See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/324114935 Linea 3 Metro de Santiago: Aspectos relevantes para modelación numérica de obras subterráneas complejas Conference Paper · March 2018 CITATION READS 1 1,021 3 authors, including: David Solans Imperial College London 9 PUBLICATIONS 5 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by David Solans on 08 April 2018. The user has requested enhancement of the downloaded file. Linea 3 Metro de Santiago: Aspectos relevantes para modelación numérica de obras subterráneas complejas David Solans (1); Christian Gonzalez (1); Roberto León (2) (1) Ingeniero de Proyectos, MSc en Ingenieria Geotécnica. ARCADIS Chile (2) Jefe de Proyectos, ARCADIS Chile [email protected] - Antonio Varas 621, Providencia, Santiago Resumen El proyecto de la Línea 3 del Metro de Santiago considera la construcción de un trazado subterráneo que contará con 17 nuevas estaciones y se desarrollará en aproximadamente 22 km de longitud. Esta nueva línea se conectará con las líneas existentes y la futura Línea 6. La Línea 3 proyectada se desarrolla a través de diversas unidades de suelos de la ciudad de Santiago y cercana a numerosas estructuras existentes y edificaciones de importancia histórica, como la Catedral de Santiago y la Casa Central de la Universidad de Chile. En el presente artículo se describe la modelación numérica de estructuras con geometrías y/o secuencias constructivas complejas, tales como cruces de túneles, túneles con sección variable e interferencias con estructuras existentes. Los análisis están orientados a determinar esfuerzos sobre estructuras subterráneas proyectadas y asentamientos inducidos sobre obras existentes. Dentro de la modelación numérica se incluyen aspectos prácticos tales como: dimensiones de modelo, elaboración de geometrías y mallas de elementos, secuencias constructivas, sobrecargas de tránsito y de edificaciones existentes, selección de modelos constitutivos, tiempos y recursos requeridos para el análisis. Palabras-Clave: Proyectos Relevantes, Modelación Numerica, Túneles Abstract (Obligatorio) Metro of Santiago Line 3 Project considers the construction of an underground line which will have 17 new stations covering about 22 kms length. This line will be connected with the existing lines and the future Line 6. The projected Line 3 will be developed through differents soils units and nearby to many existing structures and important story buildings, like the Santiago’s Cathedral and the Main Campus of University of Chile. This article describes the numerical modelling of structures with complex geometries and secuencial excavations, such as tunneling junctions, tunnels with variable cross sections and interference with existing structures. These analyses focused to identify stresses over projected underground structures and induced settlements over existing construction buildings. Numerical modelling includes technical aspects such as: Dimensions of model, elaboration of geometries and element meshes, construction sequences, traffic overloads and existing buildings, selection of constitutive models, time and resources required for analysis. Keywords: Relevant Projects, Numerical Modelling, Tunelling. 26 al 28 de Noviembre de 2014 www.sochige2014.cl 1 Introducción La Línea 3 del Metro de Santiago contempla la construcción de 22 km de trazado subterráneo con 17 nuevas estaciones. La línea proyectada se desarrollará a través de diversos tipos de suelos y aledañas a estructuras existentes que condicionarán las secuencias constructivas de túneles en función de los asentamientos tolerables. El presente artículo detalla las metodologías constructivas de túneles subterráneos del Metro de Santiago, así como singularidades en el trazado, parametrización geotécnica y un ejemplo de modelación numérica tridimensional. 