deformacion y estabilidad en tuneles

8/18/2019 DEFORMACION Y ESTABILIDAD EN TUNELES

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ESTADO ESFUERZO-DEFORMACIÓN DE LA ESTRUCTURA DESOSTENIMIENTO DE UN TÚNEL A PARTIR DE UN MODELO FÍSICO

HENRY OSWALDO GÓMEZ BALCEROS

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL

BOGOTÁ D.C.

2009


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ESTADO ESFUERZO-DEFORMACIÓN DE LA ESTRUCTURA DESOSTENIMIENTO DE UN TÚNEL A PARTIR DE UN MODELO FÍSICO

HENRY OSWALDO GÓMEZ BALCEROS

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título deingeniero

Director temático:

Ph.D. Adolfo Camilo Torres Prada

Asesora metodológica:

Mag. Marlén Cubillos

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C.

2009


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Nota de aceptación:

Firma del presidente del jurado

Firma del jurado

Firma del jurado

Bogotá D.C. Diciembre de 2009


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DEDICATORIA

Este documento y el logro que representa para mí ser ingeniero, se lo dedico conmucho amor a mi madre MARÍA BALCEROS.


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AGRADECIMIENTOS

El autor expresa su reconocimiento:

Al Dr. ADOLFO CAMILO TORRES PRADA, por dirigir mí trabajo de grado yguiarme en la culminación de mis estudios de Ingeniería Civil.

A mi familia por el apoyo incondicional, a mi madre especialmente, a mi padre ymis hermanos.

A todas las personas que de alguna manera se vieron vinculadas y me apoyarondurante el proceso formativo para optar al título de Ingeniero Civil, a todos misprofesores los cuales admiro y respeto mucho, a la Universidad de La Salle y al

programa de Ingeniería Civil, a mis compañeros de estudio y a mis amigos.Por último pero no menos importante a Dios y a la Vida por permitirme esta dicha,infinitas gracias.


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CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN 12

1. PROBLEMA 13

1.1 LÍNEA 13

1.2 TÍTULO 13

1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 13

1.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 14

1.5 JUSTIFICACIÓN 15

1.6 OBJETIVOS 16

1.6.1 Objetivo general 16

1.6.2 Objetivos específicos 16

2 MARCO REFERENCIAL 17

2.1 MARCO TEÓRICO-CONCEPTUAL 172.1.2 ESTADO ESFUERZO-DEFORMACIÓN 17

2.1.3 MODELO FÍSICO 17

2.1.4 VALORACIÓN DE LA PRESIÓN ACTUANTE SOBRE LA

ESTRUCTURA DE SOSTENIMIENTO DEL TÚNEL 18

3. METODOLOGÍA 23

3.1 DIAGRAMA METODOLÓGICO 25

4. TRABAJO INGENIERIL 26

4.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES 26

4.2 ELABORACIÓN DE LOS ELEMENTOS PREFABRICADOS (DOVELAS) 32

4.3 CONSTRUCCIÓN DEL MODELO FÍSICO 37


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4.4 ENSAYO DE CARGA ÚLTIMA 40

4.5 RESULTADOS DE LA PRUEBA DE CARGA ÚLTIMA SOBRE LA

ESTRUCTURA 445. CONCLUSIONES 46

6. RECOMENDACIONES 49

BIBLIOGRAFÍA

ANEXOS


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LISTA DE TABLAS

pág.Tabla 1. Resultados de la prueba de carga última de la estructura. 43


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LISTA DE FIGURAS

Pág.Figura 1. Envolvente de esfuerzos (teoría de Mohr-Coulom) de una masa

de suelo que ilustra el ángulo de fricción interno ( ) y el ángulo de fricción

tangencial ( k ) de Protodyakonov. 19

Figura 2. Diagrama de presión de suelo actuante sobre la estructura(Protodyakonov) 21

Figura 3. Variación del tiempo de fraguado inicial con la relación Agua / Yeso 27

Figura 4. Segregación de solidos con el incremento de agua de mezclado 27

Figura 5. Materiales 29

Figura 6. Mezcla 29

Figura 7. Molde y fundición de probetas 30

Figura 8. Fraguado 30

Figura 9. Peso 31

Figura 10. Resistencia y deformación 31

Figura 11. Formaleta 32

Figura 12. Dovelas 33

Figura 13. Mezcla para 1 anillo 33

Figura 14. Vaciado de la mezcla, instalación del refuerzo, vibrado y acabado 34

Figura 15. Anillo fundido y en tiempo de fraguado 34

Figura 16. Desencofrado 35

Figura 17. Anillo 35

Figura 18. Estructura 36


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Figura 19. Esquema de disposición y orden de instalación de las dovelas 37

Figura 20. Excavación (Modelo de tuneladora EPB) 38

Figura 21Evacuación de material excavado con aspiradora 39Figura 22. Instalación del sostenimiento 39

Figura 23. Esquema de carga última. 40

Figura 24. Instrumentación 41

Figura 25. Sobrecarga 41

Figura 26. Esquema que ilustra de forma exagerada la deformación de la

sección transversal de la estructura posterior a la carga última. 42

Figura 27. Diagrama de esfuerzo respecto al a deformación de la

estructura de sostenimiento del túnel 44


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LISTA DE ANEXOS

ANEXO A Especificación técnica del yesoANEXO B Especificación técnica de la malla de refuerzo

ANEXO C Especificación técnica de la arena

ANEXO E Planos (Medio magnético)

ANEXO F Registro fotográfico (Medio magnético)

ANEXO G Video del proceso constructivo de la estructura (Medio magnético)

ANEXO H Cálculo del esfuerzo vertical causado por una carga de franja rectangularuniformemente cargada en la cota clave del túnel.


