La práctica austríaca de construcción de túneles por el método convencional

 

EXPLORACIÓN DE CAMPO Y DESCRIPCIÓN DE LAS CONDICIONES DEL TERRENO

Aspectos generales

La exploración geológica es la base para el desarrollo de un modelo geológico y es responsabilidad del cliente.
Las exploraciones geológicas, geotécnicas e hidrogeológicas deben ser planeadas y supervisadas por geólogos con experiencia y contando con una estricta cooperación del grupo diseñador y del cliente. Toda información es resumida en un reporte. La totalidad de la información disponible debe ser entregada para el diseño geotécnico.

Métodos

A continuación se presentan los principales métodos para investigar las condiciones del terreno.

  • Análisis de documentación existente relacionada con las condiciones del terreno.
  • Aplicación de tecnologías de percepción remota.
  • Mapeos geológicos de campo.
  • Perforaciones exploratorias y ensayos in situ dentro del pozo.
  • Trincheras y pozos.
  • Mediciones geofísicas.
  • Ensayos de campo.
  • Ensayos de laboratorio.
  • Galerías y túneles piloto.

Cantidad de exploración de campo

La cantidad y alcance de la exploración de campo siempre depende de las condiciones específicas del proyecto. La exploración se realiza en fases que corresponden a las etapas de diseño y a la complejidad geológica del área. En zonas donde se detecte algún tipo de riesgo (fallas, altos esfuerzos in situ, movimientos en masa, cavidades, etc.) en zonas portales y en zonas con baja cobertura, el terreno debe ser investigado con un mayor grado de detalle.
Durante la construcción, la exploración adicional (toma de muestras), en especial adelante del frente de excavación, puede ser necesaria dependiendo del nivel residual de incertidumbre, tipo y nivel de riesgo, adaptabilidad del método de excavación para cambios de terreno y las condiciones del terreno encontrado.

Condiciones geológicas

Un completo entendimiento de las estructuras del área es la base para la descripción de  las condiciones geológicas. Esto incluye la geología regional, la secuencia litológica y el marco tectónico del área.
La descripción se realiza para cada unidad geológica que son definidas como unidades con estructuras y litologías similares. La descripción cualitativa debe estar acompañada de información cuantitativa.
En la descripción de los suelos, las unidades geológicas son normalmente agrupadas de acuerdo al origen de la formación. Los suelos son descriptos dependiendo de sus propiedades geotécnicas y son clasificados en grupos predeterminados. Dentro de estas propiedades se encuentran:

  • Granulometría.
  • Forma, grado de angulosidad o redondez, grado de meteorización, resistencia, potencial expansivo, etc.
  • Estructura del suelo (estratificado, anisotrópico).
  • Plasticidad, compactación.
  • Características especiales como presencia de material orgánico.
  • Sensibilidad al contacto con el agua.

La descripción de rocas se divide en roca intacta y macizo rocoso.
La roca intacta incluye los siguientes elementos:

  • Composición mineralógica.
  • Estructura y textura.
  • Características petrográficas.

El macizo rocoso incluye los siguientes elementos:

  • Composición geológica.
  • Roca intacta.
  • Discontinuidades (identificación de familias de discontinuidades y sus propiedades).
  • Grado de meteorización.
  • Formaciones Karst.
  • Alteración hidrotermal.
  • Zonas de fallas geológicas:
    • Origen tectónico
    • Orientación
    • Longitud
    • Composición
    • Componentes: Gouge de falla, cataclasitas, remanentes de la roca intacta.

Las zonas de fallas son tratadas como zonas homogéneas individuales cuando éstas influyen de manera activa en el proyecto.

Condiciones hidrogeológicas

La descripción de las condiciones hidrogeológicas necesariamente debe incluir las características regionales y locales. En particular, acuíferos y sus límites, posible interacción entre ellos, acuíferos confinados/inconfinados, condiciones de flujo y conexiones con aguas de fuentes hídricas superficiales.

