04/07/2012
Universidad Nacional de San Agustín
Contenido
Facultad de Ingeniería Civil 1. 2. 3.
TUNELES
4. 5.
Autor: Ing. Salomé G. Chacón Arcaya
Contenido 7. 8. 9. 10. 11. 12.
Métodos de diseño Refuerzo y Soporte De que depende la elección del método constructivo Investigaciones in situ Desafíos en los estudios de túneles Metodología de los estudios geológicos – geotécnicos para túneles.
2. Introducción Uso del espacio Subterráneo: Factores Positivos
6.
Definición de túnel Introducción Utilización de los túneles Objetivos de un estudio de túneles Métodos constructivos de túneles en suelos Métodos constructivos de túneles en rocas
1. Definición de túnel Un túnel es una perforación en el terreno aproximadamente horizontal, en la que domina la longitud sobre las demás dimensiones. Normalmente es artificial.
Vivienda
Trabajo
Uso Público Utilidades Públicas
Presas, Minería y Uso cavernas Transporte Industrial
Crecimiento de la población urbana (después 2da. Crecimiento Guerra Mundial) Énfasis en el transporte Era Ambiental Ambiental (después 1960)
Mejor entendimiento entendimiento del comportamiento de túneles (años 70 a 80) Avances tecnológicos de equipos (años 90)
Demanda del uso del espacio Subterráneo
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Dificultades en la toma de decisión •
•
•
•
Volumen de material excavado (Impactos Ambientales) Costos Accidentes durante la obra Accidentes durante la operación (fuego)
Factores Favorables
Costo elevado de los espacios de superficie Impactos negativos de obras de superficie Desvalorización de las áreas próximas las obras superficiales (infraestructura)
El aprovechamiento del espacio subterráneo constituye en la actualidad una de las alternativas más idóneas para el desarrollo de vías rápidas de comunicación, presenta cada vez mayores ventajas, tanto desde el punto de vista medio ambiental como funcional (acortamiento de distancias, seguridad, menor impacto ambiental, etc.). A pesar de su mayor costo con respecto a otras soluciones de superficie.
3. Utilización de Túneles 1.- Antiguamente : Primeras Actividades humanas
1. Antiguamente
- Túneles naturales - Drenaje de trabajos de minería - Suministro de agua y construcción de carreteras
2. Moderna
3. Actualmente
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Desde la antigüedad el hombre a construido diversas cavernas, túneles y galerías para el transporte de agua, extracción de minerales, fines religiosos y militares; Excavación: uso de instrumentos manuales, agua y fuego; Sostenimiento: construcción en subsuelo competente, uso de piedras naturales y ladrillos;
Egipto y México (cámaras subterráneas); La mina más antigua conocida en los registros arqueológicos es Lion Cave (Cueva del León), 43 000 A.C. en Swazilandia (África) para la extracción de hematita; Quanats, en Irán (2800 A.C), túneles para conducir agua de los acuíferos de las tierras altas a la superficie por medio gravitacional; Irrigación, agua potable; 160km todavía funcionales;
Túnel bajo río Eufrates (2500 A.C.), y otros túneles; hidráulicos en Mesopotamia; Túneles en India y China (templos religiosos); Túneles (acueductos) en Jerusalén (700 A.C.);
Túnel (acueductos) en la isla de Samos (600 A.C.); Túneles para acueductos, catacumbas, Imperio Romano;
2.- Moderna A partir del siglo XIV se desarrolla la tecnología de túneles para minería (equipos de perforación); Uso de técnicas de voladura (introducción de la Pólvora) a partir del siglo XVII (Hungria, 1627 y Mina en Harz (Alemania, 1623); Túneles (Canales) para el paso de embarcaciones, principalmente en Francia (uso de voladura); Importante desarrollo en el siglo XIX impulsado por la construcción de túneles para caminos; Primero Túnel bajo el Río Tamisa (Inglaterra) para fines viales.
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Brunel patenta en 1818 la primera maquina tuneladora (shield); Forma rectangular 7m x 12m, 12 pórticos separados, 3 niveles de trabajo, excavación manual, maquina impulsada por husos; La construcción tardó varios años (el avance promedio era de 25cm/día) y llegó ser interrumpida por 7 años debido a los varios accidentes catastróficos ocurridos;
Shield de Brunel (1818):
Construcción de ferrocarriles en Europa impulsa más la construcción de túneles; Introducción de voladura con dinamita, 1846 Técnicas de excavación, sostenimiento y maquinaria, provenientes principalmente de la minería.
