RELLENO Y FILTRACIONES EN DISCONTINUIDADES EN TUNELES

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADORRELLENO Y FILTRACIONES EN DISCONTINUIDADES EN TUNELESTRELLES LILIANA

GEOTECNIASEPTIMO - SEGUNDO

RELLENO Y FILTRACIONES EN DISCONTINUIDADES EN TUNELES

INTRODUCCION Al realizar los estudios geotcnicos estos deben tener un anlisis de cmo es el terreno, y cmo se comportar se comience con la excavacin de tnel y a largo plazo, durante la explotacin. Otros aspectos a tomar en cuenta sern la presencia de agua (presin y caudal dentro del tnel), tensiones residuales en el terreno, afeccin de obras prximas, etc.La construccin de tneles necesita una caracterizacin geolgica adecuada para el control de las tcnicas de perforacin, revestimiento, etc.La mayora de terreno a perforar es roca, por lo que identificar las principales caractersticas del terreno como son el tipo y distribucin de rocas, resistencia, durabilidad, fisuracin, resistencia, deformabilidad para recolectar la suficiente informacin antes de comenzar el trabajo. El estudio de las discontinuidades tambin es de gran importancia, ya que de ellas dependen varios factores para caracterizar el macizo rocoso. El peligro que corre una perforacin, tanto para trabajadores como para la obra en s, es muy alto al encontrarse durante el trabajo con una falla, diaclasas, estratificiones, o fallas las cuales pueden contener rellenos o filtraciones.Las discontinuidades presentes en la roca afectan las condiciones de resistencia de la misma, aparte que se debe evaluar cmo afectan estas al comportamiento del macizo, adems, del origen que tienen los rellenos, la cantidad de agua el nmero de familias, etc.La orientacin y caractersticas de las discontinuidades constituyen que determinan la geometra de la interseccin del macizo rocoso con el tnel. Su importancia es fundamental pues incide directamente sobre el tipo de roturas y, por tanto en los problemas de estabilidad, adems de las distribuciones.Si bien se realiza todos los ensayos geotcnicos necesarios para evitar problemas, el controlar todas las condiciones que se irn presentando conforme avance la perforacin ser falso. Uno de los grandes problemas durante la construccin de un tnel es el encontrarse con fallas geolgicas o discontinuidades de gran abertura, las cuales pueden tener en su interior rellenos de materiales de terreno natural o que circulen por ella agua.Estos dos representaran peligro ya que al retirar la presin que ejerca el suelo para sostenerlos pueden precipitarse sobre maquinas, obreros, etc. o en el caso de agua inundar todo el tnel excavado.En muchas rocas circula agua u otros fluidos. Si su permeabilidad es reducida y se someten a carga de alguna manera, el impedimento de flujo libre provoca presin lo cual reduce la resistencia. Tambin se plantea que el efecto del fluido es promover un comportamiento dctil en un material que sera normalmente frgil en estado condicin seca.

