Universidad de La Salle Universidad de La Salle

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Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería

12-2009

Estado esfuerzo-deformación de la estructura de sostenimiento Estado esfuerzo-deformación de la estructura de sostenimiento

de un túnel a partir de un modelo físico de un túnel a partir de un modelo físico

Henry Oswaldo Gómez Balceros Universidad de La Salle, Bogotá

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ESTADO ESFUERZO-DEFORMACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE SOSTENIMIENTO 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

2

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

HENRY OSWALDO GÓMEZ BALCEROS

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

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

3

Nota de aceptación:

Firma del presidente del jurado

Firma del jurado

Firma del jurado

Bogotá D.C. Diciembre de 2009

4

DEDICATORIA

Este documento y el logro que representa para mí ser ingeniero, se lo dedico con

mucho amor a mi madre MARÍA BALCEROS.

5

AGRADECIMIENTOS

El autor expresa su reconocimiento:

Al Dr. ADOLFO CAMILO TORRES PRADA, por dirigir mí trabajo de grado y

guiarme en la culminación de mis estudios de Ingeniería Civil.

A mi familia por el apoyo incondicional, a mi madre especialmente, a mi padre y

mis hermanos.

A todas las personas que de alguna manera se vieron vinculadas y me apoyaron

durante el proceso formativo para optar al título de Ingeniero Civil, a todos mis

profesores 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.

6

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 17

2.1.2 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

7

4.4 ENSAYO DE CARGA ÚLTIMA 40

4.5 RESULTADOS DE LA PRUEBA DE CARGA ÚLTIMA SOBRE LA

ESTRUCTURA 44

5. CONCLUSIONES 46

6. RECOMENDACIONES 49

BIBLIOGRAFÍA

ANEXOS

8

LISTA DE TABLAS

pág.

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

9

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 (ϕ) y el ángulo de fricción

tangencial (ϕk) 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

10

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 39

Figura 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

11

LISTA DE ANEXOS

ANEXO A Especificación técnica del yeso ANEXO 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 rectangular uniformemente cargada en la cota clave del túnel.

12

INTRODUCCIÓN

En la actualidad la simulación de fenómenos físicos complejos a través de modelos representa un importante avance de la ingeniería en la predicción del comportamiento de obras civiles y el diseño de estructuras en general, el objeto fundamental de los modelos es estudiar y analizar el comportamiento de las estructuras y su entorno bajo determinados parámetros con el fin de perfeccionar los diseños en etapas preliminares de un proyecto, también pueden ser utilizados como aporte a la investigación científica; en términos generales la simulación del comportamiento de un elemento en un medio y con unas condiciones determinadas puede plantearse a través de la modelación física, matemática y otras.

Para la presente investigación se construyó un modelo físico; el objeto del modelo es determinar el estado de esfuerzo-deformación de la estructura de sostenimiento de un túnel en sección circular, emplazado en un modelo físico geomecánico de suelos blandos a profundidad determinada.

El modelo físico de la estructura de sostenimiento del túnel fue instalado a través de un modelo físico (geomecánico) construido en la pared de pruebas del laboratorio de modelación de procesos geotécnicos GeoLab, del Centro de Investigación en Riesgos de Obras Civiles de la Universidad de La Salle (CIROC), para la “Evaluación del fenómeno de la subsidencia originado por la construcción de micro-túneles en suelos blandos” proyecto de investigación concebido y dirigido por los profesores investigadores Ing. Civil, Ph.D. Adolfo Camilo Torres Prada e Ing. Civil, M.Sc. Fernando Alberto Nieto Castañeda con la colaboración de estudiantes de últimos semestres de Ingeniería Civil de la Universidad de La Salle de Bogotá

La estructura de sostenimiento del túnel está constituida por una serie de anillos conformados por elementos prefabricados (dovelas) compuestos por un mortero cuyo conglomerante es yeso y reforzados con malla tipo zaranda en alambre galvaniza (ver anexos A, B Y C)

Una vez terminada la construcción del modelo, la estructura de sostenimiento del túnel fue instrumentada y sometida a un incremento progresivo de carga impuesta en 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 ensayo fueron procesados para determinar el estado de esfuerzo deformación de la estructura de sostenimiento del túnel, por último se definieron las conclusiones y recomendaciones respectivas de la investigación.

