deformaciones en tuneles convergencia subsidencia

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Deformaciones: Convergencia y Subsidencia

1. CONVERGENCIA

1.1 INTRODUCCIÓN

Cualquiera que se disponga a realizar una obra subterránea se encuentra

enfrentándose y teniendo que resolver un problema de ingeniería civil especialmente

complejo, ya que, en comparación con las construcciones de superficie, en las obras

subterráneas resulta extremadamente difícil determinar con antelación los datos básicos del

diseño.

En primer lugar, no es cuestión, como en las obras de superficie, de ir ensamblando

materiales (acero, hormigón armado, etc.), de propiedades bien conocidas, para construir una

estructura que alcanza su equilibrio en la configuración final deseada, sino de actuar sobre un

equilibrio preexistente y producir, de algún modo una perturbación prevista en unas

condiciones conocidas, solo de forma aproximada.

En toda excavación se provoca un reajuste de las tensiones en las proximidades de las

paredes de la galería o pozo realizado en el terreno, como consecuencia se producen

movimientos del terreno hacia el interior de la excavación. Esos movimientos, denominados

convergencias, dependerán de la calidad del terreno, tamaño de la excavación, profundidad

con respecto a la superficie etc.

En rocas competentes y poco alteradas, los valores que se obtienen de convergencias

suelen ser muy pequeños, no generando por lo general desplazamientos que superen valores

milimétricos una vez colocado el sostenimiento definitivo.

Esto no sucede así cuando nos encontramos en zonas de falla o en túneles que se

ejecutan en rocas muy alteradas o terrenos muy blandos, sobre todo si se emplean métodos

no integrales.

En estos casos los desplazamientos del terreno suelen ser bastante importantes,

alcanzando con cierta frecuencia valores que pueden superar la decena de centímetros.

Estas cifras pueden parecer alarmantes, pero si el sostenimiento está debidamente

controlado no encaran necesariamente un riesgo a la seguridad en el túnel, pero ponen en

entredicho los datos tomados al inicio de los procesos convergentes.

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Esta circunstancia implica que los responsables de topografía de un túnel tomen

ciertas medidas de precaución, procurando estar bien informados sobre el comportamiento

del terreno y con especial atención en los tramos falla o de material alterados.

Los cálculos de los túneles tienen por objeto comprobar el dimensionamiento del

sostenimiento y revestimiento de los mismos, así como verificar la estabilidad de cada una de

las fases constructivas. Al igual que en el resto de las aplicaciones de la Mecánica del Suelo y

de las Rocas, en el cálculo de túneles es necesario efectuar una serie de simplificaciones que

hacen que el análisis sea siempre aproximado. Existen varios métodos de cálculo para el

estudio de las excavaciones subterráneas, con diversos grados de simplificación y, por lo tanto,

con diversos grados de exactitud y también de facilidad de manejo.

Se da por hecho que se van a producir convergencias, es más se deben producir en casi

todos los casos (salvo casos muy concretos de sostenimientos super-rígidos), ya que la

deformación del macizo es un mecanismo para relajar las tensiones producidas. Lo que no

deberían sobrepasar es la convergencia máxima que viene contemplada en el proyecto. Si se

superan las convergencias máximas, habría que reforzar el sostenimiento, ya que este se ha

quedado escaso y no es capaz de contener la deformación del terreno hasta un valor asumible.

Puede efectuarse una primera clasificación de los métodos de cálculo como: empíricos,

analíticos y numéricos, en grado creciente de fiabilidad. Los analíticos son los basados en el

empleo de expresiones obtenidas de la teoría de la Elasticidad aplicada al terreno. Los

métodos numéricos se basan en dividir el terreno y/o el revestimiento del túnel en una serie

de elementos, tanto más pequeños cuanto más exacto queramos que sea el cálculo, y aplicar

en ellos las leyes de la Elasticidad. A continuación se trata el Método de Convergencia (o

método de las curvas características) que se enmarca en los métodos analíticos.

1.2 MÉTODO DE CONVERGENCIA. HIPÓTESIS Y FUNDAMENTOS.

El Método de Convergencia/Confinamiento o Método de las Curvas Características

permite analizar el comportamiento tenso-deformacional de la superficie excavada así como

del sostenimiento aplicado a la misma. Es un método simple y fácil de usar, pero que también

presenta tantas hipótesis simplificadoras, que su utilidad es más bien relativa. El método de

curvas características del terreno y del sostenimiento explica de forma gráfica los fundamentos

del Nuevo Método Austríaco de Construcción de Túneles, que es el origen de muchos de los

métodos constructivos de túneles usados hoy en día.

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Las hipótesis de partida del método son las siguientes:

- Se considera una sección plana del problema, supuesto un comportamiento con simetría

cilíndrica, en deformación plana.

- El túnel se supone circular y con un sostenimiento colocado en todo su contorno.

- El terreno es indefinido, homogéneo e isótropo. El estado de tensiones inicial es también

isótropo, con una tensión inicial σ 0, de forma hidróstática.

- Para el terreno es válido alguno de los siguientes criterios de rotura: elástico, elastoplástico

perfecto, elastoplástico frágil.

- Para el sostenimiento son válidos todos o alguno de los siguientes elementos: anillo de

hormigón proyectado o colocado, anclajes o bulones y cerchas.

Un sostenimiento debe cumplir tres reglas:

1. Estabilizar la excavación a corto plazo a medida que se va avanzando.

2. Soportar las presiones del terreno que pueden desarrollarse a largo plazo y que están

vinculadas al comportamiento diferido del macizo.

3. Limitar las deformaciones resultantes de la excavación para que sean compatibles con

el fin último de la obra y la de otras obras tanto subterráneas como superficiales

situadas en las proximidades.

El problema del sostenimiento de un túnel tiene dos particularidades, la primera radica

en que es esencialmente un problema tridimensional ya que cerca del frente del túnel los

campos de tensiones y deformaciones tienen una forma compleja y la segunda es que es un

problema relativo a la interacción entre dos estructuras diferentes con una geometría y

comportamiento radicalmente distinto: el sostenimiento y el macizo rocoso.

Los fundamentos del método se explican con ayuda de la figura 1. El sistema consiste

en dibujar dos curvas: la curva de convergencia o del terreno y la curva de confinamiento o del

sostenimiento. Ambas se representan en el mismo diagrama, donde el eje horizontal es la

deformación δ r del contorno de la excavación hacia su interior y el eje vertical representa la

tensión radial σ rdel elemento de terreno situado en el contorno de la superficie excavada del

túnel.

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Figura 1: Interacción terreno – sostenimiento

Inicialmente el terreno tiene una tensión σ 0(punto A). Una vez excavado el terreno, la

roca empieza a relajarse, disminuyendo la tensión y aumentando la deformación. En una

primera fase (A-B) el comportamiento es elástico, por lo que la curva es una línea recta. En el

punto B se supera el criterio de rotura, y la línea tiene una forma u otra dependiendo del

comportamiento plástico elegido para el terreno. Si la línea del terreno corta el eje X significa

que la excavación se autosostiene sin necesidad de ningún elemento estructural de refuerzo,

con una deformación radial dada por la abscisa del punto de corte. Si, por el contrario, la curva

no toca el eje X y comienza a subir de nuevo (punto C) se produce el colapso del túnel.

La forma de la curva del sostenimiento depende de la rigidez de los elementos resistentes que

lo componen: hormigón, bulones y cerchas. Es posible definir el momento en que deben

colocarse los diversos elementos resistentes, que generalmente se realiza un tiempo después

de efectuada la excavación. La curva del sostenimiento es la D-E-F-G. En el ejemplo se supone

que se emplean dos elementos resistentes (por ejemplo bulones y hormigón). El primero

empieza a actuar cuando ya se ha producido una deformación δ 1, mientras que el segundo se

coloca cuando ya se ha producido una deformación δ 2. Cada elemento del sostenimiento tiene

un comportamiento elastoplástico perfecto: tiene una primera zona elástica (D-E o F-G) hasta

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alcanzar un cierto criterio de rotura, y a partir de ahí una zona plástica (E-F), en que se deforma

sin soportar mas carga.

Generalmente las dos curvas se cortarán en un punto de equilibrio, que nos define la

deformación radial alcanzada por el contorno del túnel (δ e) y la presión que la roca está

ejerciendo sobre el sostenimiento σ e. Si no hay punto de equilibrio significa que la excavación

es inestable. Otra posibilidad es que el terreno cortaría el eje X entre el origen y el punto D.

Del método se extraen dos conclusiones de interés:

- La roca tiene una cierta capacidad de autosostenerse, es decir, el túnel puede ser estable sin

necesidad de sostenimiento.

- Es conveniente dejar relajarse al terreno antes de colocar el sostenimiento, por supuesto, sin

que se produzca el colapso, porque de este modo la cuantía de los elementos estructurales del

mismo podrá ser menor. Dicho de otro modo: hay que aprovechar al máximo la capacidad

autoportante de la roca. Si la curva del sostenimiento corta la curva del terreno en un punto

(punto de equilibrio), se obtiene la deformación máxima que se produce en el perímetro de la

excavación y la máxima tensión a la que va a estar sometido el sostenimiento. Este punto de

equilibrio depende de la deformación que se permita al terreno antes de colocar el

sostenimiento, debiendo buscarse el momento óptimo de su colocación de forma que se

cargue lo menos posible, pero evitando el riesgo de colocarlo cuando ya no sea posible

alcanzar el punto de equilibrio y se produzca el colapso de la excavación.

Cada curva característica representa el proceso sufrido por un punto determinado del

perímetro de la excavación, por lo que es fundamental realizar una curva para cada punto

representativo, pues como es lógico la diferencia entre la curva característica de un punto

clave y otro de los hastiales es notoria. Otro aspecto muy importante a tener en cuenta al

calcular la curva característica del terreno es la evolución que ésta tiene con el tiempo debido

a la meteorización del macizo, la cual hace que ésta pierda propiedades resistentes y que el

sostenimiento a largo plazo se cargue más pudiendo alcanzarse la rotura.

1.3 EFECTO DEL FRENTE. PROCESOS DE CONVERGENCIA.

Fener introdujo en 1938 el concepto de asociar la convergencia de un túnel circular

sometido a un campo tensional hidrostático con la formación de una zona plástica que rodea la

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excavación del mismo. La extensión de la zona plástica depende de una presión equivalente pi,

llamada presión interna o presión del sostenimiento. En un túnel no sostenido el valor de pi

disminuye desde la tensión de campo σ 0 hasta el valor cero.

En el caso de un túnel no sostenido, no aparece aureola de plastificación si en la pared

de la excavación la tensión ortoradial es menor que la resistencia a compresión del macizo.

Cuando la presión interna de la excavación alcanza un valor crítico, pi¿, se desarrolla alrededor

de la excavación una zona plástica de radio Rp de forma que el radio de plastificación crece a

medida que la presión interna disminuye. Este valor de la presión interna pi¿ se obtiene como

intersección de la solución elástica con el criterio de rotura.