En particular, se deben incluir los siguientes aspectos:

  • Niveles de aguas subterráneas.
  • Permeabilidad.
  • Tipo de circulación.
  • Tipo de acuífero.
  • Dirección de flujo.
  • Conductividad hidráulica.
  • Transmisividad.
  • Composición química del agua.
  • Reacción y equilibrio de carbonato.
  • Presión de poros, cabeza y gradiente hidráulico.
  • Localización de manantiales y pozos con registro de parámetros de campo.
  • Capacidad de almacenamiento (suelo y roca).
  • Área de recarga y descarga, balance hídrico.

Ensayos e investigación geotécnica

Parámetros geotécnicos relevantes para el diseño y la construcción son determinados mediante ensayos de laboratorio e in situ. Los siguientes parámetros deber ser determinados:

  • Esfuerzos principales.
  • Propiedades geofísicas.
  • Propiedades de resistencia.
  • Módulo de elasticidad, módulo de deformación.
  • Potencial expansivo.
  • Conductividad y transmisividad.
  • Abrasividad.

Durante la definición del programa de ensayos se deben determinar su número, el tamaño de la muestra, la estructura de la muestra en relación con la dirección del ensayo, el tipo de falla y el rango de valores. Se deben proporcionar valores comparativos (empíricos y estimados). Se adoptan los estándares ISRM (International Society of Rock Mechanics) o normativas aplicables para cada ensayo.
Para rocas se necesita una clara diferenciación entre la información geotécnica y sus propiedades referentes a la roca intacta y al macizo rocoso.

Información adicional

Los siguientes aspectos son investigados de acuerdo a su relevancia para el proyecto específico:

  • Presencia de gas (tipo, fuente potencial, lugar de reserva con caminos de migración).
  • Reptación/movimiento en masa.
  • Ocurrencia neotectónica.
  • Temperatura (terreno, agua subterránea).
  • Actividad sísmica.
  • Sustancias peligrosas para la salud (cuarzo, asbesto, etc).
  • Radioactividad.
  • Suelos contaminados.
  • Contaminación del agua subterránea.

 

DISEÑO GEOTÉCNICO

Aspectos generales
Un diseño apropiado y económicamente viable depende de la confiabilidad del modelo geológico, una precisa caracterización del terreno y la distribución de parámetros relevantes para el diseño tales como la orientación de las discontinuidades, los esfuerzos primarios y el agua subterránea. A pesar de estos requisitos, el diseño de un túnel se basa en experiencia y cálculos empíricos. Adicionalmente, en modificaciones de la secuencia de excavación y del soporte basado en análisis específicos realizados durante la construcción. Para mejorar la metodología de diseño y los procesos constructivos, la Sociedad Austríaca de Geomecánica desarrolló un manual para el diseño geotécnico de estructuras subterráneas con excavación convencional.

Metodología para el diseño geotécnico

El objetivo principal del diseño geotécnico es una optimización de la construcción, en términos de costos, considerando las condiciones del terreno, seguridad, estabilidad a largo plazo y los requerimientos ambientales. La variabilidad de las condiciones geológicas, parámetros del terreno, esfuerzos y condiciones de agua, requiere del uso de una metodología específica y consistente durante el diseño. Los factores que gobiernan el diseño geotécnico son las condiciones del terreno y su comportamiento. A pesar de las incertidumbres en la descripción del terreno, el diseño y de obras subterráneas necesitan de una estrategia que permita la implementación de un diseño consistente y coherente durante todo el proyecto, y que a su vez, permita el ajuste del soporte a las condiciones encontradas durante la excavación. El diseño geotécnico se logra en dos diferentes fases: fase de diseño y fase de construcción.

FASE 1: DISEÑO
Esta fase está enmarcada por la determinación de las propiedades previstas para el terreno, la clasificación dentro de tipos de terreno y la determinación de los tipos de comportamiento con base en la evaluación del comportamiento del terreno. De igual manera, se detallan las medidas de soporte enmarcadas por el comportamiento tipo y las condiciones de frontera específicas del proyecto. Sobre esta base se predicen los diferentes comportamientos del sistema.

Las clases de excavación son determinadas de acuerdo a la normativa austríaca ONORM B 2203-1.
Los resultados de las diferentes fases de diseño geotécnico se resumen dentro de un reporte geotécnico. El mismo claramente define las condiciones del terreno, las condiciones de frontera y todos los supuestos utilizados para el diseño. El esquema para la construcción también hace parte del reporte geotécnico. Éste contiene criterios para la implementación de procesos constructivos, indica cuáles procesos no deben ser modificados sin una previa consulta al diseñador, e incluye criterios para posibles modificaciones y ajustes durante al etapa de construcción.

