Construcción de túneles en suelo
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UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA Escola Tècnica Superior d’Enginyers de Camins, Canals i Ports Túnels i Mecànica de Roques Tema X: Construcción de túneles en suelo MÉTODOS TRADICIONALES DE EXCAVACIÓN DE TÚNELES EN SUELO Método Belga Método de excavación de túneles en suelos que consiste en la excavación de una galería en la clave y ensancharla poco a poco, protegiendo y entibando el frente, hasta permitir hormigonar toda la bóveda. Fases constructivas - Excavación y entibación de la galería de avance - Excavación y hormigonado de la boveda - (Excavación de la destroza o pasillo central) - Excavación de las bermas laterales y construcción de los hastiales - Construcción de la contrabóveda Método Belga Fase 1 Excavación y entibación de la galería de avance en clave Excavación en avances de unos 2.5 m de longitud. Entibación con tablas, puntales enanos, tresillones de madera y longarinas metálicas (madera de álamo negro por su mayor deformabilidad) Método Belga Fase 2 Ensanche lateral de la galería de avance y entibado con tablas, puntales, tresillones de madera y longarinas metálicas Método Belga Fase 3 Cimbrado y hormigonado de la bóveda Método Belga (Fase 4 Excavación de la destroza) Método Belga Fase 5 Excavación y hormigonado de los hastiales por bataches contrapeados (de 2.5 m longitud) CARACTERÍSTICAS DEL MÉTODO BELGA El Método Belga es utilizable siempre que el terreno sea lo suficientemente bueno como para soportar el descalce de parte de la bóveda para ejecutar los bataches (no adecuado en terrenos arenosos con abundante agua). Método artesanal que no requiere maquinaria avanzada ni grandes inversiones. Avances de entre 30 y 50 m/mes dependiendo de la calidad del terreno (24 h de trabajo). Al descalzar la bóveda para la construcción de los hastiales pueden producirse agrietamientos o la rotura de la bóveda (diámetros de túnel grandes o estaciones). Ello llevaría a mayores asientos. Como alternativa se aplica el método Alemán. TÚNEL ALTA VELOCIDAD BARCELONA Método Alemán http://www.geocontrol. http // geoc http://www.geocontrol.es http://www.geocontrol.es TUNELADORAS Tuneladoras para suelos (Escudos) Primera aplicación del principio de excavación con escudos en suelos Túnel bajo el Támesis con el sistema concebido por el ingeniero Marc Isambard Brunnel en 1806 Primera aplicación del principio de excavación con escudos en suelos Arcillas impermeables: excavación segura Lentes de arena: imposible equilibrar y sostener las presiones de agua Principales ventajas de la excavación con tuneladora: ‐ Excavación de túneles con protección y sostenimiento de frente ‐ Excavar grandes longitudes de túneles con muy buenos rendimientos de producción. ‐ Excavación de forma segura con pocos metros de cobertura sobre el túnel ‐ Excavación en suelos poco competentes bajo el nivel freático con apenas afecciones en superficie ‐ Instalación definitiva del revestimiento, generalmente ya revestimiento definitivo ‐ Asegurar un perfil de excavación muy preciso y en consecuencia gran precisión de gálibo Principales desventajas de la excavación con tuneladora: ‐ Sección fija ‐ Poca adaptabilidad a cambios geológicos o geotécnicos que se encuentren en el subsuelo ‐ El sostenimiento require un dimensionamiento adicional, pues trabaja también como apoyo para el empuje de la tuneladora. ‐ Tiempos largos para fabricación de la tuneladora Técnicas de contención del frente 1. Sostenimiento mecánico Técnicas de contención del frente 2. Sostenimiento con aire comprimido • Primera técnica de contención (empleada en el s. XIX). • Afecciones dañinas para la salud. • En suelos permeables al aire rendimientos bajos. • Prácticamente no utilizadas en la actualidad 3. Sostenimiento con fluidos (Hidroescudos) • Estabilización