Diseño del sostenimiento de tuneles

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TÚNELESDISEÑO DEL SOSTENIMIENTO DE TÚNELES

MARÍA XIMENA GARCÍA NARVÁEZ

CONTENIDO

1 INTRODUCCIÓN..............................................................................................................1

2 OBJETIVOS......................................................................................................................2

3 PLANTEAMIENTO...........................................................................................................3

4 ACTIVIDAD..................................................................................................................... 3

5 DESARROLLO..................................................................................................................4

5.1 RSR (ROCK STRUCTURE RATIO) (WICKHAM, TIEDEMANN AND SKINNER, 1972)....4

5.1.1 VERIFICACIÓN DE ECUACIONES.......................................................................6

5.1.2 DISEÑO DEL SOSTENIMIENTO DE ACUERDO A LA CLASIFICACIÓN RSR...........6

5.2 SISTEMA RMR BIENIAWSKI 1973, 1978..................................................................8

5.2.1 DISEÑO DEL SOSTENIMIENTO DE ACUERDO CON LA CLASIFICACIÓN RMR...11

5.2.2 VERIFICACIÓN DE ECUACIONES.....................................................................12

5.3 SISTEMA Q (BARTON, LIEN Y LUNDE, 1974)..........................................................12

6 CONCLUSIONES............................................................................................................20

LISTA DE FIGURAS

Figura No. 1 – Sostenimiento necesario................................................................................7

Figura No. 2 – variación del esfuerzo de la roca en función de luz libre................................9

Figura No. 3 – Categoría de la excavación...........................................................................18

Lista de tablas

Tabla No. 1 – Parámetro A...................................................................................................4

Tabla No. 2 – Parámetro B...................................................................................................5

Tabla No. 3 – Parámetro C....................................................................................................5

Tabla No. 4 – Resumen diseño de sostenimiento sistema RSR............................................7

MAESTRÍA EN CONSTRUCCIÓN DE OBRAS VIALES

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES

DISEÑO DEL SOSTENIMIENTO DE TÚNELESMARÍA XIMENA GARCÍA NARVÁEZ

Tabla No. 5 – Parámetros de clasificación y clasificación.....................................................8

Tabla No. 6 – Ajuste de clasificación por orientación de discontinuidades..........................8

Tabla No. 7 – Clases de macizos rocosos..............................................................................9

Tabla No. 8 – Significado de las clases de macizos rocosos..................................................9

Tabla No. 9 – Efectos de la orientación de las discontinuidades y la orientación del túnel. 9

Tabla No. 10 - Guía de Clasificación Geomecánica para Excavación y Soporte de Túneles en Roca................................................................................................................................11

Tabla No. 11 – Designación de calidad de la roca...............................................................13

Tabla No. 12 – comparación entre las clasificaciones del macizo rocoso aplicado en un túnel férreo.........................................................................................................................19

MAESTRÍA EN CONSTRUCCIÓN DE OBRAS VIALES



1 INTRODUCCIÓN

La primer clasificación del terreno para la construcción de túneles fue propuesta por Terzaghi (1946) fundamentado principalmente en túneles sostenidos por cerchas metálicas, a partir de los años 50 se generalizo el uso del bulonado y el hormigón proyectado, la clasificación de Lauffer de 1958 refleja el uso combinado de cerchas, bulonado y hormigón proyectado en la construcción de túneles en roca. Esta clasificación está, por otra parte, muy vinculada al surgimiento del Nuevo Método Austriaco (NATM) en centroeuropa. Su utilización requiere, sin embargo, la experiencia directa en obra y es poco práctica en las fases de proyecto y anteproyecto.

Las que podemos denominar clasificaciones modernas (Sistema RMR (Bieniawski) y Q (Barton)) intentan un mayor grado de objetividad. Se trata en los dos casos de combinar atributos del macizo rocoso (de tipo geológico, geométrico y tensional) en un número único relacionado con la calidad global de la roca. A su vez, este número permite, a través de la experiencia recogida en su utilización en casos reales, la definición de un sostenimiento del túnel y la estimación de otros parámetros o datos de interés (resistencia del macizo rocoso, tiempo de estabilidad de una excavación no sostenida, etc.).