FASE 2: CONSTRUCCIÓN
Durante la construcción, todos los parámetros relevantes para el diseño geotécnico deben ser recopilados y evaluados para determinar el tipo de terreno. Teniendo en cuenta estos factores, se evalúa el comportamiento del sistema real siguiendo los lineamientos establecidos en el diseño. La selección del soporte y secuencia de excavación se hace con base en los criterios establecidos en el esquema del diseño para construcción y en el plan de gestión de seguridad. El esquema de diseño y el diseño geotécnico deben ser continuamente actualizados con base en las condiciones del terreno. Las mejoras en el modelo geotécnico permiten dar cumplimiento a los requerimientos ambientales y de seguridad, mientras se logra una optimización de la construcción. Se debe documentar todos los supuestos y la información utilizada para la toma de decisiones. De igual manera, se debe documentar, evaluar y analizar, durante las dos fases, información relevante de las propiedades y el comportamiento del terreno, así como el comportamiento del sistema.
El manual presenta un procedimiento sistemático para el diseño. Todos los conceptos, consideraciones y decisiones deben ser documentados de tal manera que sea posible una revisión en el proceso de toma de decisiones.
El procedimiento para el diseño geotécnico comienza con la determinación de los tipos de terreno y termina con la definición de las clases de excavación.
Estadística y/o métodos probabilísticos deben ser utilizados para incluir la variabilidad e incertidumbre de los parámetros aplicados.

Fase 1- Diseño
Paso 1- Determinación del tipo de terreno
El primer paso es la descripción de la composición geológica del terreno y se continúa con la definición de los parámetros geotécnicos relevantes para cada tipo de terreno. Los valores y la distribución de los parámetros relevantes se determinan a partir de la información disponible y/o se estiman con base en criterios ingenieriles y geológicos. Terrenos con propiedades similares se agrupan dentro de un tipo dependiendo de las condiciones geológicas específicas del proyecto.

Paso 2- Determinación del comportamiento del terreno
El segundo paso es la evaluación del comportamiento potencial del terreno con base en los tipos y factores locales que influencian el comportamiento. El comportamiento del terreno es definido por sectores con propiedades y factores similares. Y debe ser evaluado como la excavación en sección completa sin consideraciones de: método de excavación, secuencia de excavación, soporte o medidas constructivas complementarias.

Paso 3- Selección del concepto constructivo
Se escoge un concepto constructivo viable con base en las características y comportamiento del terreno previsto para cada situación característica. El concepto incluye la descripción del método de excavación, secuencias de excavación, soporte y medidas constructivas complementarias.

Paso 4- Evaluación del comportamiento del sistema en el área de excavación
Se realiza considerando el concepto constructivo incluyendo la secuencia de excavación, el perímetro y la redistribución espacial de esfuerzos.

Paso 5- Determinación en detalle de los métodos de soporte y excavación, y evaluación del comportamiento del sistema
Los métodos de excavación y soporte son fijados en calidad y cantidad, teniendo en cuenta posibles fases adicionales dentro de la secuencia de excavación y el comportamiento del sistema determinado. Él mismo es comparado con los requerimientos.

Paso 6- Reporte geotécnico-Esquema del diseño para construcción
Con base en los pasos 1 a 3, el trazado es dividido en sectores con requerimientos similares en cuanto a excavación y soporte. El esquema del diseño para construcción incluye los métodos disponibles para la excavación y soporte, al igual que los límites y criterios para posibles variaciones o modificaciones durante la construcción.

Paso 7- Determinación de las clases de excavación
En el último paso del diseño se definen las clases de excavación con base en la evaluación de las medidas de excavación y soporte. Éstas conforman la base para las cláusulas de compensación dentro de los documentos para la licitación. En Austria, la evaluación de las clases de excavación se rigen por la norma ONORM B 2203-1.

