Las vías de comunicación son series de viaductos y túneles ... · sobre el proyecto de la...

Manuel Romana Ruiz Emboquilles: Intersección de talud y túnel 1

Las vías de comunicación son series de viaductos y túneles (con boquillas)

CastellbisbalContreras


El túnel no afecta al talud

Boquilla del túnel ferroviario de Lezard Rouge en Túnez



Boquilla de un túnel minero romano en Las Médulas (León)



Moncayo


El túnel niega el talud,pantalla de pilotes

Boquillas del túnel de Abdalajís en el AVE Córdoba-Málaga


El túnel niega el talud,pantallas

Boquilla de un túnel urbano en Barcelona


El túnel niega el talud,muro de gunita con anclajes

Boquillas del túnel de Uetliberg de circunvalación de Zurich


Esquema de la conferencia

• Introducción• Tipología de las roturas en zonas de boquillas• Algunos tratamientos característicos en emboquilles• Uso de las clasificaciones Q y RMR en boquillas• Clasificación de Rogers y Haycocks (1989)• Nuevas recomendaciones para

predimensionamiento de emboquilles• Comentarios sobre las nuevas recomendaciones• Sismicidad


Introducción, la boquilla puede debilitar el talud

• La boquilla debilita el talud– Es una excavación en el pie, punto crítico– Se sitúa en la zona superficial, alterada y/o descomprimida– Pierde la ventaja de tridimensionalidad del frente del túnel

• La boca de un túnel es un cuello de botella– Durante la obra todo tiene que entrar y salir por ella– Durante la explotación es una zona de riesgo (el 3 de Enero de 2003

el tren “Estrella” Coruña-Barcelona descarriló por una caída de piedras en la boquilla del túnel 30 en El Bierzo, por suerte sin víctimas)

• El riesgo especial debido a la boquilla debe ser considerado durante el proyecto, construcción y explotación


Boquillas del túnel de Guadarrama


Informe de explotación de Rail Safetyand Standards Board (U. K.)


Rotura en una boquilla de galeríade acceso en la Central de Saucelle 2

1. Un pequeño jumbo se acerca a una boquilla para perforar un ensanche

2. Al comenzar a perforar se produce una caída de bloque que mata a un hombre

3. Bloque desprendido

1

2 3


Introducción, en España se hapublicado muy poco sobre emboquilles

• Ortuño, 1998. Un capítulo del libro primero de Ingeotúneles, con mucha información y referencias

• Celada, 2000. Tercera parte del “Curso de diseño de Túneles, con varios autores

• GIF (ADIF), 2004. “Instrucciones y recomendaciones para redacción de proyectos de plataforma. IGP-4. Instrucciones y recomendaciones sobre túneles. IGP-4.3. Recomendaciones sobre el proyecto de la excavación y sostenimientos de túneles”. 7 epígrafes dedicados a emboquilles (sobre 24)

• Tampoco aparecen referencias en la literatura técnica no española (por ejemplo en ITA o en los manuales USA-Army)


Tipología de las roturas en zonas de boquillas

• Según la forma de inestabilidad del talud• Según la geometría de aproximación al túnel

– Boquilla en una ladera plana– Boquilla en el fondo de una trinchera

• Según el ángulo de ataque del túnel a la ladera– Eje del túnel cuasi perpendicular a la ladera– Eje del túnel cuasi paralelo a la ladera

• Problemas en la zona superficial– Por descompresión de la ladera– Por existencia de juntas subparalelas a la ladera


Tipología de las roturas en zonas de boquillas (1)

• Según la forma de inestabilidad del talud– Deslizamientos con roturas planas, en cuñas o en masa– Vuelcos de estratos– Hundimiento de una parte del terreno sobre el túnel, en

la misma boca, con área vacía en la base del talud • Por escasez de sostenimiento (Pancorbo)• Por excavación extemporánea (Túnel del Pando, Gandia)