En paralelo, se desarrolla l a excavación mecanizada: 1847-1851: primer prueba de excavación mecanizada en la Sardeña (0,25m/día);
Grande desarrollo después de la primera guerra mundial con aumento de diámetros de excavación y consumo de energía (motores eléctricos);
1870: primer maquina de excavación a frente completa en Inglaterra (1.25m/día);
1906: TBM de Price con cabeza de Corte;
1881: Cruce del canal de la mancha con maquina tuneladora de Beamount (25m/día);
1958: TBM de Wohlmeyer con 5 fresas; 1970: maquinas de puntual (rozadoras)
Priace
excavación
Wohlmeyer Beamont
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: Fines 3.- Actualmente
Actualmente : F ines Similar es
Similares
a) T. Vial es
Desarrollo del espacio Subterráneo:
- Carreteras - Ferrocarriles - Metros
Desarrollo de la tecnología y condiciones de seguridad; Mejor comprensión del comportamiento del subsuelo; Mayores restricciones del uso superficial de la tierra;
- Centrales El éctricas Subterráneas - Estaciones Subterráneas de Tratamiento de Agua - Refugios y Almacenes Subterráneos - Cavernas para Detonaciones Subterráneas - Estaciones de Pasajeros - Fábricas e Industrias - Centrales Térmicas - Para Residuos Nucleares
Razones topográficas; Beneficios sociales.
a) Túneles Vial es
•
•
Túneles carreteros: Tránsito de peatones o ciclistas, para vehículos a motor; Túneles ferroviarios; •
•
•
La explotación de minas subterráneas; Conducir otros servicios como cables comunicaciones, tuberías, etc.
- Aducción de agua - Conductos subterráneos Forzados - Sanitarios - Desvío de ríos - Refrigeración de Centrales Nucleares
c) Cavernas
Protección ambiental (menor impacto en la naturaleza y calidad de vida);
•
b) T. H idr ául icos
Túneles en canal: Unir cuencas hidrográficas vecinas, para transportar agua (para consumo, para centrales hidroeléctricas o como cloacas), por medio de canales, o para atravesar elevaciones topográficas importantes; Túneles submarinos;
de
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Dentro de la amplia variedad de usos del espacio subterráneo, gran parte de los túneles se excavan para infraestructuras del transporte, basándose su diseño en la seguridad y la economía.
Las excavaciones subterráneas están estrechamente relacionadas con la energía y los recursos minerales (aprovechamientos hidroeléctricos, centrales, explotaciones mineras, almacenamientos subterráneos, etc.).
Los estudios geológicos-geotécnicos son absolutamente necesarios para poder proyectar y construir una obra subterránea.
Pero la mayoría de los túneles se construyen también para salvar un obstáculo natural y permitir el acceso a vías de comunicación para transporte urbano (metros), transvases y conducciones; o para unir islas o estrechos y para pasos fluviales, en cuyo caso el trazado se efectúa bajo una lámina de agua.
4. Objetivos de un estudio de túneles
2. Objetivos de un estudio de túneles
Condiciones geológicas, geotécnicas e hidrogeológicas del trazado. Identificación de puntos singulares o zonas de mayor complejidad geológica, hidrogeológica y geotécnica. Clasificación y sectorización geomecánica, propiedades y parámetros de diseño del macizo rocoso. Criterios geomecánicos para el cálculo sostenimientos y métodos de excavación.
de
5. Métodos constructivos de túneles en suelos
Emplazamiento, excavación y estabilización de boquillas y accesos intermedios. Recomendaciones para la excavación, sostenimientos y proceso constructivo del túnel. Tratamientos del terreno para la estabilización, refuerzo, drenaje o impermeabilización del terreno.
