TÚNELES EN CIUDADES

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TÚNELES EN CIUDADES

TÚNELES EN CIUDADES
NICOLA DELLA VALLE.
Director de la División de Túneles de PAYMACotas
Influencia de los parámetros de excavación de
las tuneladoras en la generación de asientos
en superficie.
Línea 9 del Metro de Barcelona
Tramo I
Tramo III
Tramo IV
Tramo II
La Línea se desarrolla de un lado al otro de la Ciudad cruzando barrios, avenidas, plazas,
ríos, ferrocarriles y autopistas; todo combinado con una geología muy variables y un
tamaño de túneles inusual para obras urbanas. En este contesto el control de los asientos
en superficie es fundamental para minimizar las afecciones al contexto urbano.
Las Tuneladoras
∅12 m TBM- EPB
∅12 m EPB
∅9,4 m EPB
Viaducte
Pantalles
En función de las características geológicas a lo largo de la traza se han diseñado túneles
de diferente dimensiones que han llevado a utilizar dos tipologías distintas de tuneladoras
con dos diámetros diferentes para un total de tres máquinas.
EPB shield characteristics
Manufacturer
Herrenknecht
Nominal diameter
12060 mm
Segment ring (diameter – thickness)
10900 – 400 mm
Shield length
10800 mm
Cutting wheel opening ratio
33 %
RPM
0 – 2,6
Cutting wheel rotation
hydraulic
Installed power
5000 kW
Nominal cutting wheel torque
38000 kNm
Maximum cutting wheel torque
45626 kNm
Trust cylinders
38 (19 x 2)
Nominal thrust
110000 kN
Maximum thrust
138000 kN
Nominal and maximum EPB pres.
0,45 – 0,6 MPa
Recovery radius
240 m
Dual Mode shield characteristics
Rock configuration
Manufacturer
NFM-Wirth
Nominal diameter
11950 mm
10900 – 350 mm
Shield length
12590 mm
22 %
RPM
0 – 3,7
electric
Installed power
7335 kW
28930 kNm
37000 kNm
Trust cylinders
30 (19 x 2)
Nominal thrust
90000 kN
Maximum thrust
110000 kN
Maximum and nominal EPB pressure
0,3 – 0,4 MPa
Minimum turning radius
250 m
Máquina dual en configuración para
roca dura.
Dual Mode shield characteristics
Soil configuration
Manufacturer
NFM-Wirth
Nominal diameter
11950 mm
10900 – 350 mm
Shield length
12590 mm
34%
RPM
0 – 3,4
electric
Installed power
7335 kW
30000 kNm
37000 kNm
Trust cylinders
30 (19 x 2)
Nominal thrust
90000 kN
Maximum thrust
110000 kN
Maximum and nominal EPB pressure
0,3 – 0,4 MPa
250 m
Máquina dual en configuración para
suelos
EPB shield characteristics
Manufacturer
Herrenkneckt
Nominal diameter
9.370 mm
Segment ring (diameter –
thickness)
8.430 – 320 mm
Shield length
9.310 mm
31%
RPM
0 – 3,2
hydraulic
Installed power
6.000 kW
22.617 kNm
26.286 kNm
Trust cylinders
26
Nominal thrust
84.700 kN
Maximum thrust
105.800 kN
Maximum and nominal EPB
pressure
3,0 - 4,0 bar
200 m
ASIENTOS
Se suelen relacionar los asientos producidos para el paso de un túnel, no necesariamente
construido con tuneladoras, con la perdida de volumen debida a la excavación. Se define
como perdida de volumen VL el porcentaje de volumen excavado en exceso con respecto a
lo efectivamente requerido para la excavación. En suelos la perdida de volumen se resuelve
inexorablemente en asientos superficiales. En el caso de excavación con tuneladoras se
suele considera que la perdida de volumen se genera de la forma siguiente:
a: loss due to unbalance between the face pressure and undisturbed earth and pore water
pressure
• b: loss due to over cut and shield conical shape
• c: loss due to under filling of tail shield void
• d: loss due to lining deflection
• e: long term loss due to consolidation of ground around excavation
Relación entre perdida de volumen y asientos
Metodo Peck y Schmidt (1969):
Se basa en la hipótesis fundamental de aproximar la curva de asientos transversal a un
túnel de una cierta profundidad a una distribución expresada por la función de Gauss.