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INTRODUCCIÓN

En la actualidad la simulación de fenómenos físicos complejos a través demodelos representa un importante avance de la ingeniería en la predicción delcomportamiento de obras civiles y el diseño de estructuras en general, el objetofundamental de los modelos es estudiar y analizar el comportamiento de lasestructuras y su entorno bajo determinados parámetros con el fin de perfeccionarlos diseños en etapas preliminares de un proyecto, también pueden ser utilizadoscomo aporte a la investigación científica; en términos generales la simulación delcomportamiento de un elemento en un medio y con unas condicionesdeterminadas puede plantearse a través de la modelación física, matemática yotras.

Para la presente investigación se construyó un modelo físico; el objeto del modelo

es determinar el estado de esfuerzo-deformación de la estructura de sostenimientode un túnel en sección circular, emplazado en un modelo físico geomecánico desuelos blandos a profundidad determinada.

El modelo físico de la estructura de sostenimiento del túnel fue instalado a travésde un modelo físico (geomecánico) construido en la pared de pruebas dellaboratorio de modelación de procesos geotécnicos GeoLab, del Centro deInvestigación en Riesgos de Obras Civiles de la Universidad de La Salle (CIROC),para la “Evaluación del fenómeno de la subsidencia originado por la construcciónde micro-túneles en suelos blandos” proyecto de investigación concebido y dirigidopor los profesores investigadores Ing. Civil, Ph.D. Adolfo Camilo Torres Prada e

Ing. Civil, M.Sc. Fernando Alberto Nieto Castañeda con la colaboración deestudiantes de últimos semestres de Ingeniería Civil de la Universidad de La Sallede Bogotá

La estructura de sostenimiento del túnel está constituida por una serie de anillosconformados por elementos prefabricados (dovelas) compuestos por un morterocuyo conglomerante es yeso y reforzados con malla tipo zaranda en alambregalvaniza (ver anexos A, B Y C)

Una vez terminada la construcción del modelo, la estructura de sostenimiento deltúnel fue instrumentada y sometida a un incremento progresivo de carga impuestaen la superficie del terreno llevándola hasta la falla con el pertinente registro de

datos. Los resultados obtenidos de la prueba física una vez terminado el ensayofueron procesados para determinar el estado de esfuerzo deformación de laestructura de sostenimiento del túnel, por último se definieron las conclusiones yrecomendaciones respectivas de la investigación.


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1. PROBLEMA

1.1 LÍNEA

El proyecto de investigación (Estado esfuerzo-deformación de la estructura desostenimiento de un túnel a partir de un modelo físico.) corresponde a la línea deexcavaciones especiales y estructuras de sostenimiento del grupo CIROC (Centrode Investigación en Riesgos de Obras Civiles-UNISALLE).

1.2 TÍTULO

Estado esfuerzo-deformación de la estructura de sostenimiento de un túnel a partirde un modelo físico.

1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

La necesidad de estudiar, entender y conocer el comportamiento de la interacciónde las estructuras con su entorno en condiciones definidas o condicioneshipotéticas extremas hace imperativo el desarrollo de métodos que reduzcan elnivel de incertidumbre durante las etapas de análisis, diseño y construcción deobras civiles minimizando así los riesgos de obras complejas (e.g. los túneles y lasexcavaciones subterráneas).

Los modelos de simulación de fenómenos físicos en ingeniería y los métodos paradesarrollarlos, comprenden un tema aún emergente en nuestro medio, pero quese empieza a imponer y se ha difundido durante las últimas décadas en los paísesaltamente desarrollados, esta práctica permite simular y analizar fenómenosnaturales o artificiales que están directamente relacionados con la estabilidad,integridad y comportamiento de las estructuras de obras civiles.

En esta investigación se quiso conocer el comportamiento de la estructura desostenimiento de un túnel en condiciones extremas de cargas sobre impuestas enla superficie del trazado del túnel, llevándolo hasta la falla de la estructuramediante un modelo físico.


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La Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá (EAAB) ejecutó unaimportante obra en la ciudad, se trata de un interceptor para captar aguasresiduales del sector sur occidental de la ciudad, lo novedoso en esta obra son lasdimensiones y forma de construcción del túnel. La máquina encargada de la

excavación del terreno es de tipo TBM (Tunnel boring machine) de presión detierra o EPB (Earth pressure balance) construida en Alemania, equipada con discode corte de 4.52 m de diámetro, es una máquina que integra perforación delterreno, extracción del material y traslado e instalación del revestimiento, laexcavación avanzo a través de arenas, arenas-arcillosas y arenas con limo bajocarga hidrostática, la máquina se encarga de colocar las dovelas de hormigón de25 centímetros de espesor que conforman el acabado del túnel, el sostenimientodel terreno durante la excavación se logra mediante el escudo del que estáprovista la máquina y la presión que el disco de corte transmite al frente deexcavación. La excavación se realiza mediante una cabeza giratoria equipada conelementos de corte y accionada por motores hidráulicos y eléctricos, el túnel está

constituido por anillos compuestos por 6 dovelas, de diámetro interno 3.75 m,diámetro externo 4.25m, y longitud 1.5 m, en concreto reforzado de 5800 psi, lalongitud total del túnel es de 9.4 km.

El modelo construido para esta investigación se inspiró en el proyecto de laE.A.A.B pero no es una representación de tal prototipo, a partir de este se tomaronalgunos parámetros para definir parcialmente el modelo, tales como la escalageométrica, método constructivo, comportamiento mecánico de los materiales dela estructura, entre otros. El alcance de esta investigación no contemplaextrapolación de datos a una estructura real pero proporciona datosexperimentales y aporta experiencia en este tipo de investigaciones.

