Metodo ADECO de Construccion de Tuneles Pietro Lunardi Rocksoil-sept2015

2do Congreso Latinoamericano de Túneles y Espacios Subterráneos – LAT 2015 28 de septiembre de 2015 “Planteamiento de

diseño y construcción en el campo de las obras subterráneas: desde NATM y métodos derivados hasta ADECO-RS”

Pietro Lunardi Fundador de la empresa Rocksoil

www.cdt.cl

100 páginas

Diferencia entre la construcción en superficie y subterráneo Construcción por adición de material

Construcción Por extracción de material

INGREDIENTES

PRERROGATIVA FUNDAMENTAL DE LA RESPUESTA DE DEFORMACIÓN

Le Respuesta de Deformacion es la SEÑAL de la movilización del EFECTO ARCO alrededor de la cavidad

EFECTO ARCO = CANALIZACION DE LAS TENSIONES

Campo de tensiones en el terreno alrededor de un túnel en ejecución

Modelo bidimensional

Modelo tridimensional

La Respuesta de Deformacion es la señal de la movilización del EFECTO ARCO RESPUESTA DE DEFORMACION (RD)

EFECTO ARCO (EA)

ESTABILIDAD (S)

EA S = -------RD

Suponendo el terreno omogeneo, cuando s3 0, variando la sobracarga litostática o el campo de tensiones

snat s1

= gH

= 2g H

(Respuesta de Deformación en regimén elástico)

(Respuesta de Deformación en regimén elasto-plástico)

(Respuesta de Deformación en regimén de rotura)

• -

•

Progettare un opera in sotterraneo significa analizzare e controllare la Risposta Deformativa attesa.

Respuesta de Deformación ¿Como se analizaba y controlaba en el pasado la Respuesta de Deformación y como se analiza e controla hoy en día?

Enfoques del pasado (1950

1980)

Enfoques modernos Ánalisis de las DEformaciones COntroladas en las Rochas y enlos Suelos (ADECO-RS)

desde 1980

EL PLANTAMIENTO DE ACUERDO CON LOS ENFOQUES DEL PASATO

• ANÁLISIS (predicción teórica de la respuesta de

deformación esperable): referida sólo a las clasificaciones geomecánicas •

ELECCIÓN DEL MODELO: modelosbidimensionales

•

RESPUESTA DE DEFORMACIÓN:1 componente (convergencia de la cavidad)

• CONTROL (elección del sistema de excavatión y de

las herramientas para el control de la Respuesta de Deformación): intervenciones sólo aguas abajo del frente de excavatión, avance con sección parcializada)

ANÁLISIS de la Respuesta de Deformación según los enfoques del CONTROL pasado basados en las clasificaciones geomecánicas

Clasificación Convergencia / bas geomecánica Casi Quasiausente assente Despreciable Contenida Media Fuerte Muy Moltofuerte forte

ANÁLISIS de la Respuesta de Deformación según los enfoques del CONTROL pasado basados en la convergencia y en la excavación

por partes del frente con intervenciones de estabilizacion solo aguas abajo del frente

ANÁLISIS CONTROL

de la Respuesta de Deformación según los enfoques del pasado

Para estabilizar el frente se utiliza la excavación por partes

Excavación a media sección

Frente de excavación dividido en partes

ANÁLISIS CONTROL

de la Respuesta de Deformación según los enfoques del pasado

Para estabilizar la cavidad se utilizan solo pernos, cimbras y spritz-beton

Respuesta de Deformación ¿Como se analizaba y controlaba en el pasado la Respuesta de Deformación y como se analiza e controla hoy en día?

Enfoques del pasado (1950

1980)

Enfoques modernos Ánalisis de las DEformaciones COntroladas en las Rochas y enlos Suelos (ADECO-RS)

desde 1980

El plantamiento de acuerdo con el ADECO-RS • ANÁLISIS (predicción teórica de la respuesta

de deformación esperable): desarrollada a traves del calculo numerico 3D y de ensayos de extrusion triaxial en laboratorio •

ELECCION DEL MODELO: modelos

•

tridimensionales RESPUESTA DE DEFORMACIÓN:3 componentes, extrusión, preconcergencia y convergencia

• CONTROL (elección del sistema de excavatión

y de las herramientas para el control de la Respuesta de Deformación): intervenciones aguas arriba y aguas abajo del frente de excavatión, avance con sección llena

ANÁLISISde laRespuesta de Deformaciónsegún ADECO-RS Si considera prioritaria la Risposta Deformativa del fronte

