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7.ESTUDIO DEL DISEÑO DEL SOSTENIMIENTO

Este capítulo contiene los principales criterios técnicos considerados para determinar el sistema de sostenimiento de los túneles.



7.1Principios Básicos

Las medidas de soporte recomendadas dentro del estudio para cada túnel se deben evaluar de acuerdo con las condiciones geológicas y las propiedades geomecánicas en los diferentes sectores a lo largo de cada túnel. En general, los sistemas de soporte han sido seleccionados con base en la clasificación geomecánica de Macizos Rocosos de Bieniawski, aplicando una serie de lineamientos que buscan permitir la deformación controlada de la excavación, reduciendo la presión del terreno y logrando una utilización más eficiente de la roca circundante, aprovechando la capacidad que ésta posee para soportarse a sí misma, mediante la generación de un arco de roca reforzado.


Estos lineamientos involucran diversos elementos de soporte y su adaptación a las características del macizo rocoso para lograr una excavación estable y económica; entre los principios básicos utilizados se destacala relación entre los esfuerzos y las deformaciones que se producen alrededor de la excavación, con lo cual se intenta impulsar la resistencia característica del macizo rocoso, siendo ésta el elemento principal del soporte.
El soporte primario permitirá el "auto-soporte" de la roca, y por esa razón deberá poseer ciertas características de resistencia y deformación que se ajusten a las condiciones de la roca y deberá ser instalado en el momento adecuado; para resguardar la capacidad de soporte del macizo rocoso, las deformaciones excesivas y los desprendimientos deben controlarse; para ello se debe aplicar una capa de concreto lanzado, la cual estará en contacto con las paredes de la excavación y se deformará paralelamente con éstas.
La secuencia de instalación del soporte debe realizarse de tal manera que tolere el desarrollo de la resistencia del macizo; en el proceso de interacción roca–soporte, es recomendable permitir deformaciones de forma controlada que reduzcan la presión que debe resistir el soporte.

7.2Tipos de Comportamiento del Macizo Rocoso

La formación de los esfuerzos que soportará la excavación está ligada al peso de las capas de roca situadas alrededor de la cavidad y a los desprendimientos de roca. Para determinar los tipos de presiones que se prevén a lo largo del túnel y estimar su magnitud, se caracteriza el macizo rocoso teniendo en cuenta las condiciones geológicas, las propiedades geomecánicas de los materiales involucrados y la cobertura de roca vertical, que establece los esfuerzos originales en el macizo rocoso.

Es de esperarse que en zonas cercanas a superficie, donde los túneles presenten poco recubrimiento, la alteración de la roca producto del sistema de fallamiento sea mucho mayor y se cuente con una capa de saprolito y suelo residual; a medida que se interioriza en el túnel, se encuentran rocas más sanas y que representan una mayor resistencia a la excavación, y por ende tendrán un autosoporte mucho más conveniente.

7.2.1Determinación de los parámetros de resistencia y deformabilidad para el macizo rocoso




7.2.1.1Generalidades

El modelo geotécnico es una esquematización ingenieril que pretende describir los elementos fundamentales de comportamiento de un macizo rocoso, obtenida a partir de la información disponible de la caracterización geotécnica. Para macizos rocosos, se hace generalmente referencia a los modelos de tipo continuo, discontinuo y continuo equivalente, basados esencialmente en la estructura del macizo y las características de litología que lo constituye.


En particular un macizo rocoso se puede esquematizar en los siguientes modelos:


  • Modelo Continuo: se asume que el dominio se comporte como un medio continuo y por consiguiente no es posible considerar el efecto de discontinuidades locales.

  • Modelo Discontinuo: el dominio se considera compuesto por una matriz de roca intacta y por discontinuidades locales (diaclasas o estratificaciones) que se introducen como elementos específicos en el modelo geotécnico para su correspondiente análisis.

  • Modelo Continuo equivalente: modelo donde un medio cuya naturaleza es discontinuo se sustituye, para efectos de cálculo, por un medio continuo cuyas propiedades son tales que su comportamiento corresponda a la del medio real.

Escoger uno de los anteriores modelos depende de las dimensiones del problema relativas a las características de las discontinuidades (espaciamiento, orientación y resistencia). En particular se modelan como medios continuos equivalentes los macizos rocosos en los cuales la respuesta de deformación depende de las características globales del sistema roca intacta – discontinuidades; es el caso de macizos en los cuales el espaciamiento característico de los sistemas de discontinuidades es suficientemente baja como para considerar muy pequeño el volumen representativo de la roco en relación a las dimensiones de la obra. En este caso el modelo de comportamiento a adoptar debe tener implícitamente en cuenta el grado de fracturación del medio.


A su vez, Barton (1998) sugiere escoger el tipo de modelo más adecuado en función del valor del índice de clasificación Q (Figura 7.), en donde para valores comprendidos entre 0.1 y 100, el modelo discontinuo parece ser el más adecuado y su modelación se puede realizar el método de Elementos Distintos (DEM) mientras para valores de Q menores a 0.1 el modelo Continuo equivalente parece ser la mejor opción, realizando los respectivos análisis con el método de Elementos Finitos (FEM).

Figura 7.Adopción del modelo geotécnico a adoptar en función del valor del índice Q (Barton 1998)


Generalmente, para un macizo rocoso considerado como medio continuo equivalente o continuo, se le asigna modelos de comportamiento del tipo Elástico Linear Isótropo (ILE) y Elástico Idealmente Plástico (ELPLA). En el modelo elástico – plástico, para definir la tensión por encima de la cual el medio se deforma irreversiblemente, se hace referencia a los criterios de resistencia de Mohr Coulomb y Hoek& Brown para macizo rocoso.

7.2.1.2Determinación de parámetros





  • Criterio de Resistencia de Hoek& Brown

Este criterio tiene una formulación propia para el caso de macizo rocoso que difiere ligeramente de la formulación para roca intacta. En este caso el criterio se expresa en el plano de la siguiente manera:



Dónde:

: Tensiones principales eficaces máxima y mínima;

: Resistencia a la compresión simple de la roca intacta.

, y : paámetros característicos del macizo rocoso (por ejemplo para la roca intacta se tienmb=mi, s=1 y = 0.5).
El parámetro mb se obtiene en función del índice de clasificación GSI y del correspondiente valor mi válido para la roca intacta según la siguiente ecuación:


El parámetro s se puede obtener igualmente en función del GSI. Si el macizo rocoso es de calidad tal que GSI>25, la expresión correspondiente es:

Si el macizo rocoso tiene calidad muy mala (GSI<25) el parámetro s se asume igual a cero (0).

El exponente es cercano a 0.5 en el caso de macizos rocoso con GSI>25.


La versión más reciente de este criterio, descrita por Hoek et al. (2002) en la cual se ha introducido el coeficiente de disturbo D en el cálculo de las constantes y s, presenta las siguientes formulaciones:



En cuanto al módulo de deformación del macizo rocoso, Hoek&Diederichs (2006) han propuesto dos nuevas formulaciones; la primera, simplificada, requiere sólo el valor del GSI y el parámetro D:
[MPa]
La segunda formulación, se utiliza cuando se dispone de valores del módulo elástico de la roca intacta:

Las limitaciones de estas dos últimas relaciones residen en la valoración del parámetro D que varía en cada caso particular y es definido de manera subjetiva con base a la experiencia.



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