INTERIOR.
8.1. CONFINAMIENTO VERTICAL
La presión interior constituye el estado de carga habitual de los túneles hidráulicos en explotación. En el caso de túneles hidráulicos (con presión interior) y con objeto de evitar la hidrofracturación del macizo circundante; que podría abrir las juntas y provocar un aumento importante de la permeabilidad, existen dos comprobaciones que deben realizarse en primera instancia:
Asegurar una suficiente cobertura de roca superior.
Asegurar un resguardo lateral suficiente de material competente.
Se debe comprobar el reparto de cargas establecido entre revestimiento y la roca en el contacto (calculado en base a la compatibilidad de desplazamientos radiales del revestimiento y de roca en el contacto) y verificar que no se superan las tensiones mínimas del macizo.
Debe tenerse en cuenta que para que se produzca hidrofracturación además de exceder las tensiones mínimas del macizo; el tiempo de aplicación de la carga hidráulica debe ser suficiente. Es decir, para el cálculo a presión interior del macizo rocoso debe tenerse en cuenta el salto estático (factor de seguridad de 1,3) y no el dinámico, pero puesto que la aplicación de éste es demasiado corta como para producir hidrofracturación y por lo tanto se toma un coeficiente estricto de 1,0 [8].
Cuando no se cumplen estas premisas, será necesaria la colocación de un blindaje de acero que permita soportar la presión interna sin provocar daños en el macizo rocoso.
Un criterio general, es que el peso de la roca medida verticalmente entre la conducción en presión y la superficie, debe ser superior a la presión hidrostática interna (criterio vertical de confinamiento). Sin embargo, este criterio es adecuado en túneles con una superficie bastante plana, no lo es en zonas con valles a lo largo del trazado del túnel. Deben tenerse en cuenta los puntos singulares (valles) en los que el túnel puede perder cobertura (vertical o lateral).
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Figura 78. Ejemplo de colocación de blindaje basado en la relación entre las tensiones naturales del macizo (mínima tensión principal) y la presión de la conducción (supuesto de un 20 a
un 30% de sobrepresión por golpe de ariete).
En la figura nº 79 se muestra el criterio desarrollado en Noruega tras diversos incidentes de fallos en túneles en presión, que tiene en cuenta la pendiente de las laderas del valle adyacente. Sin embargo, este tipo de criterios “gráficos” deben ser usados con prudencia, y la topografía irregular y con depósitos aluviales o removidos en superficie no deberían ser considerados en el cálculo del confinamiento. Se deben realizar ensayos de fracturación hidráulica y otras medidas de tensión para confirmar la validez del confinamiento.
También es una práctica cada vez más habitual el uso de modelos de elementos finitos para comprobar el estado tensional del macizo.
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Figura 79. Criterio Noruego de confinamiento [52].
8.2. TENSIONES IN SITU
De modo analítico, considerando una roca masiva sin incrementos de tensiones horizontales debidas a causas tectónicas, se obtiene bajo las hipótesis de elasticidad lineal, isotropía y homogeneidad:
(20)
Con σv (tensión vertical) igual al peso de la roca que gravita sobre el túnel.
La tensión tangencial σt en bóveda de una excavación circular es:
(21) σV ν 1 ν H σ V V H H V V H 1 ν 1)σ ν (3 σ σ 3 ) σ 2(σ ) σ (σ t σ
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Las fracturas debidas a la presión hidráulica se producirán en las zonas más débiles, es decir, en una dirección perpendicular a la tensión principal menor. En consecuencia, la fracturación se iniciará en el techo cuando σv sea la tensión principal mayor y en el extremo del
diámetro horizontal cuando lo sea σH.
Habitualmente se considera la tensión vertical como:
(22)
siendo z la profundidad y γ el peso unitario.
Según medidas realizadas en diferentes obras civiles y de minería, esta relación es válida, aunque existe dispersión en los resultados medidos [28].
Figura 80. Tensión vertical en función de la profundidad en un macizo rocoso [28].
Las medidas reales de tensiones horizontales in situ en obras civiles y de minería, ponen de manifiesto que la expresión (20) puede no ser siempre de aplicación, y que las tensiones tienden a ser más altas a bajas profundidades y decrecen con la profundidad.
