Excavaciones subterráneas PDF

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Apuntes de Excavaciones subterráneas...

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Excavaciones subterráneas Minas subterráneas, metros, estacionamientos. Pueden ser de tipo vertical y a partir de allí se hace horizontal (ej: metro). Puede ser ni vertical ni horizontal, dependiendo de inclinación del terreno, etc. Objetivos -

Conocer las principales características de las excavaciones subterránea Conocer las características geotécnicas principales de los túneles Familiarizarse con la sistemática general de los estudios geológico-geotécnicos específicos en obras subterráneas. Conocer los principales factores geológico-geotécnicos que condicionan las excavaciones subterráneas. Conocer las patologías más habituales de las perforaciones subterráneas.

Aspectos a considerar -

Pendiente Tipo de roca o suelo Presencia agua y cantidad Resistencia del material Estructuras Presión Riesgos geológicos

Aprovechamiento del espacio subterráneo -

Vías de comunicación Problemas de orografía en los trazados Transporte urbano (Metro) Conducciones urbanas: saneamientos, etc. Actividades mineras, sistemas hidroeléctricos, almacenamientos subterráneos, etc.

Factores -

Coste Seguridad (Para personas que trabajan o riesgos geológicos) Impacto Ambiental, etc.

Problemática geológica-geotécnica general: -

Incertidumbre geológica  riesgos, tiempo, coste ejecución Hidrogeológica Complejidad técnica Vertido materiales excavados Riesgos humanos en fase constructiva

Tipos de obras subterráneas -

Túneles: carreteras, ferrocarriles, etc. Pozos: ejecución de obras, minería, saneamientos, etc. Cavernas: almacenamiento, conexiones, estaciones, etc. Microtúneles: colectores, saneamientos, etc.

Sistema constructivo general -

Excavación Sostenimiento primario Revestimiento definitivo

Características geométricas: Tunel de Jarrio y Túneles del Padrún

Estudios Geológico-Geotécnico Objetivos -

Caracterización geológica, geotécnica e hidrogeológica del trazado Discriminación zonas de mayor complejidad Sectorización del macizo rocoso Datos para el tipo de excavación y dimensionamiento del sostenimiento Estudio de zonas de emboquillado (y accesos intermedios) Elaboración recomendaciones constructivas Estudios (en su caso) de tratamientos del terreno

Coste -

3% de la obra

Fases FASE 1

Cartografía Geol.-geotécnica

Clasificación geomecánica

Estudio fracturación

FASE 2

Est. Prospección: galerías, geofísica, est. Geomec, etc.

Ensayos in situ

FASE 3 FASE 4

Estudio hidrogeológico

Ensayos laboratorio Propiedades litológicas Perfil geotécnico

Propiedades macizo rocoso

Datos de Diseño -

Datos proyecto: topografía, sección tipo, etc. Datos sistemáticos: estructura, litologías, fallas, hidrogeología, características geomecánicas macizo rocoso, tensiones, clasificación geomecánica, etc. Datos singulares: fallas, zonas expansivas, materiales agresivos, gases, filtraciones de importancia. Emboquille/trazado: estudio independiente. Memoria: planos, cortes, normativa, plano sectorización geomecánica, etc.

Parámetros geotécnicos -

Matriz rocosa: compresión simple, tracción, triaxial, etc. Discontinuidades: corte directo, etc. Macizo rocoso: evaluar deformabilidad general Ensayos específicos: excavabilidad, etc. Tensiones naturales: Indice SRF, etc Caudales/presión de agua: coeficiente permeabilidad, nivel freático, etc. Clasificaciones geomecánicas - Protodyakonov (factor “f) -RMR (Bienawski, 1979-1989) - Lauffer y Linder -GSI (Hoek-Brown) - Deere -SRC (Gonzalez de Vallejo et al, 1988) - Wickham (índice RSR) GSI (Geological Strength Index): -

Resistencia macirzo rocoso: propiedades matriz rocosa y movimiento discontinuidades Comportamiento discontinuidades: forma, características, etc. GSI= estimación reducción resistencia macizo rocoso para diferentes condiciones geológicas.

