Los túneles se diseñan en embalses o las carreteras subterráneas no se construyen todos los días como otras estructuras. Podrían construirse sobre roca o tierra.
Por ejemplo, un túnel construido para una carretera está diseñado para soportar cargas externas provenientes de roca de cobertura u otro material de cobertura.
Sin embargo, los túneles acuíferos están diseñados para cargas externas y externas.
Cuando el túnel transporta agua a alta presión, ejerce presión de agua sobre el área circundante. Especialmente cuando hay menos cobertura de roca, debemos comprobar si la cobertura es suficiente para soportar esta carga si el túnel no está revestido.
Al revestir un túnel, debemos considerar las cargas que actuarán sobre el túnel y el túnel debe diseñarse teniendo en cuenta estos factores. También existe riesgo de derrumbe en la zona alrededor del túnel.
Dependiendo del tipo de material circundante se puede construir un túnel.
Los túneles con cubierta de roca de alta calidad generalmente no están revestidos con hormigón armado, salvo la construcción por proyección.
Sin embargo, a la salida, el túnel deberá revestirse con un revestimiento de acero o de hormigón si el recubrimiento de roca es insuficiente. La mayoría de los planificadores de túneles se enfrentan a esta situación. Por lo general, determinan hasta dónde puede continuar la sección sin revestimiento y la longitud restante está revestida.
Diseñar una sección con una cubierta de roca adecuada .
Si hay suficiente cobertura de roca, podemos diseñar el túnel con o sin revestimiento. Si tenemos roca de buena calidad, podemos construir un túnel sin revestimiento. Sin embargo, si la roca es débil, debemos considerar la calidad de la roca al diseñar.
Diseño de túneles para cargas externas.
Si hay suficiente cobertura de roca, no hay necesidad de preocuparse de que el túnel se derrumbe por completo.
Sin embargo, pueden ocurrir fallas locales. Si la roca no tiene la calidad suficiente o no se puede estabilizar con hormigón proyectado (armado o no), debemos disponer de un revestimiento que pueda soportar cargas externas.
El diseño del revestimiento tiene en cuenta el tipo de roca.
La calidad y el tipo de roca deben comprobarse in situ antes de realizar la planificación. En los libros o normas de construcción de túneles se puede leer qué cargas se deben tener en cuenta a la hora de planificar el revestimiento del túnel en función del tipo de roca.
“EM 1110-2-2901 Túneles y pozos en roca” es una de las normas más utilizadas que podemos utilizar en nuestros proyectos. Proporciona una guía para la construcción de túneles dependiendo de las diferentes condiciones del terreno.
El valor anterior se tomó de EM 1110-2-2901. Dependiendo del estado de la roca, la separación de las fisuras y el valor RQD, se puede seleccionar la carga de la roca. Por ejemplo, si consideramos rocas masivas y moderadamente fracturadas, la carga sobre la roca es de 0,5 B.
Hp = 0,5 B x (densidad de la roca)
Supongamos que el diámetro del túnel (B) es de 2,5 m.
Densidad de la roca 25 kN/m 3
CV = 0,5 x 2,5 x 25
= 31,25kN/ m2
Esta carga se puede aplicar al túnel como carga de gravedad. Para determinar las tensiones del túnel, se pueden utilizar análisis de elementos finitos o ecuaciones proporcionadas en códigos para diferentes formas de túneles.
Además de las cargas de roca, durante el diseño también se debe tener en cuenta la presión externa del agua. Si no existe un sistema de drenaje adecuado, el proyecto debe tomar en cuenta la columna de agua o parte de ella.
Cuando se cuenta con el sistema de drenaje adecuado, la presión del agua de riego externa se puede reducir o casi eliminar en el diseño.
Sin embargo, la presión del agua de diseño puede considerarse como el valor inferior del 25 por ciento de la presión total y una presión correspondiente a una columna de agua con una altura de tres diámetros de túnel.
Las cargas deben tenerse en cuenta a la hora de analizar el túnel. EM 1110-2-2901 contiene una tabla que se puede utilizar para crear combinaciones de carga.
Se pueden crear combinaciones de carga considerando los factores indicados en la tabla anterior.
Si se produce una deformación lateral, esto aumenta las fuerzas de flexión y corte del túnel. Si hay una gran capa de roca, el túnel no puede deformarse lateralmente.
Esto se puede tener en cuenta en el análisis y considerar la roca como soporte del túnel.
El soporte de roca puede ser un modelo dependiendo del tipo de roca. La respuesta de la roca subterránea se puede calcular utilizando las ecuaciones de EM 1110-2-2901.
Dependiendo del ángulo del arco, el tamaño del elemento, la respuesta posicional y el módulo de la roca, la respuesta subterránea se puede calcular tanto en dirección radial como tangencial.