Cut and cover x tunel
VCA CONVENCIONAL /
VCA INVERTIDA
Convencional Cut-and-Cover
Métodos Tuneleros
Sumergido Excavación Secuencial (NATN)
Tuneladora (TBM)
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Perfil metálico y planchas de madera
VCA INVERTIDA
Cut and cover x sumergido
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Métodos Tuneleros en Suelo: Desafió
Estabilidad de la sección y abertura
Excavación Secuencial (NATM)
Excavación Mecanizada (Tuneladora)
Metodos Secuenciales de Avance método alemán método italiano método belga método ingles
TBM de Face Abierta TBM de Face Cerrada TBM de Face Presurizada
método sueco método austriaco
Excavación Mecanizada (Tuneladora)
Bahía de Tokio
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TBM duplo
6. Métodos constructivos de túneles en roca
Excavación a fuego
Excavación a Fuego Métodos Tuneleros
TBM de Sección Plena
TBM de Sección Parcial
TBM – rocas desafió – cabezas cortantes
Ejm: túneles Alpinos
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7. Métodos de diseño 1.- An al íti cos 2.- I nteracción Soporte-Terr eno 3.- Em píricos
1.- An alític os Usan el análisis de esfuerzo - deformación alrededor de cn ic as Nu m é ri ca s como: la excavación. Se basan en Té - Método de Elementos Finitos. - Método de Elementos Discretos. - Método de Elementos de Borde, etc. Obteniéndose zonas delimitadas de esfuerzos superando la resistencia de la roca y por tanto requieren refuerzo
PHASE 2
2.- Observacional Fundamentado en mediciones instrumentales del comportamiento del túnel, después de la excavación y en el análisis de la interacción s o p o r t e – terreno ; siendo el exponente mas destacado, el N uevo M étodo A ustríaco de T úneles (NATM)
NUEVO METODO AUSTRIACO DE TUNELERIA (N.A.T.M.)
PRINCIPIO: La transformación de la roca circundante al túnel en un miembro activo del sistema de soporte
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PRINCIPIOS BASICOS DEL NATM 1: LA PARTE MAS IMPORTANTE DE LA ESTRUCTURA DE UN TUNEL ES LA MASA ROCOSA CIRCUNDANTE.
DESFAVORABLE
3.- Em píric os Se basan en la experiencia adquirida en obras similares. Siendo la Clasificación Geomecánica de macizos rocosos el enfoque empírico mas ampliamente usado en el mundo para evaluar la estabilidad de obras subterráneas
MUY DESFAVORABLE Dip: 45° - 90°
DESFAVORABLE Dip: 20° - 45°
- Método de diseño de excavaciones - Cálculo de los índices de clasificación - Recopilación de experiencias - Utilidad de los sistemas existentes - Creación de nuevos sistemas de clasificación ? - Cuándo aplicar estos sistemas ? - En que casos su aplicación es discutible ?
FAVORABLE
Técnicas usadas en las Clasificaciones geomecánicas A) Scan Lin e
B)Ventana o Window
Clasificaciones Geomecánicas
RMR, Bieniaw ski (1974, 1989)
Rabcewics-Pacher (1957) RMR, Bieniaws ki Q, Barton et all MRMR, Laub sher GSI, Hoek et all RMi, Palstrom BI, Lilly
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8. Refuerzo y Soporte
REFUERZO
ELEMENTOS DE REFUERZO: •
SPLIT SETS
•
SWELLEX
•
PERNOS CEMENTADOS
•
PERNOS HELICOIDALES
VENTAJAS:
REFUERZO (Reinforcement)
SOPORTE (Support)
•
Aumentan el tamaño efectivo de los bloques.
•
Forman un arco compresivo por encima de la corona.
•
Suspenden bloques sueltos.
“TRABAJAN DENTRO DE LA ROCA”
REFUERZO
REFUERZO
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REFUERZO
REFUERZO
REFUERZO
REFUERZO
REFUERZO
SOPORTE
ELEMENTOS DE SOPORTE: •
•
•
•
•
•
•
SHOTCRETE GATAS A FRICCION CUADROS DE MADERA PAQUETES SUDAFRICANOS (WOOD PACKS) MALLA ELECTROSOLDADA CIMBRAS OMEGA CERCHAS DE PERFIL “H”
VENTAJAS: •
•
CONTROLAN DESPRENDIMIENTOS DE LA SUPERFICIE DE LA ROCA. FORMAN UNA SUPERFICIE MÁS AMPLIA PARA DISTRIBUIR CARGAS.
