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ANÁLISIS RETROSPECTIVO Y GEOMECÁNICO DE LAS DEFORMACIONES POR CONVERGENCIAS EN LOS PRIMEROS CIEN METROS DEL TÚNEL DEL TOYO

CAMILO ANDRÉS SABOGAL ARISTIZÁBAL

Trabajo de grado para optar al título de ingeniero geólogo

Dirección:

Pablo Vélez Velásquez

Ingeniero Civil

Magister en Ingeniería. Geotecnia.

UNIVERSIDAD EIA

INGENIERIA GEOLÓGICA ENVIGADO

2019

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Dedicado a mis padres y a toda mi familia, por su apoyo invaluable durante todos estos años.

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AGRADECIMIENTOS

Quisiera expresar mi sincero agradecimiento a mi asesor académico Pablo Vélez por su continua orientación, apoyo e inspiración durante el desarrollo de esta tesis.

Me gustaría agradecer especialmente la geóloga Isabel Restrepo por darme grandes aspiraciones, a David Cerón y David Garcés con quien funde el grupo de investigación “Geoscience programming”, y a los tres por ofrecerme la oportunidad de trabajar en proyectos interesantes en el campo de la geología y por haber estado presentes para proporcionar información y motivación.

Agradezco también a la Sociedad Colombiana de Geología Capitulo Antioquia por el apoyo y los buenos ánimos.

Finalmente, deseo agradecer sinceramente al ingeniero Juan Diego Acosta, a la ingeniera Norely Monteagudo y a todo el equipo de instrumentación del Consorcio Antioquia al Mar por la gran ayuda en la obtención y procesamiento de los datos e invaluable apoyo continuo.

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CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 14

1. PRELIMINARES ....................................................................................................... 15

1.1 Planteamiento del problema .............................................................................. 15

1.2 Objetivos del proyecto ....................................................................................... 16

1.2.1 Objetivo General ......................................................................................... 16

1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................. 16

2. MARCO DE REFERENCIA ...................................................................................... 17

2.1 Descripcion del proyecto ................................................................................... 17

2.1.1 Generalidades ............................................................................................ 17

2.1.2 Localización ................................................................................................ 17

2.1.3 Geología de la zona de estudio .................................................................. 18

2.2 Túneles.............................................................................................................. 25

2.2.1 Clasificación Túneles .................................................................................. 25

2.2.2 Elementos que componen un túnel............................................................. 26

2.3 Criterios de rotura .............................................................................................. 27

2.3.1 Mohr-Coulomb ............................................................................................ 27

2.3.2 Hoek & Brown ............................................................................................ 28

2.4 Clasificación de los macizos rocosos ................................................................. 29

2.4.1 Rock Mass Rating (RMR) ........................................................................... 30

2.4.2 Q – Barton .................................................................................................. 31

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2.5 instrumentación geotécnica para el monitoreo de túneles ................................. 33

2.5.1 Instrumentación para la medición de deformaciones .................................. 33

2.6 metodos de analisis retrospectivos .................................................................... 35

2.7 Sistemas CONSTRUCTIVOS DE estructuras sobterraneas .............................. 38

2.7.1 Métodos tradicionales ................................................................................. 38

2.7.2 Métodos nuevos ......................................................................................... 42

2.7.3 Sostenimiento y revestimiento de túneles ................................................... 45

3. METODOLOGÍA ....................................................................................................... 49

3.1 Recopilacion de datos ....................................................................................... 51

3.2 Clasificacion geomecanica de los frentes de excavación ................................... 52

3.3 Monitoreo de la instrumentación implementada en el túnel................................ 54

3.4 Curvas generales de deformación en cada ventana geotecnica ........................ 56

3.5 Modelacion numerica ......................................................................................... 56

3.5.1 Generación del modelo numérico inicial ..................................................... 56

3.5.2 Sostenimiento utilizado ............................................................................... 60

3.6 Analisis retrospectivo y geomecanico ................................................................ 62

4. PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ............................................... 64

4.1 Levantamiento geotécnico ................................................................................. 64

4.2 Curvas medias de deformación ......................................................................... 65

4.2.1 Curva media de deformacion ventana geotecnica 1 entre estaciones E6 ... 67

4.2.2 Curva media de deformacion ventana geotecnica 2 entre estaciones E7 – E12 69

4.2.3 Curva media de deformacion ventana geotecnica 3 entre estaciones E13 – E20 70

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4.3 Analisis retrospectivo de las deformaciones ...................................................... 70

4.3.1 Modelo calibrado de las deformaciones en la ventana geotecnica 1 entre estaciones E1 – E6 ................................................................................................... 71

4.3.2 Modelo calibrado de las deformaciones en la ventana geotecnica 2 entre estaciones E7 – E12 ................................................................................................. 74

4.3.3 Modelo calibrado de las deformaciones en la ventana geotecnica 3 entre estaciones E13 – E20 ............................................................................................... 76

4.4 Parametros geomecanicos del macizo rocoso ................................................... 79

5. CONCLUSIONES Y CONSIDERACIONES FINALES .............................................. 81

REFERENCIAS ............................................................................................................... 83

ANEXOS ......................................................................................................................... 86

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LISTA DE TABLAS Tabla 1. Clasificación de zonas de amenaza sísmica según valores de aceleración de ondas

(Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, 2010) ............................................... 21 Tabla 2. Clasificación geomecánica de Bieniawski ............................................................ 30 Tabla 3: Clasificación según el Q-Barton de los macizos rocosos (Palacios García, 2015).

...................................................................................................................................... 33

Tabla 4. Ubicación de estaciones de instrumentación en el Túnel del Toyo ...................... 52 Tabla 5. Espaciamiento entre estaciones de monitoreo de convergencias .......................... 55

Tabla 6. Resumen de parámetros iniciales del modelo, a partir de los diseños .................. 57 Tabla 7. Parámetros geométricos de la sección mostrada en la Figura 23 ......................... 58 Tabla 8. Propiedades de la roca intacta obtenidas a partir de ensayos de laboratorio (1) ... 59 Tabla 9. Propiedades de la roca intacta obtenidas a partir de ensayos de laboratorio (2) ... 60

Tabla 10. Parámetros geomecánicos de la roca intacta para cada zona homogénea del Túnel

17 (Túnel Toyo) bajo el modelo Hoek – Brown .......................................................... 60

Tabla 11. Sostenimiento utilizado en el proceso constructivo del Túnel del Toyo en la

zona de estudio ............................................................................................................. 61 Tabla 12. Sectorización del túnel a partir de clasificación RMR ........................................ 64

Tabla 13. Segmentación de las estaciones por RMR y sostenimiento utilizado ................. 65 Tabla 14. Segmentación de las estaciones en ventanas geotécnicas ................................... 65

Tabla 15. Modelaciones realizadas previa calibración del modelo ..................................... 71

Tabla 16. Parámetros geomecánicos del Túnel Del Toyo definidos a partir del análisis

retrospectivo ................................................................................................................. 80

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Localización del proyecto Túnel del Toyo .......................................................... 18 Figura 2. Perfil general del Túnel del Toyo (CAM, 2017) ................................................. 18

Figura 3. Modelo tectónico al noroccidente colombiano (CAM, 2017) ............................. 20 Figura 4. Mapa Nacional de amenaza sísmica en la zona de estudio, período de retorno 475

años (Instituto Colombiano de Geología y Minería & Universidad Nacional de

Colombia Sede Bogotá, 2010) ..................................................................................... 21 Figura 5. Elementos principales que componen un túnel ................................................... 26 Figura 6. Envolvente de ruptura de Mohr – Coulomb (Chinchilla, 2012) .......................... 28 Figura 7. Envolvente de falla del criterio de Hoek y Brown (Chinchilla, 2012) ................ 29

Figura 8. a) Representación típica de sección de túnel con convergencias, b) cinta

extensométrica.............................................................................................................. 34

Figura 9. Datos de entrada en los diferentes tipos de análisis (Vardakos, 2007) ................ 36 Figura 10. Comparación entre Back Analysis y Forward Analysis (Vardakos, 2007) ....... 37 Figura 11. Sección de excavación Método Belga (Soto Saavedra, 2004) .......................... 39

Figura 12. Planchas de palastro usadas en el Método Suizo (Palacios García, 2015). ....... 40 Figura 13. Recubrimiento por Método Suizo o Bernold (Extremiana Vázquez, 2011). ..... 41

Figura 14. Sección de excavación Método Austriaco (Soto Saavedra, 2004). ................... 41

Figura 15. Sección de excavación Método Austriaco (voxelstudios, 2010) ....................... 44

Figura 16. Pernos de roca como sostenimiento (Extremiana Vázquez, 2011) ................... 45 Figura 17. Concreto lanzado con RoboJet (Extremiana Vázquez, 2011) ........................... 46

Figura 18. Enfilajes instalados en frente de excavación Túnel del Toyo ........................... 46 Figura 19. Estructura tridimensional de Enfilajes frontales (Secretaría General De

Comunicacion y Transporte, 2019) .............................................................................. 47

Figura 20. Dovelas prefabricadas(Extremiana Vázquez, 2011) ......................................... 48 Figura 21. Metodología utilizada ........................................................................................ 50 Figura 22. Plantilla de control geológico geotécnico de avances de excavación Túnel del

Toyo ............................................................................................................................. 53 Figura 23. Sistema lógico de referencia frente típico y algunas componentes del túnel .... 54

Figura 24. Geometría de sección para terreno tipo IV, V y V* .......................................... 58 Figura 25. Corte del terreno en la abscisa de avance K36+782 .......................................... 59

