tuneles

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

05/06. Tún.

1

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

05/06. Tún.

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1

Tipos de túneles
•
•

•
•
•

Con tuneladora
Sin tuneladora

Longitud del túnel
Plazo
Condiciones extremas
– Grandes presiones. Fluencia
– Fallas, heterogeneidad
– Suelos muy blandos

RocasSuelos

Con tuneladora

T.B.M.

Escudo

Sin tuneladora

Explosivos, rozadora,
NMA, Bernold, ...

Fases, NMA,
prebóveda, ...

05/06. Tún.

3

05/06. Tún.

4

2

Tuneladoras de roca
(1950 - )

Escudos de suelos
(1850 - )

Escudos excavadores mecanizados

(1960 - )

Contención del frente (lodos, EPB)

(1980 - )

05/06. Tún.

5

Rocas:
Excavación conexplosivos

05/06. Tún.

6

3

Rocas: Excavación con rozadora

05/06. Tún.

7

Tuneladora de rocas (TBM)
•
•
•
•

Grippers
Gatos de empuje
Cortadores
Guiado
– Manual
– Automático

• Arranque

05/06. Tún.

8

4

Suelos: Excavación por fases

05/06. Tún.

9

Escudos

05/06. Tún.

10

5

Escudo
excavador

Metro Madrid. Línea VI
1973
05/06. Tún.11

05/06. Tún.

12

6

05/06. Tún.

13

05/06. Tún.

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7

• 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
Métodos numéricos

05/06. Tún.

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Caso
básico:

Tensiones
iniciales

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

σ0
σ0

N=

σ 0 −σ a
cu

Cavidad
a

σa

p = qN q + cN c

p

r

q

N 0 = (sin revestir, σ a = 0 ) =

si φ = 0 → N q = 1 → Nc =

p −q
c

σ0
cu
Máximo valor de N 0 ?

⎛ σ
N = N0 ⎜1 − a
⎜ σ
0
⎝
05/06. Tún.

⎞
⎟
⎟
⎠

N0 =

σ0
cu

σ0
=

cu

σ '0

σ '0

γ sat
≤

γ sum

(0, 2 − 0,4)

≅

2
= (5 − 10)
0,2 − 0,4 )
(
16

8

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

1.0

Inicio plastificación

0.8

Exec
c u / σ0 = 0.1

0.6

0.4

(N0 = σ0/cu = 10.0)

0.2
(5.0)
0.3

0.2
0.4
0.5

(2.0)

0

(3.3)(2.5)

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

para

N ≤1

para

N ≥1

05/06. Tún.

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Interacción terreno-revestimiento
Presión, p

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

1

Desplazamiento, u
Equilibrio
Rotura revestimiento

σ

rot

Coeficiente deseguridad: F = σrot / σeq

σeq

Curva característica del revestimiento

Curva característica del terreno

0

ur σ a
=
a
kr

εa =

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

para

N ≤1

para

N ≥1

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

05/06. Tún.

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9

Interacción terreno-revestimiento
Presión, pDesplazamiento
previo, ua0

Presión en
el frente

Desplazamiento, u

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

1
Equilibrio
Rotura revestimiento

σ

rot

Coeficiente de seguridad: F = σrot / σeq

Curva característica del revestimiento
σ

u r ua − ua 0 σ a
=
=
a
a
k

eq

Curva característica del terreno

0

⎧=
ua ⎪
⎪
=⎨
εa =
a ⎪=
⎪
⎩

1
(σ − σ a ) =...