1.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

¿Cuál es el estado esfuerzo deformación de la estructura de sostenimiento de untúnel en condiciones determinadas a partir de un modelo físico?


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1.5 JUSTIFICACIÓN

Las principales funciones que tienen los túneles son el transporte de personas,

mercancías, servicios, abastecimiento y drenaje de agua, estructurascomplementarias para la generación de energía, túneles de minas, túneles conpropósitos militares, etc.

La implementación de estructuras subterráneas tipo túnel genera soluciones anumerosos problemas en el campo de la ingeniería civil y también proporcionabienestar a las comunidades en general, es por esta razón que resulta importanteinvestigar y realizar estudios que permitan entender el comportamiento de estetipo de estructuras y generar optimización de los diseños, procesos constructivos yminimización de riesgos. Los factores que definen el método constructivo de lostúneles son variables de acuerdo a la geología del sitio y otros factores,

igualmente los métodos permanecen en constante evolución de acuerdo aldesarrollo de la tecnología, es fundamental para la ingeniería nacional entrenarseen métodos no convencionales y además es pertinente adaptar estos a nuestrascondiciones geológicas ya que las propiedades del suelo y las rocas cambiandrásticamente respecto a las longitudes, latitudes y altitudes del planeta.

Colombia es un país emergente en la práctica de excavaciones y estructurassubterráneas respecto a las grandes y numerosas obras diseñadas y construidasen otros países; por lo tanto, se hace necesario profundizar en el estudio einvestigación en este campo de la ingeniería para proporcionar parámetros quecaractericen las normas técnicas, métodos constructivos, y comportamiento de lasexcavaciones y las estructuras subterráneas en el sub suelo local.

Con la modelación física de un túnel excavado en suelos blandos típicos de laciudad de Bogotá y como resultado éste y otros documentos desarrollados en elCentro de Investigación en Riesgos de Obras Civiles (CIROC) se constituye unimportante aporte a la investigación para el desarrollo y aprovechamiento delespacio subterráneo en ciudades como Bogotá, generando datos experimentalesdel comportamiento de este tipo de estructuras emplazadas en nuestros suelos.


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1.6 OBJETIVOS

1.6.1 Objetivo general

Determinar el estado esfuerzo-deformación de la estructura de sostenimiento deun túnel a partir de un modelo físico bajo cargas determinadas.

1.6.2 Objetivos específicos

Caracterizar los materiales para la construcción de la estructura delmodelo.Construir el modelo físico que cumpla las especificaciones de lainvestigaciónDeterminar el factor de seguridad de la estructura de sostenimiento deltúnel.


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2. MARCO REFERENCIAL

2.1 MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL2.1.2 ESTADO ESFUERZO-DEFORMACIÓN

Dentro de los estudios de la mecánica clásica se supone que los cuerpos sonperfectamente rígidos, sin embargo las estructuras reales sufren deformacionesbajo la acción de cargas incluyendo el peso propio, en ocasiones estasdeformaciones pueden ser tolerables y no afectan el equilibrio, movimiento ointegridad de las estructuras, pero para la estimación del estado límite o permisiblede carga, las magnitudes de cambios de longitud o forma y fuerzas sobreelementos es necesario determinarlas y tenerlas en cuenta para conocer el estadode esfuerzo respecto a la deformación de la estructura.

El esfuerzo es la fuerza por unidad de área y la deformación se relaciona con elcambio de forma de la estructura afectada por tal fuerza; esta relación es unparámetro de resistencia de los materiales y estructuras en general.

2.1.3 MODELO FÍSICO

En ingeniería un modelo físico es la reproducción simplificada del comportamientode un prototipo, usando para tal fin un montaje mecánico sustentado con unabase teórica lógica.

Los modelos físicos sirven para investigar, comprender y predecir ciertascircunstancias físicas que afectan el equilibrio, movimiento o integridad de uncuerpo proporcionando datos experimentales para el análisis del caso.

“Una limitante de las investigaciones en modelos es su simplificación oidealización de la realidad existente (Torres 2007)”

En cualquier modelo el grado de aceptación de los resultados estriba en el aciertode la idealización o representación simplificada del objeto real en el modelo.

Una de las técnicas utilizadas en modelación física es el método de los materialesequivalentes y es la que se practico en esta investigación, “El método de

materiales equivalentes consiste en utilizar materiales artificiales dentro de unmodelo que en escala reducida tenga un comportamiento mecánico similar al delobjeto en estudio, para poder analizar su comportamiento y extrapolar estosresultados al objeto real (supra cit.)


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2.1.4 VALORACIÓN DE LA PRESIÓN ACTUANTE SOBRE LA ESTRUCTURADE SOSTENIMIENTO DEL TÚNEL

Existen diversos tipos y causas de presión sobre las estructuras de soporte y

revestimientos de túneles en función del medio donde se encuentren situados, laprofundidad y otros, para el caso particular consideraremos únicamente locorrespondiente a la presión que trasmiten los suelos blandos sin cargahidrostática, debido a que esta es la naturaleza del terreno objeto de estudio. Unmedio en el cual se excava un túnel puede considerarse como continuo odiscontinuo según la variación de la geología del sitio, en este caso se analiza untramo continuo es decir que se consideran características homogéneas yuniformes en la masa de suelo.

