Deformacin del medio debido a la

excavacin y su control

1.- Comportamiento de las deformaciones en el frente, las paredes y techo del tnel

Extrusin : Se manifiesta por una deformacin simtrica del frente o por desprendimiento de fragmentos de roca dependiendo del tipo de material y los estados de esfuerzo.

Preconvergencia : Se entiende como la convergencia del perfil terico del tunel delante del frente. Depende de la relacin entre los esfuerzos y las propiedades de la deformacin

Convergencia : Se manifiesta como una disminucin de la seccin terica de la excavacin.

2.- Conexin entre el comportamiento de la deformacin en el frente y la cavidad existente

Establece las posibles conexiones entre la deformacin del frente (extrusin y preconvergencia) y la cavidad (convergencia)

El tamao de la convergencia en una seccin dada de un tnel es proporcional al tamao de la extrusin y preconvergencia generada previamente en la misma seccin, es decir hay una estrecha relacin entre estas.

Normalmente el colapso de la cavidad sigue a la falla en el frente, es decir hay una estrecha relacin entre estos fenmenos an si el frente ha sido sostenido.

Es importante determinar ratios de avance en terrenos elastoplsticos para evitar la deformacin

3.- Control de las deformaciones

La deformacin en el frente (dentro del radio de influencia) es la real causa de la deformacin total, como consecuencia la rigidez de esta juega un papel importante en la estabilidad de un tnel en el corto y largo plazo

La Rigidez del frente se logra mediante una accin de preconfinamiento y por confinamiento

El preconfinamiento se puede dar por proteccin del perfil del tnel o directamente por reforzamiento del frente

Pronstico de las deformaciones

Se realiza para los casos de ausencia de sostenimiento y se divide el tnel a travs de su eje en secciones de similar comportamiento

Categora A: Comportamiento estable de la roca

Categlora B: Comportamiento estable en el corto tiempo

Categora C: Comportamiento inestable o suelto

Procedimiento:

Dividir el tnel a travs del eje en secciones con comportamientos uniformes de esfuerzos o resistencia

Estudiar la gnesis y el fenmeno de deformacin en detalle para cada seccin

Analizar la presencia de agua

Reconocer el tipo y la magnitud de la inestabilidad existente

Analizar la estabilidad de los taludes naturales y artificiales alrededor de los portales

Se define una seccin con igual comportamiento de esfuerzos a aquella dentro del cual es razonable establecer una hiptesis de que la respuesta como deformacin se desarrollar de una manera constante en toda la dimensin debido a la excavacin de la roca.

Se debe tener particular consideracin en lo siguiente:

Las caractersticas geolgicas y geomecnicas de la roca con nfasis en la parte estructural y los parmetros de esfuerzos y deformabilidad

Condiciones hidrogeolgicas en general

Mtodos

Hay diferentes mtodos disponibles, estos difieren principalmente en las hiptesis en las cuales se basan para hacer los pronsticos mas confiables para determinadas situaciones.

Sin embargo es posible agruparlos en dos grandes mtodos:

Mtodos de cargas slidas

Calcula la deformacin de la roca como una consecuencia de la formacin de volmenes de material en el frente y alrededor de la excavacin y que caen bajo la accin de su propio peso. La roca matriz permanece estable.

Se produce por un fenmeno gravitacional. Si la influencia de las discontinuidades es grande el efecto arco diminuye. Estos son entonces mtodos disponibles para terrenos que tienen poca cohesin (de tipo elstica) y rocas fracturadas, el comportamiento de estos es determinado por la combinacin de las caractersticas geomecnicas, las discontinuidades y la resistencia de la matriz.

La teora de bloques es una tcnica de clculo tridimensional el cual usa el mtodo de anlisis geomtrico con un profundo estudio de los sistemas de discontinuidades y la interaccin entre ellos. Identifica cuas de roca de las cuales la estabilidad de la abertura depende. Cuando una se mueve puede generar que otras se muevan provocando una inestabilidad general

El parmetro fundamental en este mtodo es la resistencia al esfuerzo cortante de las diaclasas que viene dado por la cohesin y el ngulo de rozamiento de las juntas.

