revestimiento_shotcrete con fibras_r salas

8/19/2019 Revestimiento_Shotcrete Con Fibras_R Salas

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Diplomado en Ingeniería Geológica Aplicada a

Obras Civiles y Mineras

Métodos Constructivos de Obras

Subterráneas

Capitulo 2 Sesion 4

Sostenimiento y RevestimientoConvencional_Shotcrete con fibras


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Al término de esta sesión, Ud. podrá:

. Conocerá y podrá realizar los cálculos dediseño de sostenimiento y revestimiento de

excavaciones subterráneas.


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Tema 1

EXCAVACIONES CONVENCIONALES -GEOMECÁNICA SOPORTES Y

REVESTIMIENTOS


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Se trata de definir coberturas límites:

1.- comportam geomecánicas

TÚNELES EXCAVADOS CONVENCIONALMENTE -GEOMECÁNICA SOPORTES Y REVESTIMIENTOS

Gianfranco Perri

Las características

Cobertura iento de lainferior sección Equilibriosrelacionados con laproximidad de lasección a la superficie.

comportamiento son función2.- Rango de geomecánico de la esencialmentecobertura sección, las cargas a de lasintermedias soportar y el soporte características

requerido, geomecánicas


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Características

comportam geomecánicas

3.- iento de la El estado de tensiones yCobertura sección deformaciones del medio,superior, antes y después de la

excavación


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La metodología de Hoek y Brown (1997), requiere el conocimiento de tresparámetros:

1.- La resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta “σci”. Ver tabla2.- La constante “mi” que define el carácter friccionante de la roca. Ver Tabla

3.- El Geological Strength Index “GSI” del macizo rocoso.

Los parámetros básicos de resistencia y deformación del macizo rocoso,Hoek y Brown, proponen las siguientes fórmulas empíricas:

1.- El ángulo de fricción del macizo rocoso “φm”

2.- La cohesión del macizo rocoso “Cm”

3.- La resistencia a la compresión uniaxial del macizo rocoso”σcm”

4.- El módulo de deformación del macizo rocoso “Em”


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Edición 2002 Hoek y Brown

H: Profundidad del túnel

D: Factor deperturbaciónconstructiva

D = 0, para condicionesno disturbadas

D = 1, Para voladurasno bien controladas.Original dice:

roca muy perturbada


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Macizo rocoso


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Chipped: astilla, desportilla


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A:

Cuerpos macizos, muy fracturados de arenisca. El efecto de pielde los planos de estratificación es minimizado por elconfinamiento de la masa rocosa. En túneles superficiales otaludes, esos planos de estratificación pueden causarinestabilidad estructuralmente controlada.

B:

Arenisca con delgadas capas intercaladas de limolita.

C:

Arenisca y limolita en cantidades similares

D:

Limolita o pizarra limosa con capas de arenisca.

E:

Limolita blanda o pizarra arcillosa con capas de arenisca.


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F:

Tectónicamente deformada, intensamente foliada/fallada,pizarra arcillosa cortada p limolita con rompimientos y capas de

arenisca deformadas, formando casi una estructura caótica.

G:

Pizarra arcillosa o pizarra limosa, imperturbada con o sin muypocas capas delgadas de arenisca.

H:

Pizarra arcillosa o limosa, tectónicamente deformada,formando una estructura caótica con paquetes de arcilla.Capas delgadas de arenisca son transformados enpequeños pedazos de roca.

C, D, E, G:

Puede ser más o menos foliadas, como lo ilustrado pero esto no cambia laresistencia. Deformación tectónica, fallada y pérdida de continuidad en lascategorías F y H.


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Condición de la superficie de las discontinuidades


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Estructura:

1.- ROCA INTACTA O MASIVA

Espécimen de roca intacta o masa rocosa masiva en sitio, con muy pocasdiscontinuidades y extensamente espaciadas.

2.- BLOQUEADA(BLOCKY)

Masa rocosa muy bien trabada e imperturbada, consistente de bloques cúbicosformados por tres sistemas de discontinuidades ortogonales.

