Download Diseño geotécnico de un túnel excavado en rocas

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos
e Ingeniería Geotécnica
Sociedad Mexicana de
Ingeniería Geotécnica, A.C.
Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo
Diseño geotécnico de un túnel excavado en rocas sedimentarias
Geotechnical design of a tunnel excavated in sedimentary rocks
1
2
Rafael GASPAR , Javier RENDON y Sergio HERRERA
1
3
Ingeniero en geotecnia, Technoproject SA de CV
2
Gerente de ingeniería, CILSA Panamá SA
3
Asesor en geotecnia, Independiente
RESUMEN: Durante la excavación del túnel, las condiciones de estabilidad fueron muy desfavorables debido al grado de
alteración que tienen las tres unidades litológicas excavadas, siendo estas depósitos volcánicos tipo lahar, depósitos
granulares de tipo paleocauce y roca sedimentaria tipo arenisca y limolita; a las propiedades geotécnicas que se
caracterizan especialmente por su alterabilidad y baja resistencia, y sobre todo por la presencia constante de filtraciones
de agua hacia el túnel. Para asegurar su estabilidad en la etapa de excavación se diseñó un sistema de soporte para el
terreno consistente en anclas de fricción conjuntamente con concreto lanzado, o bien, marcos de acero complementados
también con concreto lanzado; asimismo, para la etapa de operación se diseñó un revestimiento total con concreto
armado, el cual ayudó además a incrementar su estanqueidad. Para cumplir con el programa de construcción se
traslaparon las actividades de excavación y construcción del revestimiento definitivo. Actualmente el túnel está en
operación.
ABSTRACT: During the excavation of the tunnel, the stability conditions were very unfavorable due to the degree of
alteration that have the three lithological units excavated, being these volcanic deposits type lahar, granular deposits type
paleo, and sedimentary rock types sandstone and siltstone; to the geotechnical properties characterized especially by its
low resistance and weatherability, and particularly by the constant presence of water seepage into the tunnel. To ensure
stability in the stage of excavation, support system was designed for the terrain consisting of friction anchors in
conjunction with shotcrete, or steel frames also supplemented with shotcrete; also for the operation stage was designed
total coating of concrete, which also helped to increase its impermeability. To meet the construction schedule, the
activities of excavation and construction of the final lining were overlapped. Currently the tunnel is in operation.
1 LOCALIZACIÓN DE LA OBRA
El proyecto hidroeléctrico se localiza al noroeste de
la provincia de Chiriquí en la República de Panamá,
cerca de la población de Plaza Caisán, sobre el Río
Chiriquí Viejo.
Las coordenadas geográficas son: Norte 964,000
– 960,000; Este 297,000 – 300,000.
2 CARACTERÍSTICAS DEL PROYECTO
2.1 Topografía
Se caracteriza por ser abrupta, con cerros de hasta
500 m de altura desde su base y laderas cuyas
pendientes son desde poco inclinadas hasta
acantilados prácticamente verticales.
2.2 Clima
Figura 1. Localización del proyecto en la República de
Panamá
El clima en la zona del proyecto es tropical lluvioso,
en donde la temperatura media mensual de todos
los meses del año es mayor que 18°C.
El régimen pluviométrico se caracteriza por
abundantes lluvias de intensidad entre moderada a
fuerte. La época de lluvias se inicia en firme en el
mes de mayo y dura hasta noviembre, siendo los
meses de septiembre y octubre los más lluviosos. El
período entre diciembre y abril corresponde a la
época seca.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.
2
Diseño geotécnico de un túnel excavado en rocas sedimentarias
2.3 Sismicidad
El Istmo de Panamá está situado sobre una
microplaca tectónica a la cual se ha denominado el
Bloque de Panamá. Esta microplaca está rodeada
por cuatro grandes placas tectónicas: la Placa del
Caribe, al norte; la Placa de Nazca, al sur; la Placa
de Cocos, al suroeste y la Placa Sudamericana al
este.
La zona del Golfo de Chiriquí ha sido sacudida
por eventos sísmicos grandes (Ms > 7.0) en 1871 y
1934. Desde el sismo del 18 de julio de 1934
(Ms=7.4) esta zona no ha sido sacudida por un
evento tan fuerte como este. El último evento que
causó daños en esta zona ocurrió en 1979 (Ms=6.5,
PDE). Su foco estuvo localizado a unos 20 km al NW
de Puerto Armuelles, a una profundidad de 12 km.