Es habitual expresar las tensiones horizontales como un ratio “k” frente a las verticales. z
v
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(23)
Sheory (1994) desarrolló un modelo y determinó una expresión para la evaluación de “k” y que puede ser muy útil para determinar de forma simplificada o en primera aproximación las tensiones horizontales en un macizo. [28]
(24)
en la que Eh es el módulo de deformación medio en la dirección horizontal.
En la figura siguiente [28] se recoge el valor de k para diferentes profundidades y para diferentes módulos elásticos de la roca.
Figura 81. Tensión horizontal en función de la vertical (k) en macizos rocosos con diferente rigidez [28].
Las anteriores expresiones y valores de “k” pueden variar por condicionantes locales topográficos y de la historia geológica del macizo. Por este motivo es muy recomendable la ejecución de ensayos in situ (hidrofracturación) de cara a determinar experimentalmente el valor de las tensiones principales y su dirección.
v k H σ σ ) / 1 001 , 0 ( 7 25 , 0 Eh z k
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Por otra parte, existe una plataforma en Internet denominada “World Stress Map” que a partir de datos de tectónica de placas, recopilación de estudios geológicos, datos de sondeos y de ensayos de hidrofracturación, ha preparado unos mapas con la dirección e intensidad de las tensiones principales en diferentes partes del mundo. Para una primera aproximación pueden ser útiles (siempre y cuando existan datos en el área de interés).
A continuación se muestran sendos mapas del “World Stress Map”, el primero del área del arco Mediterráneo y el segundo de la Península Ibérica.
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Figura 83. World Stress Map. Península Ibérica.
8.3. MEDIDA DE LAS TENSIONES IN SITU
La medida más habitual de las tensiones in situ se realiza mediante la fracturación hidráulica (hidrofracturación). Básicamente consiste en inyectar fluido (agua) en un sondeo, con objeto de inducir y que se propaguen las fracturas generadas o preexistentes a través del macizo rocoso. Las presiones medidas durante el ensayo se emplean para determinar el estado tensional del macizo rocoso. Las principales hipótesis consideradas en el ensayo son las siguientes:
La tensión vertical se considera como una tensión principal igual al peso de roca a la profundidad el ensayo.
La roca es homogénea e isótropa e inicialmente impermeable. (estás hipótesis son poco realistas en determinados tipos de formaciones).
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Las fracturas generadas tienen una orientación perpendicular a la tensión principal horizontal menor.
Figura 84. Croquis del ensayo de hidrofracturación [30].
Resulta muy adecuado, como se está realizando en este tipo de ensayos en España, combinarlos con una inspección con “acustic televiewer” que permite otra interpretación de la dirección de las tensiones principales (puede servir de contraste) y con el que se obtiene un registro muy detallado del sondeo antes y después del ensayo de hidrofracturación.
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Figura 85. Resultados obtenidos en ensayo de hidrofracturación. Tensiones horizontales principales en función de la profundidad [30].
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8.4. CONFINAMIENTO LATERAL
Además de fijar una cobertura mínima, se presenta también el caso de tener que evaluar la distancia mínima a la cual se debe situar el túnel de una ladera. En general, una regla sencilla y del lado de la seguridad, consiste en fijar esta distancia en dos veces la cobertura vertical estimada.
La figura 86 recoge la aplicación del criterio noruego de confinamiento a diversos proyectos. Puede apreciarse como los que están por encima del criterio no tienen problemas de filtraciones, mientras que los que están por debajo han presentado problemas. Son casos reales, recogidos en [22].
Figura 86. Comprobación del criterio Noruego en casos reales [22].
La colocación de blindaje o no, dependerá en gran medida de las condiciones del macizo rocoso.
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Es un asunto complejo, ya que por ejemplo mientras en las últimas realizaciones noruegas se opta por no utilizar blindajes (ni revestimiento) incluso para grandes saltos, y confiar en la capacidad portante de la roca (Noruega tiene muy buenas condiciones geotécnicas con formaciones de granitos y gneises de gran calidad), en el caso de las últimas realizaciones en Japón se ha optado por la colocación de blindajes de acero de alta resistencia.