Fase 2- Construcción
Paso 1- Determinación del tipo de terreno encontrado y pronóstico de las características del terreno
Para poder determinar el tipo de terreno encontrado, la información geológica documentada durante la construcción debe incluir los parámetros relevantes especificados en el diseño. Observaciones adicionales como indicadores de sobreesfuerzos, deformaciones y mecanismos de falla, resultados de ensayos y la evaluación del monitoreo geotécnico son utilizados para actualizar el modelo geotécnico y predecir las condiciones adelante del frente de excavación.

Paso 2- Evaluación del comportamiento del sistema en el área de excavación
Basados en los pronósticos de las condiciones del terreno y en los factores que influencian la excavación, se hace la evaluación del comportamiento del sistema y se comparan con lo establecido en el esquema del diseño para construcción. Se debe prestar especial atención a los potenciales mecanismos de falla.

Paso 3- Determinación de medidas constructivas, para excavación y soporte, y predicción del comportamiento del sistema en la sección soportada
Para la determinación de las medidas constructivas se deben seguir los lineamientos incluidos dentro del esquema del diseño para construcción. Consecuentemente, se debe verificar si las condiciones del terreno (tipo y comportamiento) están acordes con las predicciones. La información adicional recolectada durante la excavación, forma la base para la determinación de los métodos de excavación y soporte. El objetivo principal es garantizar la seguridad y la economía durante la construcción del túnel. Se debe predecir el comportamiento del sistema para el siguiente avance de la excavación. El registro de este proceso para la predicción debe ser documentado.

Paso 4- Verificación del comportamiento del sistema
El monitoreo del comportamiento del sistema permite verificar el cumplimiento de los requerimientos y criterios definidos en la gestión de seguridad geotécnica. Cuando se registran diferencias entre el comportamiento previsto y el observado, se deben revisar los criterios y parámetros utilizados para la determinación del terreno tipo, el soporte y la secuencia de excavación. Cuando los desplazamientos o la utilización del soporte son mayores a los previstos, se debe conducir una investigación en detalle de las causas que originan un comportamiento diferente al previsto y se deben implementar, si se requiere, medidas de mitigación (como incremento del soporte). En caso de que el comportamiento del sistema sea más favorable que lo previsto, se debe de igual manera investigar las causas y se modifican los parámetros asociados. Esto permite una mejora y un ajuste continuo del procedimiento para la selección del método de excavación y soporte apropiado.

 

GESTIÓN DE SEGURIDAD GEOTÉCNICA

Aspectos generales

La estabilidad de la estructura subterránea es de gran importancia durante su diseño y construcción. Las medidas para asegurar la estabilidad dependen de las condiciones geotécnicas y de frontera.
En el diseño de una obra subterránea existe una alta variabilidad en las condiciones geotécnicas y en el sistema estático, incluyendo la capacidad portante del terreno y el soporte. Por este motivo, el diseño de una obra subterránea no puede ser comparado con el diseño estructural de un edificio, donde las cargas y las propiedades de los materiales son conocidas.
Las incertidumbres en el modelo geotécnico incrementan los riesgos asociados a la construcción de la estructura subterránea. Para minimizar este riesgo, se debe implementar un sistema de gestión de seguridad que cubra los siguientes aspectos:

  • Requerimientos del diseño en cuanto a excavación y soporte, criterios para la evaluación de la estabilidad durante la construcción.
  • Plan de monitoreo incluyendo aspectos técnicos y organizacionales que permitan una comparación continua entre las condiciones reales y las previstas.
  • Plan de gestión para afrontar desviaciones del comportamiento del sistema.

Contenidos del plan de gestión de seguridad

El plan debe incluir los siguientes elementos:

  • Definición del comportamiento del sistema esperado, durante construcción.
  • Definición de los parámetros relevantes a medir.
  • Definición de los resultados de monitoreo esperados y desviaciones aceptables (valores límite, niveles de alerta).
  • Determinación de métodos para la evaluación de resultados del monitoreo.
  • Gestión para la evaluación de la información (recolección de datos, evaluación, interpretación y comunicación entre las partes).
  • Medidas de contingencia en caso de desviaciones con respecto al comportamiento del sistema previsto.
  • Procedimiento a seguir en caso de que se excedan valores límites/niveles de alerta (definición de responsabilidades y procedimientos para reportar eventualidades)
  • Todos los aspectos técnicos que rigen la excavación y soporte de la estructura se resumen dentro del reporte geotécnico y del esquema del diseño para construcción.