El coeficiente sísmico especificado para este
proyecto es cs=0.5.
anclas de fricción o con marcos de acero, así como
drenes.
Inicialmente se proyectó un túnel ventana para
tener más frentes de construcción, con 240 m de
longitud y sección portal de 5.35 m de ancho por
5.28 m de alto. Posteriormente se proyectó otro túnel
ventana con la finalidad de avanzar más rápido en la
excavación de terreno blando constituido por
material aluvial y lahar; tiene 215.44 m de longitud
con la misma sección de la ventana inicial.
2.4 Distribución de las obras
El proyecto hidroeléctrico donde se localiza el túnel
consiste en la construcción de una central
hidroeléctrica sobre el Río Chiriquí Viejo, con una
capacidad instalada de 56 MW y una carga de
diseño de 112 m para generar 263.90 Gwh.
Las principales obras del proyecto son las
siguientes: obra de desvío, presa, vertedor, obra de
toma, túnel de conducción, pozo de oscilación,
tubería a presión, casa de máquinas y subestación.
Figura 3. Sección tipo del
Acotaciones en centímetros.
túnel
de
conducción.
3 GEOLOGÍA
3.1 Regional
Figura 2. Distribución de las obras dentro del proyecto.
2.5 Características del túnel
El túnel se diseñó para trabajar a presión con un
3
gasto de diseño de 56.50 m /s, con una longitud total
de 5312.90 m y una sección de excavación de tipo
herradura cuyas dimensiones libres son de 5.15 m
de ancho x 5.15 m de alto, o bien de 6.05 m de
ancho x 6 m de alto donde se requirió colocar
marcos como soporte. La pendiente es de 0.00125
hasta la ventana 1 de construcción y de 0.0146 de la
ventana 1 hasta la salida del mismo. El trazo se
desarrolló por la margen derecha.
El túnel está totalmente revestido con concreto
reforzado. De acuerdo con la calidad de la roca, se
diseñaron tratamientos para estabilizar la excavación
mediante la combinación de concreto lanzado con
De acuerdo con el Mapa Geológico de Panamá, la
superficie del proyecto está constituida por
formaciones ígneas eruptivas, intrusivas y de origen
sedimentario incluyendo vulcanoclastos, descritas de
antiguas a recientes de la siguiente manera:
Formación Senosri-Galique, Terciario, Oligoceno
(TO-SEga): conformada por arenisca, lutitas y
ocasionalmente aglomerado.
Formación Senosri-Uscari, Terciario, Oligoceno
(TO-SEus): Constituida por lutitas, conglomerado,
caliza tobácea y caliza arcillosa.
Grupo Cañazas, Formación Virigua, Terciario,
Mioceno (TM-CAvi): Andesita, basalto, brecha, toba,
bloques
sub-intrusivos
y
sedimentos
volcanoclásticos.
Grupo Barú, Formación Barú, Cuaternario,
Pleistoceno (QPs-Ba): Materiales volcánicos no
consolidados, andesita, basalto, aglomerados y
cenizas.
3.2 A lo largo del túnel
Superficialmente el túnel se localiza en una
secuencia de terrazas aluviales aflorantes en el
erosionado Valle del Río Chiriquí Viejo. Estas
sobreyacen a ventanas erosionadas de estratos
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.
GASPAR R. et al.
sedimentarios de la Formación Senosri- Uscari y una
amplia secuencia de lahares de la Formación Barú.
El túnel se excavó en tres unidades litológicas
diferentes: depósitos volcánicos de tipo lahar QLa,
depósitos granulares de tipo paleocauce Qal y roca
sedimentaria de tipo arenisca y limolita Tss.
El lahar QLa es un material volcánico que
presenta poco contenido de arcilla; está formado por
bloques de diversa granulometría y de composición
volcánica, empacados en arena. En algunas zonas
los materiales presentan alteración incipiente. Se le
considera un depósito poco cohesivo.
El paleocauce Qal se presenta en terrazas
aluviales constituidas por boleos, gravas y arenas
limpias bien compactas, en proceso de litificación.
La roca sedimentaria sana Tss se caracteriza por
la ausencia de oxidación y alteración química de la
arenisca y limolita, y por color gris claro u oscuro.