El método de Protodyakonov (1956) es uno entre otros métodos de evaluación depresiones actuantes sobre estructuras tipo túnel, como la mayoría de métodoseste es un método empírico pero particularmente tiene un importante análisis y

justificación teórica, este método fue desarrollado y ampliamente utilizado por lapractica Rusa, ha sido desarrollado para materiales granulares pero también se haextendido a roca y otros tipos de suelo, este método se fundamenta con ideas dela teoría de arqueo propuesta por Terzaghi (1883-1963) que define la cargavertical de suelo sobre el túnel como la masa de material que tendería a caerdesde el techo de no ser soportada cuando se ha excavado.

El método define un contorno de incidencia de suelo sobre el techo del túnelprecisado por la ecuación de una parábola en función del coeficiente de fortaleza(f) del suelo propuesto por Protodyakonov como sistema de clasificación demacizos rocosos y suelos, este coeficiente de fortaleza se define a partir del

ángulo de fricción interna tangencial ( k ), que plantea Protodyalonov.

Ecuación de la parábola que define el contorno de incidencia de suelo sobre laexcavación (Protodiakov).

Donde:


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Figura 1. Envolvente de esfuerzos (teoría de Mohr-Coulom) de una masa de sueloque ilustra el ángulo de fricción interno ( ) y el ángulo de fricción tangencial ( k )de Protodyakonov.

Propiedades del modelo geotécnico (Marín 2008)

Angulo de fricción interno ( ) = 29°

Peso especifico ( γ ) = 1600 kg / m³

Cohesión (c) = 0.05 kPa

Esfuerzo (σ) = 8 kP a

Relación de Poisson ( v ) = 0.25

Angulo de fricción tangencial de Protodyakonov ( k )


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Calculo del coeficiente de fortaleza (f) de Protodyakonov:

En la clasificación propuesta por Protodyaconov el valor del coeficiente deresistencia o fortaleza f = 0.5 corresponde a suelos granulares, con γ (kg/cm³) =[1400-1600]


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Figura 2. Diagrama de presión de suelo actuante sobre la estructura(Protodyakonov)

B=0.93

Superficie del

terreno

Contorno que define

el área de presión de

suelo actuante sobre

la estructura(Protodyaconov)

Ø=0.43x=0.25 x=0.25

h1=0.83

0.50

UND. (m)

Estructura

ßß

m


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Como h1 (0.93m) es mayor que la profundidad de la cota clave del túnel (0.50m)se asume que todo el peso de suelo por encima del túnel es soportado por laestructura.


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3. METODOLOGÍA

La estrategia planteada para obtener la información deseada en esta investigaciónes de tipo experimental, puesto que una definición general del término“experimento” atiende a realizar una acción, con su respectiva observación ,registro de datos y resultados de la práctica, para después analizar lasconsecuencias, siendo ésta la dinámica general del desarrollo del modelo.

“Una aceptación particular de experimento, más armónica y con un sentidocientífico del término, se refiere a un estudio en el que se manipulanintencionalmente una o más variables independientes, para analizar lasconsecuencias que la manipulación tiene sobre una o más variables dependientes,dentro de una situación de control para el investigador”1

La investigación se desarrolló en tres diferentes fases, definidas y acompañadaspermanentemente por el director del proyecto ing., Ph.D.Torres A.C.

FASE 1: PRELIMINAR

La primera etapa del proyecto fue la revisión y consulta bibliográfica e instrucciónen el macro-proyecto de investigación “Fenómeno de la subsidencia originado porla construcción de micro-túneles en suelos blandos”

Posteriormente se hizo la consulta e investigación para la elección ycaracterización de los materiales, exploración y experimentación a nivel delaboratorio y finalmente la determinación definitiva de los materiales y la mezclaadecuada para la construcción del modelo.

1 HERNÁNDEZ SAMPIERI, Roberto, et al. Metodología de la investigación. 4 ed. México: McGraw-Hill, 2006.

p.160


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FASE 2: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MODELO.

En esta fase se planeó y diseñó la formaleta para fundir las dovelas, se fundió latotalidad de la estructura, se definió el método y las herramientas para laconstrucción del modelo, se definió la disposición de las dovelas, método deinstalación y se ejecutó la excavación y revestimiento del túnel.

Posteriormente se realizó el ensayo de carga última con instrumentación y registrode datos.

FASE 3: ANÁLISIS DE RESULTADOS

Procesamiento analítico de la información, conclusiones y recomendaciones


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3.1 DIAGRAMA METODOLÓGICO

INVESTIGACIÓN, EXPERIMENTACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LOS

MATERIALES PARA LACONSTRUCCIÓN DEL MODELO

FÍSICO

PREFABRICACIÓN

DE LA

ESTRUCTURA

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO

INSTRUMENTACI N

PRUEBA DECARGA ÚLTIMA Y

REGISTRO DEDATOS

AN LISIS DERESULTADOS Y FACTOR

DE SEGURIDAD

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

FASE 2

FASE 3

REVISIÓNBIBLIOGRÁFICA

FASE 1


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4. TRABAJO INGENIERIL

4.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓNDEL MODELO FÍSICO

Los materiales utilizados para la producción de los elementos prefabricados(dovelas), fueron: yeso, arena y agua, materiales sugeridos inicialmente por eldirector temático de la presente investigación, basándose en su conocimiento yexperiencia en el tema de modelación física.

Para determinar los materiales según el requerimiento de la investigación seprocedió inicialmente a experimentar con mezclas aleatorias de yeso y arena dediferentes tipos, se definieron los tipos de material más convenientes para lafabricación de las dovelas en función de la manejabilidad y consistencia de la

mezcla; los materiales definitivos fuero yeso blanco, arena del Guamo Colombia yagua potable. (Ver anexo A, C.)