 

MONITOREO, INSPECCIÓN, INTERPRETACIÓN

Aspectos generales

Monitoreo sistemático y frecuente, inspecciones e interpretación son elementos importantes del NATM. El programa es diseñado para establecer los rangos previstos de comportamientos del sistema. Su principal función es determinar si los comportamientos del sistema observados están dentro de los límites definidos, y validar la excavación y soporte implementado. Adicionalmente, el programa permite predicciones del comportamiento del sistema y la actualización del modelo geológico/geotécnico.
El monitoreo y las inspecciones hacen uso de varias fuentes de información tales como la documentación geológica, inspecciones visuales de frente de excavación y soporte, así como mediciones geotécnicas.
La combinación de varias fuentes de información crea un panorama claro con respecto a la respuesta del terreno a la excavación, la interacción de soporte-terreno y el comportamiento global de la estructura.

Monitoreo geotécnico

Usualmente se utilizan herramientas tales como medición de desplazamientos en 3D en el túnel y en la superficie (si se requiere), extensómetros, micrómetros deslizantes, celdas de carga para pernos, inclinómetros, celdas de presión, sensores de deformación y piezómetros.
Se utiliza software especializado para permitir una rápida visualización, evaluación e interpretación de los resultados del monitoreo.

Mediciones ópticas 3D

Estaciones totales y puntos reflectantes son utilizados para hacer las mediciones. Puntos prismáticos de alta precisión y láminas reflectantes son usados para obtener la posición global.
Las condiciones geotécnicas gobiernan el intervalo y la disposición de las secciones a monitorear. Generalmente, entre 3 y 7 puntos reflectantes son instalados en una sección transversal. La distancia entre secciones trasversales de monitoreo varía entre 5.0 m y 25.0 m, dependiendo del comportamiento del terreno y la sensibilidad del proyecto.
Los puntos reflectantes son instalados en pernos con adaptadores. Se instalan a poca distancia del frente de excavación y la “lectura cero” se realiza inmediatamente después de su instalación. Usualmente se toman lecturas diarias; la frecuencia se reduce con el aumento de la distancia al frente de excavación y la disminución de la tasa de desplazamientos.

Extensómetros, micrómetros deslizantes, inclinómetros
Los extensómetros y micrómetros deslizantes se usan para determinar la elongación o acortamiento (desplazamientos relativos) entre dos puntos en el terreno.
Los inclinómetros proporcionan información sobre la deflexión de una línea en el terreno. Son instalados usualmente desde la superficie para el monitoreo de desplazamientos causados por el avance del túnel. Extensómetros y, en algunos casos, inclinómetros longitudinales son instalados en el túnel.

Sensores de deformación, celdas de presión y celdas de carga
Sensores de deformación son instalados para medir la deformación en el revestimiento. La presión entre el terreno y el revestimiento y los esfuerzos en el revestimiento, se miden por medio de celdas de presión. Ocasionalmente se instalan celdas de carga para medir carga de los pernos.

Piezómetros
Se utilizan para medir la presión del agua subterránea.

Presentación de datos de monitoreo
En las últimas dos décadas el monitoreo de desplazamientos en 3D se convirtió en una práctica común, reemplazando gradualmente otras técnicas, al proporcionar gran cantidad de información.
Actualmente, instrumentación como cintas extensométricas, celdas de carga, sensores de deformación, etc., sólo se implementan en circunstancias especiales. Esta sección se enfoca en la presentación de datos de monitoreo en 3D.
Los datos de monitoreo son usualmente presentados siguiendo el formato que se presenta a continuación:

  • Diagrama tiempo-deformación.
  • Diagrama distancia-desplazamiento.
  • Curvas de deflexión con líneas de tendencia.
  • Tendencia del vector de desplazamiento.
  • Diagrama de vectores de desplazamientos.
  • Gráficos de contorno del nivel de esfuerzos en el revestimiento.