13

1. PROBLEMA

1.1 LÍNEA

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

1.2 TÍTULO

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

1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

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

Los modelos de simulación de fenómenos físicos en ingeniería y los métodos para desarrollarlos, comprenden un tema aún emergente en nuestro medio, pero que se empieza a imponer y se ha difundido durante las últimas décadas en los países altamente desarrollados, esta práctica permite simular y analizar fenómenos naturales 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 de sostenimiento de un túnel en condiciones extremas de cargas sobre impuestas en la superficie del trazado del túnel, llevándolo hasta la falla de la estructura mediante un modelo físico.

14

La Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá (EAAB) ejecutó una importante obra en la ciudad, se trata de un interceptor para captar aguas residuales del sector sur occidental de la ciudad, lo novedoso en esta obra son las dimensiones y forma de construcción del túnel. La máquina encargada de la excavación del terreno es de tipo TBM (Tunnel boring machine) de presión de tierra o EPB (Earth pressure balance) construida en Alemania, equipada con disco de corte de 4.52 m de diámetro, es una máquina que integra perforación del terreno, extracción del material y traslado e instalación del revestimiento, la excavación avanzo a través de arenas, arenas-arcillosas y arenas con limo bajo carga hidrostática, la máquina se encarga de colocar las dovelas de hormigón de 25 centímetros de espesor que conforman el acabado del túnel, el sostenimiento del terreno durante la excavación se logra mediante el escudo del que está provista la máquina y la presión que el disco de corte transmite al frente de excavación. La excavación se realiza mediante una cabeza giratoria equipada con elementos 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, la longitud total del túnel es de 9.4 km.

El modelo construido para esta investigación se inspiró en el proyecto de la E.A.A.B pero no es una representación de tal prototipo, a partir de este se tomaron algunos parámetros para definir parcialmente el modelo, tales como la escala geométrica, método constructivo, comportamiento mecánico de los materiales de la estructura, entre otros. El alcance de esta investigación no contempla extrapolación de datos a una estructura real pero proporciona datos experimentales 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 un túnel en condiciones determinadas a partir de un modelo físico?

15

1.5 JUSTIFICACIÓN Las principales funciones que tienen los túneles son el transporte de personas, mercancías, servicios, abastecimiento y drenaje de agua, estructuras complementarias para la generación de energía, túneles de minas, túneles con propósitos militares, etc.

La implementación de estructuras subterráneas tipo túnel genera soluciones a numerosos problemas en el campo de la ingeniería civil y también proporciona bienestar a las comunidades en general, es por esta razón que resulta importante investigar y realizar estudios que permitan entender el comportamiento de este tipo de estructuras y generar optimización de los diseños, procesos constructivos y minimización de riesgos. Los factores que definen el método constructivo de los túneles son variables de acuerdo a la geología del sitio y otros factores, igualmente los métodos permanecen en constante evolución de acuerdo al desarrollo de la tecnología, es fundamental para la ingeniería nacional entrenarse en métodos no convencionales y además es pertinente adaptar estos a nuestras condiciones geológicas ya que las propiedades del suelo y las rocas cambian drásticamente respecto a las longitudes, latitudes y altitudes del planeta.

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

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

16

1.6 OBJETIVOS

1.6.1 Objetivo general

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

1.6.2 Objetivos específicos

Caracterizar los materiales para la construcción de la estructura del modelo.

Construir el modelo físico que cumpla las especificaciones de la investigación

Determinar el factor de seguridad de la estructura de sostenimiento del túnel.

17

2. MARCO REFERENCIAL

2.1 MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL

2.1.2 ESTADO ESFUERZO-DEFORMACIÓN

Dentro de los estudios de la mecánica clásica se supone que los cuerpos son perfectamente rígidos, sin embargo las estructuras reales sufren deformaciones bajo la acción de cargas incluyendo el peso propio, en ocasiones estas deformaciones pueden ser tolerables y no afectan el equilibrio, movimiento o integridad de las estructuras, pero para la estimación del estado límite o permisible de carga, las magnitudes de cambios de longitud o forma y fuerzas sobre elementos es necesario determinarlas y tenerlas en cuenta para conocer el estado de esfuerzo respecto a la deformación de la estructura. El esfuerzo es la fuerza por unidad de área y la deformación se relaciona con el cambio de forma de la estructura afectada por tal fuerza; esta relación es un parámetro de resistencia de los materiales y estructuras en general.