DESARROLLOSiendo la geologa uno de los factores ms importantes a tener en cuenta a la hora de la construccin del tnel debido a que con esta informacin se definir el mtodo de construccin a utilizar. Para realizar la exploracin geolgica, se realizan diversos ensayos dependiendo del tipo de material. Para suelos se realizan generalmente sondajes (SPT, CPT entre otros), calicatas, mapeos superficiales, ensayos geofsicos y ensayos de laboratorio. Para roca se realizan principalmente sondajes, mapeos superficiales, ensayos geofsicos y ensayos de laboratorios. Mientras ms ensayos se realizan para la exploracin, menos incerteza se tendr sobre el terreno al momento de disear y excavar.En un proyecto de tal importancia como los tneles es difcil determinar cul es el nmero correcto de ensayos para reconocer el terreno. Por un lado se encuentra el costo que implicara el realizar demasiados y por otro existe un momento en que a cierto nmero de ensayos los resultados ya no dan informacin nueva sobre el terreno lo cual vuelve ineficiente el seguir realizando los ensayos.A la hora de excavar, se tiene estudios los cual pronostican un tipo de terreno a perforar, pero al llegar a la realidad a veces se encuentran con materiales diferentes de mala calidad, fallas geolgicas o discontinuidades no programadas. En estos sectores se pueden producir derrumbes, incluso si existe filtraciones de agua es posible que se pueda provocar una inundacin).El nuevo material con el que nos topemos al excavar al producir algn derrumbe en el tnel puede llegar a tener repercusiones en la superficie al crear socavaciones en la misma, causando grandes daos alrededor de la zona de excavacin como hundimientos.Se puede tener un ejemplo claro en el caso tneles como el de Green Park, Londres (1964) en el cual se tena diferente estratigrafa donde se alcanz un tramo de arena, cuando la excavacin topo este tramo, la arena cayo y esta fluyo dentro del tnel. (Figura 1)Otro ejemplo se puede observar en Gibei, Romania (1985) (Figura 2), en donde la construccin del tnel para una va ferroviaria se encontr sorpresivamente con un lente de arena dentro de toda la arcilla, la cual tambin se desliz hacia adentro del tnel, generando un colapso.Para la excavacin en suelos ste es un tem complicado en trminos de estabilidad. Si durante la excavacin se encuentra con un material de distinto origen, es posible que se tenga que paralizar la obra para determinar en un principio la estabilidad de la frente. Luego se deberan realizar estudios sobre si este material resulta estable utilizando la fortificacin diseada o si es necesario un re-diseo del sostenimiento (temporal y final) y finalmente es posible que se tengan que realizar ms calicatas a lo largo del tramo proyectado para determinar con mayor precisin el perfil geolgico.Las discontinuidades que encontraremos en el macizo a perforar estarn definidas por la continuidad, apertura, rugosidad, relleno, etc. El relleno podr contener arcilla, arena o mezcla de varios tipos de suelo. Un caso ser que entre el espacio de la falla estar relleno con roca triturada, que puede llegar a tener el tamao de granos de arena, que tendr tendencia afluir por el tnel. Tambin se tiene que las caractersticas como el espaciado, la continuidad y la apertura de las discontinuidades son aquellas que controlan el flujo hdrico hacia el interior de la excavacin.Otro problema durante la construccin de un tnel ser las filtraciones de agua a travs del macizo rocos (filtracin primaria) o a travs de las discontinuidades (filtracin secundaria), estas afectan las excavaciones subterrneas. Aunque se conocen algunos mtodos de control de las filtraciones, su implementacin no siempre responde a un estudio previo de las caractersticas del macizo ni a un procedimiento basado en un anlisis de variantes que permita aplicar la ms racional en cada caso especfico, aspecto que incide en la calidad y efectividad de las soluciones que se adoptan para controlar las filtraciones.Al momento de escoger un mtodo constructivo se deber tener en cuenta que estos influencia sobre las condiciones geo mecnicas. El hecho de la apertura de la excavacin implica que las tenciones naturales cambien y se creen tensiones inducidas.En los mtodos de excavacin que tenemos se indicara los tradicionales que son por perforacin o voladura donde se puede realizar el trabajo de forma manual ( Mtodo Belga) o por Jumbos , tambin se tiene el mtodo conocido como mecanizado donde encontraremos las Tuneladoras. Para poder detectar sea el mtodo que sea, se puede realizar sondajes hacia delante de la excavacin para poder tener una idea general de las condiciones que se tendrn antes de la excavacin. Esto tambin nos permitir conocer, de existir, el caudal y cul es la presin hidrulica que ejercer. Podremos detectar uno de los aspectos ms importantes a la hora de la excavacin como es la de detectar fallas geolgicas o situaciones ms complicadas. En el caso de las Tuneladoras, van detectando las variaciones en la resistencia del terreno. Con estos conocimientos se permitir tomar las debidas precauciones antes de realizar las operaciones correspondientes al trabajo los sectores donde existen fallas y filtraciones.Unos de los aspectos importantes a tomar en cuenta ser la orientacin de las discontinuidades, ya que una disposicin adecuada har que se tenga menos problemas con las filtraciones o los rellenos en las discontinuidades.De tal forma se tiene una distribucin anticlinal la cual es favorable para la construccin del tnel y sinclinal que es desfavorable. (Figura 3). Se buscar evitar construir el tnel siguiendo de forma paralela la distribucin anticlinal ya que al siempre existir agua en la matriz rocosa esto aumentara la permeabilidad secundaria que ser el flujo a travs que se genere a travs de la discontinuidades y grietas. (Figura 4). Si sobre el tnel encontramos una capa impermeable y esta se encuentra sin fisuras se podr descartar algunos problemas por filtraciones. (Figura 5). Las fallas tambin influyen en la