Diagrama tiempo-deformación

Representan los componentes de desplazamientos verticales, horizontales y longitudinales, versus el tiempo. Usualmente, todos los desplazamientos registrados en los puntos reflectantes de una sección se grafican en un diagrama. Las fases de construcción se presentan en el mismo diagrama, permitiendo la correlación entre las actividades constructivas y los desplazamientos. El monitoreo continuo de desplazamientos es usado para evaluar el proceso de estabilización.

Curvas de deflexión con líneas de tendencia

Con ellas es posible observar la redistribución de esfuerzos y cambios en el comportamiento del sistema. De esta manera, es posible mitigar el riesgo porque permite reconocer cambios en las condiciones del terreno en tiempo real.
Una curva de deflexión representa el estado de desplazamientos en el tiempo para un punto de la sección transversal. Para lecturas consecutivas se grafican en diagramas independientes para cada componente del vector de desplazamientos.
Uno de los componentes de los “pre-desplazamientos” son las deformaciones que tienen lugar entre la excavación de la sección y la lectura cero. Estas no pueden ser medidas, por este motivo se deben determinar mediante extrapolación y son adicionadas para comparar las mediciones.
Usualmente se combinan curvas de deflexión y líneas de tendencia. Las líneas de tendencia son creadas uniendo puntos de las curvas de deflexión para una distancia constante al frente de excavación. Cuando la misma tiene lugar en terrenos homogéneos y con condiciones de frontera uniformes, se obtienen curvas de deflexión concéntricas y una línea de tendencia horizontal.

Orientación del vector de desplazamiento (L/S)

La orientación del vector de desplazamiento L/S es la proporción entre los desplazamientos (L) y los asentamientos (S), expresados en términos de una desviación angular con respecto a la horizontal. La evaluación de la tendencia L/S es el método más apropiado para identificar cambios en las condiciones del terreno. La rotación del vector contrario a la dirección de excavación indica condiciones de terreno blando adelante del frente de excavación.
Por el contrario, la rotación del vector en la dirección de excavación indica condiciones firmes del terreno adelante del frente de excavación.

Combinación de diferentes métodos de evaluación

Además de los métodos de evaluación descritos anteriormente, existen métodos complementarios para obtener todos los beneficios e información proveniente del monitoreo de desplazamientos.
Estos métodos incluyen:

  • Líneas de tendencia de proporciones de desplazamientos. Ejemplo: proporción entre desplazamientos en un punto de la clave del túnel y un punto en un hastial.
  • Líneas de tendencia de diferencias en desplazamientos. Ejemplo: diferencias entre desplazamientos para puntos de monitoreo a la izquierda y derecha del eje del túnel, o entre la clave y el hastial del túnel.
  • Orientación de vectores de desplazamientos por medio de proyecciones estereográficas.

Diagramas del vector de desplazamientos

Los diagramas de vectores de desplazamiento sirven para interpretar la influencia de las estructuras del terreno en el comportamiento. La evaluación de diagramas de vectores de una sección de monitoreo se utiliza para mostrar la orientación de los desplazamientos y su desarrollo con respecto al tiempo.

Nivel de carga en el revestimiento primario (concreto neumático)

Los desplazamientos medidos pueden ser usados para evaluar las deformaciones en el revestimiento. El cálculo de los esfuerzos considera la geología en el desarrollo de las propiedades del concreto neumático.
El nivel de carga (utilización) está definido como la relación entre los esfuerzos y la resistencia última del concreto neumático. Usualmente se representa en gráficos de contorno. Éste permite una rápida visualización de la utilización del concreto neumático.

Interpretación

Desarrollo de desplazamientos en el tiempo

Para una tasa de avance constante y condiciones de frontera uniformes, la disminución continua de la tasa de desplazamientos es un indicativo del proceso de estabilización. Secuencias de excavación seccionadas (banca o solera) generan un incremento temporal en la tasa de desplazamientos. El aumento o la disminución de la tasa de avance influencian a la tasa de desplazamientos, haciendo difícil la interpretación en casos donde la tasa de avance es variable.

Diagramas de vectores de desplazamientos

Permite la detección de desviaciones del comportamiento “normal” causado por estructuras geológicas afuera del área de excavación.