Presenta planos de estratificación cerrados a poco
abiertos y fracturamiento intenso cuando se
encuentra cerca de la superficie del terreno debido a
la relajación.
3.2.1 Exploraciones realizadas
Durante la etapa de exploración y posteriormente
durante la etapa de excavación del túnel, se
realizaron barrenos con recuperación de núcleos,
tendidos de refracción sísmica TRS y sondeos
eléctricos verticales SEV, distribuidos en puntos
estratégicos.
En la primera etapa se realizaron 7 barrenos, 5
tendidos de refracción sísmica TRS y 14 sondeos
eléctricos verticales SEV. En la segunda etapa se
realizaron 6 barrenos más.
De los núcleos recuperados fueron seleccionadas
muestras representativas de las unidades litológicas,
específicamente de areniscas y limolitas, y se les
practicaron
pruebas
de
laboratorio
para
determinarles las propiedades índice de roca intacta.
Por lo que respecta a los trabajos de geofísica, los
resultados fueron aplicados en la estimación de los
parámetros de deformabilidad del macizo rocoso.
3.2.2 Tipos de roca y suelos excavados
La excavación en roca sedimentaria arenisca o
limolita se realizó en todo el túnel con excepción del
tramo comprendido entre los cadenamientos 0+900
y 1+514, el cual se excavó en intercalaciones de
material volcánico denominado lahar y terrazas
aluviales.
En general, la roca se presentó moderadamente
dura, con fracturamiento medio y relleno de calcita
entre las discontinuidades, de regular a buena
calidad según la clasificación RMR de Bieniawski,
con excepción de los tramos comprendidos entre los
cadenamientos 0+219 a 0+278, 0+873 a 0+914,
1+590 a 1+811, 2+332 a 2+361, 2+457 a 2+588,
2+644 a 2+697, 3+090 a 3+130, 4+587 a 4+610 y
3
5+075 a 5+361 en los que la roca se presentó
blanda, con fracturamiento medio a denso, relleno
de arcilla o calcita entre las discontinuidades y con
alteración incipiente en las paredes de las mismas,
clasificándose como roca de mala a regular calidad.
Asimismo, hubo roca blanda, alterada y densamente
fracturada en todas las zonas de falla cortadas.
3.2.3 Estructuras geológicas
Durante la excavación se encontraron fallas
geológicas
importantes;
algunas
de
ellas
conjuntamente con otros factores provocaron el
colapso del terreno en zonas específicas llegando a
formar incluso chimeneas que afloraron en la
superficie.
También la presencia de planos de estratificación
ocasionó que se formaran losas de roca en la
bóveda que ocasionalmente cayeron al estar
limitadas por otras discontinuidades.
En este proyecto las fallas carecen de nombre,
por lo que se hará referencia a ellas según el
cadenamiento en las que fueron encontradas.
Tabla 1. Localización y orientación de fallas geológicas a
lo
largo del túnel.
____________________________________________________
Tramo
Orientación
Observaciones
____________________________________________________
0+140 a 0+173
204°/19°
Plano de falla
0+376 al 0+387
187°/19°
Plano de falla
0+845 al 0+870
413°/40°
Plano de falla
2+660 al 2+685
252°/60°
Plano de falla
2+688 al 2+704
238°/50°
Plano de falla
2+732 al 2+748
297°/86°
Plano de falla
2+800 al 2+816
245°/55°
Plano de falla
2+816 al 2+823
296°/66°
Plano de falla
2+828 al 2+838
257°/35°
Plano de falla
2+835 al 2+843
296°/35°
Plano de falla
3+087 al 3+106
132°/70°
Zona de falla 8.5 m espesor
3+240 al 3+250
210°/50°
Plano de falla
3+565 al 3+585
104°/50°
Plano de falla
3+618 al 3+625
346°/45°
Plano de falla
3+637 al 3+643
357°/48°
Plano de falla
3+908 al 3+927
44°/55°
Plano de falla
4+494 al 4+513
46°/20°
Plano de falla
4+513 al 4+552
51°/23°
Plano de falla
4+598 al 4+617
60°/80°
Plano de falla
5+065 al 5+083
351°/45°
Plano de falla
5+116 al 5+130
161°/60°
Zona de falla 2.5 m espesor
5+150 al 5+180
153°/40°
Zona de falla 11.5 m espesor
5+193 al 5+220
153°/42°
Zona de falla 9.5 m espesor
5+238
al
5+248
32°/85°
Zona de falla 11.5 m espesor
____________________________________________________
La orientación general de los planos de
estratificación es al NW con un echado promedio de
20° al NE.