La figura de arriba muestra la representación gráfica de la respuesta clandestina.
Debemos aplicar la reacción de fondo como se muestra en la figura.
Dependiendo de los requisitos de diseño, se puede omitir la reacción tangencial del fondo.
Además, cuando modelamos el túnel con software, los resortes no deben estar sometidos a ningún esfuerzo de tracción. Sólo es necesario tener en cuenta la condición de compresión, ya que la roca no puede soportar tensiones de tracción.
Diseño de túneles para cargas internas.
Si hay suficiente cobertura de roca, la carga interna puede ser soportada por la roca circundante debido a la presión del agua. Incluso si hay una gran capa de roca, el túnel no puede deformarse. Por lo tanto, no existen tensiones provocadas por la carga interna de agua.
Diseñar una sección con un lecho de roca insuficiente .
En las zonas donde se construyen túneles se encuentra roca de alta calidad. Sin embargo, hay casos en los que encontramos roca o suelo de mala calidad en la parte superior del túnel. Incluso si tenemos roca de alta calidad, debe ser suficiente para absorber la tensión interna que la presión del agua ejerce sobre la roca circundante.
Diseño para cargas externas.
Si la cobertura de roca no es suficiente, será necesario utilizar una carcasa de acero u hormigón para soportar las cargas internas.
Si el túnel no transporta agua, no ejercerá presión interna sobre la roca circundante. Durante la planificación se deben tener en cuenta las cargas externas que actúan sobre el revestimiento del túnel.
El artículo técnico “ Grandes túneles en Bad Rock 2000 Terzaghi Lecture by Evert Hoek ” puede considerarse un borrador. Es una muy buena guía para diseñar este tipo de casos.
Sin embargo, en estudios y libros se han propuesto diferentes métodos para calcular la carga de roca.
EM 1110-2-2901 proporciona una guía para encontrar una ubicación que requiera la sección alineada. Además de esta posición, la sección se puede crear como una sección sin forro si es necesario.
Para determinar la distancia necesaria para el tramo de línea se puede utilizar la siguiente figura de EM 1110-2-2901.
La Figura 9-2 muestra la cubierta de piedra requerida para canales presurizados sin revestimiento.
Este es el criterio noruego para delimitar rocas. Este concepto es un método comúnmente utilizado por los diseñadores.
Esta es una técnica y herramienta muy sencilla para determinar la cobertura mínima de piedras para un túnel sin revestimiento. El peso del macizo rocoso o cubierta se equilibra con la cabecera interior del túnel.
Al buscar cubiertas rocosas, se debe prestar atención a las condiciones de la superficie.
Por ejemplo, si la cubierta superior está hecha de tierra o roca erosionada, este tipo de material puede desaparecer cuando el agua fluye a lo largo de la superficie.
Además, se debe tener suficientemente en cuenta el factor de seguridad. Puede oscilar entre 1,05 y 3 y puede estar relacionado con la intención del diseño.
La Figura 9.1 que se muestra a continuación también se puede utilizar para la planificación de túneles. Podemos elegir un método y luego comenzar a planificar. El método más utilizado y sencillo es el criterio de limitación noruego.
Una vez que seleccionamos los criterios, podemos calcular la sección que necesita alinearse usando la ecuación proporcionada en la guía.
La carga externa que se debe tener en cuenta en el diseño es el peso del revestimiento de roca o material del techo.
Podemos aplicar este peso como carga gravitacional para el análisis.
Si hay una gran cubierta de roca en dirección lateral, podemos considerar la roca como un soporte contra la deformación lateral. Sin embargo, si no hay suficiente cobertura de roca en dirección lateral, es aconsejable no considerarla como soporte.
Diseño para cargas internas.
Si la cobertura de roca es insuficiente, los túneles deberán revestirse como se describe anteriormente.
La presión del agua se puede considerar como una carga interna, mientras que el peso de la sobrecarga se puede considerar como la carga ejercida por la parte superior de la estructura como una carga gravitacional.
Dependiendo de la altura de la carga y de la deformación del túnel, el peso del material atascado debe manejarse con mucho cuidado.
A veces puede ser beneficioso, pero también puede ser una carga perjudicial.
Por ejemplo, cuando aplicamos un factor al crear una combinación de carga, crea un peso que es mayor que el peso existente del material de desecho.
Esto puede aumentar el momento de elevación y reducir el momento de deflexión. De hecho, esto depende enteramente del análisis que hagamos. Por tanto, es mejor tener mucho cuidado con el peso del material de cobertura si queremos aplicarlo al modelo.
Además, el artículo de diseño y construcción de cruce de túneles. Para más información sobre este tema también puedes consultar aquí.