2 Construcción primeras líneas y metodología actual Durante la década de los años 70, se inició la construcción de las primeras obras asociadas a la Línea 1 del Metro del Santiago. La densidad de edificación urbana y de tráfico vehicular era mucho menor que en la actualidad, posibilitando excavaciones masivas del tipo trincheras en sectores céntricos, para construir los denominados túneles falsos (método “cut and cover”), sin generar el impacto que produciría hoy en día. En la Fig.1, se presentan 2 imagenes de la construcción de la Linea 1 en los sectores de Plaza Bulnes y Universidad Catolica. B) Sector U Católica A) Sector Plaza Bulnes Fig. 1 – Construcción Línea 1 Metro de Santiago. A) Sector Plaza Bulnes. B) Sector U Católica. (Gentileza Metro de Santiago) Hoy en día, métodos constructivos de este tipo resultan impracticables en Santiago, debido a las edificaciones existentes y el alto impacto que genera la intervención vial. Las líneas recientes de Metro se han ejecutado en forma subterránea en su gran mayoría con el método NATM (New Austrian Tunnelling Method). El método NATM, en términos constructivos, consiste en realizar avances de excavación mediante excavadora, compartimentar secciones de túneles, tramos reducidos de avance sin refuerzos, revestimiento con perfiles o marcos metálicos y hormigón proyectado (“shotcrete”) en etapas de sostenimiento y revestimiento. La primera construcción de Metro en Chile realizada a través de esta metodología, corresponde a un tramo del sector Parque Bustamante de la Línea 5 (1994). En la Fig. 2 se presentan las secciones de un túnel galería de acceso (2 sidedrifts) y el método constructivo de la sección. 26 al 28 de Noviembre de 2014 www.sochige2014.cl B) A) Fig. 2 – A) Construcción tunel galería acceso 2 sidedrifts. B) Método Constructivo 3 Singularidades en el trazado El trazado de la nueva Línea 3 de Metro requiere resolver la interacción con otras estructuras subterráneas (cruces de túneles y estaciones, empalme con otras líneas) y con edificaciones superficiales existentes. Estas singularidades se deben abordar en el diseño de modo de poder representar globalmente la respuesta tensión – deformación sobre las estructuras proyectadas y existentes, así también en la superficie del terreno. Como ejemplo de lo anterior, puede destacarse el caso de la estación Plaza de Armas de la Línea 3. Esta estación posee singularidades o interacciones que involucran la unión con la estación existente (Línea 5), y en superficie la presencia de estructuras históricas cercanas como la Catedral de Santiago y el edificio del Ex Congreso Nacional. En la Fig 3 se presenta una planta de la Estación Plaza de Armas y las obras existentes que definen esta singularidad. Fig. 3 – Planta Estación Plaza de Armas. (Google Earth y planos del proyecto) 26 al 28 de Noviembre de 2014 www.sochige2014.cl 4 Unidades y parametrización geotécnica del trazado A lo largo del trazado de la Línea 3 del Metro de Santiago se tiene una tipología de suelos que incluye las siguientes unidades geotécnicas: Suelos de cobertura: Horizonte superficial constituido por materiales heterogéneos como rellenos artificiales, arcillas limosas, limos y gravas. La potencia de este estrato, en general, no supera los 2,0 m. Gravas del Río Mapocho. Segunda Depositación: Corresponde a la depositación superficial del Río Mapocho. Compuesta por gravas arenosas con escasa presencia de finos no plásticos. Partículas redondeadas y abundante presencia de bolones sobre 3”. Presenta alta compacidad y buena trabazón mecánica, que le confieren cohesión al material. Esta unidad se extiende normalmente hasta los 6,0 a 9,0 m de profundidad. Gravas del Río Mapocho. Primera Depositación: Depósito fluvial originado antes que la segunda depositación. Corresponde a gravas arenosas con finos arcillosos de plasticidad media. Partículas redondeadas y abundante presencia de bolones sobre 3”. Compacidad y trabazón mecánica muy altas. Estos materiales presentan