Se puede hablar de clasificaciones antiguas y clasificaciones modernas, se puede denominar clasificación moderna al Sistema RMR (Bieniawski) y Q (Barton)) las cuales intentan un mayor grado de objetividad. Los dos sistemas tratan de combinar atributos del macizo rocoso (de tipo geológico, geométrico y tensional) en un número único relacionado con la calidad global de la roca. A su vez, este número permite, a través de la experiencia recogida en su utilización en casos reales, la definición de un sostenimiento del túnel y la estimación de otros parámetros o datos de interés (resistencia del macizo rocoso, tiempo de estabilidad de una excavación no sostenida, etc.).

MAESTRÍA EN CONSTRUCCIÓN DE OBRAS VIALES 1



2 OBJETIVOS

Clasificar un túnel desde el punto de vista de su estabilidad con base en los métodos RSR, Q y GSI

Diseñar el sistema de sostenimiento de un túnel, con las opciones perno y arco de acero y/o cemento tanto lanzado como armado

Verificar la relación existente entre los métodos de clasificación RSR, Q y GSI




3 PLANTEAMIENTO

Se tiene un túnel de 3000 m de longitud, en una roca arenisca con una resistencia a la compresión simple de 600 kg/cm2 (60MPa) y un peso de 2,5 ton/m3, a 800 m de profundidad.

El túnel tiene una dirección N-S y las discontinuidades principales que corresponden a la estratigrafía en una dirección N80E/50S.

Existen otros dos planos de diaclasamiento más una tercera no persistente, la infiltración de agua prevista es de 5 lt/100m por minuto.

El túnel tiene las siguientes dimensiones: ancho de 9 m, altura de 5,5 m y su forma es en herradura.

La resistencia a la comprensión simple de la arenisca es de 600 kg/cm2, las diaclasas están ligeramente alteradas con presencia de material arcilloso limoso en un espesor de 2 mm, el RQD previsto es de 45

4 ACTIVIDAD

Clasificar un túnel desde el punto de vista de su estabilidad con base en los métodos RSR, Q y GSI

Diseñar el sistema de sostenimiento de un túnel, con las opciones perno y arco de acero y/o cemento tanto lanzado como armado

Hacer los esquemas respectivos Si faltan datos se deben suponer con justificación




5 DESARROLLO

5.1 RSR (ROCK STRUCTURE RATIO) (WICKHAM, TIEDEMANN AND SKINNER, 1972)

La propuesta del índice RSR en 1972 fue un avance importante en la clasificación de macizos rocosos. Por primera vez se construía un índice a partir de datos cuantitativos de la roca. Era pues, un sistema completo con menos influencia de aspectos subjetivos.

Se calcula sumando tres contribuciones (A, B y C) relacionados con aspectos geológicos generales (A), fracturación y dirección del avance (B) y condiciones de agua y de las juntas (C).

Tabla No. 1 – Parámetro A




Tabla No. 2 – Parámetro B

Teniendo en cuenta que:

A+B=18+19=37

Y que el agua prevista es de 5 lt-min/100m

¿100m

= 1gl

3,78<¿=1m

0,3048 ft=0,043glft

=43,39 gl1000 ft

¿

Con lo anterior y en la tabla siguiente se tiene el parámetro C

Tabla No. 3 – Parámetro C




RSR=A+B+C=18+19+15=52

De acuerdo con las ecuaciones de correlación presentadas en el documento de clase los valores probables a partir del RSR para las clasificaciones Q y RMR serían

5.1.1 VERIFICACIÓN DE ECUACIONES

Clasificación por el método Q

RSR=13,3 logQ+46,5conunadesviacionde7

Q=antilog( RSR−46,513,3 )=antilog ( 52−46,513,3 )=2,59

Clasificación por el método RMR

RSR=0,77RMR+12,4conunadesviación de8,9

RMR=RSR−12,40,77

=52−12,40,77

=51,43

Rango según desviación (42,53 – 60,33)