La tradición noruega de no colocación del blindajes se deriva de la escasez de acero durante y después de la primera guerra mundial. Desde 1.919 se han realizado túneles en presión en Noruega sin blindaje. Desde entonces se han realizado más de 100 km de túneles sin revestimiento [45]. Para la construcción de este tipo de túneles debe asegurarse que el nivel tensional del macizo rocoso es suficiente para evitar la deformación o filtraciones que puedan dar lugar a roturas por fracturación hidráulica. La roca debe tener una baja permeabilidad, tener una escasa fisuración y ser durable. En las zonas de roca debilitada o fracturada se pueden realizar tratamientos puntuales de mejora o revestimiento.
Por otra parte, existe también el criterio australiano “Snowy Mountains”, que se muestra comparado en la figura nº 87 con el criterio Noruego y con el criterio de confinamiento vertical, arroja valores muy similares al criterio noruego, siendo ambos más seguros que el criterio vertical para superficies inclinadas.
Figura 87. Comparación entre criterios de confinamiento (Vertical, Noruego y Snowy Mountains) [22].
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En general, se realizan modelos de elementos finitos del macizo, para asegurar que la mínima tensión principal en el macizo es superior a la presión de agua.
En estos túneles no existe el problema de la presión exterior, sino únicamente el de la presión interior. Posteriormente, durante la construcción y puesta en marcha, debe comprobarse que las hipótesis tenidas en cuenta en el cálculo han sido correctas y en el caso contrario realizar las correcciones pertinentes.
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Durante la construcción se realizan pruebas de fracturación hidráulica con el objeto de medir la tensión principal mínima y, en su caso, ajustar los modelos de elementos finitos y las condiciones de excavación y soporte provisional (sostenimiento).
Por otra parte, debe realizarse un llenado muy lento del túnel, con tiempos de 10 a 30 horas e intervalos de parada. Durante las pausas se monitoriza el nivel del agua para detectar posibles fugas.
Las principales ventajas del no revestimiento del túnel son evidentes: un importantísimo ahorro económico y un acortamiento de los plazos de construcción.
En la figura siguiente puede observarse como se ha aplicado, a túneles cada vez con más salto en Noruega, la construcción sin revestimiento.
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Figura 90. Consideraciones de diseño de túneles noruegos sin revestimiento [45].
8.5. REPARTO DE LA PRESIÓN INTERIOR ENTRE EL BLINDAJE Y EL TRASDÓS
El reparto de esfuerzos entre la roca y el blindaje, ha sido estudiado por numerosos autores y fuentes, estableciendo la compatibilidad de los movimientos bajo distintas hipótesis.
En general, se considera que cuando se asume que toda la presión interior es resistida por el blindaje de acero, puede tomarse una tensión admisible del 75-100% del límite elástico y del 50-67% de la carga de rotura. Sin embargo, si se considera la contribución de la roca y del relleno de hormigón, se utiliza una limitación en la tensión entre el 33 % de la carga de rotura y el 67% del límite elástico [22]. Este documento recoge una gran variedad de métodos de cálculo disponibles que sin embargo ofrecen resultados dispares (carga transferida del 22% al 64% transferida al macizo para el mismo caso analizado) dependiendo de las hipótesis o datos de partida que consideran.
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En la figura siguiente se muestran diversas formulaciones para la obtención del reparto de presión interior entre acero y trasdós:
Figura 91. Hipótesis de compatibilidad utilizadas por diversos autores para el cálculo de blindajes sometidos a presión interior [27].
La carga transferida a la roca y al hormigón según las mediciones realizadas puede variar entre el 50% al 90%, valores muy importantes, pero que son difíciles de asegurar debido al gap existente entre el hormigón y el acero y a la anisotropía del macizo rocoso. En el caso de blindajes muy finos la transferencia puede llegar a ser total. Por lo cual, para un caso medio, con una transferencia del 50%, los límites exigidos al acero pueden derivar en un diseño similar teniendo o no teniendo en cuenta la colaboración del medio circundante.
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