3.- MUY BLOQUEADA

Masa rocosa trabada, parcialmente perturbada, con bloques angularesmultifacéticos, formados por cuatro o más sistemas de discontinuidades.

4.- BLOQUEADA/ PERTURBADA

Masa rocosa plegada y/o fallada, con bloques angulares formados por laintersección de muchos sistemas de discontinuidades.

5.- DESINTEGRADA

Masa rocosa pobremente trabada y altamente fracturada con una mezcla de trozosde rocas angulares y redondeados.

6.- FOLIADA / LAMINADA/ TECTONIZADA

Masa rocosa débil, finamente laminada o foliada y tectónicamente desplazada.Foliación fina prevalece sobre otros sistemas de discontinuidades, resultando unacompleta ausencia de bloques.


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preexistente.

Simplificando, se puede indicar quedepende:CLASE DECOMPORTAMIENTO DE LAEXCAVACIÓN

1.- Del estado de solicitación natural

Se puede asociar con la cobertura (H) de laexcavación

2.- De la resistencia geomecánica

Asociada:

Resistencia de los materiales dominantes

macro-estructura geomecánica del macizo(fracturas, alteraciones, anisotropías ymorfologías de las superficies de lasdiscontinuidades).

Para ello se puede usar el RMR deBieniawsky, Q de Barton, RSR de Wikham,GSI.


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Se mantienen en estado elástico, yson

El factor de

(resistencia /

La cavidad y

estables.

resistenciade la cavidad,

redistribución de

naturales,

Los esfuerzos en elfrente y al contorno No superan

el frente sondebido a la

esfuerzos seguridad

solicitaciones)

Clase de (FS > 2.5)comportamiento A

del orden de pocos centímetro

La deformación radial libre de la cavidad

Las (ε = desplaz radial / Ro, ε 60


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altos se puede afectar la resistencia encomportami

Influencia En general un régimen hidrodinámico nodel agua afecta la estabilidad del túnel

Clase de En terrenos alterables o gradientes muy

ento A planos de discontinuidades (caídas debloques)

Las intervenciones de estabilización son mínimas.


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deformaciones

La deformación

cavidad ( 1%


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agua ,

En régimen Afecta la estabilidad delInfluencia del hidrodinámico túnel

Reduce la resistencia alcorte del terreno

Favorece la extensión de

Clase de

comportamiento

B

la plastificación

Caídas de bloqueseventualmente en el

frente y en elcontorno de lacavidad.

Se debe desviar el agua de la zona del frente


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Clase de

comportamiento

B

Las intervenciones de estabilización deben evitar el completodesconfinamiento del macizo rocoso en el contorno de la cavidad


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frente resultan algo críticas de la cavidad (

Las1%)pueden condicionar la

Factor en el frente será

cavidad (FSc < 1 )

Clase de

C

del medio.

el frente y al

cavidad

el frente

La son inestables.

cavidad y Los esfuerzos en Supera la resistencia

contorno de la

comportamiento (FSf ≅1) y en la

En el frente aunque no se En el frenteproducen derrumbes (0.5


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Clase de

C

inmediatamente externa al perímetro de la

radio de plastificación y en consecuencia a limitar las

La colocación de una serie de elementos de vidrioresina periféricos extendidos en el inmediatoestrados del perímetro de la excavación, con la

acción mecánica de la armadura depreconsolidación, forma una corona de roca

comportamiento excavación, que contribuyen a limitar la extensión del

cargas finales de equilibrio sobre el soporteseleccionado.


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deformaciones

comportamien

frente Los esfuerzos que

el frente y al

Superan las

de resistencia

(FSc < 1 )

Son inestablesLa cavidad y el

se establecen en características

contorno de la del medio

cavidad, en el frente será(FSf 1%)

La deformación radial libre de la cavidad ( 5% 4)


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consecuente convergencia radial muy

deformaciones críticas para las normales velocidades deLas En el frente las deformaciones son

avance.

Las condiciones de la cavidad lejos del

Clase de

comportamien

to D

frente resultan aún más críticas con una

importante.

