PROACON TÚNELES.Mont: Maqueta art Geocontrol 04/12/12 21 ...

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220 18 Excavación E n el artículo que a continuación se presen- ta se hace un breve resumen de las ca- racterísticas litológicas de las distintas unida- des detectadas en el proyecto, una reinterpre- tación de las propiedades geotécnicas, una descripción de los nuevos procedimientos constructivos a implementar y una serie de cál- culos por el método de las diferencias finitas así como una discusión de los resultados. Análisis de la excavación y el sostenimiento Condiciones geotécnicas A partir de la revisión del informe de proyecto ejecutivo original, se extrajo la información más relevante para caracterizar el terreno en cuan- to a sus propiedades físicas y geotécnicas. El objetivo fue elaborar un modelo geomecánico lo suficientemente realista para el cálculo del comportamiento de las excavaciones y los sostenimientos propuestos en este Proyecto. A continuación se hace una breve descripción de las características más importantes de las distintas unidades de terreno. • Serie de tobas finas o tobas redepositadas Se trata de un suelo tobáceo limo-arcilloso producto de una avanzada alteración de los materiales vítreos que conformaban la toba ori- ginal. Tiene alguna fracción arenosa y gravillen- ta que le confiere propiedades friccionantes; también tiene algún horizonte pumítico. • Toba Pumítica Inferior Se trata de una serie de tobas pumíticas pro- ducto de la deposición de materiales piroclás- ticos con estructura a modo de pseudoestra- tos muy delgados y fiames de 5 mm de ancho por 1 ó 2 cm de longitud (estructura Ignimbríti- ca). Tienen una granulometría que va de arena gruesa a grava y se encuentran sanas a mode- radamente alteradas. • Toba inferior Se trata de una serie de tobas limo-arenosas a areno-limosas producto de la alteración de an- desitas y dacitas. En los PCA de la campaña de exploración se reporta muy húmeda y en la- boratorio se determinaron contenidos de hu- medad entre el 40 y 60%. • Lahar Depósito piroclástico de agregados heterogé- neos que por la naturaleza de su deposición posee propiedades de resistencia mayores que las otras unidades. Tiene una matriz vítrea- cristalina de apariencia arenosa y cuyas partí- culas se encuentran soldadas. Es de compo- sición andesítica e incluye bolos de hasta 50 cm de espesor. • Rellenos no controlados En la zona del Portal Sur se encuentra una uni- dad de rellenos antrópicos de potencia no muy bien definida y que son producto de activida- des de construcción de la época en que se edificaron las casas de la zona. Es posible que en los primeros metros de túnel una buena parte de la sección de excavación se encuen- tre dentro de esta unidad. No se cuenta con una caracterización geotécnica adecuada de esta unidad, ni con ensayos de laboratorio. Se estima que será el material con peores carac- terísticas geotécnicas. Características generales del terreno y las excavaciones Las cuatro unidades caracterizadas en los estudios pueden considerarse en el rango de los suelos duros, aunque sus propiedades re- sistentes y de deformabilidad dependen mu- cho de factores que no son fáciles de contro- lar como las heterogeneidades naturales pre- sentes en este tipo de formaciones y la pre- sencia del agua. No es el caso de los rellenos no controlados ya que de estos se desconoce su composición y sus propiedades mecánicas. Los túneles se podrán excavar con un buen margen de seguridad si se adoptan técnicas de estabilización rápida con avan- ces cortos. Los tramos de peor calidad y sobre todo los más superficiales requerirán técnicas de estabilización más sofisticadas como los enfilajes de micropilotes (para- guas). La poca profundidad y el mayor gra- do de alteración en las zonas cercanas a los portales pueden desencadenar fenóme- nos de inestabilidad del frente si no se adoptan mediadas de soporte que vayan por delante de la excavación. Un factor muy importante a tener en cuenta es la po- sible presencia de estratos o lentes de ma- terial arenoso que pudiera estar saturado y suelto, especialmente en las partes altas de la excavación. Los sistemas de enfilaje en estos casos son fundamentales para pro- porcionar seguridad. Los suelos que atravesarán los túneles, aun- que suelen ser estables, presentan una rigidez no muy alta. Por las dimensiones de las exca- vaciones se requerirá de un control muy riguro- so del comportamiento deformacional, llevando estaciones de medición lo más cercanas posi- ble del frente. La técnica mediante la cual se construirán los túneles, a diferencia de otras más tradicio- nales de múltiples secciones, consiste en ex- cavar grandes secciones (media sección supe- rior completa), en avances cortos, y colocando el soporte inmediatamente después del avan- ce. Además, los elementos estructurales (mar- cos metálicos) se recubrirán completamente con hormigón proyectado lo cual supondrá un refuerzo rígido siempre cercano al frente. Este método garantiza avances continuos y mejores tiempos de ejecución de los trabajos. El concepto de enfilaje frontal parte de la necesidad de estabilizar la bóveda antes de ser excavada y se utiliza por lo general en te- El presente artículo muestra el desarrollo para la adecuación a los procedimientos constructivos y sostenimientos de un proyecto original, con un proyecto alterno proponiendo nuevas tecnologías constructivas. El objetivo es contar con un soporte de cálculo para justificar los nuevos sistemas de excavación y sostenimiento y evaluar los niveles de seguridad con que serán construidos los túneles Desierto de los Leones, en la Supervía Poetas en México D.F. Los modelos y los cálculos están basados en la información geológica y geotécnica incluida en el proyecto original. La sección interna de los túneles definida en proyecto fue respetada por completo, mientras que la sección de excavación fue adaptada para ajustarse a los tratamientos propuestos. Estudio del comportamiento de las excavaciones y los sistemas de sostenimiento para una propuesta alterna de construcción de los Túneles Desierto de los Leones Palabras clave: CÁLCULO, COBERTURA, ESTABILIDAD, ESTRUCTURAL, EXCAVACIÓN, MICROPILOTES, PARAGUAS, RESISTENCIA, SOSTENIMIENTO, TERRENO. José Francisco SUÁREZ FINO*, M. en I. Director de Proyectos. Antonio ALONSO JIMÉNEZ**, Ing. Dtr. General. * CONSULTEC ING. ASOCIADOS S.A. **PROACON MÉXICO.

