Comparacion tuneladoras NATM

Maidl + MaidlConsulting Engineers

Dr.-Ing. Ulrich Maidl

Gestió de riscos a la construcció de túnels: utilització de tuneladores en comparació amb el Nou Mètode Austriac

Maidl + Maidl Consulting EngineersBochum,Germany–Ouddorp,The Netherlands


El NATM y las tuneladoras – dos métodos constructivos absolutamente diferentes para alcanzar el mismo resultado.

Introducción

Diameter tunnel:Inside 13.50mOtside 14.50m

Shield diameter:Outside 14.87m

Túnel HSL Green Heart (P. Bajos)Φescudo: 14,87 m

DB Colonia-FrankfurtLínea de Alta Velocidad


El NATM se basa en cálculos, observaciones y flexibilidad.La excavación con tuneladoras se basa en capacidad universal.

Principios

Cálculos geotécnicos y estructurales Análisis geotécnico y de procesos

Clasificación del terreno y planificación de sistemas de sostenimiento y

medidas adicionales

Selección de una(!) tuneladora y planificación de medidas adicionales

Observación, verificación y determinación de los sistemas de sostenimiento durante la ejecución

Optimización de los parámetrosoperacionales durante ejecución

Reconocimiento del terrenoReconocimiento del terreno

Excavación con tuneladoraNATM

Maidl + MaidlConsulting Engineers NATM – Clasificación de la roca

Clasificación


En la excavación con tuneladora bastan dos sistemas de sostenimiento.El NATM requiere entre 5 a 10 sistemas de seguridad en función de la calidad del macizo.

Sistemas de sostenimiento NATM

Informationen oderPrognosen

Frente del túnel:•Hormigón proyectado•Anclajes•Bulones•Paraguas

Excavación:•Cerchas•Anclajes•Mallas•Hormigón proyectado

Revestimiento:•Hormigón in situ + sellado

Sistemas de sostenimientoExcavación con tuneladora

Frente del túnel:

•Bentonita, material de excavación o aire comprimido

•Excavación:

•(Prefabricado) Dovela

Clasificación


Clasificación mecánica de escudosUn tipo de escudo se ajusta a uno o más tipos de terreno

Clasificación

Maidl + MaidlConsulting Engineers Mechanical shield-classification

One Shield-type fits one or more Ground-types

Classification


Excavación tradicional - Numerosos procesos parciales querequieren de mucha experiencia y know-how

Procesos parciales:

1 excavación, 2 voladura; 3 refuerzo; 4 extracción

Procesos parciales de un ciclo

t

Diagrama de barras1

23

4

Ciclo

t

Diagrama avance/tiempo

1 2 3 41 2 3 4

1

2

3

Procesos constructivos


Excavación mecanizadaLos procesos constructivos se reducen, sincronizan y estandarizan.

Procesos parciales del Proc. Construct.

t

Diagramade barras

Procesos parciales:

1 excavación; 2 instalación anillo de dovelas; 3 extracción

1

3

2

Maidl + Maidl

Procesos constructivos

Ciclo

t1

2

31 32

Diagrama avance/tiempo


Resultados intermedios

La excavación tradicional (NATM) y la excavación con tuneladora sí que tienen en principio características similares.

El mal funcionamiento de un proceso tiene una influencia directasobre el proceso siguiente, y debe ser detectado a tiempo mediante los instrumentos adecuados y evitado mediante la adopción de medidas preventivas.

Alta interdependencia espacial, capacitiva y temporal entre los procesosparciales.

Principalmente procesos de corta duración, ciclos permanentes repetitivos.

Interacciones complejas (máquina-hombre-entorno).


Primeramente el método constructivo debe adaptarse a las condiciones del terreno (compleja interacción terreno-proceso constructivo).

A pesar de los conflictos de objetivo, el actual estado del conocimiento y la experiencia adquirida permiten optimizar la toma de decisiones.

No se puede dar una respuesta general a la cuestión sobre si los métodostradicionales (NATM) involucran un mayor riesgo que la excavación con tuneladora, sino que depende de la combinación de estos cuatro factores.