un nivel de cohesión superior al de la segunda depositación. Se ubica normalmente bajo la segunda depositación del Río Mapocho. Finos del Noroeste: Constituidos principalmente por limos y arcillas. Consistencia en general media a dura. Clasifica generalmente como CL, ML y CL-ML, según USCS. Presencia aislada de lentes de poco espesor de arenas finas limosas, gravas y cenizas volcánicas. Finos de Conos de Deyección: Corresponden a materiales finos arrastrados por flujos ocasionales y depositados en forma de cono, por acción gravitacional en la salida de las quebradas cordilleranas. Debido al modo de depositación, estos suelos carecen de estratificación continua, aumentando su espesor hacia el centro del cono. Esta unidad se encuentra compuesta por arcillas limosas a limos arcillosos de baja plasticidad con una estratificación errática que se intercala con las Gravas del Río Mapocho. Estos suelos finos clasifican como CL, ML y CL-ML, según USCS. En general consistencia media a dura. En la Fig. 4 se presenta la disposición espacial de las unidades geotécnicas a lo largo del trazado de Línea 3. 26 al 28 de Noviembre de 2014 www.sochige2014.cl Fig. 4 – Disposición de unidades geotécnicas trazado Línea 3. Modificado G. Valenzuela [1] Para las unidades mencionadas se tiene la siguiente parametrización de Línea 3 (Tabla 1). Estos parámetros han sido utilizados para diseño a lo largo de distintos proyectos de ARCADIS en obras similares aplicadas al Metro de Santiago. Tabla 1 – Propiedades geotécnicas parametrización Línea 3. Unidad Geotécnica Suelos de Cobertura Finos del Noroeste [2] Gravas del Rio Mapocho. 2da Depositación. [2], [3] y [4] Gravas del Rio Mapocho. 1ra Depositación [2], [3] y [4] Finos de Conos de Deyección [2] y [5] Peso Unitario (kN/m3) 18,5 18,5 Cohesión Ángulo de fricción Módulo de Deformación Coef. Poisson Coef. Empuje reposo in situ c (kPa) (°) Es (kPa) k0 [-] 30 20.000 + 2.750*Z 0,30 31 20.000 + 2.750*Z 0,30 0,65 0,45 5 Z≤10m Z>10m 30 50 22,5 20 45 46.000*(Z) 0,5 0,25 0,80 22,5 35 45 65.000*(Z) 0,5 0,25 0,80 18,5 Z≤10m Z>10m 0,30 0,65 0,45 30 50 31 26 al 28 de Noviembre de 2014 www.sochige2014.cl 20.000 + 2.750*Z 5 Modelación Numérica Como ejemplo de análisis numérico de singularidades que involucran múltiples interacciones con estructuras existentes y que son definidas por geometrías complejas, se presenta el caso de la estación Plaza de Armas de Línea 3. Dicho modelo se presenta en la Fig. 5, el cual ha sido ejecutado mediante el software de diferencias finitas FLAC 3D en su versión 5.0. [6] - Geometría modelo En la Fig. 5 se presenta el modelo elaborado para la estación previamente mencionada. La modelación contempla el pique de construcción, galería de acceso, túnel interestación, túnel estación y túneles peatonales. Cada uno de estos túneles ha considerado la secuencia constructiva de acuerdo a lo proyectado. Como obras existentes se han incluido el túnel interestación de la Línea 5, la Catedral de Santiago y el Edificio del ex Congreso Nacional. Estas últimas no se presentan en la Fig. 5 debido que se representan de forma simplificada mediante sobrecargas distribuidas a nivel de apoyo de sus fundaciones. La malla de diferencias finitas ha sido elaborada mediante la plataforma integrada de los softwares Rhino / Kubrix [7], el cual permite desarrollar geometrías complejas mediante herramientas graficas del tipo CAD, para luego exportar las salidas a FLAC 3D. Es importante destacar que los tiempos de elaboración de geometrías mediante esta herramienta, permite reducciones considerables en comparación a programar la geometría directamente. Fig. 5 – Malla de diferencias finitas modelo estación Plaza de Armas Línea 3. - Modelo constitutivo de suelos La ley constitutiva empleada en la modelación de diferencias finitas corresponde al modelo Cap Yield (CY Soil) [6], el cual se encuentra implementado en la versión de FLAC 3D utilizada. 