ANÁLISISde laRespuesta de Deformaciónsegún ADECO-RS El ADECO-RS consideracomo Respuesta de Deformación fundamental aquella del frente de excavación, por lo tanto debe considerar NUEVAS REFERENCIAS fondamentale

EJEMPLO DE UN FENÓMENO DE EXTRUSIÓN DURANTE UNA COLADA

Fenómeno de extrusión a través de los arcos de un puente de carretera como simulación de lo que ocurre en los túneles con núcleo-frente inestable

INVESTIGACIÓN SOBRE LA RESPUESTA DE DEFORMACIÓN LLEVADA A CABO EN TRES FASES (perdurada mas de 30 anos, sobre mas de 1000 kilometros de tuneles y cienes mil frentes de excavacion) 1a fase: en terminos de análisis 1

OBSERVACIÓN SISTEMÁTICA DEL COMPORTAMIENTO DE DEFORMACIÓN DE NÚCLEO-FRENTE Y NO SÓLO DE LA CAVIDAD

2a fase: en terminos de análisis 2

VERIFICACIÓN DE LA EXISTENCIA DE CORRELACIONES ENTRE EL COMPORTAMIENTO DE DEFORMACIÓN DE NÚCLEO-FRENTE Y LA DE LA CAVIDAD

3a fase: en terminos de control 3

VERIFICACIÓN DE COMO SE PUEDE CONTROLAR LA RESPUESTA DE LA DEFORMACIÓN DE LA CAVIDAD ADJUSTANDO LA RIGIDEZ DE NÚCLEO-FRENTE

ANÁLISISde laRespuesta de Deformaciónsegún ADECO-RS RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN • Existe una fuerte relacion entre el fenomeno de extrusion del nucleo-

frente de un tunel y lo ve occurre aguas abajo de ese mismo, en la cavidad; • El fenomeno de extrusion del nucle-frente in fluye siempre y inevitablemente el comportamiento de la cavidad; • controlando el fenomeno de extrusion del nucleo-frente se consigue controlar tambien aquello de la cavidad; • La importancia de la convergencia resulta por lo tanto reducida relativamente al ultimo estadio de la Respuesta de Deformacion durante la excavacion que nace aguas arriba del frente de excavacion deribando de la extrusion del nucleo-frente.

ANÁLISIS de la Respuesta de Deformación del núcleo-frente según ADECO-RS


Ejemplo de núcleo-frente estable en regimén elástico (Categoría A)


Ejemplo de núcleo-frente estable a corto plazo en regimén elasto-plástico (Categoría B)


Ejemplo de núcleo-frente inestable en regimén de rotura (Categoría C)


(regimén elástico)

(regimén elasto-plástico)

(regimén de rotura)

La estabilidad del núcleofrente es analizada mediante modelos esperimentales y matematicos hasta identificar el tipo de comportamiento de deformación (categorías A, B, C) Está comprobado que los casos de comportamiento tipo B y C pueden ser reportados a la categoría A modificando la RIGIDEZ de núcleo-frente Esta es la tarea principal del diseñador


Durante el diseño se realiza la predicción teórica de las categorías de comportamiento A, B y C Cálculo numérico Elementos finitos 3D

B – Ensayo de extrusión triaxial Pi = Presión dentro de la cámara de extrusión Ex = Extrusión σ0 = γH Cámara de extrusión

Experimentación en escala reducida en el laboratorio

Control de laRespuesta deDeformacióndel núcleo-frentesegún ADECO-RS

Núcleo-frente

ADECO-RS, como consequencia de los resultados de la investigación, reconoce el carácter central del núcleo-frente como medio de estabilización de la cavidad para el control de la respuesta de la deformación; de ahí la necesidad imperiosa de avanzar siempre en sección completa sobre todo en las condiciones más dificiles de esfuerzo-deformación, habiendo demonstrado que la instabilidad de la cavidad nace desde aquella del núcleo-frente.