Figura 26. Sostenimiento utilizado en el Túnel del Toyo ................................................... 61 Figura 27. Metodología de análisis retrospectivo aplicada ................................................. 62 Figura 28. Ubicación grafica de las ventanas geotécnicas .................................................. 66 Figura 29. Deformación promedio de la ventana geotécnica 1 entre las estaciones E1 y E6

...................................................................................................................................... 67

Figura 30. Deformación promedio de la ventana geotécnica 2 entre las estaciones E7 y E12

...................................................................................................................................... 69

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Figura 31. Deformación promedio de la ventana geotécnica 3 entre las estaciones E1 y E6

...................................................................................................................................... 70 Figura 32. Modelación numérica de la ventana geotécnica entre las estaciones E1 y E6 .. 71 Figura 33. Errores calculados entre la deformación real y la calculada con el modelo

calibrado entre estaciones E1 y E6............................................................................... 72 Figura 34. Acercamiento a los contornos generados por deformaciones en la ventana

geotécnica 1 .................................................................................................................. 73 Figura 35. Modelación numérica de la ventana geotécnica entre las estaciones E7 y E12 74

Figura 36. Errores calculados entre la deformación real y la calculada con el modelo

calibrado entre estaciones E7 y E12............................................................................. 75 Figura 37. Acercamiento a los contornos generados por deformaciones en la ventana

geotécnica 2 .................................................................................................................. 76

Figura 38. Modelación numérica de la ventana geotécnica entre las estaciones E13 y E20

...................................................................................................................................... 76 Figura 39. Errores calculados entre la deformación real y la calculada con el modelo

calibrado entre estaciones E13 y E20........................................................................... 77 Figura 40. Acercamiento a los contornos generados por deformaciones en la ventana

geotécnica 3 .................................................................................................................. 78 Figura 41. Curva de calibración de las deformaciones obtenidas en los diseños vs las

deformaciones reales .................................................................................................... 79

Figura 42. Curva de calibración de las deformaciones obtenidas en la modelación vs las

deformaciones reales .................................................................................................... 79

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LISTA DE ANEXOS

ANEXO A. Levantamientos geológicos geotécnicos de avances de excavación en el Túnel

del Toyo. ...................................................................................................................... 86 ANEXO B. Códigos construidos en Python desde el grupo “Geoscience Programming” . 86

ANEXO C. Perfil geológico del Túnel del Toyo ................................................................ 86 ANEXO D. Datos obtenidos por el equipo de instrumentación del Túnel Del Toyo. ........ 88

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RESUMEN Este proyecto propone la parametrización del comportamiento geomecánico de los primeros cien metros del Túnel del Toyo utilizando como metodología el análisis retrospectivo basado en la interpretación de mediciones en campo de las deformaciones durante la construcción del túnel obtenidas a partir de la instrumentación con dianas. El método retrospectivo obedece a un enfoque inverso basado en la formulación de un modelo de elementos finitos y asumiendo parámetros de modelado para la obtención de deformaciones hasta lograr la calibración del modelo con las deformaciones reales y así obtener los parámetros geomecánicos del macizo rocoso.

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ABSTRACT

This project proposes the parameterization of the geomechanical behavior of the first hundred meters of the Toyo Tunnel using as methodology back analysis based on the interpretation of field measurements of the tunnel deformations obtained from the back analysis method follows an inverse approach based on the formulation of a finite element model and assuming modelling parameters for obtaining deformations until the calibration of the model with the real deformations is achieved and thus obtaining the geomechanical parameters of the rocky massif.

Keywords: deformations, Phase2, Back Analysis , geomechanical parameters, tunnel, Toyo Tunnel.

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INTRODUCCIÓN

El Túnel del Toyo y sus vías de acceso hacen parte de los proyectos de cuarta generación, que particularmente en el departamento de Antioquia permitirán conectar de una manera más eficiente los principales centros de producción del centro del departamento con los puertos ubicados en la región del Urabá.

Debido a la gran importancia de este túnel y a la gran proyección de túneles que se tiene en el país con los proyectos de cuarta generación es de vital importancia conocer el comportamiento de estos macizos rocosos que se propone cruzar, este caso particular es una gran oportunidad para realizar la caracterización del comportamiento del material que rodea el túnel para tener un mayor entendimiento de su conducta geomecánica con la finalidad de tener un importante aporte científico en lo que respecta a la construcción de túneles en Colombia y principalmente en Antioquia que actualmente es un reto para el gobierno colombiano.

La metodología implementada presenta grandes ventajas como la flexibilidad y la adaptabilidad a las condiciones reales encontradas durante el proceso constructivo; adicionalmente es un gran apoyo para la generación u optimización de futuros diseños en la zona de estudio, siendo también una herramienta de apoyo para el proceso constructivo junto con el método observacional que es tan ampliamente utilizado.

En la presente investigación se realizó la caracterización geomecánica del macizo rocoso donde se construye actualmente el Túnel del Toyo, específicamente sus 100 primeros metros iniciando desde el portal salida. Esto mediante un análisis retrospectivo basado en un modelo numérico; El cual se calibro con base en los datos obtenidos a partir del monitoreo de las deformaciones obtenidas durante la construcción del túnel.

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1. PRELIMINARES

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Actualmente el Túnel del Toyo se encuentra entre los municipios de Giraldo y

Cañasgordas Antioquia, es una de las obras de infraestructura pública más grande que se

está desarrollando en el país junto con Hidroituango y una vez terminado, será el túnel

más largo y grande de Colombia (EL TIEMPO, 2018). Este túnel presenta una

particularidad y es que se trata de una sección de gran tamaño en una roca con una

competencia mecánica baja. “Durante la excavación se han tomado algunas decisiones

como la de utilizar métodos de soporte más allá del diseño debido a la incertidumbre que

genera el terreno”(Acosta Parra, 2018), por lo tanto es una necesidad que la comunidad

ingenieril desarrolle estudios en estos casos para empezar a construir el conocimiento del

comportamiento geomecánico de túneles de gran sección que atraviesan las formaciones

geológicas de nuestro país que como se ha hablado en los grandes congresos, es uno de

los países con mayor complejidad geológica del mundo (Muñoz Burbano & Vargas

Jiménez, 2015).

Lo que se busca por medio de este trabajo es realizar un análisis retrospectivo de las

deformaciones que se presentaron en los primeros cien metros del Túnel del Toyo, para

así tener un mayor entendimiento del comportamiento geomecánico de este importante

túnel. Esto con la finalidad de tener un importante aporte científico en lo que respecta a la

construcción de túneles en Colombia, que actualmente es un reto para el gobierno

colombiano, teniendo en cuenta que las vías que conectan con el túnel del toyo están

entre las más importantes y de mayor proyección para el gobierno.

Se debe tener en cuenta que existe una alta probabilidad que en un futuro se expandan

las vías que conectan Medellín y el Urabá; esto incrementaría las posibilidades de que

ejecute un segundo túnel paralelo al que se desarrolla actualmente, debido al plan

nacional de desarrollo. Este plan contempla varios puertos ubicados en Turbo y la

importancia que se le está dando al Urabá antioqueño como punto de desarrollo y

comercio proyectándolo como un nuevo centro internacional de comercio. Por lo tanto, es

de vital importancia tener pleno conocimiento del comportamiento geomecánico de este

macizo rocoso.

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1.2 OBJETIVOS DEL PROYECTO

1.2.1 Objetivo General

Establecer el comportamiento geomecánico en los primeros cien metros excavados del Túnel del Toyo, a partir de un análisis retrospectivo de las deformaciones por convergencias.

1.2.2 Objetivos Específicos

Categorizar las secciones excavadas en ventanas geotécnicas independientes construyendo una base de datos con las caracterizaciones geológicas de los frentes de excavación para utilizarlas como entrada del futuro modelo.

Establecer las curvas de deformación axiales de cada una de las ventanas geotécnicas mediante el procesamiento de los datos de deformación del frente de excavación portal salida Túnel del Toyo.

Generar un modelo numérico que represente el comportamiento geomecánico de cada una de las ventanas geotécnicas; el cual será calibrado con base en los datos obtenidos en el monitoreo de la instrumentación existente en el proyecto.

Implementar la metodología de análisis retrospectivo a partir de la generación de un modelo predictivo del comportamiento del macizo rocoso utilizando el software RS2 de la suite Rocscience.

Analizar los resultados de los modelos numéricos que representan el comportamiento de cada una de las ventanas geotécnicas con el fin de definir los parámetros geotécnicos respectivos.

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2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

2.1.1 Generalidades

El Túnel del Toyo es una mega obra de infraestructura vial ubicada en el departamento de Antioquia, Colombia. El proyecto está articulado con las Autopistas 4G, específicamente a las Vías Mar 1 y Mar 2 localizadas al nororiente de Antioquia. Este busca conectar las ciudades y centros de producción del interior del país con el mar de Urabá y los puertos que se están construyendo en esta región.

2.1.2 Localización

El proyecto Túnel del Toyo y sus Vías de Acceso se localizan en el Departamento de Antioquia, entre los municipios de Santafé de Antioquia y Cañasgordas, El Túnel Toyo, se localiza entre los municipios de Giraldo y Cañasgordas, en el departamento de Antioquia, al noroccidente del municipio de Medellín.

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Figura 1. Localización del proyecto Túnel del Toyo

Un perfil panorámico se presenta en la Figura 2. En ésta se evidencia la máxima cobertura, 896 metros de techo los cuales se alcanzan a 5385 metros del Portal Entrada.

Figura 2. Perfil general del Túnel del Toyo (CAM, 2017)

Es importante aclarar que el desarrollo de este trabajo de grado se enmarca únicamente en la localización del portal salida Túnel del Toyo ubicado específicamente en el municipio de Cañasgordas y avanzando 100 metros en dirección al municipio de Giraldo.