El IC ( 0.15 < IC< 0.20)El GSI principal controlador de la excavación cuando lascoberturas son moderadas es bajo (20 < GSI< 40)

Influencia del En régimen hidrodinámico, se traduce enagua fenómenos de arrastre de materiales.

Favorece la extensión de la plastificacióne incrementa la deformación

Se debe prevenir la presencia de aguasobre todo en el frente, desviándolatratando en lo posible mantenerla alejadahacia el exterior .


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Clase de

desarrollo de la

el frente de la

el sentido radial

del núcleo con elementos

conectados al macizo

mezclas de cemento.

No hay tiempo de actuar con intervenciones decontención radial

Para contener el Consolidación preventiva

plastificación en resistentes de vidrio resina

excavación y en mediante inyecciones de

comportamien

to D El soporte primario debe estar constituido por unaespesa capa de concreto proyectado

Soporte fibroreforzado y pesadas costillas metálicas

Colocar elementos radiales constituidos por vidrio resina,guayas o pernos, estructuralmente equivalentes

El uso de ellos dependerá de la factibilidad práctica de su

construcción, en relación con la densidad y longitud queresulten necesarias.

Los elementos deben estar integrados y su densidad y longituddependerá esencialmente del comportamiento deformacional delmacizo rocoso alrededor de la excavación.


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Los bulones cosen

frente las cuñas

del frente inclinados unos

Tratamientos especiales

Estabilización de la clave:

Se aplican cuando al efectuar el avance ésta es inestable.

1 Enfilaje o forepilingBulones en la parte alta

40º - 45º hacia adelante

por delante del

que puedan

producirse en lazona de clave enavances posteriores


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2 ParaguasSe introducen antes de cada avance

Pueden construirse con bulones de diámetro 32 mm paralelosal túnel

Pueden construirse con tubos huecos inyectados de diámetro102 a 150mm y espesor 3 a 4 mm.

Se usa paraatravesar unazona de rocamuy fracturada

o muy alterada

Solape entre tubos de 2 a3 m, Cuando la zonaatravesar es amplia.

El paraguas actúa como una viga, por tanto debenapoyarse. Por tanto deben colocarse cerchas amedida que se avanza.


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3 Paraguas o corona de Jet GroutingConformados por perforaciones inyectadas a

presión, lo cual consolidan el suelo en unazona amplia que rodea el futuro perímetro deltúnel.

Son apropiadospara atravesarzona de material

suelto (zona defalla) o rocadescompuesta


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contrafuerte o

Estabilización del frente

Si el frente es inestable, existe la posibilidad de derrumbe del frentehacia el interior del túnel.

El tratamiento no debe ser moderado ya que se debe remover para elavance.

1 Machón central No se excava Se deja untodo el frente machón que

soporte losempujes del frente

Hastíales y clave excavados para colocarsostenimiento


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2 Bulonado del frente Se cose el frente con bulonado L = 9 m

Prefible los bulones debenser de fibra de vidrio queson fáciles de excavar

1 Bulón por metrocuadrado

Proporciona buena estabilidad del frentetanto en suelos como en rocas alteradas yfracturadas


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de 3 a 5 c msellado del frente

3 Sellado del frenteSe realiza un Ese espesor del concreto es

con gunita

Evita el lavado de las juntas o arrastrar roca

suelta

Se debe drenar bien el agua del frente


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4 Excavación a media secciónEs una buena medidapara estabilizar un frente

Se excava en dosfases mínimo

Desfase mínimo entreambas 20 metros

Si hay más divisionesrequiere mayororganización


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Clase de

comportamiento D


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Derrumbes inmediatos como

comporta(FSf


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Zonas de fallacomporta

Comportamien Macizos rocosos cataclasados

Clase de to es típico

miento E Cruce de fallas

fuertes gradientes

Desequilibrios tensionales elevadísimos

Es necesario la evaluación geo-estructural e hidrogeológicas.