La gestión de riesgos debe analizar los cuatro factores, métodoconstructivo, hombre, material y terreno desde la fase de proyecto.

En muchos terrenos existen reglas básicas indiscutibles. Si en la fase de proyecto estas reglas no se consideran o se subestiman, la influencia sobre el potencial de riesgo es considerable.

Resultados intermedios


Caso 1: NATM y tuneladoras en roca estable sin agua.

Evaluación de riesgos

VollausbruchTBM

Riesgo potencial bajo en ambos métodosLos costes prevalecen sobre la técnica.

Excavación a sección completaen roca sana

Excavación a sección completacon tuneladora de roca


Caso 2: NATM y tuneladoras en roca de baja calidad

Erst Bild mit TeilungDann mit WasserDann mit Vereisung

Gran flexibilidad del NATM. Baja flexibilidad con tuneladoras.En presencia de agua el riesgo es mayor con NATM que con tuneladora.Una comparación de costes es muy compleja.

Excavación a sección completa con anclajesen el frente de fibra de vidrio

Frente fracturado e irregular en la excavación con tuneladora



Excavación del frente por fases Excavación con escudo EPB en zona de transición roca-suelo


Caso 2: NATM y tuneladoras en roca de baja calidad

Gran flexibilidad del NATM. Baja flexibilidad con tuneladoras.En presencia de agua el riesgo es mayor con NATM que con tuneladora.Una comparación de costes es muy compleja.


Caso 3: NATM y tuneladoras en roca blanda.

RohrschirmInjektionenDruckluft

Existen numerosas tipologías de escudos y recomendaciones internacionales.Bajo el nivel freático el NATM conlleva más riesgos y requiere medidasadicionales considerables. Una comparación de costes es muy compleja.

Excavación con aire comprimido Excavación con tuneladora en modo cerrado



Los daños cuestan tiempo y dinero y tienen consecuenciaspolíticas considerables sobre la construcción de infraestructuras.

Colapso Metro de Múnic – Trudering1994

En el futuro, la excavación de túneles debe ser mássegura, rápida y económica.

Resultado intermedio

Colapso Metro Singapore2004


La Gestión de Riesgos se centra en la optimización de los factores de éxito: costes, tiempo, calidad y seguridad

Proyecto

Preparación de los trabajos

Ejecución

Gestión de riesgos

Costes

Calidad

Plazo

Acorte de plazos

Mejora de la calidad

Rebaje de costes

Incremento de la seguridad y de la sostenibilidad medioambiental+

Gestión de riesgos


Gestiónde calidad-

Gestión de datos

Control de Procesos

El control del riesgo en la construcción de túneles se basa en tres pilares

Gestión de riesgos


DIN EN ISO 9000-9004 sólo contienen recomendacionesgenerales para la gestión de la calidad, sin una concreción parala construcción de túneles.

Recomendaciones según DIN EN ISO 9000-9004Gestión de calidad y sistemas de mantenimiento de la calidad

Revisión del proyecto

Tareas

Análisis de probabilidades de fallo y de influencia

Protocolos de trabajo

Documentación

Auditorías

Gestión de riesgos


El control tradicional en las obras es inadecuado debido al carácter secuencial del mismo

Análisis deplazos y costes

Análisis de procesos

Adopción demedidas

Análisis de procesos (orientado al sistema)

Análisis de plazos y costes

Control tradicional(secuencial)

Prozess-controlling

Tiempo

Act

ivid

adde

con

trol

Control de Procesos

(simultáneo)

Optimización de procesos

Gestión de riesgos


Comportamientoesperado en proyecto

Observación

¿Comportamientoesperado?

Ajuste del comportamiento

esperado

¿Queda tiempo de reacción?

• Reinterpretación geológica

• Cálculos de contraste

• Verificación del

comportamiento esperado en

base a medidas actuales

• ¿Roca frágil?

• ¿Estructuras de rotura preformadas?