Refuerzo del núcleo-frente mediante elementos estructurales en fibra de vidrio (técnica conservadora para reforzar el núcleo-frente)

Sección longitudinal

Sección A-A

Refuerzo del núcleo-frente mediante elementos estructurales en fibra de vidrio

Control mediante refuerzo del núcleo-frente con elementos estructurales en fibra de vidrio

Línea de ferrocarril AV Roma-Florencia – Túnel Poggio Orlandi Terreno: arcillas limosas – Cobertura: 90 m, Categoría de comport.: C


SS 212 della Val Fortòre – Túnel Cerzone Terreno: flysch roja – Cobertura: 90 m, Categoría de comport.: C


SS 212 della Val Fortòre – Túnel Cerzone Terreno: flysch roja – Cobertura: 90 m, Categoría de comport.: C


Mantenimiento del núcleo-frente con forma cóncava TGV Mediterranèe El túnel de Tartaiguille

Terreno: arcillas expansivas Luz: 15 m, Cobertura: 150 m


Precorte mecánico a sección completa (técnica conservadora de protección del núcleo-frente)


Sección A-A

Precorte mecánico a sección completa

Línea de ferrocarril Sibari-Cosenza – Túnel n. 2 Terreno: arcillas limosas, c’ = 0,06 MPa, j’ = 25°, Cobertura: 90 m, Categoría de comportamiento: C


Autopista A1 M ilán-Nápoles - Túnel “Nazzano” Terreno: arenas limosas, c’ = 0,04 MPa, j’ = 24°, Cobertura: 5÷40 m, Cate oría de com ortamiento: C


Autopista A14 Bologna-Taranto - Túnel“Montedomini” Terreno: arcillas, c’ = 0,3 MPa, j’ = 22°, Cobertura: 10÷40 m, Cate oría de com ortamiento: C



Precorte mecánico a sección completa Arcos o capas de spritz-beton

Arcilla limosa

Arena acuifera

Arcilla limosa

Línea de ferrocarril Sibari-Cosenza – Túnel n. 2 Terreno: arcillas limosas, c’ = 0,06 MPa, j’ = 25°, Cobertura: 90 m, Categoría de comportamiento: C


Jet-grouting sub-horizontal a sección completa (técnica conservadora de protección/refuerzo del núcleo-frente)


Sección A-A

Jet-grouting sub-horizontal a sección completa Línea de ferrocarril Ancona-Bari – Túnel “Vasto” Terreno: arcillas limosas,Cobertura: 100 m, Categoría di comport.: C

PASO INFERIOR DE AUTOPISTA PARA CRUZAR EL NUDO FERROVIARIO DE CAMPINAS (Brasil), Ø = 14,9 m, Terreno: arenas eterogéneas, - c = 0,02 MPa,

= 28° - Cobertura: 2 ÷ 4 m

PASO INFERIOR DE AUTOPISTA PARA CRUZAR EL NUDO FERROVIARIO DE CAMPINAS (Brasil), Ø = 14,9 m

Terreno: arenas eterogéneas, - c = 0,02 Mpa = 28 - Overburden: 2 6 m

Jet-grouting sub-horizontal a sección completa

Línea de ferrocarril AV Bologna-Florencia– Túnel Firenzuola Terreno:Limos y arenas limosas interestratificadas con piedras ; Luz: 13,90 m


Se pueden notar correlaciones entre la inestabilidad y la extrusión del núcleofrente y los fenómenos de preconvergencia, convergencia y colapso de la cavidad, aunque ya estabilizada.

Se observa que después de le desplome del núcleo-frente occurre de manera sistemática el colapso de la cavidad

LÍNEA DE FERROCARRIL ENTRE ROMA Y FLORENCIA – EL TÚNEL DE TASSO

CRONOLOGIA DE LA DEFORMACION OBSERVADA EN UN COLAPSO DURANTE UN AVANCE A MEDIO FRENTE

(a) Avance a medio frente

(b) Desplome del frente

TÚNEL DE TASSO: AVANCE A MEDIO FRENTE (A)

(c) Colapso de la cavidad

TÚNEL DE TASSO: COLAPSO DE LA CAVIDAD (C)

Túnel ‘’TASSO’’ (Línea de ferrocarril AV entre Roma y Florencia)

Terreno: arcillas (c’ = 0,08 MPa,

’ = 23°)

Durante el avance segun el enfoque ADECO-RS(a sección completa despues del refuerzo del núcleo de avance):

Durante el avance segun los enfoques del pasado (a media sección): Terreno y cobertura son los mismos

Túnel ‘’VASTO’’ (Línea de ferrocarril AV entre Ancona y Bari)

Terreno: limos arcillosos (c’ = 0,07 MPa,

Durante el avance segun los enfoques del pasado (a media sección):

’ = 24°)

DuranteADECO-RS el avance (a segun el enfoque sección completa despues del refuerzo del núcleo de avance):

Terreno y cobertura son los mismos

Control mediante el encofrado de la contrabóveda cerca del frente (técnica conservadora de confinamiento de la cavidad aguas abajo del frente de excavación) Línea de ferrocarril AV entre Bologna y Florencia – El túnel de Raticosa Terreno: arcillas escamosas (Complejo Caótico), Categoría de comport.: C