Los elementos prefabricados fueron reforzados con malla tipo zaranada enalambre brillante, tejido y galvanizado en caliente, de 3x3. (ver anexo B)

Para la selección de la participación de cada componente en la mezcla, sedetermino un promedio de 3 probetas (cubicas de lado 5 cm) por punto y un totalde 4 puntos para definir en una grafica (Figura 3) el comportamiento parcial de lamezcla en función de la variable agua / yeso respecto al tiempo, anterior a esto serealizo una serie de ensayos experimentales preliminares, también se evaluó lasegregación de agregados en la mezcla en función del incremento de agua demezclado, con el tipo de probeta y procedimiento descrito anteriormente sedetermino una grafica (Figura 4), de los ensayos experimentales se dedujo que:(El cuadro rojo en los siguientes gráficos indica el valor de las variables quecorresponden al criterio utilizado en la investigación)


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Figura 3. Variación del tiempo de fraguado inicial con la relación Agua / Yeso

Figura 4. Segregación de sólidos con el incremento de agua de mezclado; donde 1es una mezcla homogénea y 3 es una mezcla con sólidos segregados.


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Se definió la relacion Agua / Yeso = 1.2 porque esta permitía un rango detiempo que variaba entre 8 y 12 minutos, para ejecutar plenamente las actividadesde mezclado, vaciado, instalación de refuerzo, vibrado y acabado de cada anillo, y

proporcionaba una resistencia inicial temprana suficiente para desencofrar elelemento fundido en aproximadamente 15 minutos después de que interactúan loscomponentes de la mezcla, esto con el fin de utilizar el menor tiempo posible en lafabricación de los anillos de la estructura, puesto que se fundieron en serie,también se evaluó la segregación de agregados en la mezcla con el incremento dela relación Agua / Sólidos, determinando que si la relación se mantenía alrededorde 0,4 se podía garantizar una mezcla homogénea.

Para determinar el comportamiento mecánico del material se fundieron 3 probetasse pesaron y fallaron cuando alcanzaron peso constante (a partir de14 días) estas

se mantuvieron a temperatura ambiente para que los resultados fuerancongruentes con las condiciones del modelo físico.

Las características de la mezcla y el producto final de la misma son:

Yeso 25 %

Arena 45 %

Agua 30%.

Densidad : 1.6 gr / cm³

Resistencia a la compresión: 26 Kg / cm²

Tiempo de fraguado: 8-10 minutos.

Modulo de Young: 3150 kg / cm²


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A continuación se ilustra con fotografías el proceso de ensayo para lacaracterización de la mezcla.

Figura 5. Materiales

Figura 6. Mezcla


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Figura 7. Molde y fundición de probetas

Figura 8. Fraguado


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Figura 9. Peso

Figura 10. Resistencia y deformación


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4.2 ELABORACIÓN DE LOS ELEMENTOS PREFABRICADOS (DOVELAS)

En la tarea de elaboración de elementos prefabricados, fue fundamental la

planeación y diseño de una formaleta en función del uso, la geometría, versatilidadde desencofrado y el costo, para fundir en ella, los anillos que conforman laestructura de sostenimiento del túnel.

En esta etapa se planeo el proceso constructivo de la estructura de sostenimientodel túnel a través del modelo geotécnico evaluando factores como la geometría delos elementos prefabricados para lograr su instalación y sus apoyos.

La formaleta fabricada bajo especificaciones técnicas requeridas consta de dosanillos en acero laminado (e = 3 mm) de radio externo e interno, 0.43 m y 0.38 m y0.075 m de altura, estos están fijos con tornillos sobre una tabla de madera, elsistema que permite un desencofrado practico es un corte en alguna parte del

perímetro de los anillos y en el sentido del eje, esto le permite a los anillosdeformarse, ampliándose o cerrándose respecto a su condición inicial decircunferencia perfecta.

Para lograr las singularidades de cada dovela tales como longitud de arco y aristaen sus extremos, dentro del montaje de la formaleta se incluyeron 3 láminasmetálicas de aluminio para seccionar el anillo y garantizar la geometría necesariade las dovelas en el proceso constructivo.

Figura 11. Formaleta


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Figura 12. Dovelas

A continuación se ilustra el proceso de fabricación de la estructura.

Figura 13. Mezcla para 1 anillo


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Figura 14. Vaciado de la mezcla, instalación del refuerzo, vibrado y acabado

Figura 15. Anillo fundido y en tiempo de fraguado.


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Figura 16. Desencofrado

Figura 17. Anillo


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Figura 18. Estructura


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4.3 CONSTRUCCIÓN DEL MODELO FÍSICO

Para instalar la estructura de sostenimiento del túnel dentro del modelo geotécnicose realizó la excavación de forma análoga al método de construcción de túnelesusando maquina tipo EPB (Earth Pressure Balance), se instaló el revestimientomanualmente y por medio de herramientas predefinidas, el material de pega entrelos elementos prefabricados fue pasta de yeso. (Ver anexo F)

A continuación se ilustra con imágenes el proceso constructivo del modelo físico

Figura 19. Esquema de disposición y orden de instalación de las dovelas

DOVELA 1

DOVELA 2 DOVELA 3

Ø 4 3 c m

50 cm

Ø 3 8 c m


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Figura 20. Excavación (Modelo de tuneladora EPB)

Figura 21. Evacuación de material excavado con aspiradora


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Figura 22. Instalación del sostenimiento


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4.4 ENSAYO DE CARGA ÚLTIMA

El ensayo de carga última de la estructura de sostenimiento del túnel consintió encolocar un incremento progresivo de carga uniformemente distribuida sobre la

superficie del terreno en una sección determinada del trazado del túnel llevándolohasta la falla, por medio de la instalación de instrumentos de medida y registro dedatos se pudo obtener valores para determinar el estado de esfuerzo-deformaciónde la estructura representado en una grafica.