– Hundimiento de una parte del terreno sobre el túnel, algo hacia el interior, con chimenea

• Por escasez de sostenimiento• Por rotura del frente


Cálculo convencional de la estabilidad del talud


Túnel de Eijfjord (Noruega)


Túnel de Pancorbo


Central de Saucelle 2Excavación para la toma



• Según la geometría del acceso al túnel– Emboquille en una ladera frontal de traza plana y

desarrollo importante (caso de un túnel de autovía o ferrocarril con dos bocas)

– Emboquille en el fondo de una trinchera relativamente estrecha, con talud frontal de poco ancho y taludes laterales (caso de un túnel de carretera o ferrocarril con una sola boca y de un túnel hidráulico)


Bocas en una ladera casi plana

Eichenberg


Bocas en una ladera casi plana

C-14 Cataluña


Boca al fondo de una trinchera



Augustburg



Iniciando la perforación en un túnel en la presa de Maguga


Evolución del factor de seguridad según el ancho relativo de la trinchera

Senis et al 2005


Evolución del factor de seguridad según el ángulo de los taludes laterales

Senis et al 2005


F.S. (3D) / F.S. (2D)

Senis et al 2005



• Emboquille en una ladera frontal de traza plana y desarrollo importante– Eje del túnel casi perpendicular al talud

• Deslizamientos con rotura plana (Lorca)• Vuelcos de estratos frecuentes por la inclinación casi

vertical de la base del talud (Paracuellos, Torrecilla)– Eje del túnel casi paralelo al talud y ladera con

pendiente lateral• Grandes deslizamientos (Contreras, Turonell)• Agravamiento de los riesgos de colapso por asimetría de

cargas (Pando)– Problemas por juntas de descompresión de la ladera


Argyle St. (Sydney)


Aliviadero de la Presa del Molinar


Roturas sucesivas en la boquilladel Túnel de Contreras (N-III)

• Boca oeste del túnel de Contreras en la carretera nacional III

• Dos desprendimientos sucesivos con rotura plana por estratificación

• Tres boquillas construidas sucesivamente con falso túnel


Roturas en la boquilla del Cerro del Turonell en la A 2

•Deslizamiento en el Cerro de Turonell en la A 2

•Rotura paralela a la estratificación, cerca de la superficie


Túnel de carretera en Lérida


Túnel de la presa del Yeso (Chile)



• Emboquille en el fondo de una trinchera relativamente estrecha, con talud frontal de poco ancho y taludes laterales– Tamaño menor de las posibles roturas planas o en cuña– Riesgo menor de deslizamiento en masa por la

contención de los taludes laterales de la trinchera de acceso

– Contención de los vuelcos incipientes (Alhama)– No desaparecen los riesgos de colapso por excavación

extemporánea



• Problemas por juntas de descompresión de la ladera– Debidas a la disminución de tensiones normales

(especialmente importantes en valles en V con juntas subparalelas a las laderas)

– Debidas al gradiente térmico– Debidas a mareas terrestres con causas barométricas o

gravitatorias• Aparece una rotura plana en el interior del túnel ,

frecuentemente con filtraciones del agua freática intersticial


Central de Aldeadávila 1


Funicular del Monte Pilatus (Suiza)



• Colapsos en la misma boca del túnel– Por falta de sostenimiento en las aristas de la boquilla

(especialmente en la parte superior)– Por fallo del pilar entre dos bocas demasiado próximas

entre sí

• Colapsos en las cercanías de la boca del túnel– Inestabilidad del frente– Hundimiento por fallo del sostenimiento


Túneles sin ningún tratamiento de emboquille

Madeira Noruega


Rotura en el emboquille

Japón


Análisis E. F. 3D Modelo


Análisis E. F. 3D Deformaciones


Ensayos de Shinji en modelo reducido

• Ensayos en modelo reducido

• Túnel superficial en terreno arenoso con intercalaciones horizontales arcillosas