2.1.3 Geología de la zona de estudio

El área de estudio para el Túnel del Toyo se localiza en el flanco oriental de la cordillera Occidental de Colombia, en el norte del departamento de Antioquia entre los municipios de Giraldo y Cañasgordas. Las condiciones fisiográficas presentan paisajes de montaña con valles estrechos y profundos, con pendientes topográficas altas y condiciones geológicas variadas relacionadas a rocas ígneas y sedimentarias que han sido emplazadas en ambientes volcano-sedimentarios de origen marino, con gran influencia tectónica de límite de placas.

o Geología regional

El contexto tectónico – estructural de la zona noroccidental colombiana se ha desarrollado a través de la interacción de las placas tectónicas de Nazca, Caribe y Suramérica además de la interacción con el bloque de Panamá.

La colisión entre estas ha generado esfuerzos compresivos que han marcado el comportamiento de la corteza terrestre, la interacción entre las placas ha generado sistemas de fallas importantes que se encuentran suturando formaciones rocosas en las cordilleras colombianas, además de fracturamientos menores y plegamientos. Debido al cabalgamiento de la placa oceánica en el continente.

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La Cordillera Occidental se encuentra constituida por rocas de ambiente marino del cretácico, unidas a la Cordillera Central a través de la sutura representada por el sistema de Fallas de Romeral. Las rocas de afinidad oceánica presentan diferentes edades principalmente de varios periodos del cretácico, estas rocas han sido asociadas a dos formaciones principales, la Formación Barroso conformada por vulcanitas como basaltos, diabasas y las rocas de la Formación Penderisco conformada por sedimentitas como areniscas, conglomerados y lutitas. La génesis de estas rocas se da a partir de fases de deposición de derrames lávicos, sobre los cuales se fueron depositando sedimentos en el talud continental. La geología regional del área de estudio comprende unidades geológicas de origen ígneo de tipo volcánico, plutónico y unidades de origen sedimentario. Las unidades principales fueron asociadas a las denominadas Formación Barroso y Formación Penderisco (González, 2001). Asimismo, en la zona se han observado cuerpos de rocas plutónicas graníticas e intermedias pertenecientes al Batolito de Sabanalarga y al Stock de Buriticá respectivamente. El desarrollo de los suelos residuales se encuentra relacionado con el tipo de roca y las condiciones medioambientales que les afecten. En general, las rocas de origen ígneo presentan suelos residuales gruesos con perfiles de meteorización desarrollados, con mayor expresión relacionada a rocas plutónicas de composición intermedia. Las rocas de origen sedimentario presentan suelos residuales más delgados y menos desarrollados. Todas las formaciones rocosas se encuentran afectadas por tectonismo regional asociado al Sistema de Fallas de Cañasgordas-Tonusco y a los sistemas de fallas maestras o satélites. Es común encontrar en el dominio volcánico intercalaciones menores de rocas sedimentarias igualmente, es usual encontrar en el dominio sedimentario intercalaciones de rocas volcánicas. Las rocas ígneas de composición intermedia a ácida se han observado intruyendo principalmente las unidades de origen volcánico.

o Geología estructural y marco sísmico regional

Como se mencionó, el contexto regional, la zona noroccidental colombiana se ha desarrollado a través de la interacción de las placas tectónicas de Nazca, Caribe y Suramérica además de la interacción con el bloque de Panamá. La colisión entre estas placas ha generado esfuerzos compresivos que han marcado el comportamiento de la corteza terrestre, como se muestra en la Figura 3. Por ello, se han generado sistemas de fallas importantes que se encuentran suturando formaciones rocosas en las cordilleras colombianas, además de fracturamientos menores y plegamientos. La Cordillera Occidental se encuentra constituida por rocas de ambiente oceánico del cretácico, unidas a la Cordillera Central a través de la sutura representada por el sistema de Fallas de Romeral.

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Figura 3. Modelo tectónico al noroccidente colombiano (CAM, 2017)

Las fallas más importantes del occidente del departamento Antioqueño son de oriente a occidente: Fallas de Sabanalarga, Fallas del Cauca, Falla Anzá, Falla Peque, Fallas de Urrao, Falla Cañasgordas-Tonusco, Falla Abriaquí, Falla de Tucurá, Falla San Pedro, Falla Murrí – Mutatá, Falla Murindó y Falla Atrato.

La zona de estudio se encuentra enmarcada dentro del sistema de la falla Cañasgordas – Tonusco localizándose desde la zona de Giraldo a lo largo del río Tonusco y el río Sucio hasta la zona de Dabeiba (Ingeominas, 2001).

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A partir del Mapa de zonificación sísmica del Servicio Geológico Colombiano y de la Norma de Sismo Resistencia Colombiana de 2010, se tiene que: El sitio de estudio ubicado en los municipios de Giraldo y Cañasgordas se encuentra localizado en una zona de Amenaza Sísmica Alta con valores de Aa y Av entre 0,20 y 0,25, como se muestra en la Tabla 1 y Figura 4.

Municipio Aa Av Zona Sísmica Ae Ad

Cañasgordas 0,2 0,25 Alta 0,12 0,07

Giraldo 0,2 0,25 Alta 0,12 0,07

Tabla 1. Clasificación de zonas de amenaza sísmica según valores de aceleración de ondas (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, 2010)

Figura 4. Mapa Nacional de amenaza sísmica en la zona de estudio, período de retorno 475 años (Instituto Colombiano de Geología y Minería & Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá, 2010)

Falla Cañasgordas

Como se mencionó anteriormente, esta falla presenta un rumbo de N50°W y una longitud de aproximadamente 50 km, buzamiento casi vertical y una dirección de movimiento de rumbo, sinestral. La litología asociada a la Falla de Cañasgordas se caracteriza por presentar foliación como consecuencia de efectos dinámicos (Ingeominas, 2001). Su dirección es casi paralela con el alineamiento del proyecto cuya dirección corresponde a N46°W. En la zona del río Tonusco la estructura presenta un rumbo en dirección NS por lo que se ha considerado que realmente existen dos fallas que se interceptan cerca del municipio de Giraldo, siendo la NS denominada como Falla Tonusco, el otro trazo de falla

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se localiza entre la población de Cañasgordas hasta el municipio de Giraldo. La Falla Cañasgordas en el sector de Dabeiba se une a la Falla Uramita (CAM, 2017).

Falla Tonusco

Esta falla, con una longitud de 68 km aproximadamente, controla el curso del río Tonusco, que drena hacia el sureste paralelo al río Cauca. Aparentemente se abre en dos ramales: uno de ellos corre hacia Buriticá y el otro se encuentra compuesto por fracturas continuas de las cuales la más importante es la de Las Habas, y las otras presentan una dirección S-SW hasta encontrarse con la falla Gusabra o Mistrató. La Falla Tonusco afecta al Batolito de Sabanalarga y las rocas de la Formación Barroso y presenta movimiento sinestral (Observándose en las fallas Las Habas y Gusabra).

o Geología local

Formación Barroso (Ksvb) (K1vb, K1lb)

Unidad comprendida principalmente por rocas volcánicas localizadas en el flanco oriental de la Cordillera Occidental, al oeste del sistema de Fallas de Romeral y asimismo del río Cauca. Estas vulcanitas se encuentran intercaladas con lentes de rocas de origen sedimentario de fondo marino, químicas y finogranulares, tales como liditas, cherts y limolitas. Las rocas volcánicas corresponden a basaltos, diabasas, basaltos porfiríticos, aglomerados y en ocasiones microgabros. Los basaltos y las diabasas se presentan de color gris oscuro, negro y verde, compuestos por feldespato plagioclasa, clinopiroxeno y magnetita con una textura afanítica. Los basaltos porfídicos se encuentran con textura porfirítica, con minerales en amígdalas como plagioclasa y anfíboles en una matriz verdosa volcánica y finalmente los aglomerados presentan cantos angulosos a subredondeados de lidita y basalto en una matriz vítrea. Es posible encontrar en los basaltos procesos de alteración de los minerales máficos que los componen, como uralitización, epidotización y cloritización. En general, es posible hallar en la base a las rocas macizas y en el tope las rocas piroclásticas asociadas a sedimentitas negras. Los cherts y liditas se presentan de color gris a negro presentando un espesor de pocos metros hasta llegar a los 100 m, separados por algunos niveles de arcillas de 1 a 2 cm con intenso fracturamiento y plegamiento debido a su menor competencia mecánica; sus ejes presentan buzamientos entre 30° a 90° con dirección al norte (Álvarez & Gonzáles, 1978).

Grupo Cañasgordas – Formación Penderisco (Ksu)

Unidad de rocas sedimentarias que afloran en la parte axial y en el flanco occidental de la Cordillera Occidental en el departamento de Antioquia, extendiéndose hasta los

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departamentos de Risaralda, Chocó y Valle del Cauca. Se encuentra formada por dos miembros: Urrao, compuesto por rocas sedimentarias de origen turbidítico, como areniscas, conglomerados y arcillolitas y, Nutibara, compuesto por rocas de origen químico como liditas, chert y calizas negras.

El Miembro Urrao corresponde a una secuencia de más de 3000 m de espesor de sedimentitas plegadas y falladas que se encuentran reposando sobre las rocas volcánicas de la Formación Barroso al oriente y que están suprayacidas por el Miembro Nutibara en al oeste.

Al este predominan limolitas, arcillolitas intercaladas con grawacas y conglomerados; al oeste predominan grawacas con intercalaciones de arcillolitas negras. Hacia la parte superior de la secuencia aparecen bancos de chert negro.

Las grawacas son rocas de estratificación gruesa a fina, de color gris, de grano fino a medio, localmente conglomeráticas. Presentan fragmentos subangulosos a subredondeados, bien seleccionados, de basalto, sedimentitas silíceas y minerales como plagioclasa, cuarzo y micas, embebidos en una matriz sílico - arcillosa. Las rocas se encuentran en bancos de 5 cm a 2 m de espesor.