Figura 23. Esquema de carga última.

0.20 m

0.50 m

SOBRECARGA

VOLUMEN DESUELO SOBRELA ESTRUCTURA

Ø=0.43 m

Extensómetro de aguja con vástago móvil queacciona la aguja giratoria y permite leer valores de

variación de longitud en la clave y hastiales del

túnel.


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Figura 24. Instrumentación

Figura 25. Sobrecarga


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Figura 26. Esquema que ilustra de forma exagerada la deformación de la seccióntransversal de la estructura posterior a la carga última.

Estructura

deformada

Estructuraintacta

GRIETADE FALLA

Cálculo del esfuerzo máximo sobre la estructura de sostenimiento del túnel:


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4.5 RESULTADOS DE LA PRUEBA DE CARGA ÚLTIMA DE LA ESTRUCTURA

Tabla 1. Resultados de la prueba de carga última de la estructura.

CARGA(Kg)

CARGAacumulada

(Kg)

LECTURA DELEXTENSÓMETROVERTICAL

(0.01")

LECTURA DELEXTENSÓMETROVERTICAL

(m.m.)

DEFORMACIÓNVERTICAL (δ =

ΔL / L)ESFUERZO

(kPa)

69 69 0 0 0 8,023255814

11,591 80,591 0 0 0 9,3710465126,575 87,166 0 0 0 10,13558146,629 93,795 0 0 0 10,906395356,580 100,375 0 0 0 11,671511636,585 106,960 0 0 0 12,43720935,250 112,210 0 0 0 13,04767442

5,221 117,431 0 0 0 13,654767445,154 122,585 0 0 0 14,254069774,310 126,895 0 0 0 14,755232564,305 131,200 0 0 0 15,25581395

20,000 151,200 0 0 0 17,5813953520,000 171,200 0 0 0 19,906976743,034 174,234 0 0 0 20,259767443,011 177,245 0 0 0 20,609883722,988 180,233 0 0 0 20,957325582,972 183,205 0 0 0 21,302906988,000 191,205 0 0 0 22,23313953

2,900 194,105 0 0 0 22,570348842,013 196,118 0,05 1,27 0,006684211 22,8044186

16,000 212,118 0,1 2,54 0,013368421 24,664883723,117 215,235 0,1 2,54 0,013368421 25,027325582,806 218,041 0,1 2,54 0,013368421 25,353604652,770 220,811 0,1 2,54 0,013368421 25,67569767

20,000 240,811 0,1 2,54 0,013368421 28,0012790720,000 260,811 0,15 3,81 0,020052632 30,3268604720,000 280,811 0,21 5,334 0,028073684 32,6524418620,000 300,811 0,25 6,35 0,033421053 34,9780232611,510 312,321 0,35 8,89 0,046789474 36,31639535

5,512 317,833 0,35 8,89 0,046789474 36,9573255825,000 342,833 0,51 12,954 0,068178947 39,86430233


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Figura 27. Diagrama de esfuerzo respecto al a deformación de la estructura desostenimiento del túnel


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5. CONCLUSIONES

Por medio del método de Protodyakonov se determino el área de incidencia desuelo sobre la estructura del túnel, este cálculo demostró que el contorno deincidencia de suelo excedía la profundidad de la cota clave del túnel y por lo tantoel suelo que tendería a caer dentro de la excavación de no ser soportado seriatoda la carga sobre la clave del túnel de forma convergente hacia la excavación,esta condición de carga fue comprobada durante la construcción del modelomediante la observación de desprendimiento de terreno, inicialmente con unacárcava a la mitad de la profundidad del túnel y posteriormente desde la superficie;este fenómeno se presento durante una etapa crítica de la construcción ycorresponde a el inicio de la excavación, es decir cuando comienza la interaccióndel disco de corte de la máquina perforadora con el terreno.

El objeto de esta investigación no fue estudiar el comportamiento estricto delmaterial que componía la estructura de sostenimiento del túnel, sino modelar elcomportamiento de un todo que simplificara la conducta de la excavación y elsostenimiento bajo cargas determinadas de un túnel “real”, respetando parámetrosde semejanza de materiales para que el comportamiento del modelo y unpotencial prototipo sea coherente.

Las variables determinantes para fundir exitosamente los elementos prefabricadosfueron el tiempo de fraguado en función de la relación agua / yeso y laconsistencia de la mezcla que es función de la fluidez, manejabilidad, segregaciónde agregados, acabado de los elementos, densidad, resistencia, etc.

La mezcla seleccionada presento una relación agua yeso de 1.2 y una relación deagua / sólidos de la mezcla de 0,42 la interpretación de estos cocientescorresponde a que con la relación agua / yeso obtenida se disponía del tiempo

justo después de mezclar el yeso la arena y el agua para vaciar la mezcla en laformaleta, instalar el refuerzo y elementos que seccionan el anillo, vibrado yafinado de los elementos, este intervalo de tiempo oscila entre 8 y 10 minutos paraque la mezcla presente fraguado inicial y al cabo de aproximadamente 5 minutosmás la mezcla presenta una resistencia inicial mínima pero suficiente como paradesencofrar los elementos, la relación definida agua / sólidos garantiza unamezcla homogénea, es decir no presenta segregación de agregados en la mezcla.

Para determinar el comportamiento mecánico del material se fundieron 3 probetasse pesaron y fallaron cuando alcanzaron peso constante (a partir de14 días) estasse mantuvieron a temperatura ambiente para que los resultados fuerancongruentes con las condiciones del modelo físico, no se logro obtener una buenarelación entre la resistencia del material medida en el laboratorio en fasespreliminares y la resistencia del material en el modelo; esta condición se asocia


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con diferentes variables tales como factores de escala y forma, condición de cargade los elementos y condiciones de la construcción.