3.2.4 Agua en el subsuelo
Durante la excavación del túnel el agua se presentó
de diferentes formas, siendo clasificadas en campo
en función del flujo observado como: flujo alto,
humedad (goteo) y seco.
El flujo alto se presentó en los tramos
comprendidos entre los cadenamientos 0+052.72 a
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.
4
Diseño geotécnico de un túnel excavado en rocas sedimentarias
0+110, 1+550 a 1+610, 1+720 a 1+811, 2+332 a
2+366, 2+892 a 3+104, 3+390 a 3+420, 3+807 a
3+847, 4+779 a 4+903, 5+081 a 5+116 y 5+133 a
5+361. El resto del túnel se presentó sólo húmedo o
seco.
La presencia de agua fue un factor que influyó
notablemente en la inestabilidad del túnel, ya que en
la mayoría de los casos en donde se presentaron
caídos hubo agua con flujo alto.
subsuelo que podría establecerse temporalmente
durante un periodo de lluvia prolongado.
4 PROPIEDADES GEOMECÁNICAS
4.1 Procedimiento para la determinación de las
propiedades
Los parámetros de resistencia y de deformabilidad
del macizo rocoso y de los suelos existentes como el
lahar y el material aluvial, se estimaron con base en
sus características físicas y litológicas durante la
etapa de diseño y que en algunos casos ya
afloraban en los cortes realizados en ese entonces
en la zona de casa de máquinas y portal de salida
del túnel de conducción.
El procedimiento para la definición de los
parámetros consideró lo siguiente:
− Pruebas de laboratorio.
− Consulta de tablas con información relacionada.
− Retro-análisis de estabilidad de laderas naturales
de las cuales se sabía su composición
estratigráfica de manera aproximada.
− Evaluación del macizo rocoso mediante la
clasificación geomecánica RMR (Rock Mass
Rating) para su posterior aplicación la ecuación
propuesta por Serafim y Pereira (1983).
− Comparación de valores obtenidos por criterios
empíricos y estudios de geofísica.
− Experiencia en materiales de similar origen y
composición.
4.1.1 Propiedades de suelos y rocas
A núcleos de roca obtenidos de los barrenos se les
determinó su peso específico γr y además se les
practicaron pruebas de resistencia a la compresión
simple σc. El rango de valores del peso para roca
sedimentaria arenisca y limolita sana fue de
3
20.4≤γr≤25.1 kN/m y de resistencia fue de
7.9≤σc≤28.6MPa.
En el caso de roca alterada y lahar, el peso
específico γr y la resistencia a la compresión simple
σc fue estimado con base en tablas de consulta,
asignándose para el lahar y roca sedimentaria
3
alterada un valor de γr=21.6 kN/m y para el lahar
una resistencia σc=2.9 MPa.
Para la determinación de los parámetros de
resistencia del macizo rocoso con un alto grado de
alteración, así como para el lahar, se hicieron
retroanálisis de estabilidad de taludes considerando
que la ladera natural era estable con un factor de
seguridad ligeramente superior a FS=1 actuando
una carga sísmica y con un nivel de agua en el
Figura 4. Sección esquemática utilizada en el retroanálisis
de estabilidad.
Para
la
determinación
del
módulo
de
deformabilidad del macizo rocoso sano y alterado se
utilizó la ecuación propuesta por Serafim y Pereira
(1983), la cual se basa en la clasificación del macizo
rocoso RMR.
⎛ RMR − 10 ⎞
⎜
⎟
40
⎠
E = 10 ⎝
donde: E=módulo de deformabilidad
RMR=clasificación del macizo rocoso.
(1)
(GPa);
Tabla 2. Estimación del módulo de deformabilidad E
estático.