Control mediante el encofrado de la contrabóveda cerca del frente (técnica conservadora de confinamiento de la cavidad aguas abajo del frente de excavación)

TGV Mediterranèe – El túnel de Tartaiguille Terreno: arcillas expansivas, Cobertura max: 150 m, Categoría de comport.: C


Confinamiento del núcleo-frente mediante TBM (técnica conservadora de confinamiento del núcleo-frente) Presión del macizo rocoso

Núcleo-frente

(‘Variante di Valico’ autopista Bologna-Florence)

Túnel “Sparvo” (2012-2015)

Investigaciones geotécnicas sobre las arcillas ‘a Palombini’ (APA)

= 21 ÷ 24 kN/m3 Limo arcilloso-limoso con grava - Análisis mineralógico presencia de esmectita en porcentaje significativo - Permeabilidad (Lugeon) 10-7 ÷ 10-9 m/s - Peso de volumen: - Análisis granulométrico

g

cpeak = 5 + 1.95 z [kPa] cresidual= 1.5 z [kPa] φpeak = 15 + 0.07 z [°] φresidual = 10 + 0.05 z [°] Epeak = 13 + 6 [Mpa] Eresidual = 4 [Mpa]

‘’Martina’’, la TBM EPB más grande del mundo

Características técnicas

15.62 m

- Diámetro de excavación: 15,62 m - Longitud de la máquina: 110,00 m - Longitud del escudo: 11,60 m - Peso total: 5.000 t - Potencia instalada: 15.000 KW - Velocidad media de excavación: ~ 10 m/dia - Diámetro del cojinete: ~9m - Peso del cojinete: ~ 200 t - Volumen de excavación: ~1.200.000m3

Extrusión del núcleo-frente en función de la presión de contenimiento

Paso n.1 Paso n.2

) m c ( n ió

Paso n.3 Paso n.4 Paso n.5

u s tr x E

Pcr= 0.32

Presión de contenimiento P (MPa)

Cámara de extrusión

P

‘Variante di Valico’ autopista Bologna-Florencia– Túnel ‘’Sparvo’’

Empuje [kN] Presión al frente [bar] Fricción lateral [kN] Producciones [m/g]

Pcr= ~0.32 Mpa

Un importante ejemplo de aplicación del enfoque ADECO-RS y, entonces, de la industrialización de las excavaciones es la realización, en contextos difíciles, de los túneles T8 y T8A de la autovía en Sochi (Rusia, 2013-2014), recién estrenados para los Juegos Olímpicos de Invierno, por los cuales se ha cumplido perfectamente con los tiempos y los costes previstos en fase de diseño definitivo

AUTOVÍA EN SOCHI (RUSIA, 2013-2014)

“Voronzoff”

overthrust zone

TÚNELES T8 y T8A (ADECO-RS)

AUTOVÍA EN SOCHI (RUSIA, 2013-2014) Longitud de los túneles

ADECO-RS NATM

Longitud de los túneles [m]

TÚNELES T8 y T8A (ADECO-RS)

Para estabilizar el frente en situaciones dificiles

NATM Particionamiento del empuje al frente de excavación

ADECO-RS Excavación siempre a seccion completa despues del refuerzo de núcleo-frente

Características geométricas de los túneles en comparación (ADECO-RS)

(NATM)

TÚNELES T8 y T8A (secciones ADECO-RS)

TÚNELES T8 y T8A (seccion ADECO-RS)

TÚNELES T8 y T8A (ADECO-RS) Avance del frente en los túneles T8 y T8A

Túnel T8

Túnel T8A

Metros cúbicos excavados por mes por cada frentede excavación Comparación entre NATM y ADECO-RS te n e f/r s e m / s o d a v a c x e s o c i b ú c s o rt e M

NATM

ADECO-RS 3765,5

1669,5

Producción media de túnel acabado - Metros por mes por cada frente de excavación Comparación entre NATM y ADECO-RS

32,3

ADECO-RS NATM

20,3 Metros/mes/frente

Tiempo transcurrido entre la caida del ultimo diafragma y la finalización del revestimiento final Comparación entre NATM y ADECO-RS 18

ADECO-RS NATM

152,6 Días

COSTOS Comparación entre NATM y ADECO-RS

Total cost per m* (rubles)

*Fuente: TRANSTROYTUNNELS, Moscú

La experiencia adquirida en Sochi muestra que los túneles construidos mediante el NATM eran generalmente más caros debido a los mayores costos de mano de obra y maquinaria (NATM emplea un número de trabajadores en promedio 1,5 veces más alta que ADECO-RS y un gran número de máquinas pequeñas en contra de unos pocos , grandes y potentes máquinas utilizadas por ADECO-RS. Si a esto añadimos que el tiempo de construcción es inferior del 30 40% (sitio activo por menos días), y la alta industrialización de la construcción del túnel esta garantizada, ADECO-RS aparece sin duda más conveniente también en relación a los costes.