x
Sv
i
X = abscisa media desde la
vertical de la clave del túnel
Sv = asiento en la abscisa
i = abscisa del punto de inflexión
de la curva de Gauss
Smax
Smax = asiento máximo en
superficie
Relación entre perdida de volumen y asientos
• Estimación parámetro i
En superficie
i=K·H
Donde K : parámetro función del tipo de terreno, H : profundidad del eje del túnel
En profundidad los asientos muestran cubetas mucho mas planas por esto que se
deduce que el valor de K aumenta con la profundidad y la i se calcula con la
siguiente formula:
i = K · (H – Z)
• Estimación perdidas volumen
Las perdidas de volumen se pueden expresar en función del asiento máximo sobre la
vertical del túnel y del parámetro i:
Normalmente se expresa en función de Vl
porcentaje respecto a la sección del túnel
excavado:
Parámetros de excavación con tuneladoras que controlan los asientos.
• Presiones de tierra al frente
• Densidad del material en la camera de excavación
• Inyección de mortero en cola
• Inyección de bentonita
El equilibrio de presiones al frente
entre la presión de agua y de tierra y el
material acondicionado en el interior de
la cámara es fundamental para evitar
las perdidas de suelos previas a la
llegada del escudo. Para que el
gradiente exterior e interior sean lo
mas equilibrados posible es necesario
mantener una densidad lo mas alta
posible en la cámara.
Parámetros de excavación con tuneladoras que controlan los asientos.
• Presiones de tierra al frente
• Densidad del material en la camera de excavación
• Inyección de bentonita
Gálibo
excavación
Cabeza de corte
Lechada de
bentonita
Mortero de cola
Otro tema importante consiste en compensar la conicidad de los escudos
mediante la inyección de un material inerte que ocupe el volumen de la conicidad
correspondiente y, si fuera necesario, la sobre excavación que se puede generar
en curvas de radio cerrado. Este mortero inerte o lechada tiene que ser inyectado
por volumen a presiones muy superiores a la de EPB. Por otro lado el mortero en
cola tiene que ser inyectado por presión, manteniendo en el espacio anular una
presión superior de 0,5 bar a la presión en clave.
Parámetros de control de excavación con tuneladoras.
El control constante de los parámetros antes mencionados es fundamental para
minimizar las perdidas de volumen, las modernas tuneladoras están equipadas
con todos los instrumentos de actuación para mantener los parámetros de
proyecto en los rangos óptimos de proyecto.
• Presiones de tierra en clave
Presión en clave Zona 3
2,5
2,4
2,3
2,2
2,1
2,0
1,9
1,8
1,7
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1,0
374
384
394
404
414
424
434
Las indicaciones de presiones de tierra
usualmente consideran un rango de
trabajo limitado, con los oportunos
coeficientes de seguridad, para evitar
tanto asientos como sublevamientos del
terreno. El la grafica a la derecha un
ejemplo de trabajo al limite de las
presiones indicadas con el fin de limitar la
perdida de volumen. El preciso
mantenimiento de la presión en clave se
obtiene con un buen acondicionamiento
del suelo y una muy buena coordinación
entre velocidad de avance y rotaciones
del tornillo sin fin.
•Densidad del material en la camera de excavación
Densidad en cámara Zona 3
2,50
2,25
Densidad Tn/m3
2,00
1,75
1,50
1,25
1,00
0,75
0,50
El gradiente de presión en la camera de
amasado tiene que ser lo mas similar posible
al existente en el suelo. Solo de esta manera
se puede conseguir un buen equilibrio de las
presiones internas y externas para limitar la
extrusión del frente. Este concepto es tanto
mas importante cuanto mayor el diámetro de
la tuneladora,
0,25
0,00
374 379 384 389 394 399 404 409 414 419 424 429 434 439
Excavación
La lectura de las densidades
es indirecta, o sea se basa
en las lecturas de presión en
las células puestas a varias
alturas en las cámara de
amasado.