La deformación al frente (ε o >> 1%)

DeformacionesLa deformación radial libre de la cavidad ( ε> 10 %)

La plastificación es prácticamente inexistente (Rp/Ro>> 4)

El IC ( IC< 0.15)

El GSI principal controlador de la excavación cundo las coberturasson moderadas es muy bajo ( GSI< 20)


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El soporte primario debe ser como el indicado en la clase D, pero ademásdebe contemplar otras soluciones técnicas tales como: Costillas con apoyoaumentado, tratamiento del terreno de fundación de las costillas, arco

invertido provisional, arco definitivo en avance, arcos de pre-soporte de laexcavación, etc.


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Escudos de lanza penetran el sueloaplicándoles fuerza a través de una

serie de gatosBajo el escudo se excava conmáquina o a mano

El avance de 2.5 a 3 m y se aplicahormigonado

El resto de la sección se usa el

método de madrid.

Prebóveda cuyo hueco se hace conuna sierra.

El espesor de la prebóveda de 10 cm a30 cm y longitudes de 3 a 4.5 m.


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La experiencia de túneles excavadosconvencionalmente, en:

Rocas metamórficas foliadas desdedescompuestas a frescas, y en rocas masivasdesde descompuestas a frescas, como tambiénen terrenos sedimentarios y residuales, hanpermitido definir:

Hs entre 75 m a 150 m

Hi entre 10 m y 25 m.


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b: Ancho o diámetro equivalenteGSI 15

Hi = b ⋅75

Hs = b ⋅GSI

Las expresiones indican:

Se amplia el rango de coberturas Al aumentar la calidad del intermedias, donde el comportamientomacizo (GSI) de la excavación, el soporte, están

solamente asociadas en primera

instancia al GSI.

Con la cobertura de una determinada sección del túnel, las cargasactuantes sobre el soporte se estiman:

1.- Aplicando la metodología del sólido de cargas en caso de coberturasmoderadas, inferiores a Hs.

2.- Aplicando la metodología de las líneas características para coberturasaltas superiores a Hs.


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Distribución de cargas sobre el soporte:

Para el revestimiento definitivo

Para las secciones de excavación con coberturas bajas y coberturasintermedias

Cargas gravitacionales verticales en bóveda

Cargas Horizontales en los hastíales

Revestimientodefinitivo


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coberturas bajas (H


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La reducción será mayor , si se asume

Para las secciones de excavación con coberturas moderadas (Hi< H


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Las acciones sísmicas se aplicarán

Las cargashorizontales

Obtenidas por la teoría clásica deempujes

O las que se obtengan de la reacciónelástica de confinamiento ofrecida porel terreno sobre el revestimientodeformable

Revestimientodefinitivo

donde solamente lo recomienden losestudios geológicos y geotécnicos


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más profundasaplicadas solamente en la zona de la

Para las seccionesLas cargas actuantes son radiales y

bóveda

Magnitud proporcional a la extensióndel radio de plastificación

Se debe tomar en cuenta el equilibrioalcanzado con el soporte primario

Las acciones sísmicas se aplicarándonde lo recomienden los estudiosgeológicos y geotécnicos.

Revestimiento definitivo


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Para el soporte primario

Indistintamente la Se aplican cargas radiales en bóveda y

cobertura. hastíales.

coberturas bajas (H


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cobertura. hastíales.Coberturas moderadas (Hi< H


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cobertura. hastíales.

Coberturas profundas ( H>Hs)

Las cargas de equilibrio decontraste actuantes sobre elsoporte primario, serán lasradiales que resulten de unanálisis de interacción porlíneas características

Soporte primario


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mi

GSI


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Selección y diseño estructural del soporte

El principal elemento de soporte es el concreto fibrorefrozado,complementado con marcos y pernos metálicos, los cuales podrán sercolocados en diferentes combinaciones.

La tabla, muestra diferentes combinaciones propuestas del soporte primariopara a un túnel de 10 m de ancho (b) o de diámetro equivalente, para losdiferentes comportamientos.


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La selección depende de:

Para la condición geomecánica donde sistema de soporte es el (SP_a), no esnecesario integrar el soporte con marcos metálicos.