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Excavación

E n el artículo que a continuación se presen-ta se hace un breve resumen de las ca-

racterísticas litológicas de las distintas unida-des detectadas en el proyecto, una reinterpre-tación de las propiedades geotécnicas, unadescripción de los nuevos procedimientosconstructivos a implementar y una serie de cál-culos por el método de las diferencias finitasasí como una discusión de los resultados.

Análisis de la excavación y elsostenimiento

Condiciones geotécnicasA partir de la revisión del informe de proyectoejecutivo original, se extrajo la información másrelevante para caracterizar el terreno en cuan-to a sus propiedades físicas y geotécnicas. Elobjetivo fue elaborar un modelo geomecánicolo suficientemente realista para el cálculo delcomportamiento de las excavaciones y lossostenimientos propuestos en este Proyecto.A continuación se hace una breve descripciónde las características más importantes de lasdistintas unidades de terreno.

• Serie de tobas finas o tobasredepositadas

Se trata de un suelo tobáceo limo-arcillosoproducto de una avanzada alteración de losmateriales vítreos que conformaban la toba ori-ginal. Tiene alguna fracción arenosa y gravillen-ta que le confiere propiedades friccionantes;también tiene algún horizonte pumítico.

• Toba Pumítica InferiorSe trata de una serie de tobas pumíticas pro-ducto de la deposición de materiales piroclás-ticos con estructura a modo de pseudoestra-tos muy delgados y fiames de 5 mm de anchopor 1 ó 2 cm de longitud (estructura Ignimbríti-ca). Tienen una granulometría que va de arenagruesa a grava y se encuentran sanas a mode-radamente alteradas.

• Toba inferiorSe trata de una serie de tobas limo-arenosas aareno-limosas producto de la alteración de an-desitas y dacitas. En los PCA de la campañade exploración se reporta muy húmeda y en la-boratorio se determinaron contenidos de hu-medad entre el 40 y 60%.