________________________________________________________
Tramo
RMR
GSI
σci
E
(MPa)
(GPa)
________________________________________________________
0+052 a 0+920
40-61
47-58
7.9
2.37-4.47
0+920 a 1+511
11-23
34
2.9
0.68
1+511 a 1+607
30-40
40
7.9
1.58
1+607 a 1+700
29-34
40
7.9
1.58
1+700 a 1+839
24-34
40
7.9
1.58
1+839 a 2+330
38-43
43
22.8
3.19
2+330 a 2+400
45-50
56
22.8
6.75
2+400 a 2+700
27-62
38-62
22.8
2.40-9.54
2+700 a 3+100
38-62
43-62
22.8
3.19-9.54
3+100 a 3+450
42-62
47-57
22.8
4.02-7.15
3+450 a 3+550
41-61
49-56
9.5
2.91-4.36
3+550 a 4+500
38-65
52-65
9.5
4.61-6.52
4+500 a 4+900
38-56
49-58
9.5-28.6
2.91-7.56
4+900
a 5+361
27-61
44-57
14.7-28.6
3.55-8.01
_______________________________________________________
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.
GASPAR R. et al.
Finalmente el módulo de deformabilidad E
estático fue ajustado tomando en cuenta los
ensayes de microsísmica realizados en diferentes
tramos del túnel, quedando una relación de
ERMR=3Eestático a partir de micrsísmica.
El rango de valores del módulo de deformabilidad
estático obtenido a partir de la microsísmica fue de
0.98≤E≤2.40 GPa.
Los
parámetros
de
resistencia
y
de
deformabilidad, así como los pesos volumétricos que
mejor se ajustan a los materiales que conforman el
terreno donde se excavó el túnel, con base en los
criterios mencionados anteriormente, son los que se
muestran a continuación y son los mínimos que
podría tener cada uno de los materiales.
Tabla 3. Parámetros de resistencia y deformabilidad, y
pesos volumétricos de las unidades litológicas excavadas
en
el túnel.
________________________________________________________
Unidad litológica
γr
c
φ
E
3
kN/m
MPa
°
GPa
________________________________________________________
Lahar QLa
21.6
0-0.53
38
0.5
Sedimentaria alterada Tsalt
21.6
0.98
30
1.5-3.0
Sedimentaria sana Tss
23.0
39.24
35
3.05.5
Depósito
fluvial Qal
19.6
0
35-45
_______________________________________________________
Los valores de resistencia expresados para la
roca sana en la Tabla 3 corresponden al del macizo
rocoso sedimentario en general y no fueron
aplicables en los análisis en donde el mecanismo de
falla se producía a través de una discontinuidad
geológica. Para ese caso, se propusieron los
parámetros que se muestran a continuación.
Tabla 4. Parámetros de resistencia a través de
discontinuidades
del macizo rocoso del túnel.
________________________________________________________
Discontinuidad
c
φresidual
MPa
°
________________________________________________________
Estratificación en arenisca
4
30-33
Estratificación en limolita
1
25
Discontinuidad sin relleno
0.1
25-30
Discontinuidad
con relleno arcilloso
1
20
_______________________________________________________
5 DISEÑO GEOTÉCNICO DEL TÚNEL
5.1 Cobertura de roca
El trazo del túnel se proyectó de forma que con base
en la topografía se tuviera una cobertura de roca
mínima de 1 diámetro del túnel, es decir, 6 m.
La cobertura de roca mínima se presentó en los
portales de entrada y salida, siendo de 14 m y 7 m
respectivamente, medidos a partir de la berma
inferior de cada talud.
En el resto del túnel las coberturas más bajas se
presentaron en los cruces con las cañadas, siendo
de 28 m el caso más reducido, en el cadenamiento
1+525.
5
La mayor cobertura fue de 165 m en dos zonas
del túnel localizadas en los cadenamientos 1+080 y
3+145, y de 150 m en el cadenamiento 4+700.
5.2 Condiciones del agua en el subsuelo
Se observó que cuando había presencia de agua no
necesariamente correspondía a zonas de baja
cobertura como es el caso del cruce con las
cañadas, sino que se relaciona con la geología
estructural y la permeabilidad del macizo rocoso,
siendo vías potenciales los planos de falla y de
estratificación que interceptan escurrimientos
subterráneos y probablemente superficiales. En el
caso de suelos como el lahar y los depósitos
fluviales,
se
relaciona
solamente
con
la
permeabilidad del material.
Durante la excavación del tamo en donde el
depósito fluvial fue el de mayor presencia, el agua
se manifestó mediante humedad solamente, estando
el terreno muy bien compactado y conteniendo la
suficiente cantidad de finos para que el material
tenga una permeabilidad baja.