2.1.3 MODELO FÍSICO

En ingeniería un modelo físico es la reproducción simplificada del comportamiento de un prototipo, usando para tal fin un montaje mecánico sustentado con una base teórica lógica.

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

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

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

Una de las técnicas utilizadas en modelación física es el método de los materiales equivalentes y es la que se practico en esta investigación, “El método de materiales equivalentes consiste en utilizar materiales artificiales dentro de un modelo que en escala reducida tenga un comportamiento mecánico similar al del objeto en estudio, para poder analizar su comportamiento y extrapolar estos resultados al objeto real (supra cit.)

18

2.1.4 VALORACIÓN DE LA PRESIÓN ACTUANTE SOBRE LA ESTRUCTURA DE 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, la profundidad y otros, para el caso particular consideraremos únicamente lo correspondiente a la presión que trasmiten los suelos blandos sin carga hidrostática, debido a que esta es la naturaleza del terreno objeto de estudio. Un medio en el cual se excava un túnel puede considerarse como continuo o discontinuo según la variación de la geología del sitio, en este caso se analiza un tramo continuo es decir que se consideran características homogéneas y uniformes en la masa de suelo.

El método de Protodyakonov (1956) es uno entre otros métodos de evaluación de presiones actuantes sobre estructuras tipo túnel, como la mayoría de métodos este es un método empírico pero particularmente tiene un importante análisis y justificación teórica, este método fue desarrollado y ampliamente utilizado por la practica Rusa, ha sido desarrollado para materiales granulares pero también se ha extendido a roca y otros tipos de suelo, este método se fundamenta con ideas de la teoría de arqueo propuesta por Terzaghi (1883-1963) que define la carga vertical de suelo sobre el túnel como la masa de material que tendería a caer desde el techo de no ser soportada cuando se ha excavado.

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

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

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

Donde:

19

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

que ilustra el ángulo de fricción interno (ϕ) y el ángulo de fricción tangencial (ϕk)

de Protodyakonov.

Propiedades del modelo geotécnico (Marín 2008)

Angulo de fricción interno (ϕ) = 29°

Peso especifico (γ ) = 1600 kg / m³

Cohesión (c) = 0.05 kPa

Esfuerzo (σ) = 8 kPa

Relación de Poisson (v) = 0.25

Angulo de fricción tangencial de Protodyakonov (ϕk)

20

Calculo del coeficiente de fortaleza (f) de Protodyakonov:

En la clasificación propuesta por Protodyaconov el valor del coeficiente de

resistencia o fortaleza f = 0.5 corresponde a suelos granulares, con γ (kg/cm³) =

[1400-1600]

21

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

22

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 la

estructura.

23

3. METODOLOGÍA

La estrategia planteada para obtener la información deseada en esta investigación es 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 las consecuencias, siendo ésta la dinámica general del desarrollo del modelo.

“Una aceptación particular de experimento, más armónica y con un sentido científico del término, se refiere a un estudio en el que se manipulan intencionalmente una o más variables independientes, para analizar las consecuencias 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 acompañadas permanentemente 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 instrucción en el macro-proyecto de investigación “Fenómeno de la subsidencia originado por la construcción de micro-túneles en suelos blandos”

Posteriormente se hizo la consulta e investigación para la elección y caracterización de los materiales, exploración y experimentación a nivel de laboratorio y finalmente la determinación definitiva de los materiales y la mezcla adecuada para la construcción del modelo.

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

p.160

24

FASE 2: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MODELO.

