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7.6DIMENSIONAMIENTO DEL SOPORTE




7.6.1Generalidades

Mediante la revisión de la sectorización de los túneles según el tipo de material presente en los macizos rocosos (Tipo III, IV y V), se determinan las abscisas donde se presentan las coberturas máximas y mínimas, lugares en los cuales se esperan las condiciones más críticas para el análisis del soporte y revestimiento.


En general se determina la sección transversal (Topografía), estratificación y parámetros mecánicos (cabe resaltar que para los estratos donde se encontró material rocoso, se determinaron las características del macizo, con base en la metodología referente a la envolvente de falla propuesta por Hoek y Brown), necesarios para la modelación del revestimiento y soporte (Tabla 7.yTabla 7.), la cual se realiza para la sección típica de servicio.
Con los datos anteriormente mencionados, se procede a realizar la modelación para simular las diferentes etapas constructivas de la intervención; las etapas a tener en cuenta son:


  • Etapa 1: Condición inicial.

  • Etapa 2: Excavación subterránea

  • Etapa 3: Instalación de soporte Inicial (Pernos, Concreto Lanzado y Arcos de Acero)

  • Etapa 4: Instalación Revestimiento

  • Etapa 5: Degradación de propiedades del soporte inicial (arcos de acero y concreto lanzado)

Para terrenos tipo IV y V es necesario implementar cuatro etapas adicionales considerando una excavación parcializada (partes superior, inferior y solera curva) de la sección.


En la Etapa 5 se modelan las secciones sin soporte inicial, asumiendo el concreto lanzado y los arcos se degradarán perdiendo totalmente sus capacidades mecánicas, esto con el fin de diseñar el revestimiento de tal forma que para un tiempo determinado (Superior a 20 años) se tenga la seguridad de que éste será capaz de soportar los estados de esfuerzos en dichas secciones.
Para cada uno de los tipos de terreno se proponen procesos de excavación, soporte y revestimiento, los cuales son considerados adecuados si, durante todas las etapas analizadas, presentan factores de seguridad mayores a 1.5.
En cuanto al coeficiente de presión lateral se considera que en sitios próximos a laderas de montañas el estado de esfuerzos es de tipo gravitacional y por lo tanto se deben analizar los coeficientes Ko entre 0.5 y 1.0 siendo 1.0 el valor que resultó de un análisis con mayor requerimiento de soporte.

7.6.2Sección K16+580. Lutitas calcáreas del Grupo OliniKsl

A continuación se resume la modelación llevada a cabo para el túnel teniendo en cuenta las fases y criterios expuestos anteriormente. Las siguientes modelaciones corresponden a un coeficiente de reposo Ko=1.0 el cual presenta más dificultad de estabilización que considerando Ko=0.5 en el presente túnel. Las propiedades de los soportes se resumen a continuación:




  • Concreto Lanzado

-Resistencia a la Compresión (f`c): 28 MPa

-Módulo de Deformación (E)= 25 Gpa

-Módulo de poisson = 0.20

-Malla electrosoldada #6




-Diámetro mínimo de la varilla de acero = 1 in = 25.4 mm

-Fluencia del acero para pernos = 420 MPa

-Esfuerzo de tracción para una varilla de 1 pulgada = 0.2 MN

-Módulo del Acero (E) = 200.000 MPa


En primer lugar se muestra el factor de resistencia de los túneles. Este factor de resistencia evidencia la necesidad de soportar el contorno de la excavación si el valor es menor a 1. En la Figura 7.se puede observar que este factor es mayor a 1 en la última fase de análisis y cuando están actuando los pernos.

Figura 7.Factor de resistencia Túnel 7, K16+580.


En macizos rocosos de buena calidad, generalmente se recomienda dejar deformar el macizo y luego instalar un soporte flexible que no tenga necesidad de soportar presiones tan altas debido a la relajación del mismo macizo, es decir, aprovechar la roca como parte del soporte. En rocas lodosas, por el contrario, se recomienda no dejar deformar tanto el macizo e instalar inmediatamente el soporte, tomando este en muchos casos grandes presiones.
En el caso de la excavación en lutitas calcáreas del Grupo Olini (K16+580) el macizo presenta una deformación máxima a largo plazo (en etapa de degradación del soporte) de0.24 m presentándose en la clave de los túneles.

Figura 7.Desplazamientos totales Túnel 7, K16+580.


La Figura 7.muestra la zona plástica generada por la excavación en la última etapa de diseño, en donde los pernos sobrepasan esta zona.

Figura 7.Zona plástica alrededor de los túneles, túnel 7.


La siguiente gráfica muestra el desarrollo de los desplazamientos en las diferentes etapas de excavación.
Figura 7.Desplazamientos por etapas de excavación, Túnel 7 K16+580, calzada izquierda.