• LaharDepósito piroclástico de agregados heterogé-neos que por la naturaleza de su deposiciónposee propiedades de resistencia mayoresque las otras unidades. Tiene una matriz vítrea-cristalina de apariencia arenosa y cuyas partí-culas se encuentran soldadas. Es de compo-sición andesítica e incluye bolos de hasta 50cm de espesor.

• Rellenos no controladosEn la zona del Portal Sur se encuentra una uni-dad de rellenos antrópicos de potencia no muybien definida y que son producto de activida-des de construcción de la época en que seedificaron las casas de la zona. Es posible queen los primeros metros de túnel una buenaparte de la sección de excavación se encuen-tre dentro de esta unidad. No se cuenta conuna caracterización geotécnica adecuada deesta unidad, ni con ensayos de laboratorio. Seestima que será el material con peores carac-terísticas geotécnicas.

Características generales del terrenoy las excavaciones

Las cuatro unidades caracterizadas en losestudios pueden considerarse en el rango delos suelos duros, aunque sus propiedades re-sistentes y de deformabilidad dependen mu-cho de factores que no son fáciles de contro-lar como las heterogeneidades naturales pre-sentes en este tipo de formaciones y la pre-sencia del agua. No es el caso de los rellenosno controlados ya que de estos se desconocesu composición y sus propiedades mecánicas.

Los túneles se podrán excavar con unbuen margen de seguridad si se adoptantécnicas de estabilización rápida con avan-ces cortos. Los tramos de peor calidad ysobre todo los más superficiales requerirántécnicas de estabilización más sofisticadascomo los enfilajes de micropilotes (para-guas). La poca profundidad y el mayor gra-do de alteración en las zonas cercanas alos portales pueden desencadenar fenóme-nos de inestabilidad del frente si no seadoptan mediadas de soporte que vayanpor delante de la excavación. Un factormuy importante a tener en cuenta es la po-sible presencia de estratos o lentes de ma-terial arenoso que pudiera estar saturado ysuelto, especialmente en las partes altas dela excavación. Los sistemas de enfilaje enestos casos son fundamentales para pro-porcionar seguridad.

Los suelos que atravesarán los túneles, aun-que suelen ser estables, presentan una rigidezno muy alta. Por las dimensiones de las exca-vaciones se requerirá de un control muy riguro-so del comportamiento deformacional, llevandoestaciones de medición lo más cercanas posi-ble del frente.

La técnica mediante la cual se construiránlos túneles, a diferencia de otras más tradicio-nales de múltiples secciones, consiste en ex-cavar grandes secciones (media sección supe-rior completa), en avances cortos, y colocandoel soporte inmediatamente después del avan-ce. Además, los elementos estructurales (mar-cos metálicos) se recubrirán completamentecon hormigón proyectado lo cual supondrá unrefuerzo rígido siempre cercano al frente. Estemétodo garantiza avances continuos y mejorestiempos de ejecución de los trabajos.

El concepto de enfilaje frontal parte de lanecesidad de estabilizar la bóveda antes deser excavada y se utiliza por lo general en te-

El presente artículo muestra el desarrollo para la adecuación a los procedimientosconstructivos y sostenimientos de un proyecto original, con un proyecto alternoproponiendo nuevas tecnologías constructivas. El objetivo es contar con un soportede cálculo para justificar los nuevos sistemas de excavación y sostenimiento yevaluar los niveles de seguridad con que serán construidos los túneles Desierto delos Leones, en la Supervía Poetas en México D.F. Los modelos y los cálculos estánbasados en la información geológica y geotécnica incluida en el proyecto original. Lasección interna de los túneles definida en proyecto fue respetada por completo, mientrasque la sección de excavación fue adaptada para ajustarse a los tratamientos propuestos.

Estudio del comportamiento de las excavaciones y lossistemas de sostenimiento para una propuesta alternade construcción de los Túneles Desierto de los Leones

Palabras clave: CÁLCULO, COBERTURA,ESTABILIDAD, ESTRUCTURAL, EXCAVACIÓN,MICROPILOTES, PARAGUAS, RESISTENCIA,

SOSTENIMIENTO, TERRENO.