Las limolitas se encuentran en bancos desde 5 cm a 1 m de espesor, intercaladas con las grawacas. Las limolitas se presentan en estratos gruesos a finamente estratificadas de color gris oscuro a negro, con alto contenido de materia orgánica. Las arcillolitas igualmente intercaladas se encuentran con laminación fina, de color gris verdoso a pardo oscuro debido a la acumulación de hidróxidos de hierro en los planos de estratificación y con formación de sericita por efectos de diagénesis.

Los conglomerados presentan clastos de basaltos, piroclastitas y chert subangulosos, presentan bajo sorteamiento, mala gradación; la matriz es en general arenosa de grano medio a fino. En general son rocas duras en bancos gruesos con variaciones rápidas areniscas y limolitas. Entre bancos de conglomerados se intercalan capas de limolitas y lodolitas silíceas(Álvarez & Gonzáles, 1978).

Batolito de Sabanalarga (Ksts) (K1bs) y Stock de Buriticá (Kstb)

El Batolito de Sabanalarga es un cuerpo alargado con dirección Norte-Sur ubicado entre las cordilleras Central y Occidental que corresponde a una roca con varias facies debido a sus cambios composicionales dividiéndose en: - Facie Diorita Hornbléndica: Roca gris, hipidiomórfica equigranular de grano medio, compuesta principalmente por hornblenda y plagioclasa y por accesorios como cuarzo en un porcentaje del 0 al 5%, clorita, esfena, apatito, circón y biotita entre el 0 y el 4%. - Facie Hornblendita - Gabro hornbléndico: predomina hacia el borde oriental y norte del Batolito. Corresponde a una roca de color negro moteado de blanco, hipidiomórfica granular a pegmatítica, compuesta por hornblenda y plagioclasa en proporción variable

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como minerales principales y por esfena y apatito en hornblenda y magnetita (en una proporción de hasta el 5%) como minerales accesorios. El Stock de Buriticá es un cuerpo de 6 km2 que aflora en las vías Pinguro-Manglar y Manglar- Buriticá correspondiente a una Tonalita, hipidiomórfica grueso granular, compuesta por cuarzo entre el 20 y el 25% como fase principal, biotita y hornblenda. En los bordes del cuerpo principal, este Stock presenta textura porfídica con fenocristales de plagioclasa de hasta 2 cm de longitud, embebidos en una matriz hipidiomórfica finogranular (Hall & Álvarez, 1972).

Andesita de Buriticá (Pgab)

Cuerpo de 2 km de diámetro y una extensión de 3 km2 que aflora entre Pinguro y Buriticá y que se encuentra asociado a numerosos diques de composición andesítica y textura porfirítica. Las rocas ígneas de composición intermedia se encuentran en contacto intrusivo con las rocas volcánicas y sedimentarias de la Formación Barroso y con el Batolito de Sabanalarga. La Andesita de Burirticá corresponde a macizo rocoso de color gris a gris verdoso, finogranular, microporfídico con fenocristales de plagioclasa y hornblenda, con una matriz microcristalina compuesta por microlitos de plagioclasa intermedia, piroxeno, hornblenda e ilmenita. En ella se presentan zonas de alteración hidrotermal con cristales de pirita, clorita, epidota, calcita y cuarzo. Su origen es magmático de carácter intrusivo con enfriamiento en condiciones subvolcánicas, que permitió la formación de un cuerpo de textura porfírítica y matriz cristalina finogranular(Álvarez & Gonzáles, 1978).

Depósitos aluviales (Qal) (Q2al)

Materiales no consolidados en niveles elevados de poco espesor, que se encuentran en los cañones de algunas quebradas, corresponden a una mezcla de material de arrastre y de desprendimiento compuesto por clastos de diferentes litologías, mal seleccionados y sin estratificación. En general presentan matriz limoarcillosa a arenolimosa (Ingeominas, 2001).

Depósitos fluviotorrenciales (Qft)

Se trata de materiales no consolidados de origen terreo, que fueron transportados en condiciones de flujos acuosos torrenciales, de espesores variables, acumulados en las partes bajas de los valles.

Se componen de bloques, cantos y gravas subangulosos a subredondeados, matriz soportados. La matriz es limoarenosa a limoarcillosa de baja cohesión. La fracción gruesa presenta materiales volcánicos y sedimentarios entremezclados. En general se observan con geoformas de abanicos aluviotorrenciales erosionados lateralmente(González, 2001).

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2.2 TÚNELES

2.2.1 Clasificación Túneles Arias Aldana & Diaz Granados señalan que los túneles se pueden clasificar basado en su ubicación respecto a la geografía del lugar de la siguiente manera:

o Túneles de Montaña: Se denominan túneles de montaña, aquellas obras que se construyen para atravesar un obstáculo montañoso del relieve, donde se presentan grandes profundidades. Estos túneles generalmente se construyen para acortar distancias en vías de conducción y vías de comunicación.

o Túneles poco profundos: (Gattinoni, Pizzarotti, & Scesi, 2014) Definen a los túneles superficiales como: “Las obras subterráneas pueden ser referidos como "poco profunda" cuando el área perturbada alrededor del túnel afecta la superficie de terreno. Esta situación puede conducir a la inestabilidad, involucrando materiales de la superficie, con graves efectos sobre el equilibrio general del medio ambiente. Como referencia, estas situaciones pueden tener lugar cuando el espesor de la sobrecarga es menos de cuatro veces el diámetro de excavación.”

o Túneles de Ladera:

Son túneles que poseen baja cobertura, debido a la topografía de la zona, estos túneles son superficiales, y se encuentran sometidos a condiciones particulares, las cuales requieren un análisis específico y puede afectar su comportamiento, tan solo al considerar su estratificación (Arias Aldana & Diaz Granados, 2016).

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2.2.2 Elementos que componen un túnel

Figura 5. Elementos principales que componen un túnel

Bóveda: Es un elemento prefabricado curvo en la parte superior del túnel llamada también clave, unido por compresión para formar el revestimiento de una excavación subterránea.

Hastiales: Son las paredes del túnel, estos soportan las cargas generadas de la bóveda.

Contra bóveda o solera: Es la parte inferior del túnel o piso, su ejecución se realiza simultáneamente con las aceras.

Portales: Son las zonas correspondientes a la entrada y salida del túnel

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2.3 CRITERIOS DE ROTURA

Para realizar la evaluación de los parámetros geomecánicos del macizo con la finalidad de determinar si este alcanza a soportar las cargas que se imponen debido a los esfuerzos, se utilizara uno de los criterios de rotura para macizos en roca. Actualmente los criterios de rotura más utilizados son el de Mohr-Coulomb lineal y el de Hoek-Brown no lineal. Los criterios no lineales son los que más se acercan a la realidad cuando se estudian los macizos rocosos por lo tanto el Hoek-Brown es el más recomendando (Chinchilla, 2012).

2.3.1 Mohr-Coulomb

El criterio de falla de Mohr-Coulomb expone la resistencia al corte de la roca a lo largo de un plano en un estado de tensión triaxial, se obtiene la relación de esfuerzos normal y tangencial en el momento de rotura. En la Figura 6 Se puede observar gráficamente la envolvente de falla de Mohr-Coulomb. Esta relación se expresa mediante la Ecuación 1.

𝝉 = 𝒄 + 𝝈𝒏 𝒕𝒂𝒏∅ Ecuación 1. Relación de la envolvente de falla Mohr-Coulomb

Donde:

𝝉 : Tensión tangencial al plano de falla. 𝝈𝒏 : Tensión normal al plano de falla. 𝒄 : Intercepto con el eje 𝝉, cohesión. ∅ : Angulo de fricción interno.

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Figura 6. Envolvente de ruptura de Mohr – Coulomb (Chinchilla, 2012)

Los valores de resistencia del material c y ∅ pueden ser determinados por ensayos de laboratorio o campo, adicionalmente se encuentran diferentes correlaciones que permiten obtener sus valores fácilmente, y generar correlaciones con métodos de clasificación geomecánica como el RMR (Chinchilla, 2012).

2.3.2 Hoek & Brown

El criterio de Hoek y Brown es un criterio no lineal el cual fue propuesto inicialmente en 1980, desarrollado mediante relaciones empíricas en macizos rocosos en condiciones de falla, inicialmente desarrollado para macizos rocosos y fracturados sin alteraciones con una matriz resistente. El método fue modificado en 1994 para incluir materiales rocosos fracturados de mala calidad, con materiales de composición blanda y con alteración. Esta última relación se expresa matemáticamente mediante la Ecuación 2.

𝝈𝟏 = 𝝈𝟑 + 𝝈𝒄𝒊(𝒎𝝈𝟑𝝈𝒄𝒊

+ 𝒔)𝒂

Ecuación 2. Relación de presiones máximas efectivas por criterio Hoek & Brown

Donde: 𝝈𝟏 : Esfuerzo efectivo principal mayor a la falla.

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𝝈𝟑 : Esfuerzo efectivo principal menor. 𝝈𝒄𝒊: Resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta.

m, s y a: Constantes que dependen de las características del macizo rocoso.

Figura 7. Envolvente de falla del criterio de Hoek y Brown (Chinchilla, 2012)

2.4 CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS

El objeto de las clasificaciones geomecánicas es brindar la caracterización detallada de un macizo rocoso en función de los parámetros variables de este a los cuales se les

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asigna un valor numérico. A través de esta clasificación se puede llegar a obtener un índice numérico que describe la calidad del macizo rocoso.