En condiciones iníciales de carga, es decir sin sobrecarga, y con una resistencia

estimada de la estructura de 0.4 kg / cm² el túnel tiene un factor de seguridad 5,sin embargo vemos que la resistencia del material es 26 kg / cm² magnitud que seencuentra muy por encima del esfuerzo experimental de falla, esto lleva a laconclusión que las condiciones constructivas y las condiciones de carga delmaterial en el modelo difieren con las condiciones ideales de falla de una probetaprismática en una prensa.

En la figura 26 se ilustro de manera exagerada las deformaciones de la estructuraen el instante posterior a la falla, esta nueva apariencia elíptica de la seccióntransversal del túnel corresponde a las deformaciones esperadas; aquí hay queaclarar que en esta investigación no se obtuvieron valores de deformaciónhorizontal de la estructura debido a una falla técnica de la instrumentación en elmomento del ensayo, pero visualmente si fue apreciable esta deformación, lamáxima lectura registrada por el extensómetro en sentido vertical en la clave deltúnel fue 12 mm y se asume que este mismo desplazamiento ocurrió en la soleradebido a que el problema es simétrico; la experiencia que aporta este trabajo,recomienda usar instrumentos de medida de altísima precisión y sensibilidad(strange gauge) que permitan obtener deformaciones imperceptibles para otrosinstrumentos en etapas iníciales de carga.

La máxima carga soportada por la estructura de sostenimiento del túnel fue 342.83kg.

En la Figura 27 se presento el diagrama del esfuerzo respecto a la deformación dela estructura de sostenimiento del túnel, la interpretación de esta grafica sugiereque en un primer intervalo de incremento de carga la estructura no reaccionadisipando esfuerzos mediante deformaciones porque probablemente este esfuerzoes soportado o disipado por el suelo mismo por medio de reacomodación departículas o consolidación, también mediante el desplazamiento relativo de latotalidad del la estructura y su rigidez, solamente hasta un incremento de esfuerzode 23 kPa se comienza a apreciar deformación en la estructura hasta el punto derotura con 40 kPa.

En el anexo H se presenta el cálculo del esfuerzo máximo transmitido por el árearectangular uniformemente en la superficie deducido por el método m y n típico encimentaciones con zapatas, este demostró que el esfuerzo al nivel de la cota clavedel túnel es de 11.9 kPa menor que el esfuerzo calculado asumiendo una falla enbloque o columnar (39 kPa) como se aprecio en la práctica y como finalmente seidealizo el problema.


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Este trabajo de grado hiso parte de un macro-proyecto creado y desarrollado porel grupo CIROC (Centro de Investigación en Riesgos de Obras Civiles-UNISALLE); el macro-proyecto integraba de manera lógica los resultados dediferentes trabajos de grado de estudiantes de últimos semestres de Ingeniería

Civil de la Universidad de La Salle, dirigidos permanentemente por los profesoresdirectores del macro-proyecto de investigación “Evaluación del fenómeno de lasubsidencia originado por la construcción de micro-túneles en suelos blandos”

Adolfo Camilo Torres Prada y Fernando Alberto Nieto Castañeda. Mediante laconstrucción del modelo físico de la estructura de sostenimiento del túnel y suacertada semejanza respecto a la construcción real de túneles en suelos conTBM (Tunnel boring machine), se lograron resultados representativos y relevantesen el estudio de la subsidencia debida a la construcción de túneles en suelosblandos, estos resultados fueron extrapolados a una realidad existente de maneraexitosa y contribuyen a la planeación y evaluación del desarrollo subterráneo deciudades con alternativas tipo túnel.


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6. RECOMENDACIONES

El modelo físico de la estructura de sostenimiento del túnel y el modelo físicogeomecanico que atravesaba, estaban contenidos dentro de la denominada“pared de pruebas” del laboratorio de modelación de procesos geotécnicos(Geolab) del grupo CIROC, estas recomendaciones están especialmente dirigidasa los autores de futuros proyectos de investigación en el Geolab.

Para un desencofrado exitoso de los elementos prefabricados usando la formaletautilizada en este modelo es importante retirar primero el anillo interno yposteriormente el anillo externo, además de la respectiva lubricación de laformaleta con aceite para evitar que la mezcla se adhiera a las paredes del molde.

La dificultad más relevante en la construcción del modelo fue la instalación de la

estructura de sostenimiento en la medida que el frente de excavación se alejabadel portal del túnel, ya que el sector de sostenimiento se alejabaproporcionalmente al avance del frente y desde el portal se hacia la maniobra deensamble de las tres dovelas que conforman un anillo, es preciso aclarar que seavanzo con sostenimiento hasta una longitud 1.30 m y los 1.20 m restantes delancho de la pared de pruebas fue sostenido con el escudo de la maquinatuneladora. La limitante de instalar el sostenimiento en el ancho total de la paredde pruebas fue principalmente el grado de dificultad que representaba llevarelementos frágiles con peso considerable (1.5 kg / Dovela, aproximadamente) yuna geometría curva que dificulta su manipulación hasta una longitud horizontalmayor de 1.5 m dentro de un perforación horizontal de sección circular y con un

área no mayor a 0,14 m² también la ubicación específica de cada dovela paraconformar un anillo perfecto dificulto esta labor, además del adecuado suministrodel material de pega entre elementos. La recomendación una vez mencionadaesta serie de inconvenientes es definir el alcance de la longitud del túnel en futurosproyectos en función de la posibilidad de instalación de sostenimiento, otra opciónsería perfeccionar la técnica de instalación convencional (entiéndase porconvencional el método implementado en este modelo, ver anexo F) mejorandolas herramientas y procedimientos.