• ¿Influencia inesperada del agua en el macizo?

• Valores de alarma

• Asientos, tensiones

• Desplazamientos

• Indicadores de fallo

El Eurocódigo 7 exige el método observacional para la construcción de túneles (verificación mediante sistemas de medida de los valores objetivo durante ejecución).

Eurocódigo 7 (también ÖNORM ENV 1997 o DIN 1054)

Gestión de riesgos


La flexibilidad del NATM exige una sistema fuerte de control de calidadLa excavación con escudos requiere de un control de procesos.

Principios

EscudosNATM


Principios

EscudosNATM

La flexibilidad del NATM exige una sistema fuerte de control de calidadLa excavación con escudos requiere de un control de procesos.


Tuneladora

Registro de datos

Valorobjetivo

Valorreal

Instrucciones

Datos

Personal detuneladora

Unidad de control

Influenciasexternas

Expertosgeotécnicos

en obra

El Control de Procesos es un método que permite captar la interacción tuneladora-terreno en tiempo real

Control de Procesos

• Análisis de datos• Simulación numérica• Ensayos

RetroanálisisSimulaciónMétodos basados en el

conocimiento

Programa de auscultación

• Redes neuronales• Lógica difusa (fuzzy logic)• Neuro-fuzzy

Valores objetivode proyecto


El Control de Procesos se basa en la descomposición del desarrollo de la obra en reglas técnicas manejables

Diseño

Ajuste

Control

Diseño

Ajuste

Control

Diseño

Ajuste

Control

Diseño

Ajuste

Control

Diseño

Ajuste

Control

Diseño

Ajuste

Control

Diseño / Proyecto

Preparación de los trabajos

Construcción

Solución


La solución está en la descomposición del desarrollo de la obra en reglas técnicas manejables

Procesos clave en laexcavación con tuneladora


• Control de presiones en la cámara de excavación

• Inyección de mortero

• Acondicionamiento del terreno

• Balance masa-volumen

• Transporte del escombro

• Control del empuje

• Prospección sísmica

Solución

Procesos clave en laNATM


• Clasificación de la excavación

• Voladura

• Anclaje

• Hormigón proyectado

• Paraguas

• Inyecciones

• Colocación de cerchas

• Instalación del sellado


Resultado intermedio

La excavación moderna con escudos cumple los requisitosnecesarios para la implementación de un Control de Procesos en tiempo real.

Estos prerequisitos no se pueden satisfacer en la excavacióntradicional debido a los numerosos procesos parcialmentemecanizados.

El escudo, con todos sus dispositivos de medida, se puede considerarcomo una sonda que registra la interacción escudo-terreno.

En el actual estado de la técnica todos los datos de funcionamiento sonregistrados digitalmente y pueden ser procesados por ordenador.


B-10

C/ Arbeca

C/ Sant Adrià

Presiones en la cámara en clave y solera

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

976

978

980

982

984

986

988

990

992

994

996

998

1000

1002

1005

1007

1009

1011

1014

1016

1018

1020

1022

1024

1026

1028

1030

1032

1034

1036

1038

1040

1041

1043

1045

1047

1049

1051

1053

1055

1057

1059

1061

1063

1065

1067

1069

1071

1073

Núm. anillo

[bar

]

Presión de tierra 01 Presión de tierra 02Presión de tierra 03 Presión de tierra 07Presión de tierra 10 Presión de tierra 11

Maidl + Maidl - Consulting EngineersEMPRESA PÚBLICA DE LA GENERALITAT DE CATALUNYA

HN L'Arbeca HN SanetMuro B-10 P.K. 3+080Pilas

centralesB-10

Asiento >100 mm

12 345

67

8911 10

METRO DE BARCELONA LÍNIA 9 - TUNELADORA UTE GORG

Comparación valor objetivo vs. real

Determinación del valorobjetivo (cálculo numérico)

Comparación valores objetivo-realAnálisis de datos (desfase temporal)

Metro de Barcelona Línia 9

Velocidad de avance vs. Par de la cabeza de corte vs. Empuje total

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

976

978

980

982

984

986

988

990

992

994

996

998

1000

1002

1005

1007

1009

1011

1014

1016

1018

1020

1022

1024

1026

1028

1030

1032

1034

1036

1038

1040

1041

1043

1045

1047

1049

1051

1053

1055

1057

1059

1061

1063

1065

1067

1069

1071

1073

Núm. anillo

[mm

/min

] - [M

Nm

] .

