3.6 Repair Phase
3.10.4 Benchmarks Outcome
Dentro de la problemática general de la estabilidad del frente de un túnel, un aspecto de gran interés es la presencia de un frente de excavación heterogéneo. La cada vez mayor variedad de escenarios geológicos en los que se construyen los túneles determinan que en muchas ocasiones la traza de estos atraviese, en una misma sección, materiales con diferentes propiedades geológico-geotécnicas.
Este es el caso, por ejemplo, de túneles excavados en un estrato resistente bajo rellenos naturales o antrópicos, en los que, debido a los condicionantes de trazado, aparece en la parte superior de la sección un material de peor calidad. Así ha ocurrido, por ejemplo, durante la ejecución de las diversas ampliaciones de la Red de Metro de Madrid. Un esquema de trabajo habitual durante estas obras consistió en la excavación del túnel en un estrato plioceno resistente bajo rellenos antrópicos. Esta situación originó diversos problemas de estabilidad, incidiendo en el desarrollo de las obras y en las afecciones en superficie (Arnáiz y Melis, 2003). La Figura 37 refleja los problemas de estabilidad que hubo según la estratigrafía.
Figura 37. Criterio de estabilidad propuesto a partir de las experiencias habidas durante la construcción de la Red de Metro de Madrid (Oteo et al., 2003).
También son conocidas las dificultades que surgieron durante la construcción de los metros de Múnich y Oporto. En el primer caso, parte de las obras se ejecutaron en un estrato competente bajo una capa de gravas, con el nivel freático situado en estas últimas. De este modo, espesores reducidos de
recubrimiento del terreno competente junto al efecto del agua propiciaron varios colapsos del frente (HSE, 1996).
a) b)
Figura 38. Colapsos producidos durante la construcción del Metro de Múnich: (a) colapso ocurrido antes de 1987 (HSE, 1996); (b) colapso ocurrido en 1994 (Chan, 2012).
En Oporto el macizo rocoso granítico presenta grados de alteración muy diversos, con variaciones bruscas entre los diferentes niveles (Babendererde et al., 2006). Esto hizo que el perfil de las obras fuese muy irregular, con frentes heterogéneos, dificultando la ejecución y propiciando varios incidentes (Sousa, 2010).
Figura 39. Ejemplo de la distribución en el frente de los diferentes niveles del alteración del granito durante la construcción del Metro de Oporto (Babendererde et al., 2006).
A pesar de la gran cantidad de autores que se han adentrado en el campo de la estabilidad del frente, la gran mayoría de ellos han acotado su estudio al caso de terrenos homogéneos. Entre los primeros autores en analizar la estabilidad de un frente heterogéneo se encuentra Broere (1998), el cual propuso una metodología para el cálculo de la presión de colapso en suelos estratificados a partir del modelo de Horn (1961). Para ello, dividió el mecanismo de rotura en rebanadas horizontales planteando el equilibrio de fuerzas entre cada dos rebanadas consecutivas. En su Tesis Doctoral (Broere, 2001) presentó un desarrollo discreto de su metodología mientras que en Broere (1998) se puede encontrar un planteamiento diferencial. En este artículo estudia, para un caso concreto, la variación de la presión de colapso de un frente formado por dos estratos en función de la posición del contacto. En la Figura 40 se muestran los resultados que obtiene cuando la capa más débil se sitúa sobre la más resistente. En ella se refleja una mayor influencia de la capa superior en la presión de colapso, puesto que ésta alcanza rápidamente un valor próximo al que tendría si todo el frente estuviese ocupado por el material débil. (En el Apartado 4.3 se realiza un estudio similar mediante el mecanismo de rotura propuesto en la presente Tesis Doctoral).
Figura 40. Variación de la presión de colapso en función de la posición del contacto entre un estrato superior blando y un estrato inferior rígido (Broere, 1998) (MQfrsPts= 5 %&, 'uUvwxTyx= 15º; PczrsPts = 0 %&, 'PczrsPts= 45º). (Para l = 0 el contacto se sitúa en la clave del túnel, por lo que
todo el frente se encuentra ocupado por el material más resistente; mientras que para l = 1 el contacto se sitúa en la contrabóveda, quedando todo el frente cubierto por el material blando).
Una actualización de este trabajo lo podemos encontrar en Hu et al. (2012), los cuales, discretizando igualmente el modelo de Horn (1961) en rebanadas horizontales, propusieron un mecanismo más parecido a varias experiencias recogidas de la bibliografía. Para ello, implementaron en el mecanismo la posibilidad de una inclinación variable, en dirección transversal además de en dirección longitudinal, de los planos que constituyen el contorno del mecanismo de rotura (Figura 41). Ambos trabajos, Broere (1998) y Hu et al. (2012), concluyen en la importancia que tiene determinar correctamente la geometría de rotura para obtener un valor razonable de la presión de colapso.