Es importante garantizar que la serie de anillos instalados a lo largo del túnel secomporten como un único elemento, puesto que el principio del métodoconstructivo consiste en ensamblar el anillo de sostenimiento del suelo dentro delescudo del que está provista la maquina tuneladora y mediante el avance de estael anillo sale del escudo y comienza a soportar la carga del suelo, esto se logracon una buena unión entre la serie de anillos comportándose como un único tramode tubería.

Para futuros proyectos podría plantearse una modelación detallada del material, ycaracterísticas especificas de las dovelas usadas para la construcción de


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estructuras de sostenimiento en túneles, usando la técnica de modelación a escalareducida con “micro-concreto” técnica ampliamente estudiada y practicada, la

justificación para este caso sería la modelación de estructuras especiales conmicro-concretos (e.g. estructuras de sostenimiento o revestimiento de túneles)

esto con el fin de perfeccionar el ensayo de carga ultima y poder extrapolarresultados a casos reales; en el caso de micro-concretos es importante destinar unsitio especial de almacenamiento de los elementos prefabricados que garantice lascondiciones de curado. Para simplificar las labores sería importante considerar untramo corto debido a la laboriosidad de la construcción de los modelos.

En ensayos de laboratorio los instrumentos de medida de magnitudes físicas oquímicas, proporcionan los datos objeto de estudio, el estado, la calidad ycalibración de los instrumentos garantizan el éxito de los resultados esperados,pero también es pertinente un permanente y preciso monitoreo para la toma dedatos en ensayos complejos y con montajes dispendiosos. La tecnología avanza

día a día y es preciso valerse de ella para mejorar los resultados y precisión de latoma de datos en investigaciones, utilizando instrumentos de medida de altatecnología como los sensores, estos permiten almacenar los datos encomputadoras, reduciendo los posibles errores humanos en la toma de datos, deesta forma se optimiza esta tarea y la calidad de los datos.

El Geolab es un espacio abierto para el aporte al conocimiento e investigación eningeniería geotécnica, la versatilidad de la pared de pruebas del Geolab del grupoCIROC permite modelar diferentes casos de interacción suelo-estructura, en elGeolab no solo se desarrollan modelos físicos, también hay espacio para elanálisis de los problemas planteados en la pared de pruebas y dispone desoftware especializado para modelación de procesos geotécnicos; larecomendación es para que los estudiantes se integren y participen de esteespacio para consolidar así un novedoso y reconocido centro de investigación eningeniería subterránea.


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BIBLIOGRAFÍA

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MARÍN, Natalia. Evaluación de parámetros elásticos de mezclas artificiales desuelos para modelos del laboratorio Geolab. Trabajo de grado para optar al títulode Ingeniero Civil. Universidad de La Salle de Colombia, facultad de ingeniería,programa de Ingeniería Civil

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ANEXO A

Especificaciones técnicas del yeso


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ANEXO B

Especificación técnica de la malla de refuerzo


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ANEXO C

Especificación técnica de la arena

Arena de río de la región del Guamo Colombia, con una aceptable distribución detamaños, cuarzosa y con bajo contenido de finos, modulo de finura 3.3 indica queesta en un rango deseable con tendencia a ser arena gruesa.

GRANULOMETRÍA

TAMIZDIAMETRO

(mm)

PESORETENIDO

(gr)

% dematerialretenido

% de materialretenido

acumulado

% dematerialque pasa

3/8" 9,5 0 0 0 100

No. 4 4,75 17 3,4 3,4 96,6

No. 10 2 86,5 17,3 20,7 79,3

No. 20 0,85 144,5 28,9 49,6 50,4No. 30 0,6 84 16,8 66,4 33,6

No. 60 0,25 135 27 93,4 6,6

No.

140 0,106 26,5 5,3 98,7 1,3

No.

200 0,075 3,5 0,7 99,4 0,6

Vasija 0 3 0,6 100 0

Σ 500 100


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ANEXO H

Calculo del esfuerzo vertical causado por una carga de franja rectangular uniformementecargada en la cota clave del túnel.

Área del rectángulo = B * L = 0.16 m²

B (lado corto) = 0.20 m

L (lado largo) = 0.80 m

q (carga uniformemente distribuida = sobrecarga / área rectangular cargada)

Sobrecarga = 274 kg

q = 1712.5 kg / m²

Para determinar el esfuerzo a una profundidad z = - 0.5 m (cota clave del túnel respecto ala superficie del terreno) tenemos que considerar una pequeña área diferencial dx dy delrectángulo cargado, dividiéndolo simétricamente en 4 partes iguales obtenemos un áreadiferencial de B’ = 0.1 y L’ = 0.4

Utilizando el método de m y n entonces:

m = B’ / z = 0.1 / 0.5 = 0.2

n = L’ / z = 0.4 / 0.5 = 0.8

Δσ (variación del esfuerzo respecto a la profundidad) = I2 qDonde I2 es un coeficiente que utiliza el método denominado factor de influencia y seobtiene en los nomogramas respectivos utilizando los valores calculados de m y n

I2 = 0.058*4 = 0.232

0.058 es el valor leído en el nomograma y 4 es el número de divisiones del rectángulocargado.

Δσ = I2 q = 0.232 * 1712.5 kg / m² = 397 kg / m² = 3.9 kPa

Más el esfuerzo geo-estático que esta dado por el γ del suelo 16 kN / m³ por laprofundidad (0.5 m) = 8 kPa

Esfuerzo total en la clave del túnel = 11.9 kPa

deformacion y estabilidad en tuneles

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