5.1.2 DISEÑO DEL SOSTENIMIENTO DE ACUERDO A LA CLASIFICACIÓN RSR Figura No. 1 – Sostenimiento necesario

Tabla No. 4 – Resumen diseño de sostenimiento sistema RSR

TIPO DE SOSTENIMIENTO UNIDADES MAGNITUDRSR

Concreto lanzado in 2,7Pernos ft 3,75

Perfiles metálicos 6H20 ft 4,6ROCK LOAD 103 lb/lb2

Concreto lanzado in 4,6Pernos ft 2,3

Perfiles metálicos 6H20 ft 1,8Perfiles metálicos 8WF31 Ft 3,2Perfiles metálicos 8WF48 ft 5

5.2 SISTEMA RMR BIENIAWSKI 1973, 1978

En este sistema el índice RMR se obtiene como suma de cinco números que son a su vez función de:




La resistencia a compresión simple de la roca matriz RQD Espaciamiento de las discontinuidades Condición de las discontinuidades Condición del agua Orientación de las discontinuidades

Tabla No. 5 – Parámetros de clasificación y clasificación

RMR=P1+P2+P3+P4+P5=7+8+8+10+10=43

Tabla No. 6 – Ajuste de clasificación por orientación de discontinuidades

RMR−AJUSTE=43−5=38




Tabla No. 7 – Clases de macizos rocosos

Tabla No. 8 – Significado de las clases de macizos rocosos

De acuerdo con la Tabla No. 8, se tiene que:

El promedio de tiempo sin problema de derrumbes es de 10,5 horas en un espacio de 2,5 m, la cohesión del macizo rocoso esta entre 100-200 kPa y el ángulo de friccion de la roca es de 15° - 20°.

Tabla No. 9 – Efectos de la orientación de las discontinuidades y la orientación del túnel

Teniendo en cuenta que la orientación del túnel respecto a las discontinuidades es casi de 90°

B, ancho del túnel 9 m




Figura No. 2 – variación del esfuerzo de la roca en función de luz libre




Teniendo en cuenta que el RMR es de 38, se aproxima a la curva del RMR de 40 y sel ubica el ancho del tune se obtiene 1200 KN/m túnel

5.2.1 DISEÑO DEL SOSTENIMIENTO DE ACUERDO CON LA CLASIFICACIÓN RMR Tabla No. 10 - Guía de Clasificación Geomecánica para Excavación y Soporte de Túneles en Roca

Con un RMR de 38, se obtiene que se requirem un sistema de pernos de 4 a 5 m, de longitud espaciados entre 1 y 1,5 m, en la corona y hastiales con malla, si el soporte es en




concreto se requiere de 100 a 150 mm de espesor en la corona y 30 mm de espesor en los lados en cuanto al sostenimiento con arcos de acero sligeres se requiere un espacimientro entre ellas de 1,5 m donde sea necesario.

Carga de sostenimiento del túnel

ht=(100−RMR100 )B=(100−38100 )9=5,58 x2,5=13,95 ton/m2Módulo de deformacion in-situ

Para un RMR < 50

EM=10RMR−1040 =10

38−1040 =5GPa

5.2.2 VERIFICACIÓN DE ECUACIONES

Teniendo en cuenta el rango que se presenta en el punto 5.1.1, en el cual se tiene un rango para el RMR (42,53 – 60,33) y el obtenido en la clasificación del punto 5.2, de 38, se puede verificar que los resultados están dentro del rango.