5.3 Procedimiento de excavación y construcción
La excavación en roca sana o poco alterada se
realizó por medio de voladuras a sección completa y
avances de 3 a 5 m de longitud. Posteriormente se
retiraba la rezaga y se hacía el amacice del terreno
para quitar los fragmentos de roca sueltos. Luego se
procedía a aplicar concreto lanzado y a la colocación
abanicos de anclas de fricción en tresbolillo.
Finalmente, una vez que se tenía el espesor de
proyecto del concreto lanzado, se procedía a la
perforación de drenes cortos.
Cuando se trataba de roca densamente fracturada
o alterada, así como en el caso de fallas geológicas,
la excavación se hizo por medios mecánicos con
avances cortos de 1 a 2 m de longitud.
Posteriormente se retiraba la rezaga y se procedía a
aplicar concreto lanzado. Enseguida se colocaban
marcos de acero y se apuntalaban contra la roca por
medio de polines de madera. Finalmente se
empacaban con concreto para dar rigidez al
conjunto de marcos.
Una vez que se tenían tramos excavados lo
suficientemente
largos,
se
trabajó
en
el
revestimiento definitivo del túnel con cimbras
deslizantes de 9 m de longitud. Tal revestimiento se
diseñó de concreto reforzado con 40 cm de espesor.
Al final se hicieron inyecciones que inicialmente
fueron pensadas como de contacto concreto-roca,
pero que en realidad fueron de relleno de
oquedades debido a la sobreexcavación, ya que se
debía asegurar que el espacio entre el revestimiento
y la roca quedara bien relleno y que en el caso en
donde el revestimiento se diseñó con aportación de
la roca se cumpliera tal condición.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.
6
Diseño geotécnico de un túnel excavado en rocas sedimentarias
5.4 Tratamientos proyectados
Para el diseño de los tratamientos de soporte en el
macizo rocoso sedimentario, se estimó la carga de
roca Hr actuante sobre el túnel antes de la
excavación, a partir de la clasificación del macizo
rocoso RMR, empleando el criterio de Bieniawski
(1989).
H
r
⎛ 100 − RMR ⎞
⎟
⎝ 100 ⎠
= B⎜
(2)
donde: Hr=carga de roca; B=ancho del túnel;
RMR=clasificación del macizo rocoso.
⎛ 100 − RMR ⎞
⎟
100
⎠
P = γ B⎜
r
r ⎝
(3)
donde: Pr=presión de roca; γr=peso específico de la
roca; B=ancho del túnel; RMR=clasificación del
macizo rocoso.
P = P (FS )
s
r
(4)
donde: Ps=presión de soporte; Pr=presión de roca;
FS=factor de seguridad.
El rango de valores del RMR para roca sana
sedimentaria arenisca y limolita es de 50≤RMR≤65,
para roca alterada y fracturada de 24≤RMR≤40 y
para zonas de falla de 11≤RMR≤23.
Con base en dichos valores y utilizando las
ecuaciones (2), (3) y (4) se elaboró la Tabla 5 con el
resumen de resultados. Para obtener la presión de
soporte Ps, se utilizó un factor de seguridad FS=1.3.
Tabla 5. Estimación de la carga y presión de roca, y la
presión de soporte para el diseño de los tratamientos de
soporte.
________________________________________________________
Roca
Hr
Pr
Ps
m
kPa
kPa
________________________________________________________
Sedimentaria alterada Tsalt 4.6-3.6 99.4-77.8
129.2-101.1
Sedimentaria sana Tss
3.0-2.1 69.0-48.3
89.7-62.8
Zona
de falla
5.4-4.7 116.6-101.5 151.6-131.9
_______________________________________________________
Para el lahar se supuso que podría hacerse una
equivalencia de carga de roca Hr equivalente al de la
roca sedimentaria alterada, debido a que su
comportamiento es relativamente parecido. Se
consideró que el tipo de soporte que se debería
emplear en este material podía ser del mismo tipo al
especificado para la roca alterada, consistente en
marcos de acero y concreto lanzado; durante las
excavaciones se realizaron los ajustes necesarios de
acuerdo con las condiciones reales encontradas.
El soporte en roca sana se diseñó considerando
anclas conjuntamente con concreto lanzado,
utilizando sistemáticamente barras convencionales
de varilla corrugada de 1” de diámetro, cuya
capacidad es Fa=17 t tomando 0.8fy.