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

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

FASE 3: ANÁLISIS DE RESULTADOS

Procesamiento analítico de la información, conclusiones y recomendaciones

25

3.1 DIAGRAMA METODOLÓGICO

INVESTIGACIÓN, EXPERIMENTACIÓN

Y CARACTERIZACIÓN DE LOS

MATERIALES PARA LA

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO

FÍSICO

PREFABRICACIÓN

DE LA

ESTRUCTURA

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO

INSTRUMENTACIÓN

PRUEBA DE

CARGA ÚLTIMA Y

REGISTRO DE

DATOS

ANÁLISIS DE

RESULTADOS Y FACTOR

DE SEGURIDAD

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

FASE 2

222221

21111 FASE 3

1111

REVISIÓN

BIBLIOGRÁFICA

FASE 1

1111

26

4. TRABAJO INGENIERIL

4.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL MODELO FÍSICO

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

Para determinar los materiales según el requerimiento de la investigación se procedió inicialmente a experimentar con mezclas aleatorias de yeso y arena de diferentes tipos, se definieron los tipos de material más convenientes para la fabricación de las dovelas en función de la manejabilidad y consistencia de la mezcla; los materiales definitivos fuero yeso blanco, arena del Guamo Colombia y agua potable. (Ver anexo A, C.)

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

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

27

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 1

es una mezcla homogénea y 3 es una mezcla con sólidos segregados.

28

Se definió la relacion Agua / Yeso = 1.2 porque esta permitía un rango de

tiempo que variaba entre 8 y 12 minutos, para ejecutar plenamente las actividades

de mezclado, vaciado, instalación de refuerzo, vibrado y acabado de cada anillo, y

proporcionaba una resistencia inicial temprana suficiente para desencofrar el

elemento fundido en aproximadamente 15 minutos después de que interactúan los

componentes de la mezcla, esto con el fin de utilizar el menor tiempo posible en la

fabricación 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 de

la relación Agua / Sólidos, determinando que si la relación se mantenía alrededor

de 0,4 se podía garantizar una mezcla homogénea.

Para determinar el comportamiento mecánico del material se fundieron 3 probetas

se pesaron y fallaron cuando alcanzaron peso constante (a partir de14 días) estas

se mantuvieron a temperatura ambiente para que los resultados fueran

congruentes 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

29

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

Figura 5. Materiales

Figura 6. Mezcla

30

Figura 7. Molde y fundición de probetas

Figura 8. Fraguado

31

Figura 9. Peso

Figura 10. Resistencia y deformación

32

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, versatilidad de desencofrado y el costo, para fundir en ella, los anillos que conforman la estructura de sostenimiento del túnel.

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

La formaleta fabricada bajo especificaciones técnicas requeridas consta de dos anillos en acero laminado (e = 3 mm) de radio externo e interno, 0.43 m y 0.38 m y 0.075 m de altura, estos están fijos con tornillos sobre una tabla de madera, el sistema 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 anillos deformarse, ampliándose o cerrándose respecto a su condición inicial de circunferencia perfecta.

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

Figura 11. Formaleta

33

Figura 12. Dovelas

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

Figura 13. Mezcla para 1 anillo

34

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

Figura 15. Anillo fundido y en tiempo de fraguado.

35

Figura 16. Desencofrado

Figura 17. Anillo

36

Figura 18. Estructura

37

4.3 CONSTRUCCIÓN DEL MODELO FÍSICO

Para instalar la estructura de sostenimiento del túnel dentro del modelo geotécnico se realizó la excavación de forma análoga al método de construcción de túneles usando maquina tipo EPB (Earth Pressure Balance), se instaló el revestimiento manualmente y por medio de herramientas predefinidas, el material de pega entre los 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

Ø43cm

50 cm

Ø38cm

38

Figura 20. Excavación (Modelo de tuneladora EPB)

Figura 21. Evacuación de material excavado con aspiradora

39

Figura 22. Instalación del sostenimiento

40

4.4 ENSAYO DE CARGA ÚLTIMA

El ensayo de carga última de la estructura de sostenimiento del túnel consintió en colocar un incremento progresivo de carga uniformemente distribuida sobre la superficie del terreno en una sección determinada del trazado del túnel llevándolo hasta la falla, por medio de la instalación de instrumentos de medida y registro de datos se pudo obtener valores para determinar el estado de esfuerzo-deformación de la estructura representado en una grafica.

Figura 23. Esquema de carga última.