Plasticised ring methods

Calcula la deformacin de la roca como consecuencia de la formacin de una banda de perturbacin alrededor del frente y la cavidad que tiende a extenderse con una geometra circular y con una radio de influencia que se incrementa como una funcin de la resistencia del material rocoso.

La teora de las lneas caractersticas es una alternativa econmica de estudio sin muchos errores.

Mtodo de los elementos finitos: consiste en modelizar el terreno (continuo) mediante una serie de elementos discretos conectados unos a otros a travs de unos puntos comunes; dentro de cada elemento se plantea ecuaciones de elasticidad y rigidez. El modelo que se genera puede ser en 2D o 3D. Los resultados del clculo generalmente se presentan en grficos y tablas.

Manifestaciones de

inestabilidad por

estructuras

geolgicas

Portadas

Identifica la respuesta al esfuerzo de los taludes donde se van a construir los ingresos .

Se analiza:

La litologa, la morfologa y la tectnica

La hidrologa, edificios o construcciones pre-existentes.

Las caractersticas geomecnicas

Es bsicamente un tema de predecir si el terreno donde se va a construir el ingreso del tnel va a permanecer estable o inestable en ausencia de algn tipo de sostenimiento

Los taludes pueden tener una falla circular, plana, tipo cua, etc. (ver figura)

La estabilidad y seguridad de la excavacin y de la infraestructura cercana asegurando que se produzca el efecto arco cerca del perfil de la abertura

La industrializacin de los trabajos de construccin que sea compatible de trabajar con respeto al medio ambiente, los niveles de avance, etc.

Definir el sistema mas apropiado de excavacin (mecanizado o convencional

Definir los elementos de estabilizacin que se van a usar

Factores que influyen en la excavacin

El sistema de excavacin que puede ser mecanizados a seccin completa (TBM) o convencional (voladura y otros)

Reforzamiento/sostenimiento

Las fases de excavacin (seccin completa, a media seccin, dividido en muchas secciones, etc)

Forma o seccin

La longitud del tnel

La velocidad de avance

Decisiones operacionales

Excavacin convencional o mecanizada?

Se debe tener en cuenta lo siguiente:

Seccin y longitud del tnel

En excavaciones mecanizadas a seccin total se debe utilizar una seccin

circular, sin embargo este es eficiente desde un punto de vista esttico, no es la

mejor para condiciones de esfuerzos naturales sensiblemente asimtricas. Los

tneles actuales para vehculos requieren dimetros entre 10 y 14 m y los TBM

pueden con esas dimensiones (15 meses de ensamblaje).

Las excavaciones convencionales son mas flexibles, toma mas tiempo que puede

ser reducido

Geometra vertical y horizontal a lo largo del eje

Pequeos radios de curvatura no alcanzara la capacidad de un TBM

Limitaciones logsticas

Se debe poner especial cuidado al transporte, ensamblaje y repuestos de la

mquina en el lugar de trabajo

La naturaleza del terreno, los estados de esfuerzos, la hidrogeologa y la

presencia de gas

Existencia de edificios y estructuras

Seguridad y medio ambiente

Diseo usando excavacin convencional

Los factores que influyen son:

Accin de reforzar, mejorar o estabilizar el terreno

Esta en funcin a la estabilidad en el corto y largo plazo

Las etapas de la excavacin

Tiene una enorme influencia en la estabilidad del tnel y en el avance, puede ser como frente total, a media seccin , etc

El sistema de excavacin

Depende de la resistencia de la matriz, las discontinuidades, capacidad de transmisin de energa, tamao aceptable de sobrerotura, infraestructura cercana, etc.

La longitud de la excavacin

La forma del frente

La velocidad de avance

Parmetro

Menor a 3 De 3 a 20 Mayor a 20

Sistema de

excavacinRipper

Hammers, Road

headersVoladura

Resistencia de la roca (Mpa)

Intervencin para estabilizacin

Intervencin de Preconfinamiento

Cuando se acta delante del frente de tal manera que facilita la formacin en

forma artificial del efecto arco de tal manera que da una proteccin estructural,

acta dentro de la roca, hace que sigma 3 se reduzca a cero haciendo que la

deformacin sea controlada. Es muy importante conservar la presin de

confinamiento delante del frente a fin de evitar el colapso del terreno.