� José Francisco SUÁREZ FINO*,M. en I. Director de Proyectos.

Antonio ALONSO JIMÉNEZ**, Ing. Dtr. General. * CONSULTEC ING. ASOCIADOS S.A.

**PROACON MÉXICO.

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rrenos especialmente malos. Se trata de unconjunto de elementos estructurales linealessub-horizontales perforados en el terreno, condirección hacia el avance de la excavación y,por lo general, inyectados. Éstos constituyenuna pre-bóveda formada por material resisten-te, cuyo objeto es evitar la tendencia del terre-no a romper en la zona de influencia del frentede la excavación.

Cuando los elementos estructurales estánhechos de acero (Fig. 1), se suelen clasificar enligeros y pesados: los ligeros por lo general es-tán formados por barras o varillas de aceroconvencional y los pesados por tubos. Existenvariantes como las bóvedas reforzadas con pa-raguas de Jet Grouting o algún otro tipo de in-yección para la mejora del terreno.

Actualmente un sistema que está dando re-sultados de productividad muy atractivo es elde micropilotes auto-perforantes (Fig. 2).

Este sistema implica que el diámetro de per-foración es igual (o casi igual) al de la tubería,con lo que no es necesario rellenar el espacioentre tubo y barreno. El sistema es totalmenteadaptable al jumbo de barrenación y la prácticaconstructiva ha demostrado que, en el interiordel túnel, estos equipos resultan más versátiles(Fig. 3); además de tener mayor movilidad, seadaptan mejor a los ciclos de producción.

Análisis de la excavación y los sistemasde sostenimientoEn el proyecto del túnel, se especificaron sietesostenimientos tipo para adecuarse a todo elrango de posibles condiciones geotécnicas apresentarse durante las excavaciones.

Para estudiar el comportamiento de la obray el desempeño de los distintos elementos es-tructurales que compondrán el sostenimientose construyó un modelo de cálculo basado enla técnica de las diferencias finitas. En los cál-culos se reproduce tanto el procedimiento deexcavación, con la geometría exacta de lassecciones de avance, la longitud de pase y lostiempos de colocación de los elementos es-tructurales. En la Fig. 4 se muestra un esque-ma de la malla de análisis.

Parámetros de cálculoLos parámetros mecánicos para los cálcu-

los tensodeformacionales se estimaron a par-tir de los estudios realizados para el proyectooriginal. En el informe del proyecto se cuentacon una vasta colección de resultados depruebas de laboratorio y ensayos in situ.Existe una gran dispersión en los resultadosde los ensayos; sin embargo, la proyectistaoriginal presenta una clasificación por rangos

de valores de los parámetros de las principalesunidades.

La única unidad de la que no se cuenta conensayos es la denominada rellenos no contro-lados. No obstante lo anterior, cuando se co-menzaron estos trabajos de modelización ycálculo las excavaciones del tajo a cielo abier-to del Portal Sur ya habían comenzado y sepudo caracterizar de forma visual el terrenoconformado por dichos rellenos. Por otro ladose echó mano de los parámetros propuestospor la proyectista para los análisis de estabili-dad de los taludes del Portal Sur, ya que éstoscaen dentro de la denominada zona de relle-nos no controlados.

Según el perfil geo-técnico presentadopor la proyectista origi-nal, el túnel atravesarámayoritariamente laserie pumítica y la uni-dad inferior de tobas,aunque, hacia la zonadel Portal Norte, laparte baja de la sec-ción de excavaciónposiblemente incluyalos lahares.

Geotécnicamentela unidad pumítica y la

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� [Figura 1] .-Esquematridimensional deun paraguas demicropilotes.

� [Fig. 3] .- Jumbo y micropilotes. Abajo, enfilajepesado apoyado sobre una viga de atado.

� [Fig. 4] .- Malla dediferencias finitas.

� [Fig. 2] .- Sistema de micropilotes auto-perforantes.

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toba inferior son similares, según el propioinforme de proyecto. Sus parámetros tienenórdenes de magnitud parecidos y la fronte-ra entre estas dos unidades parece un pocodifusa. En la Tabla I se presentan los pará-metros utilizados en los cálculos por la empre-sa proyectista.