Figura 7.Desplazamientos por etapas de excavación, Túnel 7, K16+580, calzada derecha.
A continuación se muestran los diagramas de capacidad para el soporte primario compuesto por concreto lanzado de 10 cm y Mallaelectrosoldada #6. Los factores de seguridad tenidos en cuenta son 1.0, 1.5 y 2.0.Si bien se presentan puntos cercanos a la línea de factor de seguridad de 1.5, estos corresponden a efectos locales donde los momentos son máximos.

Figura 7.Diagramas de capacidad para soporte primario, Túnel 7, K16+580.



Figura 7.Detalle de efectos locales cercanos al FS=1.5 en los diagramas de capacidad correspondiente a los momentos máximos positivos y negativos.



7.6.3Sección K16+690 Grupo Olini. Terreno tipo III.

A continuación se resume la modelación llevada a cabo para el túnel teniendo en cuenta las fases y criterios expuestos anteriormente. Las siguientes modelaciones corresponden a un coeficiente de reposo Ko=1.0 el cual presenta más dificultad de estabilización que considerando Ko=0.5 en el presente túnel.


Las propiedades de los soportes se resumen a continuación:


  • Concreto Lanzado

-Resistencia a la Compresión (f`c): 28 MPa

-Módulo de Deformación (E)= 25 GPa

-Módulo de poisson = 0.20

-Malla electrosoldada #4




  • Pernos de Anclaje

-Diámetro mínimo de la varilla de acero = 1 in = 25.4 mm

-Fluencia del acero para pernos = 420 MPa

-Esfuerzo de tracción para una varilla de 1 pulgada = 0.2 MN

-Modulo del Acero (E) = 200.000 MPa


En primer lugar se muestra el factor de resistencia de los túneles. Este factor de resistencia evidencia la necesidad de soportar el contorno de la excavación si el valor es menor a 1. En la Figura 7.se puede observar que este factor es mayor a 1 cuando están actuando los pernos en la última etapa de diseño.

Figura 7.Factor de resistencia, Túnel 7, K16+690.


En macizos rocosos de buena calidad, generalmente se recomienda dejar deformar el macizo y luego instalar un soporte flexible que no tenga necesidad de soportar presiones tan altas debido a la relajación del mismo macizo, es decir, aprovechar la roca como parte del soporte. En rocas lodosas, por el contrario, se recomienda no dejar deformar tanto el macizo e instalar inmediatamente el soporte, tomando este en muchos casos grandes presiones.
En el caso de la excavación enlutitas calcáreas del Grupo Olini (K16+690) el macizo presenta una deformación máxima a largo plazo (en etapa de degradación del soporte) de 0.030 m, presentándose en la clave de los túneles.

Figura 7.Desplazamientos totales Túnel 7, K16+690.


La Figura 7.muestra la zona plástica generada por la excavación en la última etapa de diseño en donde los pernos sobrepasan esta zona.

Figura 7.Zona plástica alrededor de los túneles.

La siguiente gráfica muestra el desarrollo de los desplazamientos en las diferentes etapas de excavación.

Figura 7.Desplazamientos por etapas de excavación Túnel 7, K16+690, calzada derecha.

Figura 7.Desplazamientos por etapas de excavación Túnel 7, K16+690, calzada derecha.
A continuación se muestran los diagramas de capacidad para el soporte primario compuesto por concreto lanzado de 10 cm y arcos Malla electrosoldada #4. Los factores de seguridad tenidos en cuenta son 1.0, 1.5 y 2.0.

Figura 7.Diagramas de capacidad para soporte primario Túnel 7, K16+690.




7.6.4Sección K16 +740 Nicho de auxilio. Lutitas Calcáreas de la formación Ksli. Tipo III.

A continuación se resume la modelación llevada a cabo para la sección de nicho de auxilio teniendo en cuenta las fases y criterios expuestos anteriormente. Adicionalmente a las fases tenidas en cuanta anteriormente, se debe considerar la fase de excavación de la sección del nicho y el cual se debe soportar cuidadosamente en toda su sección con pernos.


Las siguientes modelaciones corresponden a un coeficiente de reposo Ko = 1 el cual presenta más dificultad de estabilización que considerando Ko = 0.5 en el presente túnel. Esto debido a la condición de túnel en ladera.
En el caso de la excavación en la sección de nicho de auxilio, el macizo presenta una deformación máxima a largo plazo (en etapa de degradación del soporte) de 0.9 cm (Figura 7.).

Fuente: Concol 2015

Figura 7.Desplazamientos totales en la etapa de degradación del soporte. Túnel 7 K16+740 Nicho de auxilio.
La Figura 7.muestra los momentos alrededor de la sección. En la figura se puede apreciar que los momentos positivos mayores se encuentran encima de la sección del nicho por lo que resulta importante reforzar el soporte con pernos en forma de doble enfilaje en esta sección.