Factores Geológico-Geotécnico Litologicos: matriz rocosa Estructurales/discontinuidades: estratificación, pliegues, diaclasas, etc. Estado tensional: magnitud, orientación, tensiones naturales. Hidrogeológicos: nivel freático: acuíferos, red drenaje, zonas recarga/desague, permeabilidad materiales, subpresiones, tipo de agua, etc. Acciones sísmicas: terremoto de diseño

Zonas emboquillado: Problemas geológicos-geotécnicos -

Alteración/descomposición macizo rocoso Presencia suelos Procesos activos: deslizamientos Condiciones hidrometeorológicas

Falso tunel: Para evitar que se cierre entrada por un deslizamiento, colapso de ladera

Soluciones -

Estudios geotécnicos específicos Refuerzo sostenimiento (micropilotes, pantallas, etc) Técnicas estabilización taludes suelos/rocas Tratamiento de mejora del terreno Falso túnel Cambio trazado/cota

Trazado subterraneo Problemas geológicos-geotécnicos -

Arcillas expansivas Presencia yesos Presencia anhidrita Kartificación Inundación

Otros problemas -

Subsidencia Chimeneas Afección a cimentaciones

Problemas geológicos-geotécnicos TMB: -

Deformación terreno por delante del frente por relajación de tensiones. Sobreexcavación producida por la cabeza de corte Gap (holgura) entre el trasdós de las dovelas y la parte exterior del escudo Deformación del sostenimiento debido a las cotas del terreno Consolidación por cambios de presión de poros  asientos

Auscultación o Instrumentación geotécnica Determinar el comportamiento y características del terreno para redecir su evolución frente a las acciones inducidas por las obras. Objetivos: -

Eliminar parámetros físicos (desplazamientos, T°, P) Establecer el modelo de su comportamiento Efectuar intervenciones correctoras Efectuar obras de forma controlada Optimizar/economizar diseño nuevas estructuras Implementar sistemas de seguridad

Ámbito del proyecto: Fase inicial, constructiva y de explotación. Ámbito de aplicación: excavaciones, obras subterráneas lineales (ferrovías), taludes, presas y terraplenes. Diseño de campaña -

Identificar la problemática geotécnica Determinar los parámetros a medir (y su rango) Establecer la instrumentación necesaria Seleccionae la ubicación de instrumentación Establecer el protocolo de medida ----- humano (completar)

Sistemas de Instrumentación Medida de desplazamientos -

Tecnicas topográficas Extensómetros Convergencias Sensores de fibra óptica Fisurómetros, grietómetros 3D Inclinómetros

Medida de presiones -

Celulas presión total Celulas de carga

Medida datos hidrogeológicos - Piezómetros

Requisitos de los equipos: -

Fáciles de instalar y proteger Construcción robusta No atacables por el hormigón, aguas u otros Sensibilidad y rango de medida adecuados

Medidas de desplazamientos: Para el control de movimientos entre puntos próximos situados en superficie o dentro de un túnel. Técnicas topográficas: -

Equipos tradicionales (< 1 cm) Distanciómetros (mm) GPS (mm – cm)

Extensiómetros -

De varillas De hilo metálico Radiales Magnéticos De varillas instalado usualmente es utilizado para medir deformaciones axiales (compresíon o tracción). Ej: Monitoreo de deformaciones en minería y obras) (completar de hilo metálico y radiales) Magnéticos para medir asientos en terrenos compresibles y para controlar movimientos verticales en terraplenes., presas de tierra o diques fluviales.

Convergencia: como triangulación para determinar si se va o no moviendo el macizo rocoso. Fisurometro: Completar Clinometro: Electrolítico, Cuerda vibrante, sensor balanceo, base+clinómetro portátil Inclometro: Sirve para determinar el angulo que forma el campo magnético de la Tierra horizontal por medio de la inclinación imantada Celulas de presión total: Mide la presión que va ejerciendo el terreno (célula tangencial y radial) Celulas de carga: Mide la presión que ejerce sobre el Bulón Piezometro: Datos hidrogeológicos

RESUMEN Topografía Extensiómetros Convergencia Sensores fibra óptica Inclinómetros Fisurómetros Clinómetros Celulas presión total Celular carga Piezómetros Otros

Taludes Si Si

Si

Túneles Si Si Si Si Ocasional Ocasional

Si

Si

Si Si

Si Si

Edificación Si

Presas Si Si

Si

Si Si

Si Si Si Si

Si

Si Péndulos, termómetros, etc

Si Líneas asiento

Obras de ingeniería y edificación Carreteras, ferrocarriles, canales, etc -

Excavaciones superficiales: Desmontes, Trincheras Taludes: Superficie terreno inclinada respecto a la original o Tipos: provicionales, permanentes, naturales, artificiales, etc. o Problemática geológico-geotécnica (suelos/rocas): - Excavación - Cálculo estabilidad - Técnicas estabilización

-

Excacaciones subterráneas: Túneles, Pozos, Cavernas, Microtúneles Problemática geológico-geotécnica: - Caracterización terreno - Excavación - Sostenimiento - Litología, Estructura, Hidrogeológica - Vertido materiales excavados

Terraplenes Si Si

Si

-

Estructuras de tierras: Terraplenes, Todo-uno, Pedraplenes-escolleras Problemática geológico-geotécnica: - Terreno apoyo - Materiales relleno - Estabilidad espaldones - Construcción terraplén - Mejora terreno apoyo - Mejora materiales