Para definir los parámetros de los nuevoscálculos se tuvo que partir de los determina-dos por la proyectista original en sus campa-ñas de laboratorio y de ensayos in situ, sin em-bargo, después de una revisión de los resulta-dos de dichas campañas y, con base en expe-riencias propias, se proponen los parámetrosque se muestran en la Tabla II.

Casos analizadosPara justificar el cambio en los procedimien-tos de excavación y sostenimiento se reali-zaron 3 series de análisis tridimensionales:

a) Excavación a poca cobertura en lazona de rellenos no controlados;

b) Excavación a poca cobertura en lazona cercana al Portal Sur dentro yade las unidades de serie pumítica ytoba inferior;

c) Excavación en la zona de máximaprofundidad también dentro de lasunidades de toba inferior y serie pu-mítica.

Sostenimientos analizadosPara los casos a) y b) se consideró el procedi-miento constructivo de las secciones tipo ST-E,ST-5A y ST-5B de la nueva propuesta. Es decir,se consideró la colocación de los paraguas demicropilotes, el hormigón proyectado, los mar-cos metálicos IR y la losa de hormigón armadoen la contrabóveda. Para el caso c) se consi-deró el sostenimiento tipo ST-4.

Para la revisión estructural del hormigónproyectado, la resistencia se hace variar en eltiempo de acuerdo con las recomendacionesdel manual ICE (1996) para sostenimientos ycon los datos de laboratorio proporcionados

por la contratista. En la Tabla III , se muestranlos valores de resistencia adoptados.

De acuerdo con dichas recomendaciones ybasándose en una ley esfuerzo-deformaciónparabólica-rectangular típica del hormigón (ar-tículo 39 de la Instrucción EHE-98, España), seestablece la hipótesis de evolución de la rela-ción esfuerzo-deformación del hormigón pro-yectado (Fig. 5).

En dicha figura, fcd es la resistencia de cál-culo del hormigón, que es igual al valor de laresistencia característica de proyecto f´c28 , di-vidida por un coeficiente parcial de seguridad(η = 0.85).

El módulo de elasticidad del hormigón pro-yectado se calcula como:

(1)donde E28 es el módulo de elasticidad delhormigón proyectado, y f́ c28 es la resistenciacaracterística del hormigón a los 28 días.

Para calcular la variación del módulo deelasticidad del hormigón proyectado (con en-durecimiento rápido) se pueden utilizar las si-guientes expresiones (Weber, 1979 (Ec 2) yComité Euro-international du Beton, 1993 (Ec3)):

(2)

(3)

donde el parámetro c ≈ 0,81(Mahar, 1975) y elparámetro s ≈ 0,25 para hormigón de endure-

cimiento rápido. En la Fig. 6 se muestra lacurva de evolución del módulo de elastici-dad de hormigón proyectado. Esta ley deendurecimiento puede ser introducida en elcódigo análisis numérico para ser aplicadadurante la simulación de las excavaciones.Cuando el análisis estructural del sosteni-

miento se lleva a cabo por métodos inelásti-cos, es decir, permitiendo que el proyectado olos marcos entren en el rango plástico o de ro-tura en algunos puntos de forma que redistri-buya sus esfuerzos hasta que no sea posiblemantener más su estabilidad, los parámetrosde resistencia requeridos para el análisis numé-rico son: la carga axial de plastificación Pp y elmomento de plastificación Mp.

En la Fig. 7 se muestra el sostenimiento dehormigón proyectado coloreado de acuer-do con la edad y el correspondiente módu-lo de elasticidad.

a) Excavación en zona de rellenosLa simulación del procedimiento construc-tivo se realiza como sigue::- Creación del estado inicial de esfuerzos,

considerando el criterio de Jaky para la

� [TABLA III] .- Evolución de la resistenciadel hormigón .

� [Fig. 5].- Relaciones esfuerzo-deformaciónpara distintas edades del hormigón proyectado.

� [Fig. 6] .- Curva de endurecimiento delhormigón proyectado.