Fuente: Concol 2015

Figura 7.Momentos alrededor de los túneles.
La Figura 7. y la Figura 7.muestran el desarrollo de los desplazamientos en las diferentes etapas de excavación a lo largo del perímetro de la sección.
Fuente: Concol 2015

Figura 7.Desplazamientos por etapas de excavación Túnel 7, K16+740, nicho de auxilio calzada derecha.


Fuente: Concol 2015

Figura 7.Desplazamientos por etapas de excavación,Túnel 7, K16+740 nicho de auxilio calzada izquierda.


A continuación se muestran los diagramas de capacidad para el soporte primario en la sección de nicho de auxilio, compuesto por concreto lanzado de 10 cm y arcos metálicos HE 160M. Los factores de seguridad tenidos en cuenta son 1.0, 1.5 y 2.0.



Tabla 7.Tipos de sostenimientos en el túnel 7. Calzada izquierda.



TÚNEL 7

TIPOS DE TERRENO CALZADA IZQUIERDA

ABSCISA INICIAL

ABSCISA FINAL

ESPESOR

TIPO DE ROCA

TIPO DE TERRENO

% TIPO DE TERRENO

SOSTENIMIENTO

Pernos de Anclaje

Concreto lanzado

Arcos de acero

K16+320

K16+340

20

Portal de entrada. Limolita silícea y lutita calcárea con intercalaciones de arenita de cuarzo

V

4

Pernos de 10 m de longitud, espaciados 1m en la clave y hastiales con malla electrosoldada. Pernos en solera

200 mm en la clave, y hastiales y 50 mm en el frente

Arcos HE 160M espaciados cada 0,75m con revestimiento y doble enfilaje de 12m de longitud. Solera curva.

K16+340

K16+710

370

Grupo OliniKsl. Limolita silícea y lutita calcárea con intercalaciones de arenita de cuarzo

III

77

Pernos dispuestos sistemáticamente de 4 m de longitud, espaciados entre 1,5 y 2,0m en la clave y paredes con malla electrosoldada.

100 mm en la clave y en hastiales

NINGUNO

K16+710

K16+780

70

Grupo OliniKsl. Limolita silícea y lutita calcárea con intercalaciones de arenita de cuarzo

III

15

Pernos dispuestos sistemáticamente de 4 m de longitud, espaciados entre 1,5 y 2,0m en la clave y paredes con malla electrosoldada.

100 mm en la clave y en hastiales

NINGUNO

K16+780

K16+800

20

Portal de salida. Capas delgadas de chert y limolita silícea

V

4

Pernos de 10 m de longitud, espaciados 1m en la clave y hastiales con malla electrosoldada. Pernos en solera.

200 mm en la clave, y hastiales y 50 mm en el frente

Arcos HE 160M espaciados cada 0,75m con revestimiento y doble enfilaje de 12m de longitud. Solera curva.

L (m)

480






















100










Tabla 7.Tipos de sostenimientos en el túnel 7. Calzada Derecha.

TÚNEL 7

TIPOS DE TERRENO CALZADA DERECHA

ABSCISA INICIAL

ABSCISA FINAL

ESPESOR

TIPO DE ROCA

TIPO DE TERRENO

% TIPO DE TERRENO

SOSTENIMIENTO

Pernos de Anclaje

Concreto lanzado

Arcos de acero

K16+290

K16+310

20

Portal de entrada. Limolita silícea y lutita calcárea con intercalaciones de arenita de cuarzo

V

4

Pernos de 10 m de longitud, espaciados 1m en la clave y hastiales con malla electrosoldada. Pernos en solera

200 mm en la clave, y hastiales y 50 mm en el frente

Arcos HE 160M espaciados cada 0,75m con revestimiento y doble enfilaje de 12m de longitud. Solera curva.

K16+310

K16+680

370

Grupo OliniKsl. Limolita silícea y lutita calcárea con intercalaciones de arenita de cuarzo

III

79

Pernos dispuestos sistemáticamente de 4 m de longitud, espaciados entre 1,5 y 2,0m en la clave y paredes con malla electrosoldada.

100 mm en la clave y en hastiales

NINGUNO

K16+680

K16+740

60

Grupo OliniKsli. Capas delgadas de chert y limolita silícea

III

13

Pernos dispuestos sistemáticamente de 4 m de longitud, espaciados entre 1,5 y 2,0m en la clave y paredes con malla electrosoldada.

100 mm en la clave y en hastiales

NINGUNO

K16+740

K16+760

20

Portal de salida. Capas delgadas de chert y limolita silícea

V

4

Pernos de 10 m de longitud, espaciados 1m en la clave y hastiales con malla electrosoldada. Pernos en solera.

200 mm en la clave, y hastiales y 50 mm en el frente

Arcos HE 160M espaciados cada 0,75m con revestimiento y doble enfilaje de 12m de longitud. Solera curva.

L (m)

470






















100













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