6
5
1
2
4
3
La inyección de mortero en cola tiene que ser
regulada principalmente por presión, siendo
imprescindible una buena distribución alrededor
del escudo (utilizando todas las líneas de las que
se disponga) manteniendo una presión de
inyección de por lo menos 0,5 bar superior a la
presión de tierra medida en clave. El incompleto
relleno del trasdós del anillo de dovelas es
normalmente las razón principal de las perdidas
de volumen tal como se reconoce de las graficas
de asientos que a continuación se mostrarán. En
las máquinas de 12 metros de diámetro la falta
de un 10% de volumen teórico de inyección
puede resultar en una perdida de volumen a
nivel de la tuneladora del 0,6%. Un nivel en
muchos casos no asumible.
•Inyección de bentonita
B-B
B
A
B2
A-A
B1
A1
A1
A3
A2
A2
B
A
Todas las tuneladoras empleadas en Línea 9 disponen de un sistema de inyección de
compensación a lo largo del escudo. Este sistema ha sido estudiado para compensar la
conicidad del escudo. Por ejemplo en la maquina de 9,4 metros de diámetro hay una
diferencia entre el radio del escudo frontal y del escudo de cola de 15 mm, que de por si solo
podría teóricamente comportar una perdida de volumen a nivel de tuneladora de 0,4%.
•Peso material excavado
Tn
Material extraido (Tn)
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
374
384
394
404
414
424
434
La introducción sistemática de desescombro con cinta
ha introducido la exigencia de tener un control
indirecto pero inmediato de los volúmenes excavados.
Por esta razones se suele instalar en las cintas
transportadoras a lo largo del back up una o dos
basculas de pesaje continuo que tienen que ser
calibradas con frecuencia. Por cuanto inmediato, el
sistema es impreciso para lo que se refiere a la
estimación de las perdida de volumen por varias
razones, entre ellas:
- vibraciones de la cinta y variabilidad del material transportado
- pesada del material inyectado (espumas, bentonita, agua)
- diferencias de densidad importantes entre los materiales al frente
La suma de estas variables lleva a unas incertidumbres que superan de varias veces la
precisión necesaria para una fiable evaluación de la perdida de terreno.
Parámetros que no controlamos en fase de excavación
En las diapositivas anteriores hemos indicado los parámetros que, con las
tuneladoras actuales podemos controlar para limitar la perdida de volumen.
Por otro lado hay condiciones que no se pueden controlar en fase de excavación
que son:
Geología
La perdida de terreno a nivel del túnel y su propagación hacia la superficie, donde en
ultima instancia se puede medir, dependen principalmente de la geología, que en las
formulas anteriormente indicada se suele resumir en el coeficiente K. La misma
tuneladora en geologías diferentes controlada con parámetros similares puede dar lugar
a valores de perdida de volumen medidos en superficie diferentes.
Profundidad de la traza
La profundidad de la traza hace que, a paridad de perdida de volumen alrededor de la
tuneladora, lo efectivamente medido en superficie sea menor, con menores efectos de
asientos y distorsiones angulares.
Casos prácticos
El sistema utilizado para medir la perdida de volumen generada por la excavación del
túnel se basa en la medición de asientos in superficie y luego, a través de la formula de
Peck y Schmidt, se puede calcular la perdida de volumen equivalente.
Para la medición de asientos en superficie se
utilizan secciones de auscultación completas de
extensómetros, inclinómetros y arquetas de
nivelación superficiales. Estas secciones
colocadas lo mas posible perpendiculares a la
traza del túnel permiten de reconstruir la forma
de la cubeta de asientos, para luego
aproximarla con la curva de Gauss.