Para la condición geomecánica donde sistema de soporte es el (SP_e), es

inevitable integrar el soporte con marcos metálicos.Para las condiciones geomecánica intermedias donde sistema de soporte es el(SP_b, SP_c, SP_d), es posible optar por lo menos entre dos alternativas: Losmarcos metálicos para integrar el concreto proyectado y la otra basada encambio sobre el uso sistemático y extensivo de pernos metálicos para integrarel concreto proyectado. DESDE EL PUNTO DE VISTA ESTRUCTURAL ESCIERTAMENTE POSIBLE ALCANZAR EL MISMO OBJETIVO EN CUANTOA CAPACIDAD ESTRUTURAL O CAPACIDAD DE CONTRASTE DELSOPORTE.

1.- Disponibilidad en obra de los elementos

2.- Disponibilidad de los equipos para la colocación de los elementos

3.- Diferencia de costos4.- Condiciones contractuales

5.- Rendimientos

6.- Experiencia y tradición del constructor


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A continuación se presentan resultados obtenidos de con el programa SAP(structural análisis program), para espesores de 14 cm (P-b), 16 cm (P-c), 20cm (P-d/e).

Los resultados fueron los siguientes:

Cuando los análisis se hacen conpresiones uniformes sobre todo elperímetro del soporte, no se producen

tracciones en las zonas de la bóveda.

La zona más crítica para lossoportes, en cuanto a la magnitud

de las tracciones son las de loshastíales a contacto con elterreno.


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Cuando los análisis se hacen conpresión reducida, las tracciones que seproducen en las zonas de bóveda,resultan siempre inferiores a lascorrespondientes de los hastíales.

Tracciones mayores enlos hastíales


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La máxima tracción obtenida fue

seguido con valores de 8.2, 7.3,

compatible con las

equivalentes a tracción por

Presiones son uniformes

Tracciones son máselevadas sobre loshastíales

Cuando se consideramenor rigidez para elterreno.

Las tracciones en todos lossoportes resultaron inferioresa 1 MPa, lo cual es

de 9.0 kg/cm2 (0.9 MPa), resistencias características

5.7, 3.9, 2.8 y 0.3 kg/cm2. flexión que se puedenalcanzar con un concretoC24/30 y con unadosificación mínima de fibrasmetálicas de 25 kg/m3.


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La tabla siguiente es obtenida a partir de todos los análisis llevados acabo anteriormente

Puede ser usada para un prediseño del soporte primario, de túneles condiámetro equivalente de 10 metros.

El comportamiento de la excavación está referida al GSI para coberturasbajas y moderadas

El comportamiento de la excavación está referido al índice de competenciaIC para coberturas elevadas


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La tabla complementaria muestra las características geométricas yestructurales básicas de los soportes, donde se indica la mínima resistenciaequivalente a tracción por flexión (feq) referencialmente recomendada


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Filosofía adoptada en el diseño y construcción de los túneles excavadosconvencionalmente:

Un túnel es una cavidad que debe ser

estabilizada a corto plazo (durante suconstrucción) y a largo plazo (toda lavida útil).

Los factores de seguridad de la cavidad yde la obra, serán diferentes para el cortoplazo ( durante su construcción) en

comparación con el largo plazo (durantela vida útil).

Más que factores de seguridad, debenestablecerse márgenes de seguridad ode confiabilidad o de probabilidad defalla de la cavidad u de la obra.

A corto plazo: Probabilidad de falla se acepta5% por ejemplo (relativamente alta)

A largo plazo: Probabilidad de falla se acepta0.01% por ejemplo (muy baja)


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La caracterización física y geomecámica, delmacizo rocoso, debe ser expresada en términos

estadísticos mediante adecuadas distribucionesprobabilísticas que reflejen la naturaleza variablede cada una de las propiedades.