El problema del comportamiento tridimensional del macizo rocoso alrededor de una

excavación se trata como un problema de deformación plana de una sección transversal tipo

bajo la influencia de una disminución continua de la tensión radial que se ejerce sobre las

paredes de la excavación desde el valor inicial σ 0 hasta cero. El estado de tensión radial nula

en la pared se produce cuando no se coloca sostenimiento y la sección no está afectada por el

efecto del confinamiento del frente. Se ha podido mostrar, con una buena aproximación, que

la proximidad del frente es equivalente desde el punto de vista mecánico, a la aplicación de

una presión de sostenimiento ficticia (presión interna) pi. El estado inicial por delante del

frente, y a una distancia suficiente para poder despreciar su influencia, correspondiente a

pi=σ0.

A medida que la excavación se aproxima, pi disminuye progresivamente desde σ 0

hasta cero; el desplazamiento radial de las paredes crece igualmente y, por lo tanto, hay

convergencia.

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Figura 2: A) Desarrollo de la aureola de plastificación a medida que decrece la presión interna en la

excavación. B) Posibles zonas de plastificación según Panet (1995) en función de N.

La curva que liga la tensión radial ficticia pi y el desplazamiento radial ur en la pared de

la excavación caracteriza el comportamiento del macizo rocoso y se conoce como curva

característica del terreno o curva de convergencia en un punto de la pared del túnel.

Panet (1995) distingue tres situaciones en función del parámetro N=2σ0σ c

:

- Si el macizo rocoso es suficientemente resistente los desplazamientos son elásticos y la zona

plástica aparece por detrás del frente pero todavía no lo ha alcanzado. Este caso se

corresponde al valor N<2.

- Si N>5. El frente está completamente incluido en la zona plástica. En estas condiciones la

estabilidad del frente es crítica y hace falta acudir a técnicas de confinamiento del frente,

presostenimiento o excavación por secciones de menor área.

- En el caso intermedio (2<N<5) se pueden distinguir más de una zona en plasticidad, una por

delante del frente, debida a un exceso de compresión radial, otra por detrás debido a un

exceso de compresión en la dirección ortoradial y ortogonal al eje del túnel y una zona de

conexión entre estas dos zonas a nivel del frente en la cual hay una rotación de las tensiones

principales.

En la siguiente figura –Hoek et al. (1995)- aparece la distribución del desplazamiento

radial frente a la distancia al frente para un túnel circular sometido a un campo tensional

hidrostático y excavado en un macizo rocoso débil, constatándose los siguientes aspectos:

- El desplazamiento por delante del frente comienza en el macizo rocoso a una distancia

aproximada de 0,5 veces el diámetro de la excavación, aumentando a medida que la distancia

al frente disminuye.

- Cuando la distancia al frente es nula, el desplazamiento del macizo alcanza un tercio del

desplazamiento final.

- El desplazamiento final se alcanza a una distancia que oscila entre 1 y 1,5 veces el diámetro

de la excavación.

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Figura3: Modelo de deformación del macizo rocoso débil en el avance de un túnel (según Hoek et el

(1995)).

Carranza-Torres y Fairhurst (1999) representan los desplazamientos radiales

(obtenidos experimental y numéricamente) a lo largo del eje del túnel, llegando a la conclusión

de que la zona de influencia del frente se encuentra a una distancia de tres veces el diámetro

de la excavación por delante del frente y cinco veces el diámetro por detrás del frente, valores

que parecen más realistas.

El efecto del frente hace que aparezcan desplazamientos radiales a una distancia

determinada por delante del mismo y que los desplazamientos radiales por detrás de éste no

alcancen su valor final hasta otra distancia dada. Este fenómeno se conoce como efecto de

confinamiento del frente, y constituye el fundamento físico de la construcción de la curva

característica del terreno. Para simular este fenómeno claramente tridimensional con un

análisis bidimensional lo que se hace es suponer que en las paredes de la excavación se aplica

una tensión radial ficticia (presión interna) que genera una distribución de desplazamientos

radiales similar a la que proporciona la realidad. La curva característica del terreno es la curva

que relaciona esta presión ficticia con el desplazamiento radial de un punto en la pared de la

excavación.

Con el fin de clarificar todos estos conceptos se presenta el caso de avance de una

excavación con perforación y voladura (Fig. 4). El estado de las tensiones antes de la

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excavación se supone hidrostático y de magnitud σ 0. Después de cada ciclo de perforación y

voladura se instala el sostenimiento, formado en este caso por cuadros metálicos. A

continuación se discute el desarrollo del desplazamiento radial y presión radial del

sostenimiento en un punto de la periferia de la excavación en la sección X-X, a medida que el

frente avanza.

Figura 4: Ejemplo de un túnel avanzado con perforación y voladura y sostenido con cuadros metálicos.

En la etapa 1, el frente no ha alcanzado la sección X-X y el macizo en la periferia del

perfil propuesto está en equilibrio con una presión interna del sostenimiento pi igual y de

sentido contrario a σ 0. En realidad esto es cierto si la sección considerada está

suficientemente alejada del frente, ya que cuando el frente se acerca a la sección, la presión

interna es ligeramente inferior a la tensión de campo (pi<σ 0). En la etapa 2, el frente ha

sobrepasado la sección X-X y la presión interna debería haberse reducido a cero pero no

ocurre esto debido al efecto de confinamiento del frente (pi>0¿ .

Paralelamente, la Fig.5 muestra la presión radial de sostenimiento pi necesaria para

limitar el desplazamiento radial del contorno al valor dado por la abscisa ur. Se muestran

diferentes curvas para los hastiales y el techo. La presión extra del techo es la debida al peso

del material suelto. La curva dela Fig.5, desde el punto de vista de su construcción,

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proporciona el desplazamiento radial que se produce cuando la presión de sostenimiento vale

pi.

En la etapa 3, de la Fig.4, se ha colocado el sostenimiento cerca del frente de avance.

En esta etapa el sostenimiento no soporta carga porque aún no se ha producido la

deformación de la roca desde su instalación. Se supone que el macizo rocoso tiene

comportamiento no dependiente del tiempo. Los desplazamientos radiales del techo y hastial

corresponden a las abscisas de los puntos B y C. En la etapa 4 se avanza el frente 1,5 veces el

diámetro de la excavación, por lo que el efecto del frente es ahora despreciable, y el

desplazamiento radial viene marcado por las curvas CEG y BFH. Se induce a una carga en el

sostenimiento, cuyo comportamiento se supone lineal. Los sostenimientos se cargan

típicamente a lo largo de curvas como la DEF, conocida como reacción del sostenimiento, o

línea de sostenimiento posible. La curva que representa el comportamiento del macizo rocoso

se denomina curva característica del terreno o línea de sostenimiento requerido. El equilibrio

entre el macizo rocoso y sostenimiento está en el punto E para el hastial y en el F para el

techo. Es importante resaltar que la mayor parte de las tensiones redistribuidas surgidas por la

creación de la excavación son soportadas por el macizo rocoso y no por el sostenimiento.

Figura 5: Curva característica del macizo rocoso (techo y hastiales) y curva característica del

sostenimiento.

Si el sostenimiento no hubiese sido instalado después de las dos etapas de avance, los

desplazamientos radiales en X-X habrían aumentado a lo largo de las curvas EG y FH. En el caso

de los hastiales, el equilibrio se habría alcanzado en el punto G. Sin embargo, la presión

requerida por el sostenimiento para limitar el desplazamiento del techo puede caer hasta un

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mínimo y luego subir de nuevo, por lo que es necesario sujetar la roca. En este caso el techo

colapsaría si no se hubiese colocado el revestimiento.

El diseño racional de sostenimiento y refuerzo debe tener en cuenta la interacción

entre el sostenimiento y el macizo rocoso. Como muestra la Fig.5 se debe permitir un

desplazamiento suficiente para que parte de la energía se convierta en deformación y no sólo

en tensión con el fin de restringir las cargas sobre el sostenimiento a unos niveles adecuados.

Sin embargo, no debe permitirse un desplazamiento excesivo, pues se produciría una

reducción en la resistencia del macizo y éste podría colapsar.

La rigidez y el momento de instalación del sostenimiento tienen una gran influencia en

el control del desplazamiento y la interacción entre la curva del terreno y la del sostenimiento

proporciona el punto de equilibrio. Se habla de momento de colocación en el sentido de que el

sostenimiento se coloca cuando el macizo rocoso se ha deformado una determinada cantidad,

lo que se traduce en el ámbito práctico en colocar el sostenimiento a una determinada

distancia del frente.

La Fig.6 muestra un diagrama de interacción terreno-sostenimiento para un problema

similar al ilustrado en el caso anterior. La curva característica del terreno es ABCDE. El primer

momento en que se puede instalar el sostenimiento es después de que hay tenido lugar un

desplazamiento OG.

Figura 6. Influencia de la rigidez del sostenimiento y distancia al frente.

- El sostenimiento 1 se instala en G y alcanza el equilibrio con el macizo en el punto B. Este

sostenimiento es muy rígido y soporta una excesiva porción de carga redistribuida; como

consecuencia el sostenimiento puede romper causando la rotura de la roca que rodea al túnel.

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- El sostenimiento 2, teniendo menor rigidez alcanza el equilibrio en C. Si el desplazamiento en

el borde de la excavación es aceptable, no sería una mala solución. El macizo lleva la principal

porción de la carga y los elementos de sostenimiento no están excesivamente cargados.

- El sostenimiento 3, tiene una rigidez mucho menor que el 2 y también se instala en G,

alcanzando el equilibrio en D, donde el macizo rocoso ha empezado a caer. Aunque puede ser

una solución temporal, la situación es peligrosa pues una carga adicional podría no ser

aceptable por el sostenimiento. Este sostenimiento 3 es demasiado flexible en este caso.

- El sostenimiento 4, del mismo tipo y rigidez que el 2, se instala cuando ha tenido lugar un

desplazamiento radial de magnitud OF. En este caso, el sostenimiento se instala demasiado

tarde y tendrá lugar una excesiva convergencia de la excavación, y los elementos de

sostenimiento se sobrecargarán antes de que se alcance el equilibrio. En esta parte de la curva,

el equilibrio es aún estable en el sentido dinámico; sin embargo, los desplazamientos serán

enormes y el sostenimiento tendrá que soportar tensiones muy elevadas.

En todos estos casos se ha supuesto constante la rigidez del sostenimiento. En la

práctica esto no ocurre y habitualmente la rigidez es no lineal. A menudo, se da un

comportamiento inicial no lineal debido al incompleto contacto entre la roca y el sistema de

sostenimiento. La gunita y los bulones de lechada de cemento, pueden fluir a medida que

fraguan. Los sistemas de sostenimiento con menor rigidez son los cuadros metálicos o la

entibación con madera.

El arte de excavar túneles consiste pues en instalar el sostenimiento adecuado, a la

distancia del frente adecuado, aliándose con las fuerzas de la naturaleza para que el macizo

rocoso absorba en forma de deformación la mayor parte de la energía tensional liberada.