0.20 m

0.50 m

SOBRECARGA

VOLUMEN DE

SUELO SOBRE

LA ESTRUCTURA

Ø=0.43 m

Extensómetro de aguja con vástago móvil que

acciona la aguja giratoria y permite leer valores de

variación de longitud en la clave y hastiales del

túnel.

41

Figura 24. Instrumentación

Figura 25. Sobrecarga

42

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

Estructura

deformada

Estructura

intacta

GRIETA

DE FALLA

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

43

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)

CARGA acumulada

(Kg)

LECTURA DEL EXTENSÓMETRO

VERTICAL (0.01")

LECTURA DEL EXTENSÓMETRO

VERTICAL (m.m.)

DEFORMACIÓN VERTICAL (δ =

ΔL / L) ESFUERZO

(kPa)

69 69 0 0 0 8,023255814

11,591 80,591 0 0 0 9,371046512

6,575 87,166 0 0 0 10,1355814

6,629 93,795 0 0 0 10,90639535

6,580 100,375 0 0 0 11,67151163

6,585 106,960 0 0 0 12,4372093

5,250 112,210 0 0 0 13,04767442

5,221 117,431 0 0 0 13,65476744

5,154 122,585 0 0 0 14,25406977

4,310 126,895 0 0 0 14,75523256

4,305 131,200 0 0 0 15,25581395

20,000 151,200 0 0 0 17,58139535

20,000 171,200 0 0 0 19,90697674

3,034 174,234 0 0 0 20,25976744

3,011 177,245 0 0 0 20,60988372

2,988 180,233 0 0 0 20,95732558

2,972 183,205 0 0 0 21,30290698

8,000 191,205 0 0 0 22,23313953

2,900 194,105 0 0 0 22,57034884

2,013 196,118 0,05 1,27 0,006684211 22,8044186

16,000 212,118 0,1 2,54 0,013368421 24,66488372

3,117 215,235 0,1 2,54 0,013368421 25,02732558

2,806 218,041 0,1 2,54 0,013368421 25,35360465

2,770 220,811 0,1 2,54 0,013368421 25,67569767

20,000 240,811 0,1 2,54 0,013368421 28,00127907

20,000 260,811 0,15 3,81 0,020052632 30,32686047

20,000 280,811 0,21 5,334 0,028073684 32,65244186

20,000 300,811 0,25 6,35 0,033421053 34,97802326

11,510 312,321 0,35 8,89 0,046789474 36,31639535

5,512 317,833 0,35 8,89 0,046789474 36,95732558

25,000 342,833 0,51 12,954 0,068178947 39,86430233

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

45

5. CONCLUSIONES

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

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

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

La mezcla seleccionada presento una relación agua yeso de 1.2 y una relación de agua / sólidos de la mezcla de 0,42 la interpretación de estos cocientes corresponde 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 la formaleta, instalar el refuerzo y elementos que seccionan el anillo, vibrado y afinado de los elementos, este intervalo de tiempo oscila entre 8 y 10 minutos para que la mezcla presente fraguado inicial y al cabo de aproximadamente 5 minutos más la mezcla presenta una resistencia inicial mínima pero suficiente como para desencofrar los elementos, la relación definida agua / sólidos garantiza una mezcla homogénea, es decir no presenta segregación de agregados en la mezcla.

Para determinar el comportamiento mecánico del material se fundieron 3 probetas se pesaron y fallaron cuando alcanzaron peso constante (a partir de14 días) estas se mantuvieron a temperatura ambiente para que los resultados fueran congruentes con las condiciones del modelo físico, no se logro obtener una buena relación entre la resistencia del material medida en el laboratorio en fases preliminares 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 carga de 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 se encuentra muy por encima del esfuerzo experimental de falla, esto lleva a la conclusión que las condiciones constructivas y las condiciones de carga del material en el modelo difieren con las condiciones ideales de falla de una probeta prismática en una prensa.

En la figura 26 se ilustro de manera exagerada las deformaciones de la estructura en el instante posterior a la falla, esta nueva apariencia elíptica de la sección transversal del túnel corresponde a las deformaciones esperadas; aquí hay que aclarar que en esta investigación no se obtuvieron valores de deformación horizontal de la estructura debido a una falla técnica de la instrumentación en el momento del ensayo, pero visualmente si fue apreciable esta deformación, la máxima lectura registrada por el extensómetro en sentido vertical en la clave del túnel fue 12 mm y se asume que este mismo desplazamiento ocurrió en la solera debido 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 otros instrumentos en etapas iníciales de carga.