La “Clase de comportamiento de la excavación”,diferenciadas a través de la caracterizacióngeomecánica del medio (GSI) y del estado desolicitaciones (IC), refleja:

a.- Características geomecánicas del medio

b.- Solicitaciones naturales pre-existentes

c.- Procedimientos constructivos (tipos desoporte, instalación)


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El soporte primario debe garantizar la seguridadde los trabajadores y la estabilización de lacavidad a corto plazo. Por tanto:

a.- Las condiciones del ambiente en el cual secoloca este soporte, pueden ser incomodas,hostiles y hasta peligrosas

b.- Los controles de calidad pueden serlimitados y deficientes

c..- Su confiabilidad estructural no será a largoplazo.

d.- Su función por tanto es limitada.

Para aumentar la seguridad, el revestimiento primario (concreto+ costillas + pernos de costura ), deberá ser integrado conelementos de refuerzo mecánico del macizo rocoso, tales como

pernos metálicos, resinas de vidrio, inyecciones, ect.También se puede mejorar la calidad del macizo con elementosde pre-soporte, tales como, arcos troncocónicos de concreto enprecorte, o de jet grouting o de micropilotes


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Limitar la deformación del frente(extrusiones), incrementando adecuadamentesu rigidez, es determinante en la estabilidaddel túnel a corto plazo y a largo plazo.

La forma de la excavación, la forma del soporte y la forma delrevestimiento, deben ser seleccionados de manera tal queresulten:

a.- Estáticamente eficientes

b.- Constructivamente factibles

c.- Económicamente óptimas.

En principio tendrán forma de herradura o con un único arco decírculo.

La forma de la solera, podrá ser seleccionada para cada sectordel túnel, que puede variar desde plana (calidad buena )hastacurva con el mismo radio que el resto del perímetro (calidadpesima).


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REVESTIMIENTO DEFINITIVO

Debe garantizar el adecuado factor de seguridad o

la confiabilidad establecida para la obra.

Debe absorber las cargas que se estime lesean aplicadas a largo plazo.

En las cargas de diseño se incluirá lasacciones sísmicas para secciones de túnelmuy superficiales o en secciones de túnelexcavadas en sectores geológicosdesfavorables, como por ejemplo brechas defalla.


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Si acero de refuerzo no es requerido, sedebe colocar acero par controlar elagrietamiento por retracción ó sustituirlo por

una adecuada cuantía de fibras que limitenel desarrollo de las grietas.

Si el revestimiento no es requerido porexigencias estructurales, su función será:

a.- Facilitar la ventilación naturalb.- Garantizar la regularidad geométricade la sección

c.- Contribuir a la impermeabilización

d.- El espesor mínimo será de 30 cm

compatible con las exigenciastecnológicas.


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El cálculo estructural se lleva a cabosiguiendo la común práctica de laingeniería estructural, apoyándose

en los análisis numérico y siguiendola teoría de los estados límites y lasnormas ACI para estructuras deconcreto armado.

El análisis estructural, se realiza a partir de losvalores medios y desviaciones estándar de GSI,

σci y mi.

La presión actuante corresponde a una probabilidad que noexceda el 95%

El coeficiente de reacción característico del macizo rocosocorresponde a una probabilidad que exceda el 95%


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ESTADO DE CARGAS ACTUANTES

1.- El estado límite de agotamiento se evalúa para la siguiente combinaciónde cargas

U =1.2 ⋅ PP +1.3 ⋅CB

donde:

PP: Peso propio

CB: Carga de Bóveda

2.- Cuando se considera la acción sísmica, la combinación es:

U = PP + CB + S


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3.- Cuando no se considere la carga de sismo y la carga de roca resultedespreciable, la combinación de las acciones será:

U = 1.2 ⋅ PP + 1.2 ⋅

DT

donde:

DT: Decremento de temperatura (s.r esfuerzo o carga por deformación detemperatura)

4.- Para los casos de carga superficiales e intermedios, se aplican lascombinaciones que incluyen también la carga de hastíales (CH)U = 1.2 ⋅ PP + 1.3 ⋅ CB + 1.3 ⋅

CH

U = 1.2 ⋅ PP + 1.3 ⋅ CB + 0.8 ⋅

CH

U = 0.9 ⋅ PP + 0.8

⋅ CB + 1.3

⋅CH

U = PP + CB + CH + S


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Resumen de la sesión:


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