26 al 28 de Noviembre de 2014 www.sochige2014.cl CY Soil corresponde a un modelo constitutivo del tipo plástico y está caracterizado por el criterio de falla Mohr – Coulomb. El modelo presenta, entre otras, las siguientes particularidades: la rigidez depende del estado tensional; genera deformaciones plásticas en cargas desviatorias primarias; genera deformaciones plásticas en compresiones isotrópicas primarias y considera trayectorias de descarga y recarga elásticas. El modelo constitutivo CY Soil establece relaciones del tipo hiperbólico para el modulo de corte, G, y para el modulo volumétrico, K, en función de la presión media, quedando establecidas por las siguientes expresiones: p' m ) p ref (1) p' m ( ) p ref (2) G e G e ref ( K e K iso ref Donde: Geref: Kisoref: p’: pref: m: Módulo de corte elástico de referencia [kPa] para una tensión pref Módulo volumétrico elástico de referencia [kPa] para una tensión pref Tensión media [kPa] Tensión de referencia [kPa] Constante [-] Este modelo constitutivo resulta similar al modelo Hardening Soil implementado en el software Plaxis, el cual ha sido utilizado exitosamente en otras líneas del Metro de Santiago [8] y [9]. En el caso particular de la unidad Gravas de Santiago, el ajuste del modelo se ha efectuado en base a las curvas tensión – deformación de los ensayos triaxiales in situ de Kort y Musante [3] y verificado con la variación en profundidad del módulo de deformación [8] y [9] Cabe destacar que el modelo constitutivo Cap Yield ha sido utilizado exitosamente en la modelación en obras de Metro de Roma y sus resultados han sido verificados de forma satisfactoria con datos de monitoreo [10]. - Ajustes de parámetros modelo constitutivo En la Tabla 2 se presentan los parámetros geotécnicos ajustados para el modelo constitutivo Cap Yield para las Gravas del Río Mapocho. La validación de estos parámetros se efectuó en base a los antecedentes de monitoreo de asentamientos superficiales y de las claves de túneles, en sectores de cruces de galerías con túneles estación, ubicados en las Gravas de Santiago [8] y [9]. Adicionalmente, se han comparado los asentamientos medidos durante la construcción de las obras del proyecto con los datos obtenidos de la modelación numérica, obteniendo diferencias que no superan el 5% [11]. 26 al 28 de Noviembre de 2014 www.sochige2014.cl Tabla 2 – Parámetros Geotécnicos para el modelo Cap Yield. Gravas del Río Mapocho. Parámetro Peso Unitario Ángulo de fricción Cohesión Módulo de corte elástico de referencial Módulo volumétrico elástico de referencial Potencia Módulo de Poisson Presión de referencia Razón de falla Factor de calibración - t [kN/m3] c [kPa] Geref [kPa] iso ref K [kPa] m [-] [-] ref p [kPa] Rf [-] [-] Gravas del Mapocho a a 2 Depositación 1 Depositación 23 23 45 45 20 35 166.667 250.000 111.111 166.667 0,57 0,2 100 0,9 0,25 0,57 0,2 100 0,9 0,25 Modelación de la secuencia constructiva La modelación de la secuencia constructiva incluye, para todas las secciones de túneles y galerías: - Excavación por secciones y/o subsecciones - Desfase en los avances de cada sección - Excavación y revestimiento en cada etapa de avance En el caso del pique de construcción se ha considerado avances de excavación en toda la sección circular de 2,0 m con revestimientos en cada avance. Posterior a la excavación del pique se construyen: galería de acceso, túnel interestación, túnel estación, galerías secundarias y túneles peatonales. Sidedrift Bóveda Banco Contrabóveda Revestimiento Fig. 6 – Esquema secuencia de avance. Túnel estación. - Resultados obtenidos de la modelación numérica Para la condición final estática, se presentan los resultados de asentamientos superficiales (Fig.7). El valor máximo de asentamiento se produce en el sector del cruce del túnel estación con las galerías secundarias, alcanzando un valor aproximado de 18 mm. En la Fig.8, se presenta el perfil