1.4 SOLUCIONES ANALÍTICAS DE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL TERRENO

Todas las curvas obtenidas de forma analítica, se han desarrollado bajo hipótesis muy

restrictivas respecto a la forma de excavación (circular) y la tensión de campo, que se supone

hidrostática…Diversos son los autores que proponen formulación (Salençon, Panet, Duncan,

Fama, Carranza, Torres, Fairhurst, Hoek, Brown…) bajo distintas suposiciones de

comportamiento del terreno (elasto-plástico perfecto, elasto-frágil y elasto-plástico con

reblandecimiento), así como distinto criterios de rotura (Mohr-Coulomb, Hoek-Brown).

A continuación se presenta la solución para terrenos con comportamiento elasto-

plástico perfecto propuesto por Panet (1995).

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Tomando como referencia la solución propuesta por Panet (1996), este autor utiliza λ

como parámetro de descarga, de manera que λ=0 representa la situación previa a la

excavación (σ r=σθ=σ 0) y λ=1 indica que el frente de avance ya ha pasado y está

suficientemente lejos (σ r=0 y σθ=2σ0), lo que se corresponde al estado final de descarga. Se

parte de un túnel de radio R, sometido a un campo tensional σ 0, excavado en un terreno con

comportamiento elasto-plástico perfecto. El régimen elástico está caracterizado por las

constantes elásticas correspondientes al módulo elástico de Young E y el coeficiente de

Poisson ν (o las equivalentes módulo de cizallamiento elástico G y ν). El régimen plástico está

caracterizado por el criterio de rotura de Mohr-Coulomb (cohesión, C, y ángulo de fricción, ϕ)

y por una regla de flujo no asociada que vendrá marcada por una dilatancia ψ.

Recuérdese que la relación entre G y E es:

G= E2(1+ν)

En el instante de la rotura λ=λe que se obtiene según la expresión:

λe=1

K p+1 (K p−1+2N )

Donde:

K p=1+sin∅1−sin∅

N=2σ0σ c

Siendo σ 0 la tensión de campo hidrostática en la zona del túnel, σ c la resistencia a

compresión simple del macizo rocoso y ϕ el ángulo de fricción del macizo rocoso.

Resolviendo las ecuaciones diferenciales correspondientes se podrá obtener el radio

de plastificación en cada momento de la descarga Rp, mediante la expresión:

R pR

=[ 2 λe(K p+1 ) λe−(K p−1 ) λ ]

1K p−1

El radio de plastificación irá variando a medida que se avance la descarga con λ,

obteniéndose el valor final del radio de plastificación para λ=1.

Los valores del desplazamiento radial en la parte elástica (0≤ λ≤ λe ) se obtienen

según:

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2Gσ0

urR

=λ

Y en la parte plástica (λe≤ λ≤1 ) como:

2Gσ0

urR

=λe [F1+F2( RR p )K p−1

+F3( R pR )K+1]

F1=−(1−2υ)K p+1K p−1

F2=21+K K p−υ (K p+1 ) (K+1 )

(K p−1 ) (K−K p )

F3=2(1−υ)K p+1K p+K

K= 1+sinψ1−sinψ

La curve característica del terreno se construye enfrentando cada valor de la presión

interna pi=(1−λ )σ 0 a su valor correspondiente de desplazamiento radial.

1.5 CONCLUSIÓN

En esencia, las ideas fundamentales o generalidades para métodos de sostenimientos

son las siguientes:

• La zona de roca que circunda al túnel interviene en la estabilidad de la excavación y es el

principal elemento del que depende ésta. Es decir, es la propia roca la que se autosostiene, ya

que se forma un arco de descarga en torno al túnel que transmite las tensiones a ambos lados

de éste.

• Como consecuencia de lo señalado en el punto anterior, conviene mantener inalteradas, en

la medida de lo posible, las características de la roca que rodea al túnel. Para ello es

beneficioso emplear cualquier técnica de excavación mecánica o, en su defecto, técnicas que

suavicen el efecto de las voladuras sobre la roca: recorte, precorte...

• Para facilitar la distribución de tensiones en el anillo de roca que rodea al túnel, se deben

diseñar los túneles con formas redondeadas, evitando los puntos angulosos.

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• El sostenimiento se colocará de forma que deje deformarse al terreno siempre dentro de la

estabilidad del túnel, con objeto de que la roca desarrolle su capacidad autoportante. La carga

que va a soportar el sostenimiento dependerá pues del momento en que se coloque tras la

excavación.

• En la etapa de Proyecto se diseñan varios tipos de sostenimiento a aplicar según sea la

calidad de la roca. Durante la obra los sostenimientos se optimizan con la información que

aporta la instrumentación del túnel.

• Inmediatamente tras la excavación se coloca un sostenimiento primario que estabiliza al

túnel. Más adelante, en función de otros factores, tales como presencia de agua u otros

factores funcionales, puede colocarse o no un revestimiento definitivo de hormigón encofrado.

Límites de aplicación del método de convergencia/ confinamiento.

La estimación del sostenimiento requerido para estabilizar una excavación sobre todo

en las proximidades del frente, es un problema debido a la redistribución de tensiones

alrededor de la excavación. El tipo de sostenimiento a usar se debe limitar a uno o dos de

manera que no se desestabilicen las operaciones subterráneas de abastecimiento de material.

Esta estandarización supone un preciso cálculo del sostenimiento para cada sección.

Además, la necesidad de instalar el sostenimiento inmediatamente después de la

excavación no permite tiempo para cálculos ni para fabricación de sostenimiento. De hecho,

para realizar una determinación precisa es necesario estudiar cada sección de forma separada

ya que pueden diferir entre ellas por las capas de roca encontrada, su buzamiento y posición.

Podría ser necesario realizar ensayos de cada capa, determinando sus propiedades y la

influencia de cada capa sobre las demás. Esto puede requerir una serie de experimentos y

análisis matemáticos cuya solución, suponiendo que existe solución, requiere un precioso

tiempo durante el cual la excavación podría colapsar.

Las limitaciones de esta metodología nacen de las hipótesis tan restrictivas que hay

que imponer para poder obtener la curva característica del terreno para obtener soluciones

analíticas.

El uso de criterios de rotura no lineales (Hoek-Brown) dificulta la obtención de

soluciones analíticas, por lo que la mayoría de las soluciones corresponden al criterio de rotura

Mohr-Coulomb. Por otra parte, no se consideran las condiciones de ejecución de la obra.

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En cualquier caso, casi todas estas limitaciones pueden ser en gran parte solventadas

haciendo uso de soluciones numéricas, donde se pueden especificar estas condiciones de

partida tan distintas de las necesarias para obtener la solución analítica. Sin embargo, existen

otros problemas de difícil resolución que hay que tener en cuenta a la hora de aplicar esta

metodología: (i) la propia metodología, por definición, implica modelizar un problema de

carácter claramente tridimensional usando un modelo bidimensional y (ii) la dificultad en la

obtención de parámetros materiales fiables que caractericen el macizo rocoso es clara

2. MEDIDAS DE CONVERGENCIA

Se llaman convergencias a los movimientos relativos producidos entre dos puntos del

intradós de un túnel. La medida de la convergencia de una sección es la medida más simple y a

la vez más representativa.

Para la medición de la convergencia, se colocan inmediatamente después de la

excavación, una serie de clavos en la sección transversal al eje longitudinal del túnel. Según la

importancia del túnel los puntos de una sección transversal pueden ser tres o más.

Habitualmente son uno en la clave, dos en los riñones y dos en los hastiales, se mide la

variación de longitud entre los puntos opuestos y se nivela el punto en clave para tener

constancia del movimiento (vertical) absoluto de éste.

Figura 7: Sección de medida de convergencia y distancia al frente

Para la medida de longitudes se pueden utilizar aparatos, llamados extensómetros que

con ayuda de los hilos invar mantenidos a presión constante por un dinamómetro consiguen

precisiones de la décima de milímetro, precisiones utilizadas en la fase de construcción, y hasta

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la milésima de milímetro para túneles en explotación. La cinta metálica milimetrada puede ser

utilizada cuando la precisión exigida es menor, al igual que los métodos topográficos, pero

estos tienen la ventaja de la rapidez con la que se ejecutan las medidas.

La distancia entre secciones de convergencia depende de la naturaleza y

heterogeneidad del terreno: habitualmente se suelen disponer cada 20 o 30 metros, aunque

en tramos delicados esta distancia puede reducirse considerablemente. Será necesario

conocer también la distancia al frente de excavación (x) en cada toma de medidas de

convergencia.

Para el estudio detallado de la convergencia de la sección de un túnel se debe tener en

cuenta lo siguiente:

En este primer gráfico, se representa la distancia al frente de excavación (x) en función

del tiempo (t).

Figura 8: Distancia al frente de excavación (x) en función del tiempo (t).

En los siguientes gráficos se van a representar las variaciones de la convergencia (c) en

función del tiempo (t) y en función de la distancia x.

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Figura 9: variación de la convergencia (c) en función del tiempo (t).

Figura 10: Variación de la convergencia en función de la distancia (x).

Es importante efectuar lecturas diarias en la fase inicial, e ir espaciando

progresivamente las lecturas en función de la evolución de la curva convergencia-tiempo.

Instrumentación:

Como se ha mencionado anteriormente, los movimientos del túnel dependen

directamente del comportamiento del terreno, los dos objetivos principales de la

instrumentación van a ser: conocer el comportamiento del terreno según se va ejecutando el

túnel y controlar su evolución una vez construido.

Estos dos objetivos se dividen en dos fases distintas de proyecto, y cada una requiere

una atención distinta:

Durante la construcción:

- Se debe controlar si las hipótesis de proyecto se ajustan a la realidad del terreno

encontrado. Por ello, es importante analizar el terreno atravesado: describiendo y

analizando materiales encontrados, conociendo deformaciones y/o tensiones reales,

ajustando parámetros de cálculo, etc. En este caso la instrumentación se diseña para

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conocer el comportamiento de los diferentes tipos de terreno; y por ello basta con

estudiar bien algunas zonas por cada tipo de terreno, lo que se hace instrumentando

secciones de control cuidadosamente elegidas.

- También se debe conocer si se produce o no un equilibrio entre esfuerzos y capacidad

resistente de los sostenimientos, lo que se hace comprobando si se produce la

estabilización de las medidas. Para ello se debe auscultar todo el túnel, para poder

detectar, si se dieran, inestabilidades tanto en el frente de avance como en zonas ya

atravesadas. La instrumentación en este caso se diseña para comprobar el equilibrio en el

túnel; y debe hacerse a lo largo de todo él, por lo que da lugar a una instrumentación

sistemática.

Durante la explotación:

- Se debe controlar si se produce la desestabilización a largo plazo de alguna zona del túnel,

para ello, es necesario mantener operativos los equipos colocados durante la

construcción y mantener un plan de lecturas sistemáticas.

A continuación se expone una tabla de los aparatos y equipos que van a ser desarrollados

posteriormente:

Función Aparato o Equipo Utilización

Medida de

desplazamientos

Cinta de convergencia Desplazamientos entre puntos

Medida de

desplazamientos

Extensómetro de varillas Desplazamientos o asientos relativos

entre puntos

Medida de

desplazamientos

Inclinómetro Variación angulares

Medida de

desplazamientos

Dianas, prismas, etc. Control topográfico

Medida de fuerzas o

tensiones

Células de carga

Medida de

deformaciones

Extensímetro de cuerda

vibrante

Medida de deformaciones en

elementos estructurales

Tabla 1: Equipos que se utilizan en instrumentación

En esta tabla se recogen los equipos que se utilizan en instrumentación, a continuación se

van a desarrollar los distintos equipos, destacando los de medida de desplazamientos.