La clasificación de los macizos rocosos es una herramienta supremamente útil en los procesos de diseño y construcción de obras subterráneas, sin embargo, esta debe ser usada con moderación, pues requiere de ciertos conocimientos y experiencia. Las clasificaciones geomecánicas pueden ser usadas en la etapa de diseño del proyecto y también durante la ejecución de este. Durante la etapa de diseño permite considerar el sostenimiento necesario basado en las propuestas de los autores de cada sistema de clasificación, mientras que, durante la ejecución de la obra, permite valorar la calidad del terreno que se está excavando y así poder definir el sostenimiento a aplicar en cada uno de los casos, para la clasificación de los macizos rocosos se muestran los siguientes autores.

2.4.1 Rock Mass Rating (RMR)

El sistema de clasificación Rock Mass Rating o sistema RMR fue desarrollado por Z.T. Bieniawski durante los años 1972 y 1973, y ha sido modificado en 1976 y 1979, en base a más de 300 casos reales de túneles, cavernas, taludes y cimentaciones. Actualmente se usa la edición de 1989, que coincide con la de 1979.

Para determinar este índice RMR que representa la calidad de la roca se hace uso de los siguientes parámetros:

La resistencia a compresión simple del material

El RQD (Rock Quality Designation).

El espaciamiento de las discontinuidades.

El estado de las discontinuidades.

La presencia de agua.

La orientación de las discontinuidades

El RMR se obtiene como suma de puntuaciones que corresponden a los valores de cada uno de los seis parámetros enumerados.

El valor del RMR oscila entre 0 y 100, y es mayor cuanto mejor es la calidad de la roca. Bieniawski distingue cinco tipos o clases de macizo según el valor del RMR:

Clasificación

Tipo Puntuación RMR Calidad

V 80 Muy buena

Tabla 2. Clasificación geomecánica de Bieniawski

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Los criterios para obtener el RMR son los siguientes:

Resistencia de la roca: Valoración máxima de 15 puntos, y puede utilizarse como criterio el resultado del Ensayo de resistencia a compresión simple o bien el ensayo de carga puntual (Point Load).

Indicie RQD (Rock Quality Designation): Valoración máxima de 20 puntos. Se denomina RQD el valor que de cierto tramo de un sondeo a la relación porcentual entre la suma de las longitudes de los trozos de testigo mayores de 10 cm y la longitud total del sondeo.

Separación entre discontinuidades: Valoración máxima de 20 puntos. El parámetro que se considera es la separación en metros entre las diaclasas de la roca.

Estado de las discontinuidades: Es el parámetro que más influye en el resultado del RMR, con una valoración máxima de 30 puntos. Usualmente se aplican los criterios generales basados la rugosidad, relleno y apertura o se pueden usar los criterios en los que el estado de las diaclasas se descompone en otros cinco parámetros: persistencia, apertura, rugosidad, relleno y alteración de la junta.

Presencia de agua: Valoración máxima de 15 puntos. Teniendo tres criterios posibles de valoración, el estado general, el caudal cada 10 metros de túnel (usualmente el más usado) y la relación entre la presión del agua con la tensión principal en la roca.

Orientación de las discontinuidades: Este parámetro genera una valoración negativa, y en túneles varía entre 0 y -12 puntos. Este valor está en función del buzamiento de la familia de diaclasas y de su rumbo, en relación con el eje del túnel, se establece una clasificación de la discontinuidad en cinco tipos: desde muy favorable hasta muy desfavorable.

2.4.2 Q – Barton

La Q de Barton se desarrolló en 1974 por Barton, Lien y Lunde, en el instituto Geotécnico Noruego. Este sistema fue desarrollado a partir del análisis de una gran cantidad de excavaciones subterráneas, fue propuesto con la finalidad de caracterizar macizos rocosos y determinar las necesidades en el sostenimiento de túneles.

Este sistema asigna a cada terreno un índice de calidad (Q), este índice será mayor en cuanto mejor es la calidad del macizo rocoso. Su numeración varia en escala logarítmica, siendo Q=0,0001 para terrenos muy malos y Q=1000 para terrenos muy buenos como se puede ver en la Tabla 3.

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𝑸 = 𝑹𝑸𝑫𝑹𝑸𝑫 ∗ 𝑱𝒓 ∗ 𝑱𝒘

𝑱𝒏 ∗ 𝑱𝒂 ∗ 𝑺𝑹𝑭

Ecuación 3. Valor Q para clasificación de macizos rocosos

Donde:

RQD: Índice de calidad del macizo rocoso

Jn: Número de familias de juntas en el macizo rocoso

Jr: Rugosidad de las juntas

Ja: Grado de alteración de las paredes de las juntas del macizo rocoso

Jw: Presencia de agua en el macizo rocoso

SRF: “Stress Reduction Factor”, es el estado tensional del macizo rocoso que se excava.

Para entender mejor el funcionamiento de la ecuación Barton se aclararán los siguientes comentarios:

(𝑹𝑸𝑫

𝑱𝒏): Representa la estructura del macizo rocoso mediante una medida básica del

tamaño de los bloques o las partículas, con dos valores extremos (100/0,05 y 10/20), siendo 400 el factor diferencial entre ellos.

(𝑱𝒓

𝑱𝒂): Representa la rugosidad y las características de las paredes de las juntas o en su

defecto, los materiales que rellenan estas.

(𝑱𝒘

𝑺𝑹𝑭): Es la relación de dos parámetros de fuerza. El SRF es una medida de;

Pérdida de la carga en caso de una excavación a través de la zona de cizalla y una roca madre de arcilla o material blando.

Gran esfuerzo en la roca competente.

Presión de carga en rocas plásticas incompetentes.

El Jw es una medida que representa la presión de agua, el cual tiene un efecto desfavorable sobre la resistencia al corte en las juntas (Castresana Gonzáles, 2016).

Tipo de macizo Valor de Q

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Excepcionalmente malo 10-3 - 10

-2

Extremadamente malo 10-2 - 10

-1

Muy malo 10-1

- 1

Malo 1 – 4

Medio 4 – 10

Bueno 10 – 40

Muy bueno 40 – 100

Extremadamente bueno 100 – 400

Excepcionalmente bueno 400 - 1000

Tabla 3: Clasificación según el Q-Barton de los macizos rocosos (Palacios García, 2015).

2.5 INSTRUMENTACIÓN GEOTÉCNICA PARA EL MONITOREO DE TÚNELES

Los diseños geotécnicos son de alguna manera inciertos, durante el proceso de excavación de los túneles existe también un grado de incertidumbre sobre el comportamiento real del macizo rocoso, por lo que es importante llevar a cabo una metodología estricta de excavación, un soporte adecuado y al mismo tiempo realizar un monitoreo permanente de este comportamiento mediante estaciones de instrumentación geotécnica y con base en las lecturas de los instrumentos instalados, analizar los registros obtenidos durante y después de la ejecución de la excavación y soporte del túnel.

La instrumentación se utiliza para cuantificar con precisión ciertos parámetros del comportamiento estructural y para controlar sus variaciones en el tiempo. Es posible observar la estabilización del movimiento, o en el caso de aceleración, para deducir la posibilidad de fallo. La comparación de los valores medidos con los valores de diseño permite una supervisión continua de la estabilidad del túnel y la posibilidad de aplicar medidas de corrección en el momento apropiado, los métodos más utilizados son; mediciones análogas (manuales con extensómetro) y topográficas (con estación total).

2.5.1 Instrumentación para la medición de deformaciones

El proceso análogo de medición de deformaciones en el contorno de la excavación de un túnel es un proceso técnico sencillo, el cual desarrollado de forma correcta brinda datos de deformación bastante acertados.

El proceso consta de llevar las mediciones de los movimientos relativos entre dos puntos fijos colocados en la superficie del contorno de la excavación, llamadas convergencias o divergencias según los puntos se aproximen o alejen entre sí (usualmente los contornos tienden a cerrarse por lo tanto en el léxico colombiano se ha llamado convergencias

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durante muchos años). Su cuantificación permite graficar en función del tiempo los decrementos o incrementos de la distancia inicial medida (conocida como medición cero o medida patrón) con las mediciones posteriores.

Este método de medición cuantifica cómo se comporta la sección original del espacio subterráneo al estar influenciada por factores geológicos, esfuerzos inherentes de la montaña, ritmo y ciclo de excavación, sistema de refuerzo primario instalado, temporalidad de su colocación, y por la presencia de agua subterránea. Este último, es especialmente importante en el caso donde los materiales que conforman el entorno del túnel presentan susceptibilidad de cambio de sus propiedades físicas y mecánicas al entrar en contacto con el agua.

Mediante el monitoreo continuo de una o más secciones la construcción de la excavación se ejecuta de una manera más segura y eficiente, pues estas mediciones nos permiten comprender y evaluar oportunamente la tendencia estática o dinámica del túnel vs el sistema de refuerzo primario instalado.

Figura 8. a) Representación típica de sección de túnel con convergencias, b) cinta

extensométrica

Estas medidas de convergencia usualmente se obtienen por dos métodos sencillos, el método análogo, que consiste en medir las distancias entre dos puntos de control. Según

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la importancia del túnel los puntos de control de una sección transversal pueden ser tres o más como se muestra en Figura 8. Habitualmente los puntos de control son ubicados en la clave, en los riñones (2) y en los hastiales (2). Posteriormente, se mide la variación de longitud entre puntos opuestos y se nivela el punto en la clave para tener constancia del movimiento absoluto de éste. En la mayoría de los túneles se toman únicamente las medidas de convergencias análogas (manuales) con un extensómetro de cinta que se extiende a lo largo de los puntos con argolla de cada sección; mientras que en otros túneles donde aumenta la rigurosidad de medición del dato, suelen tomarse medidas análogas, acompañadas de medidas topográficas. Las medidas topográficas se toman con una estación total sobre dianas demarcadas sobre cada uno de los puntos y según la frecuencia se toma el valor de desplazamiento de cada punto en cada sección a medir.