� [TABLA I] .- Parámetros geotécnicos del proyecto

� [TABLA II] .- Parámetros geotécnicos propuestos

HORMIGÓN

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definición de la componente horizontal.- Colocación del primer grupo de para-

guas de micropilotes.- Excavación de un avance de 1.0 m de la

media sección superior.- Colocación del hormigón proyectado y el

marco IR de 8”. El hormigón proyectadotiene una rigidez y resistencia propias deuna edad de 1 día.

- Siguiente avance de 1.0 m de la mediasección superior

- Colocación del hormigón proyectado y elmarco IR de 8”. El hormigón proyectadotiene una rigidez y resistencia propias deuna edad de 1 día y el tramo anterior dehormigón proyectado evoluciona a unaedad de 2 días.

- Ciclos sucesivos hasta completar la me-dia sección superior.

- Banqueo en avances de 2 m.- Colocación del hormigón proyectado de

1 día de edad y las patas de los marcos. - Colado de la losa de la contrabóveda hasta

el frente del banqueo. El hormigón proyecta-do de la contrabóveda tiene una rigidez y re-sistencia propias de una edad de 1 día.

- Siguiente avance del banqueo.- Colocación del hormigón proyectado de

1 día de edad y las patas de los marcos. - Colado de la losa de la contrabóveda

hasta el frente del banqueo. El hormigónproyectado de la contrabóveda tiene unarigidez y resistencia propias de una edadde 1 día y el del avance anterior unaedad de 2 días.

- Ciclos sucesivos hasta completar el túnel.Se realizaron análisis de la excavación en

un tramo de 30 m con una cobertura prome-dio de 8 m para 3 combinaciones de paráme-tros mecánicos: parámetros bajos, medios yaltos, dentro del rango definido para la zonade rellenos (ver Tabla II).

En las Figs 8 a 13 se presentan algunos delos resultados más notables para una fase delcálculo, con parámetros mínimos, en la que elfrente se encuentra a 30 m del arranque de laexcavación y el banqueo a 18 m. En la Fig. 14

se ve la evolución de los desplazamientos enclave (Uz) y hastial (Ux) en una sección de con-trol a medida en que avanza el frente de la ex-cavación.

En la Fig. 15 se presentan las cubetas deasentamiento al final de las excavaciones, parauna sección de control.

� [Fig. 7] .- Edades ymódulos deelasticidad delhormigónproyectadodurante elanálisis..

� [Fig. 8] .- Desplazamientos horizontales(Ux en metros) en una etapa intermediade la excavación. Parámetros mínimos.

� [Fig. 11] .- Ejemplo de excavación enfase de banqueo.

� [Fig. 9] .- Estados de plastificación enuna etapa intermedia de la excavación.Parámetros mínimos.

� [Fig. 12] .- Desplazamientos totales enlos elementos de hormigón. Parámetrosmínimos.

� [Fig. 10] .- Ejecución de micropilotes,marco TH-29 y hormigón proyectado.

� [Fig. 13].- Contornos de esfuerzo principalmayor,σ1 (en N/m2) en los elementos dehormigón. Parámetros mínimos.

� [Fig. 14] .- Evolución de los desplazamientosen clave (Uz) y hastial (Ux) con respectode la distancia al frente de la excavaciónen una sección de control.

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b) Excavación a poca cobertura enla zona cercana al Portal Sur

La simulación del procedimiento construc-tivo se realiza de la misma forma que en elcaso a). La malla de diferencias finitas (Fig.16) incluye los estratos de la serie pumíticay de la toba inferior. Este caso correspondecon la excavación en la zona del Portal Sur,una vez pasada la zona de rellenos. Losrangos de valores de los parámetros em-pleados en los análisis corresponden conlos que se presentan en la Tabla II.

En las Figs. 17 a 20 se presentan algu-nos de los resultados más notables parauna fase del cálculo, con parámetros míni-mos, en la que el frente se encuentra a 30m del arranque de la excavación y el ban-queo a 18 m. En la Fig. 21 se ve la evolu-ción de los desplazamientos en clave (Uz) yhastial (Ux) en una sección de control amedida en que avanza el frente de la exca-vación.