20


- Para movimientos relativos:

Cintas de Convergencia

Una Cinta Extensométrica es un dispositivo portátil que se usa para medir el

desplazamiento entre pares de pernos referencia instalados sobre una estructura o en una

excavación. Los pernos están fijados de manera permanente para proporcionar un punto de

referencia exacto en la superficie de la estructura.

Hay disponibles pernos con diversas longitudes de anclaje en función de las

características de las superficies a controlar.

A continuación se expone un ejemplo real de una Cinta Extensométrica de Soil

Instrument Ltd.

En este caso, la unidad completa de Cinta Extensométrica comprende una cinta de

medida de acero inoxidable con agujeros perforados de manera precisa y equidistante, y un

gancho conector. La cinta está enrollada en un carrete que está unido al cuerpo ligero del

instrumento. El cuerpo de la cinta extensométrica también tiene un gancho idéntico al que se

encuentra en el extremo libre de la cinta. El instrumento incorpora un dispositivo tensor de la

cinta y una pantalla LCD para su lectura digital.

El pin se engancha en el agujero apropiado de la cinta y se asegura con un clip de

retención, la tensión de la cinta se ajusta mediante la rotación de un collar con estrías hasta

que las líneas blancas de la carátula y del cursor móvil queden exactamente alineadas. Con un

operador experimentado se puede obtener una repetitividad en las lecturas de 0.1 mm.

La lectura final resulta de sumar la lectura sobre la cinta de la posición del agujero en

el que se ha enganchado el pin y la lectura digital. Para obtener la máxima precisión se debe

usar un único instrumento a lo largo de la duración de un proyecto. Se debe establecer una

nueva base de medidas cada vez que la cinta es remplazada, de cualquier forma la correlación

entre ambos instrumentos puede realizarse fácilmente in-situ.

Es importante resaltar que las medidas obtenidas no son absolutas, pero respecto a la

medida o al movimiento anterior proporciona datos precisos a lo largo del tiempo.

El instrumento puede ser usado por una sola persona.

APLICACIONES ESPECÍFICAS TUNELES

21


- Movimientos radiales y convergencias.

- Auscultación y control de la construcción mediante el Nuevo Método Austriaco.

Figura 11: Cinta extensométrica

El empleo de las cintas de convergencia en España es un hecho habitual, no ocurre lo

mismo en Europa, estas cintas son cada vez menos usadas. Generalmente se suelen emplear

en proyectos especiales como por ejemplo en laboratorios de investigación subterránea,

depósitos nucleares, etc.

Extensómetros de Varillas

Son varillas colocadas en una perforación realizada en el terreno y ancladas en un

extremo. Se miden los desplazamientos del otro extremo, respecto a la boca de la perforación,

donde se coloca un “cabezal”.

Hay extensómetros de 1 a 4 varillas por cabezal, pero se recomienda la instalación en

perforaciones independientes, con cabezales de 1 varilla.

22


Su lectura se hace directamente en el cabezal con un comparador, o a distancia donde

se haya centralizado la lectura de varios. En estos casos se instalan unos potenciómetros en los

cabezales de los extensómetros, que transforman las deformaciones en señal eléctrica.

Estos equipos miden movimientos relativos entre el extremo anclado de la varilla y el

cabezal. Si se quieren obtener movimientos absolutos de un extremo, se deberán emplear

métodos topográficos para medir los movimientos absolutos del otro.

En condiciones normales se instalan mejor los extensómetros de exterior. La nivelación

del cabezal, en estos casos, es más fácil también que obtener los movimientos absolutos de los

cabezales en el interior del túnel.

Cuando se instalen en superficie deben ser protegidos externamente, colocándolos en

una arqueta cerrada con llave.

La precisión final de estas medidas está en el orden de 0,1mm. A estas medidas, que

son relativas, hay que sumar los movimientos del cabezal, que difícilmente alcanzan esta

precisión.

Figura 12: Extensómetro de Varillas

Inclinómetros

Consiste en un “torpedo” que se introduce en una tubería acanalada (para su

dirección), y mide las variaciones angulares de su posición en diferentes puntos a lo largo de la

tubería. Integrando estas variaciones, se calcula la deformada de la tubería.

La tubería se coloca en el interior de una perforación realizada en el terreno, y debe

hacerse solidaria al mismo; para lo cual es importante el cuidado de la perforación y la

23


inmediata colocación de la tubería y su relleno exterior. Debe ser protegida externamente,

colocando una arqueta cerrada con llave.

Se usan normalmente en el exterior del túnel, y se sitúan en los laterales del mismo (a

una distancia máxima de 2m del hastial), en sondeos verticales desde la superficie. Su

profundidad debe ser hasta un diámetro y medio aproximadamente, por debajo de la solera

del túnel (para poder considerar como fijo el extremo inferior).

Existen experiencias de utilización en interior (en perforaciones horizontales y al

frente), para medir las deformaciones del terreno por delante del frente de avance; pero no es

habitual, y tiene muchas dificultades.

Su utilización consiste en introducir el “torpedo” periódicamente a lo largo de la

construcción; así se obtienen sucesivas deformadas en el tiempo, de las paredes de la

perforación. Eligiendo un origen adecuado, se obtienen por diferencias los movimientos

sufridos por la perforación, y con ella el terreno solidario.

Eligiendo un punto cualquiera, a una determinada profundidad, se puede representar

la evolución en el tiempo de los movimientos perpendiculares a la tubería en ese punto, y

analizar dichos movimientos en cada fase de la construcción. Estos movimientos se pueden

comparar a las convergencias de interior, etc…

La precisión de esta metodología depende de la profundidad; pero realizando las

correcciones oportunas y midiendo los movimientos absolutos en superficie, se pueden

eliminar parte de los errores de profundidad y conseguir precisiones de 0,5mm.

Tanto los inclinómetros como los extensómetros presentan el inconveniente de ser unas

medidas mucho más caras que las nivelaciones o convergencias y por ello, a pesar de los

grandes beneficios que aportan estas medidas, su uso se reserva a los emboquilles que

realmente presentan un grado de complejidad apreciable.

24


Figura 13: Inclinómetros

Sistemas Topográficos

Con los Sistemas Topográficos es posible llevar a cabo la medición de deformaciones

con gran precisión y de forma continua y automatizada, con suma rapidez y en tiempo real.

Estos datos deben analizarse inmediatamente para poder tomar las decisiones

oportunas cuando se detecta cualquier movimiento.

Estos sistemas están formados por:

- Estación total (puede estar robotizada y automática), capaz de realizar mediciones de

alta precisión y de forma rápida.

- Prismas: situados en los puntos a controlar.

- Sensores para el reconocimiento del prisma.

- Software que realiza la gestión de datos de forma autónoma, permitiendo su

visualización y análisis desde cualquier acceso remoto y en cualquier momento, a

través de radio o por conexión a internet.

25


Figura 14: Estaciones totales Trimble S6 y S8 (Cortesía de Trimble y Al-top)

Figura 15: Sistema instalado para la medida automática de las convergencias.

El procedimiento de medición consiste en realizar medidas angulares y

distanciométricas desde las distintas estaciones totales hacia los puntos de control definidos

para el estudio del posible movimiento.

El control se realiza de forma planificada a partir de un proceso cíclico monitorizado (es

posible automatizar la observación de numerosos prismas situados en los puntos de control de

forma programada), que permitirá calcular las coordenadas de dichos puntos, compararlas con

la observación anterior para detectar movimientos, y dar la voz de alarma si es preciso. Las

estaciones totales son controladas desde un centro de vigilancia que las gestiona, realiza los

cálculos y analiza en tiempo real cualquier movimiento sufrido en los puntos de control.

El software de control centraliza los datos y configura cada uno de los equipos en

cuanto a los periodos de medición, registro de datos y alarmas de aviso; determina las

tolerancias admitidas, dibuja gráficos, emite informes, calcula convergencias…

Para el proceso de medición hay que tener en cuenta varios factores:

26


- Decidir la precisión necesaria para determinar los posibles desplazamientos de los

puntos a controlar en función del movimiento esperado.

- Elegir el instrumento adecuado.

- Determinar la zona de control (posible afección de deformaciones).

- Zona de ubicación de las estaciones.

Estos dos últimos puntos son muy importantes para optimizar el número de estaciones

necesarias para controlar el mayor y mejor número de puntos posibles.

En cuanto a la medición de los datos, hay que programar cuando se miden y tener en

cuenta correcciones de temperatura y precisión en la medida de distancias, así como tener en

cuenta el fenómeno de refracción en la medida de ángulos.

Una vez obtenidos los datos, se realiza el cálculo de coordenadas de cada uno de los

prismas de control, que el sistema compara con el cálculo anterior, de forma tal que es posible

obtener unos diferenciales de coordenadas de cada punto. Si la diferencia de coordenadas

excede una tolerancia establecida, el sistema de tratamiento nos lo indica.

Células de presión

Son equipos que miden tensiones de compresión, y por diferencia con la presión inicial

del equipo (tras una presurización para mejorar el contacto de las paredes), determinan las

variaciones de esta variable.

Se instalan en el interior del sostenimiento y/o del revestimiento, embebidas en el

hormigón o en las superficies de contacto entre ambos, o de estos con el terreno.

Teóricamente se pueden medir tensiones tangenciales y radiales, según se dispongan las

células respecto a la directriz del túnel; pero su utilización más habitual es para la medición de

tensiones radiales (se colocan tangenciales si el espesor del revestimiento es grande).

Son equipos difíciles de colocar bien y existen abundantes casos de medidas

incoherentes debido a:

- Deficiente instalación

- Les puede afectar la puesta en obra del hormigón

27


- El correcto funcionamiento es difícil, debido a su gran tamaño en relación con los

espesores del sostenimiento y el revestimiento.

Figura 16: Células de presión

Extensímetros de cuerda vibrante

Son equipos utilizados para conocer las solicitaciones de los elementos metálicos en el

sostenimiento (cerchas, mallazos) o el revestimiento de hormigón armado. Estos equipos

acompañan en su deformación a los elementos a los que se sujetan y permiten conocer la

tensión a que se encuentran sometidos.

Su instalación debe hacerse con sumo cuidado para no afectar al comportamiento

estructural del elemento al que se sujeta; especialmente por suponer un obstáculo al

hormigonado correcto de la pieza.

Figura 17: Extensímetro de Cuerda Vibrante

Planteamiento de la instrumentación

28


La instrumentación, y posterior medida y análisis, es costosa, por lo que se deben de

plantear dos cuestiones fundamentales a la hora de elegir la instrumentación: qué se quiere

medir y para qué.

Cada túnel tiene una instrumentación adecuada diferente, dependiendo de las

circunstancias de la zona, lo que se quiera controlar, etc, todo ello depende de:

- Profundidad del túnel y posibilidad de acceso a la zona de superficie, sobre el túnel. La

instrumentación desde el exterior siempre es preferible.