TÚNELES T8 y T8A

TÚNELES T8 y T8A

TÚNELES T8 y T8A

TÚNELES T8 y T8A

DE NUCLEO-FRENTE

ANÁLISIS: Basándose en las características del terreno, a través de modelos matemáticos y de pruebas de laboratorio se identifican las CATEGORÍAS DE COMPORTAMIENTO A, B y C a lo largo del trazado del túnel

esperada

CONTROL: En función de las CATEGORÍAS DE COMPORTAMIENTO A, B y C se establece si aplicar o no técnicas de preconfinamiento o confinamiento simple, definiendo así las secciones tipo

VENTAJAS DEL ENFOQUE ADECO-RS - Se diseña la galería como problema 3D - Separación entre la etapa de diseño y la etapa de construcción - Reducción del número de mineros al frente - Ambiente de trabajo al frente agradable - Seguridad durante la construcción

- Producción industrial - Cumplimiento con los tiempos y los costes previstos

Con el enfoque propuesto se evitarán en el futuro situaciones que no dignifican la profesión de ingeniero:

Proximamente también en español !

En tema de obras subterráneas es necesario tener en cuenta que en el subsuelo todos construimos por sustracción de materia. La materia que constituye la corteza terrestre, sujeta a campos tensionales de gravitación y de carácter litostático y tectónico, se debe considerar "cosa viva", que tiende a deformarse por reacción al avance de la excavación, produciendo una respuesta de deformación que debe, entonces, convertirse en la piedra angular del diseño y de la construcción de cualquier trabajo en el subsuelo.

Andrei Sajarov, escribió en sus memorias, cuatro años después del terrible accidente de Chernobyl:"... Es evidente que la humanidad no puede renunciar la energía nuclear, así que tenemos que encontrar soluciones tecnológicas para garantizar su seguridad absoluta y excluir la posibilidad de que occurra otro Chernobyl. La solución que yo prefiero es la construcción de reactores nucleares subterráneos, lo suficientemente profundo para que incluso en el caso del peor accidente pobible las sustancias radiactivas no se liberen en el atmósfera ".

Edward Teller, a su vez, escribió:"... En cuanto a la contención de las sustancias radiactivas en caso de accidente mi sugerencia es colocar los reactores nucleares de 100 a 300 metros de profundidad bajo tierra. Creo que el malentendido sobreel riesgo nuclear, generalizado la opinión pública, puede ser disipado solo mediante la adopción de una solución clara como para ubicar una instalación nuclear en el subterraneo ".

Opiniones similares se expresaron, en epoca más recien, también porCarlo Rubbia, Premio Nobel en Física en 1984.

Centrales nucleares subterráneas para un nuclear seguro y limpio



Centrales nucleares subterráneas para un nuclear seguro y limpio Plantas de producción de energía nuclear

Ventajas de la colocación en subterráneo en comparación con la en superficie Seguridad en caso de terremotos y eventuales tsunami de éste engendrados Seguridad y control simplificado respecto a ataques bélicos y terroristas (incluydo el impacto de un avión) SEGURIDAD La seguridad absoluta, incluso sobre los más graves accidentes posibles: la fusión del núcleo Facilidad almacenaje en seguridad de las escorias/resiuos a alta, mediana ydebaja radiactividad Ningún impacto ambiental con consiguiente mayor libertad de localización de las centrales AMBIENTE Menor consumo de territorio que se pone hasta nulo por colocaciones totalmente en subterráneo Costes de realización de toda la planta significativamente reducidos Costes de el decommissioning/desmantelamiento de la entera ECONOMÍA instalación prácticamente nulos Costes (por la vida entera) de la entera instalación significativamente más reducidos

1400 m

USOS DEL SUBTERRÁNEO HOY EN DÍA

Laboratorio subterráneo de física nuclear en el Gran Sasso (Italia) Cobertura = ~ 1.400 m


Laboratorio subterráneo de física nuclear en el Gran Sasso (Italia) - Cobertura = ~ 1.400 m


Metodo ADECO de Construccion de Tuneles Pietro Lunardi Rocksoil-sept2015

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