En la Fig. 22 se presentan las cubetasde asentamiento al final de las excavacio-nes para una sección de control.

� [Fig. 20].- Contornos de esfuerzo principalmayor σ1 (en N/m2) en los elementos dehormigón. Parámetros mínimos.

� [Figura 15] .- Asentamientos en la superficie del terreno para laexcavación en rellenos con poca cobertura (8m).

� [Figura 16] .- Malla de diferencias finitas para el caso b).

� [Fig. 18] .- Estados de plastificación enuna etapa intermedia de la excavación.Parámetros mínimos.

� [Fig. 21] .- Evolución de los desplazamientosen clave (Uz) y hastial (Ux) con respectode la distancia al frente de la excavaciónen una sección de control.

� [Fig. 22] .- . Asentamientos en la superficiedel terreno para la excavación en zona delPortal Sur con poca cobertura (8m).

� [Fig. 23] .- Excavación del portal Sur, dondese presentó la menor cobertura (8m).

� [Fig. 19] .- Desplazamientos totales (enmetros) en los elementos de hormigón.Parámetros mínimos.

� [Fig. 17] .- Desplazamientos horizontales(Ux en metros) en una etapa intermediade la excavación. Parámetros mínimos.

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b) Excavación en zona de máximaprofundidad

En este caso la excavación se lleva a caboempleando el sostenimiento de la condicióngeotécnica ST-4, que consiste en avances dela media sección superior de 2.0 m colocandouna capa de sellado de hormigón proyectadoreforzado con fibra de 5 cm, marcos TH-29 yproyección de una segunda capa de hormigónproyectado de 20 cm. El banqueo se realizatambién en avances de 2.0 m.

La simulación del procedimiento construc-tivo se realiza como sigue:

- Creación del estado inicial de esfuerzos,considerando el criterio de Jaky para ladefinición de la componente horizontal.

- Excavación de un avance de 2.0 m de lamedia sección superior

- Colocación del hormigón proyectado y elmarco TH-29. El hormigón proyectadotiene una rigidez y resistencia propias deuna edad de 1 día.

- Siguiente avance de 2.0 m de la mediasección superior

- Colocación del hormigón proyectado y elmarco TH-29. El hormigón proyectado tie-ne una rigidez y resistencia propias de unaedad de 1 día y el tramo anterior de hor-migón proyectado evoluciona a una edadde 2 días.

- Ciclos sucesivos hasta completar la me-dia sección superior

- Banqueo en avances de 2 m.- Colocación delhormigón proyectado de

1 día de edad y las patas de los marcos. - Siguiente avance del banqueo.- Colocación del hormigón proyectado de

1 día de edad y las patas de los marcos.El hormigón de la fase anterior cumpleuna edad de 2 días y así sucesivamente.

- Ciclos sucesivos hasta completar el túnel.

Se realizaron análisis de la excavación en untramo de 30 m con una cobertura promedio

de 30 m para 3 combinaciones de parámetrosmecánicos: parámetros bajos, medios y altos,dentro del rango definido para las unidades deserie pumítica y toba inferior (Tabla II).

En las Figs. 25 a 27 se presentan algunosde los resultados más importantes, para unafase del cálculo, con parámetros mínimos, enla que el frente se encuentra a 30 m del arran-que de la excavación y el banqueo a 18 m. Enla Fig. 28 se ve la evolución de los desplaza-mientos en clave (Uz) y hastial (Ux) en una sec-ción de control a medida en que avanza elfrente de la excavación.

Estabilidad del frentePara analizar la estabilidad del modelo ante lainfluencia del procedimiento de excavación ylos diferentes sistemas de sostenimiento, elprograma de diferencias finitas empleadocuenta con una herramienta de cálculo llama-da Método de Reducción de Resistencia, me-diante la cual los parámetros de resistencia sevan reduciendo en pequeños pasos hasta pro-ducir el colapso del modelo, mientras se calcu-la la relación entre la resistencia disminuida y laresistencia original, definiendo así el conceptode factor de seguridad:

(4)La relación entre la resistencia verdadera y

la resistencia mínima calculada requerida parael equilibrio es un tipo de factor de seguridadde gran utilidad en geotecnia. Definiendo elfactor de seguridad en términos de la ley deresistencia de Mohr-Coulomb:

(5)En la Tabla IV se muestran los parámetros

básicos utilizados en los análisis de estabilidad.En la Tabla V se muestran los resultados

� [Fig. 24].- Malla de diferencias finitas parael caso c) � [Fig. 25].- Desplazamientos horizontales

(Ux en metros) en una etapa intermedia dela excavación. Parámetros mínimos.