- Si la zona es urbana, se deben controlar todos los tipos de terrenos que puedan verse

afectados por la subsidencia. Tipo de terreno y problemática propia.

- Método constructivo y posibilidad de acceder al frente de trabajo.

Instrumentación localizada en zonas de interés

Para conocer el comportamiento teórico del terreno en las diferentes zonas del túnel,

se definen secciones de control en puntos representativos de las características de cada zona.

Esta zonificación deberá atender a diferentes circunstancias como son: tipo de terreno,

cobertera, presencia de agua, edificios u otras construcciones cercanas, etc.

Estas secciones pueden ser de dos tipos:

- Secciones de control interiores:

Figura 18: Secciones de control exteriores.

Tienen la ventaja de poder instalarse en cualquier punto del túnel, pero su instalación y

primera medida, solo pueden hacerse una vez excavado el túnel en ese punto.

- Secciones de control exteriores:

CP: Célula de Presión

Ex 2/4/6: Extensómetros con anclajes

29


Figura 19: Secciones de control.

Tienen la ventaja de poder medir desde antes del paso del túnel y, por tanto, registrar

toda variación producida por la construcción.

El tipo de instrumentación elegido debe facilitar información que se pueda contrastar

con un modelo matemático. De esta manera se podrán ajustar los parámetros del terreno al

inicio de los trabajos, y revisar los cálculos antes de iniciar otras fases de excavación más

comprometidas.

Instrumentación sistemática a los largo del túnel.

Esto consiste en la instalación de muchos puntos de control y de características

sencillas para controlar la totalidad del túnel, con el objetivo de detectar cualquier incidencia.

Si la instrumentación se hace desde el interior, se hace habitualmente con medidas de

convergencias.

También se debe instrumentar sistemáticamente la superficie en zonas urbanas, y

especialmente en todos los edificios situados en una banda alrededor del túnel.

Equipos instalados

Es muy importante recoger toda la información de los equipos instalados, para ello, es

fundamental la identificación cuidadosa de cada equipo, esto es de gran importancia, ya que a

lo largo de la obra, la gente cambia, y es conveniente que se detalle toda la información de los

equipos para evitar problemas.

30


Figura 20: Sección de control exterior.

Un ejemplo de lo que se ha de tener puede ser:

- Planos de situación con todas las secciones y equipos de instrumentación colocados.

- Secciones transversales de todas las secciones de control identificando la posición de

cada equipo.

- Características del equipo instalado.

- Información específica (fecha de instalación, responsable de instalación, etc.)

Lecturas

Es importante buscar un equilibrio entre el interés por tener muchos datos y la

capacidad de su análisis inmediato a pie de obra. Es por ello por lo que se deben optimizar los

recursos, humanos y de equipamiento de los que se disponga; malo es no medir cuando se

debe, y malo es medir demasiado y que la abundancia de datos impida el análisis sistemático y

la detección de variaciones significativas.

31


Figura 21: Medida de Convergencias en el túnel de Archidona (Málaga).

La instrumentación sistemática debe leerse diariamente cerca del frente de avance

(hasta 3 diámetros de distancia). Por detrás de esta zona se debe leer periódicamente

(semanal, quincenal, mensual) en función de como se vayan estabilizando las lecturas. No se

debe abandonar ninguna sección de convergencia y nivelación; mientras el túnel no tenga el

revestimiento definitivo construido, o se decida por la dirección de obra, tras la

correspondiente justificación, que no se necesita seguir midiendo.

La instrumentación en secciones de control debe medirse selectivamente. Cuando se

instala se debe medir frecuentemente hasta asegurarse de que las lecturas son correctas.

Cuando se espera que el paso del túnel empiece a detectarse, se debe medir diariamente

hasta que se aprecie una tendencia, tras lo cual se podrán distanciar las lecturas hasta su

estabilización. Es importante tras la estabilización seguir realizando la toma de medidas, hasta

que se decida su suspensión.

Resultados

En este apartado, se presentan los resultados obtenidos de las lecturas anteriormente

realizadas, normalmente, las medidas suelen representarse como variación respecto a la

lectura inicial.

Se representan habitualmente mediante gráficas, fecha/medida, Tiempo/velocidad y

pk/medidas.

32


Cada medida debe ir acompañado de los comentarios pertinentes acerca de las fases

significativas de los trabajos, incidencias en los equipos…

Recomendaciones para manejar datos fiables exentos de errores:

- En lo posible, debe medir siempre la misma persona, teniendo a otra como sustituta

para épocas de vacaciones, etc.

- Al medir se debe asegurar la bondad de la medida, especialmente si la variación es

significativa. En estos casos se debe repetir la medición y comprobar que no ha habido

errores.

- Se debe extremar el cuidado en la calibración

- Se deben presentar y conservar todos los resultados aunque haya incoherencias

aparentes, sin intentar corregirlos en función de alguna teoría.

3. SUBSIDENCIA

3.1 CONCEPTO DE SUBSIDENCIA

La subsidencia terrestre es un fenómeno que implica el asentamiento de la superficie

terrestre en un área extensa debido a varios factores, que pueden ser naturales o causados

por el impacto de una gran variedad de actividades humanas.

33


Figura 22: Vista aérea de una subsidencia

Dentro de esa variedad de actividades humanas que provocan la subsidencia se

encuentra la construcción de túneles.

La excavación de terreno en una obra subterránea introduce una clara alteración del

estado tensional inicial del mismo, con tendencia a producir tracciones horizontales en la

clave, aumento de la compresión vertical en hastiales, de compresión entre la superficie y la

clave del túnel, etc. Ello tiene como consecuencia la inducción de un campo de deformaciones

en el terreno, que tiende a cerrarse en torno a la excavación (con extensión entre la superficie

y la clave del túnel, levantamiento ligero del fondo de la excavación, etc.) y que viene a

equivaler a desplazamientos radiales hacia el túnel. Esto significa que habrá movimientos de la

superficie y sus proximidades con componentes horizontal (lo que a menudo se olvida) y

vertical (asiento). Las deformaciones que se producen en superficie, originadas por

alteraciones en el equilibrio interno del terreno y no por sobrecargas directamente aplicadas

en ellas son lo que constituyen el fenómeno conocido como subsidencia.

Normalmente se presta más atención a los movimientos en superficie por su

repercusión en elementos de la misma, pero no deben olvidarse las deformaciones interiores

que inducen movimientos considerables que pueden afectar a cimentaciones profundas.

34


Figura 23: Representación general de una subsidencia

Los movimientos finales son función de un gran número de factores:

- Geometría del problema

- Heterogeneidad del terreno y presencia de agua

- El proceso constructivo (tipo de elemento excavador, huecos que quedan entre zonas

excavadas y revestimiento, tiempo que transcurre hasta realizar inyecciones de

contacto, velocidad de avance, desfase entre los frentes de túneles paralelos, etc.).

- Deformabilidad relativa entibación- terreno y su evolución en el tiempo etc.

Además para la estimación de estos movimientos se debe considerar el tiempo, que

influye considerablemente en la magnitud de la relajación total que va a experimentar el

terreno. En general, el movimiento de un punto de la superficie se inicia varios días antes de

que el frente de excavación llegue a su vertical y continúa de forma que cuando el frente

alcanza el punto de observación el asiento puede ser de un 10% a un 50% del valor máximo.

Dicho valor máximo será alcanzado en un tiempo que varía entre varios días (suelos duros no

fisurados) a varios meses.

35


Figura 24: Evolución de la subsidencia en función del tiempo.

3.2 TIPOS DE SUBSIDENCIA

Podemos definir la subsidencia, desde un punto de vista genético o general, como:

- Subsidencia exógena: se refiere a los procesos de deformación superficial relacionados

con la compactación natural o antrópica de los suelos.

- Subsidencia endógena: hace referencia a aquellos movimientos de la superficie

terrestre asociados a procesos geológicos internos, tales como pliegues, fallas,

vulcanismo, etc.

La subsidencia puede también clasificarse en función de los mecanismos que la

desencadenan. La extracción de minerales en galerías subterráneas, la construcción de

túneles, la extracción de fluidos (agua, petróleo o gas) acumulados en reservorios

subterráneos, el descenso de nivel freático, la disolución natural del terreno y lavado de

materiales por efecto del agua, los procesos como fallas, son algunas de las causas de los

procesos de subsidencia.

La subsidencia minera o por construcción de obras subterráneas consiste en el

hundimiento de la superficie del terreno con motivo de la deformación y/o colapso de galerías

36


generadas para la extracción de minerales o la construcción de túneles respectivamente al

intentar ocupar el suelo el vacío generado los terrenos circundantes.

Figura 25: Subsidencia minera.

La subsidencia por erosión subterránea se produce por un proceso mecánico de

arrastre de partículas de suelo causado por el flujo de agua subterránea. El agua, en su

recorrido horizontal por el terreno, moviliza partículas de suelo generando una serie de

canales que pueden desencadenar colapsos del terreno. El fenómeno es conocido como

tubificación o “piping”.

37


Figura 26: Subsidencia por erosión.

En torno a diversas formaciones evaporíticas se producen fenómenos de subsidencia

asociados a fenómenos de flujo lateral. Se ha observado en materiales arcillosos intercalados

entre materiales más competentes como pizarras.

Figura 27: Subsidencia por flujo lateral

La acumulación natural sucesiva de sedimentos o determinados tipos de

cimentaciones pueden ocasionar la consolidación del terreno como consecuencia del peso que

ejercen los sedimentos o las construcciones. Esta subsidencia se produce por una reducción

gradual de los huecos del suelo.

38


Figura 28: Subsidencia por carga

Las vibraciones producidas por los terremotos, explosiones u otras causas pueden

causar la densificación de terrenos granulares sueltos por reajuste de partículas al alcanzar

éste una estructura más compacta.

Figura 29: Subsidencia por vibraciones

La extracción de fluidos (agua) desde el terreno puede causar importantes valores de

subsidencia como consecuencia del cierre gradual de los huecos rellenos por el fluido extraído.

Figura 30: Subsidencia por extracción de agua

39


Los descensos de la superficie terrestre producidos por las fallas producen un efecto

conocido como subsidencia tectónica. Este tipo de subsidencia es, en general, muy lenta y de

pequeña magnitud (de pocos mm o décimas de mm al año) frente a otros tipos de subsidencia.

Figura 31: Subsidencia Tectónica

3.3 MÉTODOS PARA LA ESTIMACIÓN DE SUBSIDENCIAS

En la mayoría de los casos, el movimiento de un punto en la superficie de un túnel

empieza varios metros antes de llegar el frente de excavación a la vertical de dicho punto. En

algunos casos, incluso se pueden producir levantamientos (en arcillas rígidas y excavaciones

con EPB).

Este movimiento continúa, de forma que cuando el frente llega al punto de

observación, se ha producido entre el 10% y el 50% del asiento máximo, el cual se alcanza con

posterioridad a sobrepasar el frente la vertical de dicho punto.