transversal de los túneles estación e interestación con la deformación vertical (asentamientos) en superficie y en la clave de los túneles. En la Fig. 9 se presenta un diagrama de los desplazamientos verticales del mismo perfil. Las deformaciones máximas se producen en la clave del túnel estación, específicamente en los cruces con las galerías secundarias, alcanzando valores entre 27 mm y 30 mm. 26 al 28 de Noviembre de 2014 www.sochige2014.cl Fig. 7 – Campo de asentamientos superficiales en metros. Vista en planta Fig. 8 – Campo de asentamientos y desplazamientos verticales en metros. Sección Principal. Elevación 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 Distancia [m] Fig. 9 – Deformación vertical superficie y túneles en mm. Sección Principal 26 al 28 de Noviembre de 2014 www.sochige2014.cl 200 Los resultados y valores presentados son de carácter referencial, los cuales deberán ser confirmados con los datos de monitoreo para la condición final de construcción. No obstante, los datos medidos por monitoreo y disponibles a la fecha en condiciones similares, se ajustan a los valores estimados a través de la modelación numérica [11]. 6 Conclusiones En este artículo se han presentado las principales características del trazado de Línea 3 desde el punto vista de civil – geotécnico. Se destacan las metodologías de construcción de primeras líneas y líneas recientes, así también singularidades en el trazado, unidades geotécnicas presentes y un ejemplo particular de modelación numérica. La construcción de las actuales líneas de Metro se enfrenta a complejidades que van desde la interacción con estaciones y túneles existentes, así como la presencia de edificaciones en superficie, las que deberán ser evaluadas en su respuesta ante la construcción de estas obras. La modelación numérica de geometrías complejas se realizó a través del software FLAC 3D. Las configuraciones geométricas se abordaron mediante la plataforma integrada de los softwares Rhino / Kubrix, permitiendo desarrollar geometrías mediante herramientas graficas del tipo CAD en tiempo de ejecución reducidos en comparación con metodologías convencionales. Los resultados de modelación numérica entregan buena aproximación de los asentamientos superficiales, y a lo largo del proyecto se ha podido verificar con datos de monitoreo. 7 Referencias [1] Valenzuela, Gloria (1978): “Suelo de Fundación del Gran Santiago”, Instituto de Investigaciones Geológicas, Boletín 33, 84 pp. [2] ARCADIS. Base de datos de proyectos de Metro y diversas unidades de suelos de Santiago. [3] Kort, I & Musante, H. (1976): “Ensayos triaxiales In Situ en Grava de Santiago”. Dir. gral Metro. [4] Braga, P., Nicolau, R., Negro, A. (2006): “Bayesian updating of tunnel performance for K0 estimate of Santiago Gravel”. Geotech. aspects of underground construction in soft ground. [5] Poblete, M. (2004): “Arcilla Arenosa Aluvional del Sector Oriente de Santiago. Propiedades Geomecánicas”. V Con. Chileno Ing. Geot. [6] ITASCA CONSULTING GROUP, INC (2009). “FLAC3D: Theory and Background”. [7] Kubrix / Rhino (2012): “Kubrix / Rhino Users Manual” [8] Bard, E.; León, R. y Anabalón, M. (2007). “Análisis Dinámico de Túneles en las Gravas de Santiago Parte I: Análisis de la Resp. Dinámica de las Gravas”. V Con. Chileno Ing. Geot. [9] Bard, E.; León, R. y Anabalón, M. (2007). “Análisis Dinámico de Túneles en las Gravas de Santiago Parte II: Análisis Dinámico de Túneles”. V Con. Chileno Ing. Geot. [10] Lucarelli, A.; Guiducci, G.; Furlani, G.; Sorge, R. (2011). “Cap-Yield model with cohesion, back analysis of real excavations”. 2nd International FLAC/DEM Symposium, Melbourn Australia. [11] Leal, F.; Pozo, J. y Solans, D. (2014): “Proy Línea 3 Metro de Santiago. Monitoreo topográfico y geotécnico: Calibración de modelos tridim. geotécnicos”. VIII Con. Chileno Ing. Geot. 26 al 28 de Noviembre de 2014 www.sochige2014.cl View publication stats