• Formación de un colapso en el frente


Ensayos de Shinji en modelo reducido


Colapso en el emboquille de un túnel alemán (tomado del informe HSE)


Bocas demasiado próximas


Túnel de Valik (1)


Túnel de Valik (2)


Túnel de Valik (3)


Tratamientos característicosen emboquilles. Evolución

• En la década de los 60– Generalmente la boquilla se construía por secciones muy

reducidas (métodos belga, método alemán...) • En la década de los 70

– Se utilizan anclajes. Se colocan sostenimientos rígidos• En la década de los 80

– Se dispone de paraguas (de tubos metálicos, de jet grouting)– Se colocan bulones y sostenimientos rígidos

• En la década de los 90– Hay un catálogo completo de soluciones


Algunos tratamientos característicosen emboquilles, Tarbela, 1972

Malla de anclajes tipo Perfo de φ 34mm y 24 m de longitud, inyectados y tensados a 20T


Algunos tratamientoscaracterísticosen emboquilles, Tarbela, 1972

Berma, útil para obra


Algunos tratamientos característicos en emboquilles, Tarbela, 1972

Sostenimiento en emboquilles con cerchas metálicas rígidas y arcos de hormigón

Hormigón

Cerchas rígidas


Algunos tratamientos característicosen emboquilles, San Elías, 1986

Falso túnel con cimentación y 3 paraguas con jet-grouting


Algunos tratamientos característicosen emboquilles, L’Arzilier, 1986

Paraguas de tubos metálicos entre 8 y 32 m


Algunos tratamientos característicosen emboquilles, Dölzschen, 2003

Talud con anclajes y bulones

Base con muro anclado y pilotado, que sirve como estribo del viaducto contiguo


Uso de la clasificación Q de Barton en emboquilles

• Aparece una nota en la tabla de Jn que dice: “para boquillas úsese 2 Jn” (en vez de Jn)

• Parece que eso equivale a dividir Q por 2• Pero las boquillas están en la superficie y el valor

de SRF aumenta por lo menos de 1 a 2,5• Por lo tanto Qboquilla=Qtúnel / 5 Qb=Qt / 5• Si RMR=9 lnQ + 44 RMRb = RMRt -15


Uso de la clasificación RMR de Bieniawskien emboquilles

-60

Por lo tanto las diferencias de clase serían mucho mayores si se analiza el problema como un talud, pero el emboquille es la intersección del talud y el túnel

Factores de ajuste en la clasificación de BieniawskiSi RMR=9 lnQ + 44 RMRb = RMRt -15


Modelo de carga sobre boquillas de Rogers y Haycock (1988) (1)

• Propuesto para la minería de carbón en Virginia (USA)

• Las bocaminas son rectangulares

• La rotura produce la caída de un volumen aproximadamente tetraédrico, cuyo peso puede estimarse fácilmente

• Ese es el peso de terreno que debe resistir el sostenimiento en la bocamina


Volumen que carga sobre boquillas según Rogers y Haycock (1988)


Recomendaciones de Rogers y Haycockpara determinar el factor de ajuste F de

Bieniawski por discontinuidades

BUZAMIENTOb(º)

RUMBO PARALELO A TALUD RUMBO NORMAL A TALUDb HACIA EXT b HACIA INT

0-15 -5 (-9) 0 (0) 0 (-1)15-30 -25 (-24) -5 ( -6) 0 (-4)20-60 -50 (-50) -5 (-25) -5 (-8)60-90 -60 (-60) -25 (-25) -25 (-9)

Debe elegirse la discontinuidad más significativa

Entre paréntesis se ha añadido el factor de ajuste F3propuesto en cada caso por la clasificación SMR


Recomendaciones de emboquille de Rogers y Haycock (1988)

Ancho 30ft.= 9,4m Unidades: metro, centímetro y ancho de túnel(*)