-

Estructuras: Puentes, Viaductos, Pasos superiores, Pasos inferiores, Obras de drenaje transversal

Elementos constructivos de los embalses Embalses: deposito que se forma artificialmente, cerrando la boca de un valle mediante un dique o presa. Tipos de presas - Hormigón - Materiales sueltos Problemática geológico-geotécnica: o

o

o

Cerrada – Estanquedad – Resistencia – Estabilidad espaldones Vaso – Estanquedad – Estabilidad laderas Sismicidad inducida

Elementos constructivos de las conducciones Tipos - Tuberías a presión enterradas - Tuberías, microtúneles - Canales hormigón, flexibles

Problemática geológico-geotécnica: - Terreno apoto - Erosión por rotura - Excavación-Sostenimiento

Elementos constructivos de la edificación Tipos - Elementos de cimentación: superficial, profunda - Pilares, forjados, muros, etc - Elementos contención Problemática geológico-geotécnica: - Capacidad portante terreno - Deformación terreno - Riesgos geológicos - Mejora terreno - Cimentaciones

Geosintéticos Materiales fabricados mediante la transformación industrial de sustancias químicas “polímeros” en láminas, fibras, tejidos, mallas, etc., empleados con diferentes finalidades en el ámbito de la construcción: drenante, separadora, resistente, antierosión, etc. Tipos Principales

Propiedades principales

Fundiones principales

Geotextiles Geomallas Geomembranas Otros: mantas antierosión, geoceldas, etc. Mecánicas: resistencia a la tracción, al punzonamiento, a la fluencia. Hidraúlicas: permeabilidad normal al plano, transmisividad, poros, etc. Mecánicas: - Separación - Refuerzo - Protección - Soporte Hidraúlicas: - Filtración - Drenaje - Sellado

Funciones mecánicas -

Dependientes de resistencia a tracción y perforación. Han de soportar las cargas estáticas y dinámicas durante la obra y su explotación, etc. Separación: de materiales con diferentes granulometría, composición, propiedades, etc; evitar mezclas, contaminación, etc. Refuerzo: homogeneizar el reparto y distribución de cargas en el terreno. Protección: minimizar el deterioro del terreno. Soporte de obras de tierra, cimentaciones, de actividad vegetal en revegetaciones, etc.

Funciones hidraúlicas -

Dependientes de la permeabilidad y espesor del geosintético. Filtración: retención del material con una cierta granulometría permitiendo el paso de fluidos. Drenaje: posibilitar la evacuación de fluidos sin permitir fenómenos de arrastre de partículas. Sellado o imperbeabilización: impedir el cnontacto directo entre un material (natural o artificial) y el fluido (subterraneo o meteórico)

Características generales -

Reducido coste económico. Sencilla puesta en obra debido a su flexibilidad. Se disponen en rollos que se unen en obra mediante termofusión, soldadura, adhesivos, etc. Aporta soluciones medioambientales. Enorme versatilidad y variedad de usos, diferente densidad, espesor, etc. Durabilidad frente a otro tipo de materiales; comprobar en entornos agresivos (interperie, quimismo, agentes biológicos, hidrólisis, oxidación, pH, T°, etc.)  ensayos

Geotextil Material textil plano, permeable y plástico; composición fibras: polipropileno, poliéster, poliamida, polietileno, etc. Tipos -

Geotextil no-tejido: lámina plana de fibras o filamentosunidos mecánica, térmica o químicamente. Geotextil tricolado: estrelazado de hilos, fibras, filamentros u otros elementos. Geotextil no-tejido: entrelazado de 2 o más conjuntos de fibras, filamentos, cintas u otros elementos.

Aplicaciones de los Geosintéticos CAMPOS DE APLICACIÓN

Cepa separadora

Cepa filtrante

FUNCIÓN Capa Sub-base portante mejorada

Capa protectora

Capa de drenaje

Terraplenes Obras hidráulicas Ferrocarriles Túneles Cimentaciones Drenajes Campos deportivos Edificación

Ejercicio Práctico: Geotextil: Plano, permeable, plástico Geomallla: redistribuicion carga, abierto, reforzar taludes Geomembrana: impermeable, revestimiento, decantación  Proponer la ubicación y tipo de geosintético más idoneo 1–

Geotextiles en capas inferiores y como revestimiento una geomembrana terraplén (anticontaminante) En Zanja de drenaje poner geotextil (permeable) En Ladera poner geotextil y geomalla (hacia afuera)

2-

Geomembrana en el muro, geotextil en ladera junto con geomalla

3-

(poner dibujo editado)

Taludes Son superficies del terreno inclinadas respecto a la horizontal. Su diseño es uno de los aspectos mas importantes de la ing geológica pues esta presente en las mayoría de las actividades constructivas o extractivas.