del frente con fluido a presión (lodos arcillosos) junto al material excavado (técnica alemana con lodos bentoníticos). • Extracción del material de la cabina de presión mediante bombeo tubería. • Tratamiento de los escombros. Planta de separación de lodos 3. Sostenimiento de tierras (Escudos EPB – Earth Pressure Balanced) • Estabilización del frente mediante el material excavado (a veces tratado con aditivos). • Extracción del material excavado que permita mantener la presión en el frente. Utilización de un tornillo sin fin. • Transporte del material al exterior mediante cinta transportadora o vagones. Presiones de sostenimiento Escudos EPB 1. Rueda de corte (Excavación) 2. Cámara de excavación (Sostenimiento del frente) 3. Mamparo estanco (Sostenimiento del frente) 4. Cilindros de empuje (Avance del escudo) 5. Tornillo sinfín (Extracción del escombro y control de la presión de sostenimiento) 6. Erector de dovelas (Instalación del revestimiento) 7. Dovelas prefabricadas de hormigón (Revestimiento) Escudos EPB – Rangos de aplicación del material excavado Suelos arcilloso-limoso y limos-arenosos de consistencia entre pastosa y blanda con conenido de finos de order del 30% Suelo óptimo: - Consistencia blanda a pastosa (Ic = 0,40 a 0,75) Índice de consistencia Ic = ( LL – w ) / IP - Material poco permeable (k < 10-5 m/s) - Mínimo contenido de finos aprox. 15% Se requiere una consistencia, homogeneidad y plasticidad adecuada que permita una distribución correcta de las presiones ejercidas sobre el frente de excavación. En terrenos permeables y bajo el nivel freático el escombro debe de tener la impermeabilidad necesaria para que se produzca una pérdida adecuada de la carga hidráulica total a lo largo de la cámara y del tornillo sinfín Posibilidad de acondicionamiento de los suelos con el objetivo de modificar sus propiedades y convertirlos en materiales óptimos para ser excavados con escudo EPB. Escudos EPB – Rangos de aplicación según el material a excavar Escudos EPB – Rangos de aplicación según el material a excavar Límites para excavarn con un escudo EPB en terrenos cohesivos Escudos EPB – Acondicionamiento del terreno con espumas Espuma: Material trifásico formado por AGUA + TENSOACTIVO + AIRE Funciones: -Ajustar la consistencia y densidad del material al rango óptimo para hacer el material más trabajable y transportable para excavación EPB. - Sellar el material en la cámara y en el frente (reducir permeabilidad) con objeto de asegurar la formación de un tapón en el frente y en el tornillo sinfín para poder controlar las presiones y flujos de agua. - Sistema de lubricación. En materiales friccionantes (granulares) y con minerales abrasivos, la espuma reduce el contacto entre partícular y actúa como lubricante. Más fácil transporte material y avance del escudo. Además reduce el desgaste a las herramientas y a la rueda de corte. Escudos EPB – Rangos de aplicación Ampliación del rango de aplicación también a roca fracturada y meteorizada bajo el nivel freático Roca fracturada y meteorizada Espuma + Polímeros Material plástico trabajable Escudos EPB – Acondicionamiento del terreno con espumas Inyección de espuma a través de la rueda de corte y en la cámara de excavación Herrenknecht EPB Metro Madrid D=9,33 m Escudos EPB ‐ Transporte del escombro Cinta transportadora Trenes de escombro Escudos EPB – Dificultades / Límites para la tecnología EPB Frentes completos o mixtos en roca bajo el nivel freático con importantes flujos de agua: ‐ Dificultad de generar un sello impermeable en el frente y en la cámara ‐ Imposible controlar los flujos de agua ni las presiones en el frente (riesgo de colapso) ‐ Dificultades logísticas en el proceso constructivo Escudos EPB – Dificultades / Límites para la tecnología EPB El agua y el polvo generados en el corte de la roca crean una pasta muy abrasiva. Elevado