Túneles

1er CURSO INTERNACIONAL DE GEOMECÁNICA COMPUTACIONAL Pontificia Universidad Católica de Valparaíso Valparaíso, Chile, 15-18 mayo 2006

Análisis y diseño de túneles

C. Sagaseta Universidad de Cantabria Santander, España

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Contenido:
• Tipos de túneles:
– En suelo y en roca – Excavación manual y mecanizada

• Tensiones alrededor del túnel. Empujes y esfuerzos •Deformaciones. Asientos
– Soluciones empíricas – Soluciones analíticas

• Análisis por E.F.
– – – – Contornos Agua Proceso constructivo 3-D/2-D. Alivio
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Tipos de túneles
• • Con tuneladora Sin tuneladora • • • Longitud del túnel Plazo Condiciones extremas
– Grandes presiones. Fluencia – Fallas, heterogeneidad – Suelos muy blandos

Rocas

Suelos

Con tuneladoraT.B.M.

Escudo

Sin tuneladora

Explosivos, rozadora, NMA, Bernold, ...

Fases, NMA, prebóveda, ...

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Tuneladoras de roca (1950 - )

Escudos de suelos (1850 - )

Escudos excavadores mecanizados Contención del frente (lodos, EPB)

(1960 - ) (1980 - )

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Rocas: Excavación con explosivos

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Rocas:Excavación con rozadora

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Tuneladora de rocas (TBM)
• • • • Grippers Gatos de empuje Cortadores Guiado
– Manual – Automático

• Arranque

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Suelos: Excavación por fases

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Escudos

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Escudo excavador

Metro Madrid. Línea VI 1973
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• Tensiones alrededor del túnel. Empujes y esfuerzos
– Caso básico: túnel circular, tensiones iniciales isótropas y uniformes, terreno elástico o elastoplástico perfecto
Soluciones analíticas

– Caso realista: túnel sección cualquiera, tensiones iniciales anisótropas y variables con la profundidad, terreno elástico o elastoplástico, proceso constructivo 2-D /3-D
Métodosnuméricos

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Caso básico:

Tensiones iniciales

σ0 σ0

Factor de carga (overload factor). Peck (1969)

N=
Cavidad a σa r

σ 0 −σ a
cu

p q

p = qN q + cN c si φ = 0 → N q = 1 → Nc = p −q c

N 0 = (sin revestir, σ a = 0 ) =

σ0
cu
Máximo valor de N 0 ?

⎛ σ N = N 0 ⎜1 − a ⎜ σ 0 ⎝
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⎞ ⎟ ⎟ ⎠

N0 =

σ0
cu

σ0
= cu

σ '0

γ sat
≤σ '0

(0, 2 − 0,4)

γ sum

≅

2 = (5 − 10) 0,2 − 0,4 ) (
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8

1.0 Presión relativa en la pared (confinamiento), σa/σ0

0.8

Inicio plastificación

Exec
0.6 c u / σ0 = 0.1 (N0 = σ0/cu = 10.0)

0.4

0.2 (5.0)

0.2 0.4 0.5 0

0.3 (3.3) (2.5)

(2.0)
σ /2G
0

Desplazamiento relativo de la pared (convergencia), ua/a

cu ⎧ 1 ua ⎪ = 2G (σ 0 − σ a ) = 2G N =⎨ εa =a ⎪ = cu e N −1 ⎩ 2G
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para para

N ≤1 N ≥1
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Interacción terreno-revestimiento
Presión, p
1 Presión relativa en la pared (confinamiento), σa/σ0 Equilibrio Rotura revestimiento

Desplazamiento, u

σ

rot

Coeficiente de seguridad: F = σrot / σeq

σeq

Curva característica del revestimiento

ur σ a = a kr

Curva característica del terreno

εa =

⎧ = 1 (σ −σ ) = 1 N a u a ⎪ 2G 0 2I r ⎪ =⎨ a ⎪ = 1 e N −1 ⎪ 2I r ⎩

para para

N ≤1 N ≥1

0

Desplazamiento relativo de la pared (convergencia), ua /a

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9

Interacción terreno-revestimiento
Presión en el frente Desplazamiento previo, ua0

Presión, p Desplazamiento, u

1 Presión relativa en la pared (confinamiento), σa/σ0 Equilibrio Rotura revestimiento

σ

rotCoeficiente de seguridad: F = σrot / σeq

Curva característica del revestimiento
σ
eq

u r ua − ua 0 σ a = = a a k

Curva característica del terreno

⎧= ua ⎪ ⎪ =⎨ εa = a ⎪= ⎪ ⎩

1 (σ − σ a ) = 1 N 2G 0 2I r 1 N −1 e 2I r

para para

N ≤1 N ≥1

0

ua0/a Desplazamiento relativo de la pared (convergencia), ua /a

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Rigidez del revestimiento
1 Presión...