Tipos de Taludes: Desmonte: Único Talud Trincheras: Talud a ambos lados

Taludes naturales: rocas, suelos Taludes artificiales: acumulaciones, construidos

Taludes permanentes: estables a largo plazo Taludes transitorios: estables a corto plazo

Tipos de inestabilidad de taludes Desprendimientos 1. 2. 3. 4.

Caída bloques de rocas Vuelcos y pandeos Caída fragmentos de rocas Caída residuos alteración

Flujos 1. 2.

Reptación Coladas

Deslizamientos (por rellenos) 1. 2.

Traslacionales Rotacionales

Factores Condicionantes de la Estabilidad

Rocas competentes

Rocas blandas/suelos

Depósitos antrópicos

F. estructurales: discontinuidades, fallas, cabalgamientos. F. litológicos: litología, variaciones composición, alteración. F. hidrogeológicos: circulación fisural, kárstica F. estructurales: discontinuidades, fallas, cabalgamientos. F. litológicos: litología, variaciones composición, cambios laterales facies. F. hidrogeológicos: aguas escorrentía, freáticas. Terreno de apoyo: naturaleza, morfología terreno, plasticidad. Cuerpo del relleno: materiales, tamaño y morfología, alteración. F. hidrogeológicos: aguas escorrentía, freáticas.

Factores desencadenantes: Sobrecargas, factores climáticos, modificación geometría, cambio parámetros resistentes, cambios hidrogeológicos.

Excavaciones Voladura: Excavación de producción y de contorno (precorte-creacion de plano fractura previo a voladura producción- y recorte). Factores: Litología, alteración, fracturación. Roturas: Planar, en Cuña, Curva

Ejercicio Práctico Indicar a que tipo de inestabilidad del terreno corresponde la imagen:

Estudios estabilidad de talud Objetivo: diseño de taludes con la mayor pendiente posible Criterios económicos / constructivos / seguridad Taludes en suelos / taludes en rocas Fases: - diseño inicial - análisis posterior por problemas de inestabilidad (back analysis) - planteamiento medidas de estabilización Estudio geológico - Factores litológicos - Factores geomorfológicos - Factores estructurales - Factores hidrogeológicos - Factores climpáticos - Factores tensionales

Estudio geotécnico Reconocimiento terreno Estudios laboratorio

Soluciones Mecánicas Elección modelo talud Técnicas estabilización Medidas control y seguimiento

Factores condicionantes: litología, estructura, hidrología, tensiones naturales, etc. Factores desencadenantes: cargas estáticas, dinámicas, cambios condiciones originales, clima, etc.

Taludes en suelos -

Medio continuo Valores “únicos” de c y ɸ Forma de rotura “clara” (circular, plana..) No influye la orientación del talud Menor efecto escala (dimensión obra)

Taludes en rocas -

Medio discotinuo Múltiples formas de rotura Influencia decisiva orientación talud Marcado efecto escala

Metodos de calculo estabilidad taludes Métodos determinísticos: Considerando las condiciones del talud y las leyes de comportamiento  métodos de tenso-deformacionales. Métodos probabilísticos: En determinadas condiciones, considerando funciones de distribución y probabilidad.  Probabilidad de ocurrencia. Elección método: características del terreno, datos disponibles, objetivos estudio, etc. Limitaciones métodos: -

Modelo geológico, hidrogeológico de partica Representitividad datos Tiempo, disponibilidad económica, etc No consideración factores: clima, excavación, vegetación, etc.

Análisis Cinemática (proy. estereográfica)

Equilibrio limite

Tenso-deformacionales

-

Rotura planar Rotura en cuña Vuelco Talud infinito De las cuñas De la masa total. Abaco de Taylor Ábaces de Hoek y Bray Métodos dovelas (Bishop, Jambu, etc) Elementos finitos

Analisis cinemático: rotura planar, en cuña, en vuelco -

Taludes en roca Factores: Litologia, discontinuidades macizo (orientación, espaciado, distribución, etc) Proyección estereográfica, programas informáticos

Equilibrio limite -

Aplicable a suelos o macizos asimilables a un suelo Analizan el equilibrio de una masa potencialmente inestable Comparan en cada potencial superficie de rotura las fuerzas desestabiizadoras / resistente Consideran: o Superficies de rotura cinemáticamente posibles o Conocimiento previo del estado de esfuerzos o Resistencia movilizada a lo largo de todo el plano de rotura o Análisis de todas las superficies potenciales  mejor Fs

-

Resultado  “factor de seguridad” =

Fuerzas estabilizadoras Fuerzas desestabilizadoras

-

=

Equilibrio (estable): Fs = 1 Taludes permanentes: Fs = 1.5-2.0 (Fs>1) Taludes temporales: Fs = 1.2 – 1.3 (Fs...