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

En la Figura 27 se presento el diagrama del esfuerzo respecto a la deformación de la estructura de sostenimiento del túnel, la interpretación de esta grafica sugiere que en un primer intervalo de incremento de carga la estructura no reacciona disipando esfuerzos mediante deformaciones porque probablemente este esfuerzo es soportado o disipado por el suelo mismo por medio de reacomodación de partículas o consolidación, también mediante el desplazamiento relativo de la totalidad del la estructura y su rigidez, solamente hasta un incremento de esfuerzo de 23 kPa se comienza a apreciar deformación en la estructura hasta el punto de rotura con 40 kPa.

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

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Este trabajo de grado hiso parte de un macro-proyecto creado y desarrollado por el grupo CIROC (Centro de Investigación en Riesgos de Obras Civiles-UNISALLE); el macro-proyecto integraba de manera lógica los resultados de diferentes trabajos de grado de estudiantes de últimos semestres de Ingeniería Civil de la Universidad de La Salle, dirigidos permanentemente por los profesores directores del macro-proyecto de investigación “Evaluación del fenómeno de la subsidencia originado por la construcción de micro-túneles en suelos blandos” Adolfo Camilo Torres Prada y Fernando Alberto Nieto Castañeda. Mediante la construcción del modelo físico de la estructura de sostenimiento del túnel y su acertada semejanza respecto a la construcción real de túneles en suelos con TBM (Tunnel boring machine), se lograron resultados representativos y relevantes en el estudio de la subsidencia debida a la construcción de túneles en suelos blandos, estos resultados fueron extrapolados a una realidad existente de manera exitosa y contribuyen a la planeación y evaluación del desarrollo subterráneo de ciudades con alternativas tipo túnel.

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6. RECOMENDACIONES

El modelo físico de la estructura de sostenimiento del túnel y el modelo físico geomecanico 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 dirigidas a los autores de futuros proyectos de investigación en el Geolab.

Para un desencofrado exitoso de los elementos prefabricados usando la formaleta utilizada en este modelo es importante retirar primero el anillo interno y posteriormente el anillo externo, además de la respectiva lubricación de la formaleta 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 alejaba del portal del túnel, ya que el sector de sostenimiento se alejaba proporcionalmente al avance del frente y desde el portal se hacia la maniobra de ensamble de las tres dovelas que conforman un anillo, es preciso aclarar que se avanzo con sostenimiento hasta una longitud 1.30 m y los 1.20 m restantes del ancho de la pared de pruebas fue sostenido con el escudo de la maquina tuneladora. La limitante de instalar el sostenimiento en el ancho total de la pared de pruebas fue principalmente el grado de dificultad que representaba llevar elementos frágiles con peso considerable (1.5 kg / Dovela, aproximadamente) y una geometría curva que dificulta su manipulación hasta una longitud horizontal mayor 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 para conformar un anillo perfecto dificulto esta labor, además del adecuado suministro del material de pega entre elementos. La recomendación una vez mencionada esta serie de inconvenientes es definir el alcance de la longitud del túnel en futuros proyectos en función de la posibilidad de instalación de sostenimiento, otra opción sería perfeccionar la técnica de instalación convencional (entiéndase por convencional el método implementado en este modelo, ver anexo F) mejorando las herramientas y procedimientos.

Es importante garantizar que la serie de anillos instalados a lo largo del túnel se comporten como un único elemento, puesto que el principio del método constructivo consiste en ensamblar el anillo de sostenimiento del suelo dentro del escudo del que está provista la maquina tuneladora y mediante el avance de esta el anillo sale del escudo y comienza a soportar la carga del suelo, esto se logra con una buena unión entre la serie de anillos comportándose como un único tramo de tubería.