La estimación teórica del asiento máximo y su evolución es complicada debido al gran

número de variables que intervienen, acentuada por tratarse de un fenómeno tridimensional y

dependiente del tiempo.

La excavación y sostenimiento de un túnel originan la redistribución del estado

tensional alrededor de su contorno, y el desarrollo de convergencias radiales hacia el interior

de la excavación, lo que provoca la reducción de la sección teórica de excavación, que se

manifiesta en superficie en forma de una cubeta de asientos, mas acentuada en zonas de

menor cobertera o terrenos de mala calidad.

40


Para la previsión de la subsidencia se han utilizado tradicionalmente procedimientos

analíticos basados en observaciones de experiencias reales (métodos empíricos) que han

permitido estimar, con un elevado grado de fiabilidad, el orden de magnitud y distribución de

la subsidencia para túneles ejecutados en condiciones similares.

Por otra parte, el desarrollo en los últimos años de herramientas de cálculo y

disposición de procesadores cada vez más rápidos ha permitido la evaluación de subsidencias

esperables con la aplicación de métodos numéricos y modelos que intentan reproducir el

modelo constructivo.

Los modelos de cálculo permiten, en teoría, reproducir con bastantes simplificaciones,

el procedimiento constructivo y tener en cuenta aspecto tales como la consideración del

estado tensional geoestático, la presencia de otros túneles o edificaciones y el

comportamiento del terreno en la post-rotura. En particular para un túnel excavado con una

TBM-EPB, es posible analizar la sensibilidad de la subsidencia que se obtiene a la variación de

las siguientes variables:

- Presión aplicada en el frente.

- Presencia de huecos en la geometría.

- Eficiencia del relleno del trasdós de dovelas (gap) existente.

- Alternancia de niveles geotécnicos de distinto comportamiento.

- Estado tensional inicial y cobertura existente.

- Comportamiento del terreno en la post-rotura (efectos de dilatación negativa o

positiva, etc.).

Para ello se emplean algoritmos de diferencias finitas, elementos finitos tanto para análisis

bidimensionales o en 3D para estudios de problemáticas marcadamente tridimensionales.

La aplicación de modelos numéricos exige adoptar modelos constitutivos adecuados

para representar un comportamiento del terreno lo más realista posible. Sin embargo, desde

el punto de vista práctico no tiene sentido la utilización de modelos sofisticados que requieren

la incorporación de múltiples parámetros de cálculo que no siempre pueden ser bien

conocidos.

41


Resulta particularmente difícil conocer cual es el estado real inicial de tensiones in

situ, y en particular el confinamiento lateral cuya influencia en el análisis resulta muy

significativa. Asimismo, influyen en el resultado los parámetros de resistencia y de

deformabilidad del terreno, la rigidez de los elementos e infraestructuras situados en la zona

de influencia y en definitiva los modelos de comportamiento.

La realización de ensayos in situ y en laboratorio debe plantearse con el objetivo de

determinar, con la mayor precisión posible, no solo los valores característicos sino también sus

rangos de variación local y a distintas profundidades con objeto de poder efectuar análisis de

sensibilidad e identificar las variables críticas que manejan el fenómeno.

La utilización de modelos analíticos o semiempíricos sencillos no permiten considerar

adecuadamente el efecto de aspectos tales como las variaciones en las propiedades del

terreno (anisotropía), interacción suelo-estructura, efectos de dilatación, etc., que pueden ser

determinantes por lo que no considerarlos puede conducir a resultados excesivamente simples

y poco realistas.

Sin embargo, en modelos muy complejos la interpretación de los resultados se

complica, siendo además de dudosa utilidad, si se basan en datos y modelos de

comportamiento poco fiables, que hacen innecesario un modelo de cálculo sofisticado,

determinista y subjetivo, y en la mayor parte de los casos engañoso por su mayor visual de la

realidad.

42


Figura 32: Modelos tridimensionales FLAC-3D (Estudio para el Metro de Tesalónica, 2005).

En consecuencia, para una adecuada previsión de subsidencias, se requiere:

- Toma de datos del terreno lo más exhaustiva y fiable posible.

- Toma de datos de los elementos e infraestructuras situados en el entorno: geometría,

materiales, rigidez.

- Conocimiento preciso del procedimiento constructivo y de las distintas fases de

ejecución.

- Elección de modelos de comportamiento del terreno adecuados y para cuya aplicación

se disponga de datos suficientemente fiables.

- Aplicación de métodos de cálculo diversos: analíticos, semiempíricos, numéricos, con

distintas hipótesis y análisis paramétricos de sensibilidad y comparación de resultados.

- Contraste de resultados con casos históricos y experiencias documentadas.

En general, la incertidumbre en la fiabilidad del resultado, aconseja plantear la previsión

con un cierto criterio conservador.

3.4 EVALUACIÓN GLOBAL DE LOS MOVIMIENTOS

De forma práctica, el valor absoluto de los desplazamientos superficiales puede

estimarse a partir de la pérdida de terreno o área de la cubeta de asientos (o cubeta de

Attewell), Vs. Esta magnitud se define como el volumen entre la posición inicial de la

superficie y la posición final de la misma.

43


Figura 33: Imagen tridimensional de la cubeta de subsidencia.

Este volumen de asientos, Vs, suele expresarse como un porcentaje de la sección

transversal excavada.

Figura 34: Perfil transversal de la cubeta de asientos.

Figura 35: Definición en planta de la cubeta de asientos (Oteo, 2003).

La pérdida de terreno se relaciona con la pérdida de sección, V0, que se produce en el

túnel y que suele deducirse a través de las medidas de convergencia. Dado el proceso de

extensión a que está sometido el terreno por encima de la clave del túnel esta relación entre

Vs y V0 es del orden de 0.65 a 0.75.

44


A partir de datos reales, suele decirse, que el rango de Vs es de 0.5 a 2% en suelos

rígidos y del orden de hasta el 5% en suelos blandos, aunque ello depende del sistema

constructivo.

El volumen de asientos se puede representar también en función del factor de

sobrecarga, N.

N= (Po-Pi)/Cu

Siendo Po la presión total o sobrecarga de tierras en el eje del túnel, Pi la presión

intersticial del túnel (si existe) y Cu la resistencia al corte sin drenaje.

Figura 36: volumen de asientos, Vs, en función del factor de sobrecarga, N.

Sagaseta (1987) realizó un análisis teórico correspondiente tanto a comportamiento

elástico como elasto- plástico. Como resultado de ese estudio puede deducirse que:

- El volumen de asientos tiende a aumentar con el factor de sobrecarga.

- Para valores de N<3 el volumen de asientos se corresponde bien con los cálculos

teóricos (apertura de excavación cilíndrica).

- Para N>3 el análisis teórico es una cota superior.

- El análisis elástico reproduce suficientemente bien el fenómeno.

45


3.5 EVALUACIÓN DE ASIENTOS VERTICALES

Existen varios modelos para la estimación de los asientos. A continuación, se van a

exponer las aportaciones de Peck, Sagaseta y Oteo, Rankin y Oteo y Moya. Por último

estudiaremos el “modelo Madrid” que es un modelo semiempírico ampliamente contrastado

con las medidas reales.

3.5.1 Peck (1969)

En la práctica ha venido utilizándose un método sencillo basado en un modelo

estocástico debido a Schmidt y difundido por Peck (1969). Peck basa su método en suponer

que la forma de la ley de asientos superficiales es similar a una campana de Gauss invertida o

curva de distribución normal. Esta curva es muy parecida a la curva de asientos medida en la

realidad y viene definida por dos parámetros (por ejemplo, el asiento máximo sobre la clave

(δmax) y la abscisa del punto de inflexión (i)).

Figura 37: Ley de asientos en superficie (Peck,1969).

46


Para la definición del punto de inflexión Peck recogió los resultados de medida en

túneles reales, relacionando, la profundidad relativa del eje del túnel (referida a su diámetro

H/D) y la distancia desde este eje al punto de inflexión, referida al radio, i/R (Figura 38).

Como podemos observar en la figura anterior:

- En el punto situado a una distancia i del eje de simetría, el asiento vale 0.61 δmax.

- El punto de mayor curvatura está situado a √3 i del eje de simetría de la curva. En

dicho punto se producen los máximos asientos diferenciales superficiales y los

máximos movimientos horizontales.

Figura 38: Gráfica para la localización del punto de inflexión.

Con esta hipótesis de tomar la curva de distribución normal como la ley de asientos,

podemos deducir que el volumen de asientos vale:

Vs=2.5 *i *δmax

47


Para estimar el valor de los asientos suponiendo conocido el valor del punto de

inflexión i utilizaremos la siguiente expresión deducida a partir de la fórmula anterior:

Donde:

- δ(x): asiento en un punto situado a una distancia x del eje.

- δmáx: asiento máximo en la vertical del eje.

- i: distancia al punto de inflexión desde el eje del túnel.

Figura 39: Posición del punto de inflexión con respecto al eje del túnel.

En el caso de grandes deformaciones, los asientos obtenidos por dicha expresión

discrepan de los asientos reales, concentrándose los asientos en el eje y manteniéndose la

anchura de la cubeta. Por esta razón el sistema de Peck ha resultado incompleto con respecto

a posteriores utilizaciones. Por ello es necesario recurrir a sistemas de evaluación de

movimientos que tengan en cuenta el estado tensional, el proceso constructivo,

comportamiento elasto-plástico del terreno etc.

3.5.2 Sagaseta y Oteo (1974)

48


Sagaseta y Oteo (1974) han considerando el caso de un túnel circular excavado en un

terreno homogéneo, elástico e isótropo, en deformación plana y sin revestimiento. Esta

aproximación simplifica el problema y permite estudiarlo de forma adimensional.

La ley de asientos propuesta por Sagaseta es:

Siendo H la profundidad del eje del túnel.

Esta ley se ajusta más a la realidad cuando existen elementos rígidos en superficie.

La expresión que proporciona el asiento máximo es:

Donde:

- E: módulo de deformación del terreno.

- D: diámetro del túnel.

- γ: densidad aparente del terreno.

- ν: coeficiente de Poisson.

Como resultado del análisis realizado por estos autores cabe destacar que:

- El volumen de asientos es del orden del 70% de la pérdida de sección del túnel.

- Para recubrimientos sobre la clave del túnel de más de un diámetro, el asiento máximo

en superficie puede ser del orden de más de la mitad del descenso de la clave.

49


Figura 40: Movimientos superficiales debidos a un túnel aislado. Calculados por Sagaseta y Oteo

(1974).

3.5.3 Oteo y Moya (1979)

Con objeto de tener en cuenta el proceso constructivo Oteo y Moya (1979) han

introducido el llamado factor de subsidencia Ψ, a efecto considerar la velocidad de avance, la

acción del sostenimiento etc. Con lo que el asiento máximo será:

Los valores de Ψ se obtienen de medidas reales, adoptando:

- 0.50 para suelos arcillo-arenosos rígidos y arcillas rígidas (tosco y arena tosquiza).

- 0.40 en arcillas rígidas y sobreconsolidadas (peñuelas).

- 0.75 en el caso de excavación con escudo abierto, mala entibación y retraso en la

inyección de contacto

- 1.0 en el caso de paradas sin presión en el frente o en rellenos.