P
s
C =
a F ( A)
a
(5)
donde: Ca=cantidad de anclas; Ps=presión de
soporte; Fa=capacidad del ancla; A=patrón de
distribución.
Se utilizaron abanicos de 7 y 8 anclas con 1.5 m
de separación entre barras y 2 m entre abanicos,
aportando una presión de soporte Ps=56.7 kPa y
habiendo entonces un déficit de 33.0 kPa en el
requerimiento de la presión de soporte Ps, por lo que
el concreto lanzado se diseñó para cubrir tal déficit y
para evitar desprendimientos superficiales de
bloques de roca.
Aplicando el criterio del Tubo de Pared Delgada
para concreto lanzado y considerando concreto con
f’c=20 MPa con 7 cm de espesor, se tiene una
presión de soporte teórica Ps=90.7 kPa, por lo que
en combinación con el anclaje el factor de seguridad
se incrementa a FS=1.6 en roca sana.
Ps =
( c)
tτ
r
(6)
donde:
Ps=presión
de
soporte;
t=espesor;
τc=resistencia al esfuerzo cortante del concreto;
r=radio del túnel.
τ = 0.2 f ' c
c
(7)
donde: τc=resistencia al esfuerzo cortante del
concreto equivalente; f’c=resistencia a la compresión
del concreto.
Referente a los marcos de acero, se diseñaron
con base en la carga de roca alterada Hr,
considerando tres condiciones de análisis: carga de
roca en todo el ancho de la bóveda, carga de roca
en la mitad del ancho de la bóveda y carga en el
tercio medio del ancho de la bóveda. Como medida
adicional de seguridad no se tomó en cuenta la
aportación del concreto lanzado.
El resultado fue fabricar marcos con perfil
metálico IR 254mm x 22.3kg/m, con separación de 1
m entre ellos.
De acuerdo con la información geológicogeotécnica disponible, el nivel freático estuvo
siempre por arriba de la bóveda del túnel, con
alturas variables.
En el diseño del concreto lanzado como parte de
los tratamientos de soporte del túnel, la presión
debida al agua no se tomó en cuenta ya que se
previó realizar drenes cortos a través del concreto
lanzado.
Finalmente, el diseño del revestimiento definitivo
se diseñó para trabajar por presión interna y por
presión externa, sectorizando al túnel para
considerar de manera realista algunos factores como
la aportación de la roca, la presencia de agua
alrededor del túnel, entre otros.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.
GASPAR R. et al.
De acuerdo con el análisis estructural, se requirió
de un revestimiento de concreto de 40 cm de
espesor con diferentes armados de acero de
refuerzo en cada sector del túnel en función de las
cargas actuantes.
5.5 Problemas geotécnicos encontrados
En los tramos excavados se presentaron 12 caídos
en la bóveda del túnel y 1 falla del terreno en la
pared izquierda, los cuales fueron ocasionados por
diversos factores, siendo uno de estos la mala
calidad del macizo rocoso que según la clasificación
RMR correspondieron a clase IV
Las fallas ocurridas se presentaron en los
cadenamientos indicados en la tabla siguiente.
Tabla
6. Localización de caídos a lo largo del túnel.
________________________________________________________
Tramo
Longitud
Soporte
Observaciones
(m)
________________________________________________________
0+219 a 0+230
11
Marcos
1+570 a 1+576
6
Concreto lanzado
1+600 a 1+610
10
Concreto lanzado
1+727 a 1+738
11
Marcos
Cambio de eje
2+332 a 2+354
22
Marcos
Cambio de eje
2+659 a 2+680
21
Marcos
2+720 a 2+725
5
Marcos
3+122 a 3+125
3
Marcos
3+178 a 3+185
7
Marcos
3+520 a 3+526
6
Marcos
5+133 a 5+141
8
Marcos
5+184 a 5+189
5
Marcos
5+334
a 5+343
9
Marcos
_______________________________________________________
Todos los tramos de túnel que fallaron fueron
recuperados mediante la colocación de marcos, sin
embargo, se dejó sin rellenar la zona superior de las
cavidades por arriba del relleno de concreto que se
colocó para rigidizar los marcos.
En dos de los casos, entre los cadenamientos
1+727 a 1+738 y 2+332 a 2+354, se cambió el eje
del túnel para no tener que cruzar la zona de falla
debido a la dificultad que presentaba su
recuperación.