2.6 METODOS DE ANALISIS RETROSPECTIVOS

El término análisis retrospectivo implica un procedimiento donde diferentes parámetros e hipótesis de un problema, que pueden ser expresadas numéricamente, se varían con el fin de que los resultados del análisis coincidan con un rendimiento o valor esperado tanto como sea posible. Este procedimiento está muy bien atado al método observacional en la ingeniería.

Generalmente, el análisis retrospectivo puede implicar dos enfoques distintos. En el enfoque inverso, todas las ecuaciones que gobiernan el modelo numérico hipotético se invierten, por lo tanto, los rendimientos o valores conocidos se convierte en un parámetro de entrada y los parámetros originales se convierten en la solución del inverso. Este método sólo se puede aplicar en muy pocos problemas de ingeniería, bajo un muy buen control en la ejecución del experimento y cuando un modelo es lo suficientemente simple para ser invertible.

El segundo enfoque es más general y adaptable a una serie de problemas que implican, múltiples incógnitas y ecuaciones de gobierno no lineal. Esto es conocido como método de minimización, en un proceso numérico dedicado tiene como objetivo reducir al mínimo el error entre el rendimiento previsto y el medido (por ejemplo, deformaciones o tensiones). En la mayoría de los problemas geotécnicos que implican excavaciones subterráneas, los análisis retrospectivos son grandes herramientas en las manos de los diseñadores e ingenieros.

El análisis retrospectivo, se basa en los datos de entrada, ya que estos son valores medidos y reales durante el evento, como desplazamientos, deformaciones, tensiones y presiones, mientras que los resultados de salida son los parámetros mecánicos de la roca, como el módulo de Young, el coeficiente de Poisson, los parámetros de fuerza (cohesión y ángulo de fricción interna), permeabilidad, e incluso el estado inicial de tensión. En este análisis el procedimiento es completamente inverso a los análisis ordinarios que se hacen usualmente, por lo que se denomina análisis retrospectivo, mientras que el análisis ordinario se denomina análisis hacia adelante (Vardakos, 2007).

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En el diseño de estructuras en roca, los análisis hacia adelante se llevan a cabo para calcular tensiones, deformaciones y desplazamientos de masas rocosas. Este tipo de análisis requiere datos de entrada que serían las fuerzas externas (esfuerzos iniciales), los parámetros mecánicos de masas de roca, como el módulo de Young, el coeficiente de Poisson, los parámetros de resistencia (Cohesión y ángulo de fricción interna), permeabilidad, entre otros. Por otra parte, en el análisis retrospectivo, los datos de entrada son los resultados de mediciones, como desplazamientos, deformaciones, tensiones, entre otros, mientras que los resultados de salida son los parámetros mecánicos de la roca, esfuerzos iniciales, permeabilidad, entre otros. Es obvio que los resultados de salida de los análisis retrospectivos corresponden a los datos de entrada de los análisis hacia adelante, mientras que los datos de entrada para los análisis retrospectivos son los datos de medición. Por lo tanto, los análisis hacia adelante parecen ser un cálculo inverso de los análisis retrospectivos, como se muestra en la (Vardakos, Mechanics/Geomechanics, & 2012, s. f.).

Los análisis hacia adelante cualquier programa de computadora sofisticado puede utilizarlos, sin importar cuántos datos de entrada se necesiten, siempre que todos los datos se puedan determinar mediante pruebas de laboratorio e in situ, mientras que en los análisis retrospectivos solo hay un limitado número de datos de medición disponible.

Cabe destacar que uno de los propósitos importantes de las mediciones de campo es monitorear la situación actual de las estructuras de roca, o si un comportamiento mecánico inesperado pueda empezar a ocurrir. Para lograr esto, los resultados de las mediciones de campo deben interpretarse correctamente durante la construcción, sin retraso. Para cumplir con este requisito, los análisis posteriores deben ser capaces no solo de evaluar el diseño original, sino también de predecir los fallos catastróficos de las estructuras durante su construcción(Ochmanski & Bzowka, 2012).

Figura 9. Datos de entrada en los diferentes tipos de análisis (Vardakos, 2007)

En los análisis hacia adelante, en primer lugar, se asume que el modelo mecánico de las masas rocosas puede ser tales elástico, elastoplástico, plástico rígido, viscoelástico, entre otros., y los parámetros mecánicos del modelo están determinados por pruebas de laboratorio e in situ (Vardakos, 2007). Una vez que se determinan los parámetros

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mecánicos, podemos calcular desplazamientos, deformaciones y las tensiones de las rocas como resultado de los análisis hacia adelante. Este procedimiento de cálculo proporciona una relación de uno a uno entre los datos de entrada y los resultados de salida, porque el modelado (suposición) se realiza antes de la determinación de los datos de entrada, como se muestra en la Figura 10. Esto implica que es extremadamente importante para los análisis hacia adelante asumir el modelo mecánico más adecuado para las masas rocosas.

Por otro lado, en los análisis retrospectivos primero obtenemos los datos de medición en campo (desplazamientos, deformaciones, tensiones, etc.) durante las construcciones. Estos datos se utilizan como datos de entrada para el análisis retrospectivo, como se ve en la Figura 10. Con la finalidad de determinar los parámetros mecánicos, debemos asumir un modelo mecánico. Los parámetros mecánicos determinados por medio del análisis retrospectivo dependen enteramente sobre qué modelo mecánico asumimos en el análisis retrospectivo. Por ejemplo, si asumimos un modelo elástico, entonces podremos determinar el módulo de Young, pero si se asume el modelo plástico rígido, entonces el módulo de Young no puede ser determinado. En su lugar se pueden obtener parámetros como la cohesión y el ángulo de fricción interna.(Ochmański, Magisterska, & 2012, 2012)

Figura 10. Comparación entre Back Analysis y Forward Analysis (Vardakos, 2007)

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Ahora podemos concluir que el análisis retrospectivo no es simplemente un cálculo inverso del análisis hacia adelante. Su concepto es diferente del análisis hacia adelante en tal forma que el análisis retrospectivo debe identificar el modelo mecánico, así como determinar los parámetros mecánicos a partir de los resultados de medición de campo(Ochmański et al., 2012).

El modelo mecánico de las rocas se asume en el diseño de la estructura, pero escasamente este se ajusta a la realidad dado que es generado con el método del análisis hacia adelante, este tipo de análisis usualmente representa las condiciones de la roca basada en las muestras de laboratorio, pero no representa el comportamiento real de todo el macizo lo que en casos puede resultar como un exceso de confianza o una situación de exceso en el diseño lo que puede implicar elevados costos en una construcción innecesaria o sobre costos por una posible repotenciación de la estructura. (Ochmański et al., 2012)

2.7 SISTEMAS CONSTRUCTIVOS DE ESTRUCTURAS SOBTERRANEAS

La solución a los problemas en construcción de estructuras subterráneas depende del terreno y de su resistencia. Según el terreno, la excavación se puede realizar de un tamaño mayor o menor.

En los macizos rocosos que presentan una buena competencia geomecánica, la excavación puede avanzarse en sección completa inclusive en el caso de construcciones con alturas mayores de 20 m. En los terrenos que no hay cohesión, como en arenas, gravas o rocas trituradas, se debe iniciar la excavación por una galería de pequeña abertura y sostener según el avance.

En los terrenos de mayor complejidad compuestos por arenas finas con agua a presión, arcillas o terrenos con esfuerzos generados por la presencia de agua, hay que utilizar metodologías especiales y el avance se hace costoso. Por último, los equipos de avance a utilizar dependen del tipo de terreno y del rendimiento deseado durante la excavación. Este último viene determinado por consideraciones principalmente económicas y prácticas (Palacios García, 2015). Así, la excavación de un túnel, dependiendo del tipo de terreno en el que se excave, se puede realizar diversos métodos. Se destacan los siguientes:

2.7.1 Métodos tradicionales

Estos métodos son los más adecuados para túneles excavados en terrenos blandos. Se excava el frente por fases debido a la poca competencia del terreno. El objetivo es excavar una sección más pequeña e ir aumentándola ya que en esta no se presentan

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tantos problemas o, al menos, se ven mitigados. Cada etapa de excavación se sostiene adecuadamente antes de ensancharse y continuar con el avance.

o Método Belga

El Método Belga (Método Tradicional de Madrid o método de galería en clave) es uno de los métodos más utilizados en la construcción de túneles en materiales blandos, principalmente suelos residuales. Se caracteriza por una excavación progresiva de los elementos que componen el túnel, de tal forma que se excavan los elementos más estables del túnel evitando hundimiento o la falta de estabilidad en el frente como se ve en la Figura 11. Actualmente el método se conoce como Método Tradicional de Madrid por ser un método mayormente empleado en la construcción de los túneles del metro de Madrid. Este método consiste en empezar la excavación abriendo una pequeña galería en la clave del túnel para ir ensanchándola de a poco, brindando protección con un entibado progresivo en el frente, hasta permitir hormigonar la bóveda (Palacios García, 2015).