50


Figura 41: variación del factor de subsidencia en función del tipo de suelo y de la velocidad de

excavación.

3.5.4 Rankin (1987)

Rankin (1987) efectuó una recopilación de valores de δmax en muy diversos tipos de

suelos. Dicha recopilación se recoge en la siguiente figura:

51


Figura 42: Asientos máximos medidos. Rankin (1987).

De la figura anterior podemos concluir que, para recubrimientos normales, el asiento

máximo no está claramente gobernado por la profundidad, influye mucho más el tipo de

terreno y el sistema constructivo.

Otra de las aportaciones realizadas por Rankin fue la realización de una serie de una

serie de medidas de la localización del punto de inflexión en función de la profundidad y del

tipo de suelo:

52


Figura 43: Valores de i en función de H y del tipo de suelo. Rankin (1987).

3.5.5 El “Modelo Madrid” (Oteo et Al, 1999).

El “Modelo Madrid” se basa en un perfil del terreno simplificado para la estimación del

asiento máximo.

Figura 44: Modelo Madrid. Perfil esquemático (Oteo et al, 1999)

A continuación, se describen los niveles que componen dicho perfil:

- Nivel 1: capa superficial constituida por rellenos y suelos cuaternarios flojos. El módulo

de deformación de estos materiales puede estar comprendido entre 5 y 10 MPa.

53


- Nivel 2: constituido por los niveles mas rígidos que constituyen el terciario (Mioceno y

Plioceno). El módulo de deformación en descompresión oscila entre 50 MPa y 225

MPa.

El asiento máximo de acuerdo con este modelo se estima a partir del siguiente gráfico:

Figura 45: Estimación del asiento máximo. Modelo Madrid (Oteo et Al, 1999).

Las conclusiones obtenidas con respecto a los asientos son las siguientes:

- Si la excavación del túnel afecta exclusivamente a materiales cuaternarios flojos puede

producirse una rotura masiva.

- El espesor de suelos flojos superficiales (aluviales, rellenos) no tiene influencia en los

asientos cuando el espesor de los depósitos terciarios sobre la clave es mayor o igual a

54


dos diámetros. Si la cobertera terciaria varía de 0.75 a 2 diámetros el volumen de

asientos oscila entre el 0.15 y 1% de la sección del túnel. Para espesores de materiales

terciarios sobre la clave del túnel entre 0 y 0.75 D, el volumen de asientos varía entre

el 0.6 y el 4%.

3.6. ESTIMACIÓN DE MOVIMIENTOS HORIZONTALES

La evolución de la ley de movimientos horizontales se reduce a la de tres parámetros:

- Desplazamiento horizontal máximo, Umáx.

- Posición de Umáx (distancia i al eje del túnel).

- Alcance de los movimientos, d (distancia al eje del túnel).

El valor de Umáx se obtiene del análisis de elementos finitos considerando las siguientes

hipótesis:

- La variación de Umáx con respecto a la profundidad relativa H/D es despreciable en

primera aproximación.

- Umáx es lineal con respecto al coeficiente de Poisson.

- δmáx es lineal con respecto al coeficiente de Poisson.

Teniendo en cuenta esto, se puede escribir:

Umáx=0.3*δmáx

Esta sencilla expresión permite estimar el valor de los movimientos máximos

superficiales y utilizando los resultados del estudio de elementos finitos ya citado, pueden

deducirse las expresiones aproximadas siguientes:

I/D= 0.55 H/D – 0.21

d/D= 1.50 H/D + 0.50

Por lo tanto con estas expresiones puede obtenerse la ley simplificada de movimientos

horizontales superficiales.

55


Figura 46: Ley simplificada de los movimientos horizontales en superficie (Oteo, 1993).

Para conocer la fiabilidad de los resultados teóricos anteriormente expuestos, se han

comparado con algunas mediciones realizadas en el metro de Londres, en el metro de Madrid,

y en el túnel de Howdon (U.K.), excavados en arcillas de consistencia media a dura.

En la siguiente figura se comparan los valores de i/D y d/D teóricos y reales. El ajuste

en cuanto a la posición del movimiento máximo (i/D) es muy satisfactorio, pero el de d/D

parece indicar que los valores reales son algo menores que los teóricos, aunque con

diferencias no muy grandes. Ello parece avalar que el uso de las soluciones teóricas resulta

recomendable, en general, en cuanto a la definición de la forma de la ley de movimientos.

Figura 47: Comparación entre valores teóricos y reales de i/D y d/D (Oteo, 1993).

56


Para comparar movimiento horizontal máximo con los valores reales, dados los

parámetros que intervienen en su determinación, se ha preferido referirlo al asiento máximo,

δmáx. Así en la siguiente figura se ha comparado la relación Umáx/δmax que alcanza valores

desde 0.3 a próximos a 1.

Figura 48: Comparación de la relación de movimientos máximos teóricos con los medidos en

diversos casos.

Como consecuencia de estas comparaciones podemos determinar que la relación

teórica solo resulta aceptable para aquellos suelos arcillosos de consistencia media a alta,

mientras que los muy rígidos (presumiblemente, con valores del coeficiente de empuje en

reposo muy importantes) la liberación de tensiones que supone la excavación, en

profundidades no grandes, puede originar que los desplazamientos horizontales sean

superiores a los teóricos y del mismo orden de magnitud que los asientos. Puede ocurrir que la

influencia de la profundidad relativa H/D sea muy importante en este fenómeno.

A continuación, se incluyen esquemas de la distribución espacial de movimientos en la

zona de influencia del frente que, para un mismo método de excavación depende de la

naturaleza del terreno excavado:

57


Figura 49: Movimiento del suelo en el frente en suelos cohesivos (Yamada et Al., 1986).

Figura 50: Movimiento del suelo en el frente en suelos arenosos (Yamada et Al., 1986).

58


La ley empírica de asientos en sentido longitudinal se indica en la siguiente figura:

Figura 51: Ley empírica de asientos en sentido longitudinal (Oteo, 2003).

3.7 CONCLUSIÓN

Para evaluar la subsidencia se recomienda seguir el siguiente proceso.

- Evaluar el módulo de deformación, Es, representativo del terreno mediante medidas

reales. Como guía puede tomarse igual al módulo secante para el 1% de deformación

en ensayos triaxiales drenados.

- También se puede partir de una magnitud conocida del área de asiento, Vs (o bien

utilizar una solución elástica).

- La ley de asientos superficiales se tomará igual a una curva de distribución normal.

- Se determinará la posición del punto de inflexión, i.

- El máximo asiento, δmax, puede determinarse a partir del valor del módulo de

deformación Es o a partir de Vs.

- Se determinarán los movimientos horizontales a partir de las expresiones y gráficas

anteriormente expuestas.

59


4. AUSCULTACIÓN

La auscultación es el conjunto de trabajos necesarios para el seguimiento y control de las

tensiones originadas en el interior del terreno al realizarse en él una excavación y que son

transmitidas al sostenimiento de la oquedad como consecuencia del equilibrio producido.

El control de una excavación subterránea contempla varias fases, desde la previsión

del comportamiento del terreno desde el punto de vista geotécnico, hasta el análisis de los

resultados y su comparación con los previstos en la fase de diseño; pasando por la selección de

parámetros a controlar, la selección e instalación de la instrumentación para la medición de las

magnitudes elegidas, y la observación o lectura con los equipos de medida obteniendo

resultados.

En cuanto a la instrumentación para llevar a cabo el control de deformaciones

producidas por la excavación de un túnel existen una serie de instrumentos que permiten

determinar los numerosos parámetros requeridos. Para el control de movimientos en la

superficie, se utilizarán fundamentalmente equipos y métodos topográficos (estaciones totales

y niveles), además de extensómetros y sismógrafos. En cuanto al control en el interior del

terreno se utilizarán extensómetros, inclinómetros, emisiones acústicas, etc. Para realizar el

seguimiento del nivel freático se utilizan piezómetros (cerrados o abiertos) y para medir

presiones y tensiones se utilizan además células de presión o tensión, células de carga, bandas

extensométrica, etc.

El control de las magnitudes se debe llevar a cabo antes, durante y después de la

ejecución de la obra subterránea para determinar correctamente la evolución de las tensiones

y deformaciones producidas.

Para el control de las magnitudes de auscultación que se consideran como guías de

comportamiento se emplean de manera genérica la manifestación en el entorno,

comprobando movimientos superficiales, movimientos en el interior del terreno, movimientos

en el interior del túnel, y la interacción del terreno con la estructura construida mediante el

control de presiones y de tensiones.

4.1 DISPOSITIVOS Y EQUIPOS DE AUSCULTACIÓN

Mediante la disposición de los dispositivos de auscultación se pretende controlar

aquellos parámetros más importantes del comportamiento del túnel, para así comprobar su

correcto funcionamiento o, por el contrario, detectar la aparición de anomalías que puedan

comprometer la seguridad de la obra.

60


4.2. MOVIMIENTOS SUPERFICIALES

Las mediciones para la determinación de los desplazamientos tanto verticales como

horizontales que se puedan producir en la superficie se realizan por equipos y metodología

topográfica.

La medida de desplazamientos verticales o de asientos en superficie se lleva a cabo

mediante la nivelación de alta precisión de unos hitos localizados en la zona de deformaciones

de forma periódica. Se utiliza el método de nivelación geométrica o nivelación por alturas con

niveles de alta precisión y miras invar.

Figura 52: Nivelación de alta precisión.

La instrumentación moderna consiste en niveles electrónicos en base a realizar

lecturas con un lector de código de barras para la medición de desniveles y que realizan el

control electrónico de su propia horizontabilidad mediante un mecanismo compensador.

La nivelación se lleva a cabo sobre hitos de nivelación firmemente implantados en el

terreno, salvando pavimentos y cargas cementadas artificiales, repartidos por la zona de

influencia de la obra.

61


Figura 53: Hito de nivelación.

Figura 54: Control de asientos verticales (hitos de nivelación).

La determinación de la cota referida en la cabeza avellanada de estos hitos se realiza a

partir de bases fijas e independizadas de los movimientos de las capas superiores. Estas bases

fijas se sitúan fuera del área de influencia, en una zona exenta de deformaciones.

Los desplazamientos horizontales en superficie se vigilan mediante el establecimiento

de redes topográficas de control ubicadas en la zona de influencia y referidas a bases

localizadas fuera de la zona de afección de las deformaciones. Se trata de determinar las

coordenadas planimétricas (x,y) de un mismo punto de control cada cierto periodo de tiempo.

Las observaciones se efectúan utilizando estaciones totales de gama alta y utilizando

métodos topográficos para dar coordenadas con un alto grado de precisión a una serie de

puntos de control repartidos por el área de influencia. Las coordenadas se determinan desde

referencias o bases topográficas ubicadas en una zona exterior al área de influencia de

posibles deformaciones que deben conformar una red local de alta precisión rigurosamente

compensada.

62


Figura 55: Control de desplazamientos horizontales (red topográfica).

El control en movimientos en edificaciones próximas al trazado del túnel es el tema de

mayor importancia por sus repercusiones sociales y económicas.