desgaste. Material poco plástico. Obstrucciones de material en las aberturas de la rueda de corte. Bloqueo y desgaste de las herramientas En frente mixto de producen golpes y sobrecargas en las herramientas. Daño de herramientas. Tiempos de recambio de herramientas reducen significativamente la productividad. Escudos EPB – Dificultades / Límites para la tecnología EPB Dificultad para inyectar el mortero desde la cola del escudo. Generación de asientos en superficie. Dificultad en inyectar el mortero desde la cola del escudo. Mal confimamiento de los anillos de dovelas. Daños, pérdida de estanqueidad y de durabilidad del revestimiento. Escudos EPB – Dificultades / Límites para la tecnología EPB Excavación bajo elevadas presiones de agua 0 1 2 Hidroescudos Escudos EPB 3 4 5 6 7 8 bar Campo de aplicación de los escudos de frente de presión Hidroescudos Tipología para trabajar terrenos no cohesivos , inestables y, en particular, con cargas importantes 1. Rueda de corte (Excavación) 2. Cámara de excavación (Sostenimiento del frente) 3. Mamparo estanco (Sostenimiento del frente) 4. Tubería alimentación (Sostenimiento del frente/Transporte de escombro) 5. Burbuja de aire comprimido (Sostenimiento del frente) (permite corregir la presión de la cámara de inmediato) 6. Mamparo sumergido (Sostenimiento del frente) 7. Dovelas prefabricadas de hormigón (Revestimiento) 8. Erector de dovelas (Instalción revestimiento) Hidroescudos – Proceso constructivo Productos acondicionantes Frente Productos acondicionantes Líquido sost. Cámara excavación Hidroescudo Escudo EPB Bomba Tornillo sinfín Planta separación Cinta Tren desescombro disposal Vertido Hidroescudos – Transmisión de las presiones al frente Modelo de membrana Modelo de penetración Hidroescudos – Transmisión de las presiones al frente Formación del cake de bentonita en el frente Hidroescudos – Transmisión de las presiones al frente Formación del cake de bentonita en el frente para la transmisión de presiones Hidroescudos – Transporte del escombro Transporte hidráulico ‐ Bombeo Inyección de mortero Los objetivos de la inyección de mortero son: ‐ Rellenar el espacio anular entre el terreno excavado y el tradós de las dovelas (10 a 18cm) ‐ Evitar la excesiva deformación del suelo detrás del escudo ‐ Proporcionar un confinamiento inicial al anillo de dovelas en cuanto sale del escudo ‐ Transmitir las cargas del terreno al revestimiento ASIENTOS INDUCIDOS POR LA EXCAVACIÓN CON TUNELADORA CAUSAS: • Deformación del terreno por delante del frente debido a la relajación tensional producida por la excavación. • Convergencia de la superficie excavada: dado el sobrecorte inducido por la rueda de corte, la pared de la excavación se deformará radialmente viendo coartada su deformación por la rigidez de la coraza del escudo. • Compresibilidad del revestimiento: bajo este nombre genérico se incluyen las holguras inevitables para la puesta en carga del revestimiento, tales como corona circular parcialmente inyectada que queda entre la falda del escudo y el trasdós del anillo de dovelas, así como las deformaciones de puesta en carga del revestimiento. • Deformaciones diferidas: fundamentalmente obedecen al proceso de consolidación de las sobrepresiones intersticiales generadas durante la construcción, de forma que los correspondientes cambios de las tensiones efectivas del terreno dan lugar a deformaciones en el terreno. Simic, D. (2008) Jornada Técnica PaymaCotas: Túneles con EPB. Simulación y Control de la Tuneladora ASIENTOS INDUCIDOS POR LA EXCAVACIÓN CON TUNELADORA Simic, D. (2008) Jornada Técnica PaymaCotas: Túneles con EPB. Simulación y Control de la Tuneladora Rangos aproximados del desarrollo de los asientos medidos en varios túneles ejecutados con EPB Gutiérrez, J.M. y Plana, D. (2008) Jornada Técnica: Túneles con EPB. Simulación y Control de la Tuneladora
