaxis BV. (2000). Material Model Manual. 61. Rocscience. (2015). Unwedge Theory Manual. 62. Romana M. (2000). Clasificacin de macizos rocosos para la excavacin mecnica de tneles. Ingeopres.63. Sadd M. (2005). Elasticity. Thoery, Applications and Numerics. Oxford: Elsevier.64. Sandoval J. (2008). Estudio de la convergencia por fluencia de tneles circulares en medios viscoplsticos. Madrid.65. Santos C. (2007). Deformaciones del revestimiento y asientos producidos por la construccin de un tnel mediante tuneladora. 66. SENAGUA. (2012). Trabajos en el Propsito Mltiple Chone avanzan y se cumple con el cronograma establecido. 67. Smith I., Griffith D. (1982). Programming the Finite Element Method-Second Edition. Chisester, U.K: John Wiley & Sons.68. Vlachoupulus N y Diederichs M. (2009). Improved longitudinal displacement profiles forconvergence confinement method analysis of deep tunnels. Rock Mechanics and Rock Engineering 42, 131-146.69. Wannick H. (2006). The Code of Practice for Risk Management of Tunnel Works-Future Tunnelling Insurance from the Insurers. ITA Conference . Seoul.70. Wyllie D y Mah W. (2004). Rock Slope Engineering-Civil and Mining. Londres y New York: Spon Press-Taylor and Francis Group.71. Zaragoza A. (2010). El nuevo papel de los Tneles en las polticas de transporte. Centro Rodviario Portugues.