5.3 SISTEMA Q (BARTON, LIEN Y LUNDE, 1974)

El índice Q se obtiene mediante la siguiente expresión:

Q= RQDJn

.JrJa.JwSRF

Dónde:

Jn parámetro para describir el número de familias de discontinuidad Jr parámetro para describir la rugosidad de las juntas Ja parámetro para describir la alteración de las juntas Jw factor asociado al agua en juntas SRF factor asociado al estado tensional (zonas de corte, fluencia, expansividad,

tensiones “in situ”)

La asociación de factores permite dar un sentido físico a cada uno de ellos:

RQDJn

representa eltamañodel bloquemedio

JrJareúne términosderugosidad , fricción yrelleno de las juntas y representa laresistencia




al conrte entre bloques

JwSRF

combinacondiciones de agua y tensión , por lo tanto puede representar una tensión

activa oeficas

Aunque en el índice Q no se menciona explícitamente la orientación de las juntas, señalan sus autores que los valores de Jr y Ja se han de referir a la familia de juntas que con más probabilidad puedan permitir el inicio de la rotura.

Tabla No. 11 – Designación de calidad de la roca




En la práctica Q puede variar entre 103 y 10-3, lo que representa un rango considerablemente mayor que el correspondiente a los índices del resto de clasificaciones. Cabe señalar que el método trata con cierto detalle los factores de rugosidad de juntas,




alteración y rellenos de las mismas. Los parámetros Jr y Ja se deben establecer para la familia de discontinuidades con características más desfavorables (incluyendo en este concepto no únicamente las juntas de peor calidad-resistencia-intrínseca, sino también las peor orientadas).

La determinación de Q permite la estimación del sostenimiento del túnel. Para ello se procede en tres etapas:

1. Se selecciona el grado de importancia de la excavación definido mediante un índice ESR (Excavation Support Ratio) que viene a ser un factor de seguridad. En efecto, Barton homogeneiza los diámetros de las excavaciones a un diámetro “equivalente”, que se define De = D/ESR.Los valores de ESR aparecen en la Figura No. 3. Un cambio en ESR conduce implícitamente a una percepción diferente de la seguridad que aceptamos para una determinada obra.

Figura No. 3 – Categoría de la excavación

2. Se elige el tipo de sostenimiento combinando el índice Q y el diámetro o luz libre de la excavación (afectado por el coeficiente ESR).




Aplicando la ecuación inicial tenemos

Q= RQDJn

.JrJa.JwSRF

=4512.3 .03 .0

.1.05

=0,75

Con este valor se puede apreciar que variando dos condiciones de las discontinuidades el valor de Q cambia considerablemente, acercándose valor obtenido inicialmente en el punto 5.1.1, haciéndose necesaria la verificación en campo de las otras variables, para obtenerse un valor similar al calculado anteriormente.

Máxima separación autosoportada

¿2. ESR.Q0,4=2.1,0 .0,750,4=1,78m

La máxima luz autosoportada en este caso es de 1,78 m

Relación entre Q y la presión permanente de soporte

Proof=2JrQ

−13 =230,75

−13 =0,73

Tabla No. 12 – comparación entre las clasificaciones del macizo rocoso aplicado en un túnel férreo




A partir de la Tabla No. 1, se determina que para uno de los sistemas de clasificación se obtiene un sistema de sostenimiento diferente tal y como se indica a continuación:

RMR, se deben colocar pernos inyectados espaciados de 1 a 1,5 m, con una longitud de 3,0 m., más una malla entre 100 y 150 mm y concreto lanzado con arcos cada 1,5 m.

Q, se debe colocar únicamente concreto lanzado entre 75 mm y 100 mm de espesor, pernos cada metro y concreto lanzado de 20 a 30 mm con malla.

RSR, se deben utilizar arcos de acero del tipo 6H20 cada 1,20 m.

6 CONCLUSIONES

Los sistemas RMR y Q se han aplicado, desde su publicación, a centenares de proyectos bajo condiciones variadas de litologías, calidad de roca, tamaño de excavación, profundidad, etc, y sus autores han defendido su bondad y universalidad en numerosos artículos.

El sistema Q parace algo más completo aunque no se dan criterios claros sobre la importancia de la orientación y buzamiento de las discontinuidades (como se hace en los sistemas RSR y RMR).

La aplicación de diversos sistemas a un mismo caso permite, por otra parte, calificar el grado de conservadurismo relativo de cada método. Parece que el sistema RMR es algo más conservador que el Q.


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