“TRABAJAN FUERA DE LA ROCA”
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SOPORTE
SOPORTE
SOPORTE
Colocacion del Shotcrete con refuerzo de Mal la de Alambre
Cimbras
SOPORTE
Construidos en galerías y accesos principales. En zonas de alta inestabilidad y/o techos muy elevados. Son arcos de acero tipo H, estructuras de alta resistencia Dimensiones: 6mx4m, 5mx4m, con espaciados entre 1.0 m y 1.5m, vaciados con concreto.
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9. De qué dependen la elección del Método constructivo A. Emplazamiento del túnel B. Profundidad de emplazamiento C. Geología (litología, estructuras, geomorfología, hidrogeología, etc.) D. Geometría (finalidad) E. Largo F. Etc . PHASE 2
Emplazamiento de los Túneles
En Roca
En Roca Blanda
En Suelo Profundidad de las actividades ingenieriles
C. Influencia de las condiciones geológicas
Al excavar un túnel se pueden encontrar tres condiciones naturales que dan lugar a la pérdida de resistencia del macizo y por tanto, a problemas de estabilidad.
C. Influencia de las condiciones geológicas 1. Orientación
desfavorable
de
discontinuidades
(Fracturas, diaclasas, fallas, planos de estratificación, etc.) 2.
Orientación desfavorable de las tensiones con respecto al eje del túnel.
3.
Flujo de agua hacia el interior de la excavación a favor de fracturas, acuíferos o rocas carstificadas.
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Túneles y Fallas
Estructura geológica: orientaciones de los estratos condiciona diferentes modos de comportamiento
Túneles y Pliegues
1: mínima presión 2: máxima presión 3: presión disarmonica
Los estudios geológicos-geotécnicos son absolutamente necesarios para poder proyectar y construir una obra subterránea.
4: diferentes orientaciones
10. Investigaciones In Situ
10. Investigaciones In Situ
La importancia del conocimiento geológico en los túneles ya fue puesta de manifiesto por Terzaghi:
Las investigaciones geológicas de los túneles son, en general, más costosas que en otras obras de ingeniería civil. Sin embargo, el no dedicar suficientes medios a estos estudios puede conducir a situaciones imprevistas:
“La geología
más que ningún otro factor determina el grado de dificultad y el costo de una excavación subterránea”.
“Cuando el terreno no se investiga, el terreno es un riesgo”.
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Ante la importancia, tanto técnica como económica, de las investigaciones in situ resulta esencial llevar a cabo una correcta planificación de las mismas.
criterios básicos para planificar las investigaciones in situ son las siguientes:
Los
Criterios Básicos: condiciones y Estrategias
Características geológicas generales. Información disponible. Accesos. Presupuesto disponible.
Estrategias a seguir:
Criterios Básicos: condiciones y Estrategias
Situar los reconocimientos importancia para:
en
zonas
Planificar las investigaciones en varias fases sucesivas de intensidad creciente. Desarrollar al máximo las técnicas de geología de superficie.
Criterios Básicos: condiciones y Estrategias
de
- La interpretación geológica. - La identificación de puntos singulares. - El estudio de zonas de emboquille y accesos.
Condiciones previas:
Elegir y combinar adecuadamente las distintas técnicas de investigación según criterios de representatividad, complementariedad, rentabilidad económica y logística (accesos, distancias, aprovisionamientos, etc.).
11. Desafíos en los estudios de túneles
Los métodos de investigación deben estar acordes con los objetivos, alcance y fases del proyecto siendo importante identificar desde las etapas más iniciales aquellos problemas geológicos que pudieran ser condicionantes e incluso excluyentes, por su carácter de riesgo o de seria dificultad constructiva.
12. Metodología de los estudios geológicos – geotécnicos para túneles.
Estudios multidisciplinar: aspectos psicológicos, arquitectónicos, jurídicos, geológicos y de ingeniería Modelaje del comportamiento de los materiales geomecánicos, concreto, acero, impermeabilizantes Tensiones in-situ (historia geológica) Métodos constructivos: aspectos de mecatrónica, informática, GPS, instrumentación etc.
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12. Metodología de los estudios geológicos – geotécnicos para túneles.
12. Metodología de los estudios geológicos – geotécnicos para túneles.
Era ambiental: tendencia urbana
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