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

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estructuras de sostenimiento en túneles, usando la técnica de modelación a escala reducida con “micro-concreto” técnica ampliamente estudiada y practicada, la justificación para este caso sería la modelación de estructuras especiales con micro-concretos (e.g. estructuras de sostenimiento o revestimiento de túneles) esto con el fin de perfeccionar el ensayo de carga ultima y poder extrapolar resultados a casos reales; en el caso de micro-concretos es importante destinar un sitio especial de almacenamiento de los elementos prefabricados que garantice las condiciones de curado. Para simplificar las labores sería importante considerar un tramo corto debido a la laboriosidad de la construcción de los modelos.

En ensayos de laboratorio los instrumentos de medida de magnitudes físicas o químicas, proporcionan los datos objeto de estudio, el estado, la calidad y calibración de los instrumentos garantizan el éxito de los resultados esperados, pero también es pertinente un permanente y preciso monitoreo para la toma de datos 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 la toma de datos en investigaciones, utilizando instrumentos de medida de alta tecnología como los sensores, estos permiten almacenar los datos en computadoras, reduciendo los posibles errores humanos en la toma de datos, de esta forma se optimiza esta tarea y la calidad de los datos.

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

50

BIBLIOGRAFÍA

ADUVIRE PATACA, Osvaldo, et al. Manual de túneles y obras subterráneas. 1 ed. Madrid, España. Dr. ingeniero de minas López Jimeno, Carlos. ISBN 84-921708-1-6

BEER, F. JOHNSTON, R. Y Dewolf, J. (2004). Mecánica de materiales, 3ed. Ciudad de México, México. Mc Graw Hill. P. 2-113

CURSO DE TÚNELES Y EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS. 2do semestre de 2009. Bogotá Colombia, Universidad de La Salle, 2009.

HARRIS, Harry. SABNIS, Gajanan. Structural modeling and experimental techniques, 2 ed. 1999 United States of America. Tim Pletscher

HERNÁNDEZ SAMPIERI, Roberto, et al. Metodología de la investigación. 4 ed. México: MC Graw-Hill, 2006. ISBN 970-5753-8

INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Tesis y otros trabajos de grado. (Quinta actualización). Bogotá

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

RICO RODRIGUEZ, Alfonso; DEL CASTILLO, Hermilo. La ingeniería de suelos en las vías terrestres. 1a ed. México: Editorial Limusa, 1999.p.365-441. ISBN 968-18-0079-6

RUIZ SARAY, Rosa Amparo. Estructura a tener en cuenta para la presentación escrita de trabajo de grado: anteproyecto. Universidad De La Salle. Facultad de ingeniería civil. Bogotá: quinta revisión julio 26 de 2005. 8p.

TORRES PRADA, Adolfo Camilo (2009). Study of settlements by TBM in soft grounds in Bogotá-Colombia. Bogotá D.C, Colombia. Universidad de La Salle.

TORRES, Adolfo. NIETO, Fernando. (2007). Evaluación del fenómeno de la subsidencia originado por la construcción de micro-túneles en suelos blandos. Bogotá D.C, Colombia. Universidad de La Salle.

TUNNELBUILDER.ES (Tunnelling News). Comienza la Construcción del Interceptor de Aguas Residuales de los Ríos Bogotá-Fucha-Tunjuelo <http://www.tunnelbuilder.es/headline_0608_2.htm> [Citado 1 octubre de 2009]

51

ANEXO A

Especificaciones técnicas del yeso

52

53

ANEXO B

Especificación técnica de la malla de refuerzo

54

ANEXO C

Especificación técnica de la arena

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

GRANULOMETRÍA

TAMIZ DIAMETRO

(mm)

PESO RETENIDO

(gr)

% de material retenido

% de material retenido

acumulado

% de material que 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 50,4

No. 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 uniformemente

cargada 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 a

la superficie del terreno) tenemos que considerar una pequeña área diferencial dx dy del

rectángulo cargado, dividiéndolo simétricamente en 4 partes iguales obtenemos un área

diferencial 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 q

Donde I2 es un coeficiente que utiliza el método denominado factor de influencia y se

obtiene 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 rectángulo

cargado.

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 la

profundidad (0.5 m) = 8 kPa

Esfuerzo total en la clave del túnel = 11.9 kPa

Braja. M. Das (2001) FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA 1 ed,

México Thomson editores, p 128-140