Puede ser

Revestimiento de shotcrete con fibra con precorte

Reforzamiento con elementos estructurales de fibra de vidrio dentro del terreno

con mortero de cemento

Techos tipo cono truncado que consiste en columnas subhorizontales de

cemento inyectado de lado a lado con parcial superposicin

Cellular arc

Techos artificiales

Revestimiento de shotcrete creado por precorte mecnico

Consiste en crear un revestimiento continuo antes que la excavacin se inicie el cual es capaz de ejercer un preconfinamiento radial haciendo que sigma 3 tienda a cero

Esto funciona por que al colocar el shotcrete mas all del frente disminuye el potencial de extrusin, el efecto de sigma 3 desaparece, reduce al zona de comportamiento plstico alrededor de la cavidad y se genera el efecto arco

Se aplica en terrenos estables en el corto tiempo

Reforzamiento con elementos estructurales de fibra de vidrio

Cosiste en perforar una serie de taladros en el frente sub paralelos al eje del tnel y con una longitud no menor al dimetro donde son insertado elementos especiales de fibra de vidrio e inmediatamente se inyecta cemento a baja presin, luego del cual se continua con el tnel. Si no es suficiente para contener la extrusin se colocan mas taladros. Ofrece gran seguridad. Se aplica en terrenos de comportamiento elasto plstico

Conos truncados (paraguas)

Consiste en un traslape parcial de columnas subhorizaontales de cemento inyectado colocadas delante del frente capaz de producir una accin de preconfinamiento (efecto arco artificial)

Tecnologa del arco celular

Puede ser usado para la construccin de grandes cavidades subterrneas debido a que se coloca el revestimiento antes de excavar el tnel

Consiste en una estructura reticulada con una seccin semicircular donde los elementos longitudinales (celulas) son tubos llenados con concreto reforzado y son unidos por arcos de acero y concreto

Existen 5 pasos en la implementacin de este mtodo

Excavacin de los tneles laterales y vaciado de las paredes del revestimiento final

Tubos de concreto reforzado son insertados en el terreno de lado a lado (2 m de dimetro aprox.) alrededor del perfil del futuro tnel (minitneles)

Se hacen tneles transversales a intervalos desde los minitneles para conectar los arcos con las celulas, se colocan y se rellenan

Se excava la seccin debajo de el arco celular

Se llena el tnel invertido

Permite hacer aberturas con dimetros mayores a 60 m

Conos truncados con inyeccin convencional de cemento

Consiste en alternar el avance del tnel con fases de cemento inyectado

Conos truncados como tubos de drenaje

Se aplica debajo de la napa fretica

Intervencin de Confinamiento

Cuando se acta en el tnel desde el frente hacia atrs con la

finalidad de contener el fenmeno de la deformacin

Pueden ser:

Revestimiento primario de shotcrete que produce presin de

confinamiento alrededor de la cavidad en funcin de del espesor

Pernos de roca en forma radial

El tnel invertido

Shotcrete como revestimiento preliminar

Si es reforzado con pernos de acero o malla de acero o fibra, una mezcla de cemento puede proporcionar un buen confinamiento en unas cuantas horas. Se puede aplicar

En rocas con comportamiento estable pero fracturadas, protege contra cadas de rocas o estallidos

En rocas con comportamiento estable en el corto tiempo forma una estructura fuerte y en terrenos inestable complementa el preconfinamiento

Empernado radial usando pernos de anclaje

Se usa para tensar la roca. Se usa en terrenos fracturados

El tnel invertido

El vaciado del tnel invertido completa el preliminar y final revestimiento para crear una estructura cerrada capaz de crear una considerable presin de confinamiento

Tneles debajo del nivel fretico

Cuando se avanza dentro de un acufero y no se protege tiene el efecto de un gran drenaje, un movimiento natural de infiltracin se crea en la direccin de la excavacin. Es importante identificar el rgimen hidrosttico y el hidrodinmico

Intervencin de Pre sostenimiento

Cuando se acta delante del frente, sin embargo no tiene

ninguna accin o influencia en la formacin del efecto

arco, es decir no disminuye el esfuerzo principal tampoco

incrementa la resistencia al corte, es una intervencin

pasiva