-80,00
-60,00
-40,00
-20,00
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
Casos prácticos
Diámetro 12 metros
• Tramo IV-C - Carrer Trajana
• Tramo IV-B – Carrer San Adriá
Diámetro 9,4 metros
• Tramo 2A - Carrer Pedrosa
Casos prácticos, Tramo IV-C
Excavación con tuneladora EPB de 11,95 metros de diámetro
Cobertura media en clave entre 15 y 20 m
Geología: limolitas y arenas terciarias
cuaternario antiguo
cuaternario reciente
GEOLOGIA TRAMO 4C (TRAJANA)
Qb1
Qr
Qrg
CUATERNARIO
RECIENTE
Qa
PQ
CUATERNARIO
ANTIGUO
Gr2
Pl1
Pl2
SUBSTRATO
Casos prácticos, Tramo IV-C, Sección 3
En la grafica al lado se puede apreciar el efecto
de distorsión introducido por la presencia de un
edificio que tiende a aplanar la cubeta de
asientos.
Casos prácticos, Tramo 2-A
Excavación con tuneladora EPB de 9,4 metros de diámetro
Cobertura media en clave de 15 y m
Geología: arenas y arenas limosas
GEOLOGIA TRAMO 2A
Ql1
Limos y arcillas
orgánicas
Ql2
Ql3s
Arenas de finas a
gruesas (Acuífero
superior Llobregat)
Arcillas, limos y arenas
muy finas negras
GEOLOGIA TRAMO 2A
Secciones auscultadas en el tramo
Cubetas medidas
Zona 1
Zona 2
Cubeta asientos (PK 11+330)
VL=0,75%
VL=1,35%
-60
-40
-20
-60
0
20
40
-40
-20
0
20
40
60
0
60
0
-10
-10
-20
Asiento (mm)
Asiento (mm)
-20
-30
-30
-50
Vl=0,75%
-40
Vl=1,30%
-40
-50
-60
Distancia eje (m)
-60
Distancia eje (m)
Zona 3
PK 11+121 Section
VL=0,3%
VL=0,35%
-60
-40
-20
0
20
40
-60
60
-40
-20
0
20
40
0
0
-10
Vertical displacement
Asiento (mm)
-10
-20
-30
-40
-50
Vl=0,35%
-20
-30
-40
Vl=0,30%
-50
-60
Horizontal distance to the tunnel axis [m]
-60
Distancia eje (m)
60
Casos prácticos, Tramo 4-B
Excavación con tuneladora EPB de 12 metros de diámetro
Cobertura media en clave de 17 a 23 m
Geología: arenas y arenas limosas
limos arenosos
GEOLOGIA TRAMO 4B
Qb1
Qb2
Ql3s
Qb4
GEOLOGIA TRAMO 4B
PK 02+512 Section
PK 02+928 Section
Horizontal distance to the tunnel axis [m] [m]
-60
-40
-20
0
20
40
-60
60
Vertical displacment [mm]
-20
-30
-40
-50
-60
-20
40
60
-10
-20
-30
-40
-50
-60
VL=0,95%
PK 02+248 Section
PK 02+355 Section
-40
-20
0
20
40
-60
60
0
-10
-20
-30
-40
-50
-40
-20
0
10
10
20
0
VL=0,8%
-60
0
10
0
-10
-40
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
VL=0,7%
-60
VL=0,8%
Cubetas en curva de aprendizaje
20
40
60
PK 02+638 Section
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Vertical displacment
5
-5
-15
-25
-35
-45
-55
-65
Efecto de distorsión de la cubeta de asientos debido a la presencia de pilotes en el lado
derecho únicamente.
ZONE 1 Settlement vs Face distance
5
150
140
130
120
110
90
80
100
-5
70
60
50
40
T4B02444
-10
T4B02454
-20
T4B02460
T4B02464
-25
T4B02470
-30
Tailskin
En la zona 2, la tuneladora provoco un
pequeño levantamiento en el orden de 2
a 4 mm.
-35
ZONE 2 Settlement vs Face distance
-40
5
-45
150
140
130
120
110
90
80
100
-5
meters
70
60
50
40
30
20
0
-10
-20
-30
-50
-40
-50
0
T4B02260
-10
Z (mm)
Z (mm)
T4B02450
-15
10
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
Asientos en función de la distancia dal
frente. En ambos casos se ha utilizado
una presión en cabeza de alrededor de
2,5.
T4B02265
-15
T4B02270
-20
T4B02275
T4B02280
-25
T4B02285
Tailskin
-30
-35
-40
-45
-50
meters

TÚNELES EN CIUDADES

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