Figura 11. Sección de excavación Método Belga (Soto Saavedra, 2004)

Al asegurar la bóveda, se realiza la excavación de la parte inferior del túnel, la destroza, comenzando por la zona 2 del centro en la Figura 11 y siguiendo, en pequeños tramos, por los hastiales en zona 5 de la Figura 11, realizando excavaciones de pequeña longitud entre 3 y 6 metros, que se ejecutan de derecha a izquierda. Una vez se excavan completamente los hastiales, se reviste la zona 6 de la Figura 11; de esta manera no se ve comprometida la seguridad de la bóveda que reposa siempre sobre la destroza que no está excavada o sobre los pilares ya construidos. En el método, se finaliza por la excavación y recubrimiento de la solera, cuando es necesaria. Con este método, al abrir las secciones de tamaño reducido, es posible solucionar los problemas de inestabilidad que surjan, pues la seguridad de este método se fundamenta en que se trabaja con excavaciones pequeñas, normalmente menores a 3 m2. Este método tiene la gran ventaja de estar muy validado en la práctica de la ingeniería, aunque su rendimiento es bajo comparado con otros, dado que es un proceso lento y de gran quehacer. Es el método

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ideal para situaciones en las que existen temores por hundimiento o imposibilidad de realizar una excavación con maquinaria (Palacios García, 2015).

o Método Suizo

El Método Suizo o Bernold es uno de los métodos de excavación en túneles a sección completa más usados. Teniendo en cuenta que lo ideal al excavar un túnel es colocar el sostenimiento rápidamente después de haber excavado el frente, ya que este sufriría pequeñas deformaciones que no generaran ningún deterioro en el macizo rocoso.

En el Método Suizo el elemento característico son unas planchas de palastro de forma y perforaciones especiales Figura 12, que se colocan formando un armazón o encofrado, poniéndose en la parte alta de la excavación o a una distancia igual al espesor del revestimiento. Durante la aplicación del revestimiento de concreto, se colocan sobre los arcos de montaje estas planchas conformadas en frío con unas salientes en forma de V puestas sobre el revestimiento trabajando como una armadura. Debido a su geometría cuentan con una rigidez suficiente para absorber la presión del armazón y, por otro lado, son lo suficientemente cerradas como para impedir que concreto se derrame durante el fraguado. Las planchas normalizadas tienen dimensiones de 1.080 x 1.200 mm con 2 ó 3 mm de espesor y se curvan para brindar una adaptación a la curvatura de la excavación.

Figura 12. Planchas de palastro usadas en el Método Suizo (Palacios García, 2015).

El Método Suizo cumple la función de entibar y adicional de recubrimiento definitivo de la roca Figura 12. El revestimiento de concreto se introduce por las ranuras de la plancha y al contacto completo con la roca, la unión de estos elementos forma una estructura homogénea que permite una repartición equilibrada de las cargas. En la construcción de túneles, el Método Suizo se aplica en terrenos que presentan rocas poco friables a rocas muy resistentes, disminuyendo las zonas con riesgo ubicadas detrás del frente de trabajo.

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Figura 13. Recubrimiento por Método Suizo o Bernold (Extremiana Vázquez, 2011).

o Método Austriaco

El Método Austriaco, conocido como el método de las galerías, se caracteriza por la excavación que inicialmente parte de una pequeña galería de avance en el eje del túnel como se ve en la zona 1 de la Figura 14. En esta se construye una vía de evacuación que se utiliza durante la obra.

Figura 14. Sección de excavación Método Austriaco (Soto Saavedra, 2004).

Cuando esta galería tiene cierta longitud estipulada en el diseño de cada túnel, se sube verticalmente con un pozo hacia la clave del túnel trabajando después una segunda galería por encima de la primera y trabajando hacia delante y hacia atrás como se ve en la zona 2 de la Figura 14. Los escombros de la galería superior se envían por el pozo a la

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galería que se encuentra por debajo de esta con el fin de evacuar sin transbordo todos los escombros de los diferentes avances. Una vez excavada la galería ubicada en la parte alta del túnel, se continúa avanzando como en el Método Belga. Para finalizar, se excava y se aplica el revestimiento de la solera, cuando es necesaria. El método de la galería en el eje facilita la evacuación de residuos de excavación sin desplazar la vía y facilita la salida de las aguas infiltradas. Abriendo dos galerías, una en la clave y otra en la solera, no sólo se genera una visión preliminar del terreno, sino que mediante la comunicación entre sí permite extraer los residuos de excavación de la parte superior, por la galería inferior (Palacios García, 2015).

Los principales beneficios obtenidos cuando se construye con este método parten de no alterar la roca excavada a partir de la apertura de tajos cortos, tener la facilidad de instalar sostenimientos provisionales que permitan la relajación del terreno y construir el revestimiento definitivo que recibirá las cargas totales.

2.7.2 Métodos nuevos

Estos métodos son usualmente más adecuados para túneles en terrenos duros con una competencia mecánica alta.

o Tuneladora

“El elemento diferencial dentro de las fases constructivas es la excavación del material por encima del sostenimiento. Las máquinas integrales para la excavación de túneles se conocen habitualmente por las siglas T.B.M. (Tunnel Boring Machine) y hacen referencia a una serie de máquinas capaces de excavar un túnel a sección completa, a la vez que se colabora en la colocación de un sostenimiento provisional o en la puesta en obra del revestimiento definitivo. Estas máquinas se dividen en dos grandes grupos: topos y escudos. Ambos difieren de forma importante según el tipo de roca o suelo que sea necesario excavar, así como de las necesidades de sostenimiento o revestimiento que requiera cada tipo de terreno. Así, los topos se diseñan principalmente para poder excavar rocas duras y medias, sin grandes necesidades de soporte inicial, mientras que los escudos se utilizan en su mayor parte en la excavación de rocas blandas y en suelos, frecuentemente inestables y en ocasiones por debajo del nivel freático, en terrenos saturados de agua que necesitan la colocación inmediata del revestimiento definitivo del túnel” (Soto Saavedra, 2004)

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o NUEVO MÉTODO AUSTRIACO

El Nuevo Método Austriaco, conocido bajo las siglas NATM (“New Austrian Tunneling Method”), es uno de los métodos de diseño y construcción de túneles en roca más conocido y de mayor éxito en todo el mundo. Este método, también denominado "Avance y Destroza", fue desarrollado y patentado por Rabcewickz, Müller y Pacher entre 1948 y 1964. En esencia, el NATM se basa en cinco fundamentos:

Utilizar la propia roca como elemento resistente frente a los incrementos de tensión que se producen durante la excavación del frente.

Utilizar métodos de excavación que minimicen el daño en macizo rocoso, con un revestimiento de concreto lanzado como protección al excavar.

Instrumentar las deformaciones en función del tiempo, con ayuda de clasificaciones geomecánicas y ensayos de laboratorio.

Colocar sostenimientos iniciales flexibles, protegiendo el macizo de meteorizaciones, descompresiones y descohesiones para evitar el comienzo de daños.

Colocar el revestimiento definitivo, si es necesario, también flexible, minimizando así los momentos flectores, añadiendo resistencia con enfilajes, pero no con secciones rígidas.

La excavación se realiza en las siguientes etapas; Primero trabajando la excavación superior (avance) y después se remueve el terreno que queda debajo hasta la cota del túnel (destroza), removiendo, en el caso de secciones grandes, en primer lugar, la banca más ancha para permitir el paso de maquinaria al frente (realizando inmediatamente después la prolongación del sostenimiento a colocar en avance) y después la siguiente (ejecutándose a su vez los sostenimientos correspondientes). El método se basa en usar la tensión geológica del macizo rocoso circundante para que el túnel se estabilice a sí mismo mediante un efecto de arco. La excavación es inmediatamente protegida con una delgada capa de concreto proyectado. Esto crea un anillo de descarga natural que minimiza la deformación de la roca como se muestra en la Figura 15.

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Figura 15. Sección de excavación Método Austriaco (voxelstudios, 2010)

Dado el gran control que brinda el método, esto lo hace muy flexible, incluso en condiciones geomecánicas desconocidas. Las caracterizaciones de los frentes de la roca son las herramientas apropiadas para el uso de este método. El proceso de diseño y construcción mediante el Nuevo Método Austriaco es el siguiente:

Estudio geomecánico del macizo rocoso en el que se va a construir el túnel, determinando tipos de materiales, direcciones de diaclasas, estado de estas, presencia de agua, toma de muestras y ensayos de laboratorio e in situ.

Caracterización geomecánica del macizo, realizando clasificación geomecánica, lo que conduce a sectorizar el túnel en función de los materiales existentes.

Definición de tipo de sostenimiento en cada sector.

Excavación del túnel, con los medios previstos y que se ajusten al principio de no generar afectación o la menos posible en la roca. Instalación del sostenimiento previsto en cada sector en función de los tipos de sostenimiento.

Instalación inmediata de secciones de instrumentación y control, está siendo la base fundamental del NATM. El control mínimo de convergencias suele hacerse cada 40-50 m, en función de la calidad del terreno (que, a veces, obliga a instalar referencias cada 20 m o menos), también usar celdas de carga o extensómetros de varilla. Del seguimiento e interpretación de la instrumentación, puede deducirse si la sección de sostenimiento es la adecuada para ese sector o si es necesario reforzarlo (incluso determinar si es excesiva). Normalmente, la deformación absoluta no debe exceder, habitualmente, del 1-2% el ancho del túnel. Lo que suele ser más importante es observar el constante cambio de los movimientos inducidos, que dan una mayor idea sobre la evolución y comportamiento del sostenimiento. Velocidades de deformación del orden de centímetros por día suelen ser señal de alto riesgo(García Rubio, 2015).

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2.7.3 Sostenimiento y revestimiento de túneles

El sostenimiento de un túnel se entiende como el conjunto de elementos que contribuyen a la estabilidad del mismo. Sin embargo, la razón del revestimiento no es únicamente estructural, sino que también, puede responder a otras motivaciones, como la estética o la impermeabilización del túnel. Los principales elementos utilizados en el sostenimiento de los túneles son:

Pernos de roca o anclajes: elementos generalmente de acero que trabajan cosiendo las discontinuidades que atraviesan. También aportan una compresión radial a la roca, evitando así descompresiones que puedan dar lugar a inestabilidades.