capacidad que tiene el terreno para mantenerse firme, por lo que la ubicacin de la misma tambin es de importancia para evitar derrumbes (Figura 6). Al excavar se retira la capa de terreno que sostena al material de relleno provocando que este por su peso propio y las presiones ejercidas se precipite hacia el tnel en construccin. (Figura 7). Los riesgos de que haya derrumbes por las fallas son bajas cuando la zona donde se ubica el tnel es descomprimida (Zona A), cuando hay muchas tensiones, y la falla se encuentra muy cerca del tnel los riesgos son muy altas (Zona B), cuando un tnel se encuentra en tensiones normales de acuerdo con la topografa, el tnel se aleja de la falla (Zona C). (Figura 8).El avance y sostenimiento que se tendr en estos denominados terrenos difciles, en lo que se incluye las zonas de fallas, cavidades, aportes o flujos de agua, etc. son los principales riesgos que habr durante la excavacin del tnel.Por esta razn resulta de gran importancia que se tomen medidas preventivas de los mismos bien durante el proceso previo a nivel de proyecto o bien durante la construccin.En el caso de las filtraciones que se producirn en las discontinuidades encontradas alrededor de los tneles se utilizara revestimiento impermeable el cual podr mantener el rea del tnel libre de agua, redirigiendo est a travs de un sistema de drenaje, donde se tendr a parte de la proteccin del hormign prefabricado, un revestimiento de acero o aluminio. Tambin se colocaran membranas de proteccin del agua, lminas de poliestireno con fibras de plstico (para proteccin de la lmina en casos de incendios) (Figura 9), este mtodo es aplicable en el caso que se tenga una excavacin por mtodos tradicionales.Cuando se trabaja con uno de los mtodos ms modernos en construccin de tneles, como es la construccin con tuneladora o a T.B.M. (Tunnel Boring Machine), que es uno de los mecanismos con mayor desarrollo y expansin en comparacin con otros mtodos convencionales de construccin de tneles, se logra excavar una seccin completa.Al igual que en otros mtodos para construccin de tneles, la T.B.M tambin se encontrar con los problemas debido a los distintos tipos de terrenos con sus propiedades mecnicas, diferente abrasividad o inestabilidades. A lo largo de la construccin del proyecto las condiciones impuestas por el entorno como la presencia de agua, construcciones prximas crearan problemas a lo largo de la construccin. Por esto la Tuneladoras no son universales si no que se disean dependiendo de las condiciones a las que se va a enfrentar. En el caso de que la tuneladora vaya a perforar en un sector donde se encuentre con terrenos de roca blanda y suelos, estn tendrn escudos las cuales son diseados especficamente para perforar sin problema en estos sectores. Cuando se tiene flujo de agua sobre la excavacin en tuneladora y el agua comienza a infiltrarse en el tnel, dando el peligro de que se produzca una inundacin, se detendr la excavacin, se analizara si el agua que se filtra a la excavacin es de una cantidad considerable, se proceder a utilizar bombas como medida para drenar el agua y aplicar medidas para pasar por esta parte del terreno. La solucin para este problema consistir en la aplicacin de lechada de cemento, esta se la inyectar por medio de un sistema de bombas y mangueras las cuales se conectan a travs del hormign hasta el terreno. As inyectando la lechada se creara una roca artificial alrededor del tnel y por delante del mismo (Figura 10), de tal manera que la maquina pueda continuar tranquilamente.Por otro lado si al pasar por una falla la tuneladora encuentra un terreno de menor dureza, la excavacin se realizara de manera ms gil. Esto har que los problemas ya no se concentren en la excavacin en s, tales como la limpieza de la bveda y colocacin de dovelas y rieles para el transporte, la colocacin de pernos y mallas. Debido a que la dureza de la roca disminuye, es posible que la clasificacin del macizo tambin lo haga, y las propiedades como resistencia, deformaciones y filtraciones que son las principales tambin variaran. Todos estos aspectos se traducirn en un aumento de material utilizado para el sostenimiento, esto afectara los tiempos en el revestimiento del tnel. En el caso de realizar excavaciones con mtodos tradicionales se contrarrestara la presencia de discontinuidades con diferentes mtodos constructivos los cuales darn ciertos beneficios dependiendo de su uso.El hormign proyectado, es un mtodo el cual cumplir con dos propsitos definidos que son el sellar la superficie de la roca, cerrando discontinuidades, evitando descompresin y la alteracin de la roca. El otro objetivo del hormign proyectado ser desarrollar una resistencia que trabaja como lmina, resistiendo las cargas que transmite la roca al deformarse.Una vez que se finaliza las labores de limpieza en el tnel, es conveniente aplicar, en el menor tiempo que se pueda aplicar la primera capa de sellado. Esta primera capa tendr como funcin garantizar la estabilidad a corto plazo la estabilidad de la seccin.Una vez que se coloca esta primera capa se proceder a proyectar por capas el resto del hormign, teniendo en cuenta que el espesor mximo por capa ser 10cm.Otro mtodo que se realizara para la enfrentar las inestabilidades creadas por las fisuras, son los anclajes, estos son elementos que se colocan dentro de un taladro efectuado en el seno de la roca. Unen las juntas de la roca e impiden que las cuas y bloques puedan deslizarse a favor de estas discontinuidades.El anclaje se colocara despus de una capa de gunita y no se continuara con la excavacin del tnel hasta que se haya completado el anclaje de la parte posterior.As, como conclusin se tendr que el estudio de discontinuidades en macizos rocosos, ya que estas darn las caractersticas de resistencia necesarias para definir el entorno en el que se desarrolla la construccin del tnelAl igual que al estudiar las discontinuidades nos ayuda a la seleccin del mtodo constructivo y como se analizara la colacin del tnel segn las orientaciones.