En primer lugar se requiere de un levantamiento del estado inicial de la edificación

(estado general, grietas, etc.) antes de realizarse la excavación, con un soporte documental

suficiente como para permitir conocer si se está produciendo afección a la edificación o si por

el contrario esta ya tenía dichos daños.

El control más simple que se realiza se realiza a través de la nivelación de alta

precisión de clavos o regletas de nivelación situadas en las fachadas de los edificios o en los

muros de carga, de toda la zona de desarrollo de la cubeta de asientos refiriendo las medidas a

bases externas a la zona previsible de influencia de las obras. Se debe efectuar una medida

“cero” en el momento de la instalación y una comprobación posterior antes de que la

excavación se encuentre próxima.

Figura 56: Regletas de nivelación (edificaciones), Figura 57: Control de movimientos en edificaciones .

63


4.3 MOVIMIENTOS EN EL INTERIOR DEL TERRENO

La medida de asiento o desplazamientos verticales en profundidad se lleva a cabo

utilizando, por ejemplo, el extensómetro vertical de varilla, instrumento que consta de una

bolsa inflable que se introduce en un sondeo hasta la profundidad a la cual se desean medir las

deformaciones, conectada a la superficie por medio de una tubería galvanizada donde se

realiza la lectura del desplazamiento relativo entre la superficie del terreno y el punto

considerado.

Figura 58: Control de desplazamientos verticales en profundidad.

En la medida de desplazamientos horizontales en profundidad se utiliza el sistema de

medición de desplazamientos con inclinómetro (biaxial) mediante la disposición de tuberías de

aluminio anodizado. El inclinómetro permite la medición continua de movimiento laterales a lo

largo de la vertical del sondeo. Las medidas se realizan desde el pie de la tubería, situado fuera

de la influencia del túnel (a gran profundidad) hasta la superficie del terreno.

Figura 59: Control de desplazamientos horizontales en profundidad.

64


5. MÉTODOS PARA REDUCIR LA SUBSIDENCIA

Destacamos los siguientes procedimientos:

- Refuerzo de cimientos de las estructuras cercanas con micropilotes, llevando a estos a

zonas donde no se prevean movimientos. Se puede realizar incluso una vez producidos

los daños.

- Ejecución de paredes continuas de protección, situadas entre los edificios y el túnel,

que pueden ser pantallas continuas, pilotes tangenciales, jet-grouting, etc.

- Compensación de los asientos con inyecciones de compensación, creando un bulbo de

empuje del terreno que compense los asientos. Esta operación tiene que hacerse un

poco antes de llegar el túnel y realizarse en varias fases para compensar los

movimientos que se vayan produciendo. Esta técnica se ha usado en diferentes metros

como el de Baltimore, Washington, Caracas y Londres, y las inyecciones pueden

hacerse desde superficie o desde pozos verticales.

- Cambios del proceso constructivo, introduciendo mejoras o adecuando el diseño,

inyectando huecos entre sostenimiento y terreno, acortando el plazo de apertura de

galerías, disminuyendo el área del frente que se abre de una sola vez, etc.

Figura 60: Recalce de cimentación de edificio.

65


5.1. VALORES ADMISIBLES DE LOS MOVIMIENTOS

La presencia de edificaciones u otras infraestructuras en las proximidades de la

excavación de un túnel implica analizar los posibles efectos y consecuencias de las

subsidencias originadas por la obra ejecutada.

Dada la gran cantidad de variables que intervienen en la interacción suelo-estructura,

históricamente se ha venido limitando, de manera empírica, los máximos movimientos que

puede sufrir un edificio, en función de datos básicos, tales como: naturaleza del suelo,

topología de la estructura, de la cimentación, etc.

Basado en este planteamiento existente una amplia referencia de normativa y

recopilaciones de distintos autores, referentes a asientos máximos y diferenciales admisibles,

movimientos horizontales máximos y diferenciales.

En diversos países se han establecido una serie de criterios, tal y como se citan a

continuación:

Metro Londres (Jubilee Line): Asiento máximo:15 mm y Distorsión angular: 1/1000

En el paso del Río St. Clair en Canadá, con un escudo de 9,20m de diámetro exterior se

considero que no requerían tratamiento preventivo los edificios para los que se

esperaba: Asiento máximo:<50mm y Distorsión angular: 1/200

En Alemania: no son de esperar fisuras para distorsiones angulares inferiores a

1/1000.El umbral de afecciones estructurales se sitúa en torno a 1/250

En la ampliación del Metro de Madrid (1995-1999): asiento máximo 15mm y distorsión

angular 1/500 sin considerar la rigidez de los edificios.

Los umbrales propuestos son independientes del terreno en que se cimienta la estructura,

ya que hacen referencia a su capacidad de soportar movimientos adicionales,

independientemente de cuál sea su origen.

Esta clasificación se considera conservadora y tiene un carácter orientativo, estando

encaminada, en su caso, a la ejecución de actuaciones preventivas de refuerzo o de

tratamientos de mejora del terreno para garantizar que, en ningún caso, se excederán los

umbrales críticos considerados para las edificaciones o estructuras del entorno.

A continuación, se presentan una serie de tablas con valores de movimientos admisibles a

modo de ejemplo:

66


Figura 61: Movimientos adicionales admisibles y umbrales de control propuestos en las Ampliaciones del

Metro de Madrid.

Figura 62: Criterio de daños basados en la distorsión angular.

67


Figura 63: Movimientos adicionales admisibles adoptados para estructuras con alto grado de

isostaticidad (Proyecto Modificado de TYPSA, 2001).

6. AFECCIÓN DE LA SUBSIDENCIA EN EDIFICIOS

Los proyectos de ingeniería que incluyen trabajos subterráneos, túneles y excavaciones

que se desarrollan como respuesta a las necesidades de brindar alternativas de movilidad,

optimización de espacios y uso de suelos, traen inmersos impactos medioambientales y del

entorno, que se hacen necesarios evaluar.

Particularmente, la generación de movimientos inducidos al terreno como respuesta a

los trabajos de excavaciones, se refleja en esfuerzos que se transmiten a su vez, en las

cimentaciones de los edificios próximos al entorno de actuación del proyecto y que se

evidencian finalmente en los componentes arquitectónicos y/o estructurales de los edificios.

Por esta razón, se hace necesario el uso de herramientas que permitan definir a priori,

los criterios de evaluación del riesgo de los edificios generados por los trabajos de

excavaciones subterráneas, para poder definir los lineamientos o medidas de tipo preventivo,

de forma tal que se mitiguen dichos movimientos y las posteriores consecuencias como daños

y creación de ambientes con alarma social.

La importancia de implementar criterios de evaluación de daños, está argumentada

por la susceptibilidad del tema: daños en el entorno social y el coste económico asociado,

68


dichos argumentos testifican que la aplicación e interpretación de los criterios de daños debe

darse con trato cauteloso, brindando siempre la importancia que se merece cada caso.

6.1 ALCANCE DE LOS CITERIOS DE EVALUACION DE DAÑOS

Una vez hemos identificado aquellos edificios susceptibles de tener alteraciones como

resultado de la ejecución de las obras, se deberá realizar una evaluación detallada y mas

exhaustiva del mismo, contemplando características propias tales como la orientación, tipo y

materiales estructurales, cimentación, estado actual y periodos de mantenimiento,

movimientos previos, entre otros.

Paralelamente, las características del edificio deberán estar asociadas a las diferentes

fases constructivas como tipo y proceso de excavación, tipos de contención y periodos de los

mismos. La consecuencia asociada a la evaluación detallada es la necesidad técnica de

implementar medidas preventivas en los edificios que así lo estimen conveniente.

6.2 CLASIFICACION DE DAÑOS (BURLAND)

Dentro de las propuestas de clasificación de daños de los edificios planteadas por

diversos autores, se distinguen básicamente tres categorías: Los daños que afectan el

componente estético o el aspecto del edificio, los daños que afectan su funcionalidad y estado

de servicio y aquellos que afectan y son una amenaza inminente para la estabilidad del

edificio. Como se puede inferir de las anteriores categorías, la importancia de los

desplazamientos de la cimentación se han definido progresivamente entre las categoría

denominadas I a III.

Gracias al aporte de Burland (1977) y a otros autores que han sumado esfuerzos con

sus trabajos, entre los cuales podremos citar a Jenning y Kerrich (1962), U.K. Nacional Coal

Borrad (1975), MacLeod y Littlejohn (1974), entre otros, se ha podido definir una clasificación

de daños detallada basada en la facilidad de reparación de daños visibles y que a lo largo del

tiempo se ha impuesto como una referencia normal cuyo uso ha sido generalizado en la

evaluación de daños de edificios.

69


La clasificación de los daños producidos en los edificios según Burland (1977), es la que

se presenta en la siguiente tabla. En dicha tabla se define en orden creciente la severidad de

los daños de la categoría 0 a la 5. Las categorías 0, 1 y 2 tienen relación con los daños estéticos,

las categorías 3 y 4 con daños de tipo funcional y la categoría 5 con aquellos daños que

suponen una amenaza para la integridad estructural del edificio.

Tabla: Clasificación de los daños producidos en edificios según Burland

Una particularidad que definen diversos autores, es la identificación e interpretación

de la frontera entre las categorías de daños 2 y 3, es decir, el límite entre daños estéticos y

70


funcionales. La experiencia derivada de la inspección de edificios ha permitido concluir que los

daños hasta la categoría 2, pueden estar asociados a diversas causas como aquellas de tipo

intrínseco de la estructura tales como contracciones, retracciones y afecciones por el

componente térmico, hasta las debidas a las propiedades y el comportamiento del suelo

donde están cimentados dichos edificios. Aunque resulta difícil determinar el origen de esos

daños, se puede expresar que éstos son debidos a una suma de las causas mencionadas

anteriormente. Para las demás categorías 3 a 5, la causa es identificable con mayor facilidad y

generalmente esta asociada con movimientos del terreno.

Aquellos edificios donde la predicción del grado de daños esta comprendida entre la

categoría 0 a 2, son definidos como edificios de bajo riesgo, donde en ningún caso la integridad

estructural del edificio se ve comprometida y las reparaciones de daños en todo caso son

fáciles, rápidas y asequibles.

7. BIBLIOGRAFÍA

71


Ingeo Túneles: Tomos 1,4,7,11

Manual de túneles y Obras Subterráneas (evaluación global de los movimientos)

Túneles y Tuneladoras (Enrique Priego de los Santos, Universidad Politécnica de

Valencia)

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Caminos. Catedrático de Mecánica del Suelo Y Cimentaciones de la UPM).

Ingeopres 2005 (137, 143), Ingeopres 2006 (Túnel Saint Celoni)

Aforos (Colegio de Ingenieros Técnicos de Obras Públicas de Madrid) nº 70 (Febrero

2008)

Subsidencia y auscultación en los túneles del metro de Madrid (Carlos Oteo Mazo, José

María Rodríguez Ortiz)

Tesis doctoral: Nuevo modelo de Madrid para la estimación de asientos producidos en

túneles con tuneladoras EPB de gran diámetro

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