Figura 16. Pernos de roca como sostenimiento (Extremiana Vázquez, 2011)

Concreto lanzado: Es concreto puesto en obra a gran velocidad a través de una manguera, en ocasiones con malla de refuerzo o aditivos. El material se adhiere fácil y eficientemente al terreno, lo que hace que las presiones sean prácticamente uniformes.

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Figura 17. Concreto lanzado con RoboJet (Extremiana Vázquez, 2011)

Enfilajes: Consisten en la colocación de una serie de elementos (tubos de acero inyectados de lechada) inclinados en el frente de avance como se muestra en la Figura 18 y en la Figura 19, evitando la caída de cuñas y agregándole una resistencia adicional a la sección tratada.

Figura 18. Enfilajes instalados en frente de excavación Túnel del Toyo

El concepto de enfilaje parte de la necesidad de estabilizar la bóveda antes de ser excavada y se utiliza por lo general en terrenos con una competencia mecánica baja.

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Estos elementos constituyen una prebóveda formada por material resistente, cuyo objeto es evitar la tendencia del terreno a romper en la zona de influencia del frente de la excavación. Resultan habituales en emboquilles, donde se recomienda disponer una viga de atado de concreto reforzado, con el objeto de dar apoyo y unir las cabezas de los elementos que dan forma de paraguas para que trabajen en conjunto. Este tipo de sostenimiento deberá ser ejecutado antes de la excavación.

Figura 19. Estructura tridimensional de Enfilajes frontales (Secretaría General De Comunicacion y Transporte, 2019)

Los sistemas de enfilaje frontal tienen sus orígenes hace más de 50 años y en las últimas dos décadas han evolucionado de manera muy importante, tanto en el entendimiento teórico del concepto como en las tecnologías de fabricación y puesta en obra.

Este sistema ofrece varias ventajas sobre otras técnicas de sostenimiento de túneles:

La interacción entre las barras de anclaje y el terreno es rápida y coacciona el movimiento del terreno excavado, de manera que las propiedades de este se conservan mejor.

Puede mecanizarse totalmente, y hasta automatizarse, la colocación de los elementos resistentes.

En cuanto al revestimiento, los principales elementos son: Dovelas prefabricadas: Este sistema está creciendo ligado al uso de máquinas tuneladoras (TBM) con escudo. En general, las dovelas son elementos de concreto reforzado fabricadas en el exterior del túnel y transportadas al interior en plataformas sobre vía o rueda. Se colocan de forma automática o semiautomática y se inyecta concreto tras la dovela para que esté en contacto con el terreno (Extremiana Vázquez, 2011).

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Figura 20. Dovelas prefabricadas(Extremiana Vázquez, 2011)

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3. METODOLOGÍA

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Figura 21. Metodología utilizada

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3.1 RECOPILACION DE DATOS

Se realizo una recopilación bibliográfica y documental de los diseños de excavación y los parámetros geomecánicos obtenidos en los estudios de diseño del proyecto para su posterior análisis, esto como insumo inicial para el montaje del modelo de elementos finitos inicial. Se realizó un balance de toda la información recopilada y se organizó en función a su prioridad dentro del estudio.

La recopilación de datos se enfocó principalmente en los parámetros geomecánicos obtenidos de ensayos de laboratorio para el área de estudio, la geometría de la excavación, diseños de sostenimientos y aspectos geológicos de la zona de estudio.

Paralelo a la recopilación bibliográfica de diseños y datos documentales del túnel, se realizó un seguimiento detallado del proceso constructivo con el fin de entender cómo, cuándo y cuál fue el tipo de sostenimiento instalado en cada tramo del túnel independientemente del plan de diseño.

Durante el proceso constructivo se instalaron estaciones de control o también denominadas estaciones de instrumentación, estas estaciones se nombraron de acuerdo con un sistema lógico de referencia mostrado en Ecuación 4, en dichas estaciones es donde se encuentran ubicadas las dianas de medición donde se realizó la captura de datos.

𝐸 #

Siendo # el consecutivo de las estaciones partiendo desde el portal del túnel.

Ecuación 4. Sistema lógico de referencia de estaciones de instrumentación.

Estas estaciones de instrumentación se instalaron aproximadamente cada 5 metros de distancia, contemplando errores de hasta 50 centímetros entre estas debido a los espacios reducidos y la compleja capacidad de maniobra que se vive en el túnel, sumándole gran cantidad de grupos de trabajo que dificultan la precisión en labores sencillas que dependen del personal.

Las estaciones de control se instalaron en el túnel en las abscisas que se muestran en la Tabla 4, también se muestran las ventanas geotécnicas que serán explicadas en el desarrollo de la tesis.

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Ventana geotécnica 1 Ventana geotécnica 2 Ventana geotécnica 3

E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E10 E11 E12 E13 E14 E15 E16 E17 E18 E19 E20 k36+

850.0

0

k36+

845.0

0

k36+

840.2

5

k36+

835.2

5

k36+

830.0

0

k36+

824.5

0

k36+

819.2

5

k36+

814.2

5

k36+

809.5

0

k36+

804.7

5

k36+

800.0

0

k36+

795.0

0

k36+

789.5

0

k36+

784.2

5

k36+

779.7

5

k36+

774.5

0

k36+

769.0

0

k36+

764.2

5

k36+

759.5

0

k36+

754.5

0

Tabla 4. Ubicación de estaciones de instrumentación en el Túnel del Toyo

3.2 CLASIFICACION GEOMECANICA DE LOS FRENTES DE EXCAVACIÓN

El propósito de la caracterización fue parametrizar una serie de propiedades de la roca intacta y del macizo rocoso aplicando posteriormente criterios de análisis empíricos, que permitieron determinar el comportamiento de la masa rocosa en diferentes ventanas o sectores geotécnicos.

Para la clasificación geomecánica de los frentes se utilizó la metodología presentada en el numeral 2.4.1. Para la implementación de dicha metodología se empleó la plantilla mostrada en la Figura 22, la misma fue brindada por el departamento de calidad del Consorcio Antioquia al Mar.

Con ayuda del equipo de geología e instrumentación del Consorcio Antioquia al Mar se clasificaron 64 frentes de excavación, aproximadamente el 64% de los frentes excavados, estos distribuidos a lo largo de los primeros cien metros del túnel desde el portal salida, estas clasificaciones se realizaron inmediatamente después de la excavación y durante el proceso constructivo del túnel.

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Figura 22. Plantilla de control geológico geotécnico de avances de excavación Túnel del Toyo

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Posterior a la calificación geomecánica de cada uno de los frentes de excavación se generó una tabla de los RMR obtenidos para cada uno de estos frentes caracterizados, a partir de esta tabla se realizó una división del área de estudio en sectores con correspondencia a su clasificación enunciada en 2.4.1.

Es preciso mencionar que en muchos (46%) de los avances fue imposible realizar un levantamiento geotécnico por problemas logísticos, de transporte o simplemente porque el frente era cubierto con concreto lanzado de manera inmediata.

3.3 MONITOREO DE LA INSTRUMENTACIÓN IMPLEMENTADA EN EL TÚNEL

Las deformaciones del contorno de la excavación subterránea y los movimientos dentro del macizo se midieron durante la construcción del túnel, utilizando dos métodos diferentes; mediciones análogas (manuales con extensómetro) y topográficas (con estación total).

Figura 23. Sistema lógico de referencia frente típico y algunas componentes del túnel

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Todos los puntos monitoreados de la cavidad fueron codificados sobre la base de un sistema lógico de referencia, enumerando de 1 a 5 las dianas ubicadas en el contorno del túnel, de manera que los valores fueran fácilmente identificables para la evaluación posterior.

La primera lectura (lectura cero) se efectuó inmediatamente después de la instalación o tan pronto como fue posible, en muchos de los casos estas lecturas se tardaron debido a que los demás procesos constructivos del túnel no se podían detener y por esto, no se encontraba el espacio suficiente para utilizar los equipos de medición. Las lecturas cero fueron el resultado de al menos dos operaciones de lectura independientes que arrojasen resultados consistentes.

En términos generales, las frecuencias de medición que se realizaron en obra fueron las siguientes:

Una lectura diaria hasta completar 15 días o cuando el frente de excavación se encontraba separado a 30 m de la estación de monitoreo.

Tres lecturas semanales hasta completar el primer mes de instalada la estación de monitoreo

Una lectura semanal hasta completar los tres primeros meses de monitoreo

Una lectura mensual hasta completar seis meses de monitoreo

Finalmente, si se requiere una lectura trimestral en caso de que no se haya instalado el revestimiento definitivo.

Vale aclarar que, durante el tiempo enmarcado en este estudio, a ninguna estación se le realizo el revestimiento definitivo.

El espaciamiento para la instalación de estaciones de monitoreo fue dependiente de la clasificación del terreno tal como se indica en la Tabla 5, las estaciones de monitoreo se debían instalar a no más de 6 horas de haberse avanzado en el frente de excavación, pero en muchos de los casos esto no sucedió de esta manera, debido a la falta de espacio y la poca coordinación con el equipo de producción.

Tipo de terreno Separación [m]

I 30

II 20

III 15

IV 10

V 5

V* 5

Tabla 5. Espaciamiento entre estaciones de monitoreo de convergencias

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Posterior mente, se realizó un procesamiento minucioso de aproximadamente 700 datos de convergencias topográficas con el fin de eliminar los datos con valores atípicos o “outliers” esto con el fin de contar con una base de datos simple y de fácil procesamiento, para esto se elaboró un código en Python con la finalidad de tener la representación gráfica de las deformaciones de cada una de las zonas geotécnicas características, adicionalmente muchos de estos valores atípicos fueron verificados en campo con el fin de encontrar el origen de la variación, en varios casos se encontraban asociados a golpes en las dianas ocasionadas