La geometría de las cavidades que se encuentran
por arriba de la bóveda del túnel se desconoce. En
algunos casos se tiene evidencia de migración de la
cavidad hacia la superficie del terreno formando
chimeneas, como es el caso de las fallas ocurridas
en los tramos 1+727 a 1+738, 2+659 a 2+680 y
5+133 a 5+141.
La migración de las cavidades ocurrió
principalmente por la falla progresiva ascendente del
terreno en la zona de la cavidad, acelerándose este
proceso por la infiltración de agua. En la mayoría de
los casos el agua se manifestó con flujo alto, con o
sin arrastre de partículas finas.
Con la finalidad de evitar la formación de nuevas
chimeneas en el resto de caídos durante la vida útil
del proyecto, se recomendó rellenar las cavidades
en su totalidad, sin embargo, como algunas de las
7
fallas ocurrieron hace mucho tiempo y era difícil
asegurar la comunicación con la cavidad mediante
perforaciones para inyección desde el túnel, no se
hizo ningún tipo relleno.
Otro problema que se tuvo fue que algunos
tramos en los que se colocaron marcos quedaron
desalineados debido a la dificultad para su
colocación porque generalmente coincidían con
caídos. El caso más relevante se localiza entre los
cadenamientos 3+090 y 3+132 en donde el ángulo
del esviajamiento del eje real con respecto al de
proyecto es de 4° aproximadamente.
En primera instancia se pretendió alinear los
marcos, pero ello implicaba cortarlos y dejar sin
soporte temporal tramos cortos mientras se
corregían, quedando entonces un riesgo alto de que
el macizo rocoso y los marcos contiguos fallaran, por
lo que finalmente se adoptó el eje desviado.
En los nichos que fueron excavados a lo largo del
túnel para alojar transformadores eléctricos, para
permitir el paso de dos camiones de carga, así como
para sus maniobras, sólo se coló un tapón de
concreto no siendo necesario rellenar la cavidad en
su totalidad.
6 CONCLUSIONES
La roca sedimentaria excavada identificada como
arenisca y limolita, carece de un cementante que la
mantenga firme por largos períodos de tiempo
después de excavada, por lo que fue indispensable
colocar el tratamiento de soporte rápidamente para
evitar desprendimientos de roca por efectos de
relajación.
El tramo excavado en la intercalación de lahar y
paleocacuce no presentó problemas de estabilidad,
pudiéndose incluso omitir la colocación de marcos y
aplicar como único elemento de soporte al concreto
lanzado de 10 cm de espesor.
En las zonas de caídos, se tiene evidencia de que
cuando hay filtraciones de agua importantes y no se
da el soporte a la roca en la bóveda con la rapidez
requerida, ésta va ascendiendo debido a la falla del
terreno hasta aflorar en la superficie y formar una
chimenea, siendo entonces conveniente rellenar en
su totalidad las cavidades de los caídos desde que
son recuperados los frentes de trabajo.
Constructivamente se debe procurar que los
marcos de acero queden bien alineados desde su
colocación, ya que de lo contrario habrá cambios de
dirección que representarán pérdidas de carga y que
posteriormente será difícil corregir el alineamiento.
Cuando se presentan caídos se puede decidir
entre la recuperación del frente y cruzar el tramo
fallado, o bien, en cambiar el eje del túnel.
Conservar el eje de proyecto representará no tener
pérdidas de carga a cambio de una recuperación
lenta del frente, mientras que si se modifica el eje
habrá pérdidas pero habrá avance en los trabajos de
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.
8
Diseño geotécnico de un túnel excavado en rocas sedimentarias
excavación; se deberá entonces elegir la mejor
opción técnica y económica.
REFERENCIAS
Gaspar Rafael. (2012). “Pozo de oscilación del
proyecto hidroelétrcico Bajo de Mina, Panamá.
Hoek, E. (2007). “Practical Rock Engineering – 2007
Edition”
Hoek E., Carranza-Torres C. y Corkum B. (2002).
“Hoek-Brown Failure Criterion – 2002 Edition”
Miranda G. R. (2007). “Geología preliminar del
proyecto hidroenergético Bajo de Mina – Baitún –
Provincia de Chiriquí, República de Panamá Geoconsult SA”.
Serafim J.L. y Pereira J.P. (1983). “Considerations of
the geomechanical classification of Bieniawski”.
Proc. international symposium on engineering
geological and underground construction. Lisbon.
Bakelma
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.