Figura 41. Mecanismo de rotura propuesto por Hu et al. (2012) para terrenos estratificados. Otros autores han empleado las simulaciones numéricas para analizar el efecto de la estratificación del terreno en la estabilidad del frente. Vermeer et al. (2002b) estudiaron, para un caso concreto (el túnel de Rennsteig en Thuringia), cómo afecta el espesor de terreno competente por encima de la clave del túnel al factor de seguridad. La Figura 42 muestra, como era de esperar, una reducción del factor de seguridad (η) al aumentar el espesor de la capa blanda superior. En la Figura 43 se presenta la distribución de desplazamientos en el modelo numérico obtenida por estos autores cuando el contacto entre el estrato resistente y la capa blanda se sitúa aproximadamente en la mitad del frente del túnel (tercer caso de la Figura 42). Como se puede observar, el colapso se localiza en el estrato
débil sin afectar al material resistente, pero sin movilizar completamente la totalidad del material débil presente en el frente del túnel.
Figura 42. Factor de seguridad (0) para diferentes perfiles geotécnicos del Túnel de Rennsteig (Vermeer et al., 2002b). (La sección dibujada corresponde con la sección de avance).
Figura 43. Distribución de desplazamientos en el modelo numérico para el tercer caso de la Figura 42 (Vermeer et al., 2002b).
El último trabajo relativo a la estabilidad del frente en terrenos estratificados corresponde al realizado por Tang et al. (2013), en el que extendieron el mecanismo de rotura MII de Leca y Dormiuex (1990) (Apartado 2.3.2, Figura 36). Como se comentó anteriormente, limitan su propuesta al caso en el que la estratificación del terreno ocurre por encima de la clave del túnel.
Tan sólo se ha encontrado una referencia en la literatura en la que se describan ensayos de laboratorio sobre la estabilidad del frente en condiciones heterogéneas. Se trata de los llevados a cabo
por Berthoz et al. (2012). Estos autores realizaron una serie de ensayos empleando un escudo de presión de tierras (EPBS) de escala reducida. Aunque para la mayoría de los ensayos emplearon un material homogéneo, en dos de ellos modelizaron un terreno estratificado, centrando la atención en cómo se producía la rotura del frente. En el primero de ellos, Figura 44, el terreno se encontraba dividido en dos estratos, el inferior friccional-cohesivo y el superior friccional-no cohesivo. En este caso se formó una chimenea que nacía de la clave del túnel y ascendía hasta superficie (dibujada con trazo grueso discontinuo en la Figura 44).
Figura 44. Ensayo de laboratorio en un suelo estratificado bi-capa (Berthoz et al., 2012). (Capa inferior friccional-cohesiva y capa superior friccional-no cohesiva).
En el segundo de los ensayos en condiciones heterogéneas la muestra de terreno estaba formado por tres capas: la inferior y la superior friccionales-cohesivas y la intermedia friccional-no cohesiva. El mecanismo de rotura inicial (marcado en trazo grueso discontinuo en la Figura 45) tenía una forma similar a los mecanismos que se producen comúnmente en suelos homogéneos pero movilizando únicamente el estrato intermedio. Posteriormente, se producía, en dos fases, la caída del terreno situado sobre la clave del túnel en forma de bloques cilíndricos (dibujados con trazo grueso continuo en la Figura 45).
Figura 45. Ensayo de laboratorio en un suelo estratificado tri-capa (Berthoz et al., 2012). (Capa inferior y superior friccionales-cohesivas y capa intermedia friccional-no cohesiva).
Uno de los principales riesgos que se debe analizar ante una situación de frente heterogéneo es la posibilidad de una rotura parcial del mismo. Así lo demuestran las experiencias habidas en Madrid (Arnáiz y Melis, 2003) y los resultados obtenidos por Vermeer et al. (2002b) (Figura 43) y por Berthoz et al. (2012) (Figura 45). Sin embargo, los mecanismos propuestos en la bibliografía para el cálculo de la presión de colapso asumen una rotura completa del frente. Algunos autores han utilizado estos mecanismos para analizar la rotura parcial del frente, considerando secciones homotéticas de dimensiones reducidas. Por ejemplo, Li et al. (2009) emplearon el mecanismo de Soubra (2002b) para analizar la rotura parcial en túneles de gran diámetro en condiciones homogéneas. Sus resultados muestran que, en el caso de un fallo activo, la rotura pésima es aquella que moviliza todo el frente de excavación. No obstante, esto no tiene por qué ser así en el caso de un frente heterogéneo. Como señala Broere (1998), puede resultar más desfavorable una rotura parcial que sólo afecte al terreno menos resistente.