� [Fig. 28].- . Evolución de los desplazamientosen clave (Uz) y hastial (Ux) con respecto dela distancia al frente de la excavación enuna sección de control..

� [Fig. 29].- Ejecución de la excavación enla zona de máxima cobertura.

� [Fig. 26].- Estados de plastificación en unaetapa intermedia de la excavación.Parámetros mínimos.

� [Fig. 27].- Estados de plastificación en unaetapa intermedia de la excavación.Parámetros mínimos.

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de los cálculos de estabilidad del frentepara los 9 casos analizados. En todoslos casos se consideró un estado deesfuerzos y deformaciones producidopor el proceso constructivo. Además,se tienen en cuenta todos los elemen-tos del sostenimiento, incluyendo lasdistintas rigideces y resistencias del hor-migón de acuerdo con su edad.

En las Figs. 30 a 32 se muestran losmecanismos de falla potenciales de loscasos a, b y c, con los parámetros míni-mos.

ConclusionesLos análisis presentados en este artícu-lo dan una idea preliminar de lo que po-drían ser los distintos escenarios deconstrucción de los túneles Desierto de losLeones, de acuerdo con las condiciones geo-técnicas definidas en el proyecto original, lasconsideraciones hechas durante el presenteestudio y los métodos constructivos propues-tos por Proacón.

Los resultados indican que los posiblescampos de desplazamientos generados porlas excavaciones pueden ser de cierta impor-tancia, aunque están dentro del rango de loque sucede comúnmente en túneles en sue-los excavados con métodos tradicionales. De-bido a la presencia de estructuras en superfi-

cie y a la propia magnitud de las deformacio-nes calculadas, será de vital importancia llevarun control exhaustivo de las convergencias enel interior del túnel y de los asentamientos ensuperficie, así como de probables distorsionesen las casas presentes en la zona de influen-cia de los túneles.

En cuanto a los niveles de seguridad, losresultados obtenidos son satisfactorios, máxi-me que los análisis se realizaron únicamentepara la excavación y los sostenimientos. Es deesperar que una vez terminadas las obras ycon el revestimiento definitivo ya implementa-

do, los túneles estarán en una condi-ción de total estabilidad y sin ningúnriesgo de colapso.

El procedimiento constructivo y lossostenimientos propuestos correspon-den con las filosofías constructivas másmodernas y actualmente son los quemás se utilizan en los países europeos.Por tanto, están avalados por muchasexperiencias exitosas.

Es importante recalcar que los mo-delos y los cálculos que se realizaronpara este estudio se apoyan únicamen-te en la información geológica y geotéc-nica presente en el proyecto original yque durante la obra será necesario veri-ficar las propiedades del terreno, deacuerdo con un seguimiento geotécni-

co riguroso, así como la respuesta de las ex-cavaciones con base en los datos de instru-mentación.

� [Fig. 33].- Estabilización del frente de excavación.

� [TABLA IV].- Parámetros básicos para los análisis de estabilidad del frente. � [TABLA V].- Resultados de los análisis de estabilidad del frente.

� [Fig. 30].- Mecanismo potencial de inestabilidadpara el caso a): excavación a poca profundidaden zona de rellenos con parámetros mínimos.

� [Fig. 31].- Mecanismo potencial de inestabilidadpara el caso b): excavación a poca profundidaden zona del Portal Sur (Tobas y Pomez) conparámetros mínimos.

� [Fig. 32].- Mecanismo potencial de inestabilidadpara el caso c): excavación a máxima profundidaden zona intermedia (Tobas y Pomez) conparámetros mínimos.

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Excavación

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