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

[kN

]

Velocidad de avance Momento de torsión rueda de corte Fuerza de propulsión

Maidl + Maidl - Consulting Engineers

METRO DE BARCELONA LÍNIA 9 - TUNELADORA UTE GORG

EMPRESA PÚBLICA DE LA GENERALITAT DE CATALUNYA

HN L'Arbeca HN SanetMuro B-10 P.K. 3+080Pilas

centralesB-10


Los métodos en tiempo real para la toma de decisiones sonimplementables, tanto técnica como económicamente, en el circuito de control

Toma de decisiones

Registro

Archivo

Análisis

Resultados

Toma de decisiones

Tiempo real

Expertos

Objetivo vs. real

Desfase temporal (manual)

Simulaciónnumérica

Pronóstico

Retrasado en el tiempo

Red neuronal

Pronóstico

Controlador de fuzzy logic

Instrucción

Datos de auscultación geotécnica, geodésica y de máquina

Sistema de gestión de la base de datos


Las elevadas capacidades de cálculo posibilitarán la simulaciónnumérica a corto plazo para el pronóstico o para el análisis de sensibilidad

Simulación numérica

Presión escudo p2

Revestimiento dovelas E DV

Presión de sostenimiento p1

Presión de inyección p3

Mortero E MR


Evaluación de la interacción terreno-tuneladora

Simulación numérica

Frente

Escudos delantero y medio

Escudo de cola

Inyección de mortero

Dovelas


La red neuronal “aprende” de los datos de máquina y puederealizar pronósticos propios tras una “fase de entrenamiento”

Proceso(excavación)

Red neuronal

Aprendizajea través de los datos de

entrenamiento

Redes neuronales

Volumen de morteroPresión de morteroInclinación escudoÁngulo de posiciónVelocidad de avanceFuerza de empujeTiempos de parada

Pronósticode asientos

Anomalíasgeológicas

Análisis de sensibilidad


Los parámetros de pronóstico pueden definirse por el usuarioEjemplo: Diferencia de volúmenes de flujo Delta V

Caso particular de red neuronal


El Control de Procesos debe considerarse como una actividad de gestión conjunta e independiente en todas las fases del proyecto

Reconocimientopreventivo de errores y situaciones críticas

Ejecución pronta de contramedidas

Aumento del grado de aprovechamiento

Optimización de herramientas y material

Principios

Objetivos

Análisis de los procesos parciales desde el punto de vista técnico, de plazo y de costes

Aumento del porcentaje de procesos deterministas

Asesor de excavacióncon tuneladora

Elementos

Gestión de obra

Dirección de Obra

Gestión de datosControl de Procesos

independiente

Anticipación de los procesos de reconocimiento

Implementación


Conclusiones

Resumen

La construcción de túneles debe aspirar a ser más segura, económicay rápida.

La construcción de túneles - particularmente en cascos urbanos - requiere un método activo de gestión de riesgos en todas las fases de proyecto.

Las ventajas del NATM son la alta flexibilidad y los bajos costes de inversión. Normativas en los sistemas de gestión de calidad pueden reducir los riesgos considerablemente.

Una tuneladora con escudo, se adapta en particular para avance en suelos y túneles largos. La gestión de datos y un sistema de control de procesos asistido por ordenador ayudarán a alcanzar el objetivo final:

- Una construcción industrial de alta calidad -


Muchas gracias por su atención

Maidl + Maidl Consulting EngineersBochum (D) - Ouddorp (NL)

www.imm-bochum.de

Comparacion tuneladoras NATM

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