ANEXOS

Figura 1.- Esquema de la falla, tnel Green Park

Figura 2.- Esquema de la falla, tnel Gibei

Figura 3.- Distribucin anticlinal y sinclinal del terreno Figura 4.- Permeabilidad secundaria. Figura 5.- Capa impermeable

Figura 6.- Influencia de las fallas en la estabilidad de un tnel

Figura 7.- Fallas en la construccin de tneles

Figura 8.- Ubicacin de los tneles segn el riesgo de desprendimientos.

Figura 9.- Tnel terminado

Figura 10.- Creacin de una roca artificial

BIBLIOGRAFIA Manual de Ingeniera Geolgica, Instituto Tecnolgico GeoMinero de Espaa. Manual de perforacin y voladura de rocas, Instituto Tecnolgico GeoMinero de Espaa Tesis Anlisis cualitativo y jerrquico de incertezas en la construccin de tneles, Gacitua C. Jos, Universidad de Chile Procedimiento para el contro de filtraciones en excavaciones subterrneas. Caso de estudio tnel Serones Salida Guaro, Recio C. Armando, Quesada W. Roberto, Legra A. Aristides Geotecnia aplicada a la construccin de tneles, Carrasco N. Salvador, Ortiz P. Ral, Ruiz A. Juan. Apuntes de Clase Geotecnia, Facultad de Ingeniera, Universidad de los Andes http://ropdigital.ciccp.es/pdf/publico/2001/2001_marzo_3408_06.pdfTtulo: Recomendaciones de excavacin y sostenimiento para tneles http://www.uptc.edu.co/export/sites/default/eventos/2012/cim/documentos/des_tuneles.pdfTtulo: Desarrollo de tneles mineros https://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/6215/1/00.pdfTtulo: El sostenimiento de tneles basado en las clasificaciones geomecnicas https://www.etcg.upc.edu/asg/TiMR/descargas/T8.pdfTtulo: Construccin de tneles en roca http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/nbelandria/materias/geotecnia/macizos.pdfTtulo: Tneles en macizos rocosos heterogneos http://materias.fi.uba.ar/6408/14b%20Tuneles%20en%20rocas.pdfTtulo: Tneles en rocas

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