Nuevas recomendaciones de emboquille en función del RMR

• Propuestas por Romana (2000), incluyen:• Partición de la sección de emboquille• Paraguas• Tratamiento del talud

frontal– Bulones– Hormigón proyectado– Red y/o malla

• Viseras

Gandía


Nuevas recomendaciones de emboquilleen función del RMR (2)


Nuevas recomendaciones de emboquilleen función del RMR (3). Excavación


Nuevas recomendaciones de emboquilleen función del RMR (3). Tratamiento del

talud frontal


Partición de la sección de emboquille

• Sección completa – Recomendada (70-100)– Opcional (60-70)

• Calota y destroza– Recomendada (20-70)– Posible (70-80)

• Galería– De avance

• Recomendada (20-40)• Opcional (40-60)

– Múltiples (10-30)

• Contrabóveda (10-30) Arenós


Emboquille con sección partida


Emboquille con sección partiday machón central


Paraguas de emboquille

• Opcional (80-100)– Ninguno o– Ligero

• Ligero– Bulones (60-80)

• Medio– Micropilotes (30-70)

• Pesado– Micropilotes (10-30)


Definición de paraguas

Túnel de Candean


Paraguas de emboquille y bulones


Emboquilles sin sostenimiento

Cale del túnel de desvío en la presa de Monción

Melkoya


Tratamiento del talud frontal

• Bulones– Longitud de 3 a 6 m.– Densidad Nada/ocasional (80-100)

Mínima 3x3m. (70-80)Máxima 1x1 m. (30-40)Extra 0.8x0.8 m. (20-30)

• Hormigón proyectado– Ninguno (70-100)– Ocasional (40-70)– Sistemático (10-40)

Paracuellos (AVE)


Emboquille con bulones

• Túnel de St. Antoni en la carretera Escaldes- La Massana (Andorra)

• Calizas compactas y metagrauwackas

• Emboquille sólo con bulones


Emboquille con bulones

• Central hidroeléctrica de Dinorwick

• Emboquille a sección completa

• Sostenimiento de la boquilla con cerchas rígidas


Emboquille con gunita (1)


Emboquille con gunita (2)

Zona superior de la boquilla del túnel de Abdalajís


Emboquille con gunita (3) y mallazo

• Normalmente la gunita debe armarse con mallazo si el bloque tipo, que puede desprenderse, es de tamaño decimétrico y/o métrico

• En ese caso de completarse con bulones cortos de sujeción


Emboquille con gunita y anclajes


Emboquille con pantalla de pilotes


Visera en el Ave Córdoba-Málaga


¿PARA QUÉ SIRVE UNA CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA?

• En la fase de estudio previo– Para comparar soluciones– Para estimar la facilidad / dificultad de la obra

• En la fase de anteproyecto– Para sugerir los métodos de construcción– Para permitir la valoración provisional

• En la fase de proyecto No para proyectar– Para dar criterios de aplicación de los diversos

sostenimientos calculados analíticamente• En la fase de construcción

– Para comprobar las condiciones geomecánicas previstas– Para elegir entre los sostenimientos de proyecto


Efectos de un sismo en un túnel japonés


Criterio de Dowding y Rozen (1978)Criterios de Backbom y Mounier (1995)

• Los daños por sismo en los túneles se producen:– En el cruce de fallas– En zonas tectonizadas– En boquillas

• En los túneles de montaña se producen daños en el interior con sismos cercanos: – Magnitud 7 a menos de 10

Km– Magnitud 8 a menos de 30

Km• Las boquillas son puntos de

riesgo


Criterio de Hansmire para dañosen el interior de túneles

> 0,31 > 40 Daños en boquillas

Emboquille: Intersección de Talud y Túnel

Manuel Romana RuizUniversidad Politécnica de Valencia

[email protected]

VI Simposio Nacional sobre Taludes y Laderas Inestables

Valencia 21-24 de junio de 2005

Gracias por su atención

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