Deformaciones: Convergencia y Subsidencia1. CONVERGENCIA 1.1 INTRODUCCIÓN Cualquiera que se disponga a realizar una obra subterránea se encuentra enfrentándose y teniendo que resolver un problema de ingeniería civil especialmente complejo, ya que, en comparación con las construcciones de superficie, en las obras subterráneas resulta extremadamente difícil determinar con antelación los datos básicos del diseño. En primer lugar, no es cuestión, como en las obras de superficie, de ir ensamblando materiales (acero, hormigón armado, etc.), de propiedades bien conocidas, para construir una estructura que alcanza su equilibrio en la configuración final deseada, sino de actuar sobre un equilibrio preexistente y producir, de algún modo una perturbación prevista en unas condiciones conocidas, solo de forma aproximada. En toda excavación se provoca un reajuste de las tensiones en las proximidades de las paredes de la galería o pozo realizado en el terreno, como consecuencia se producen movimientos del terreno hacia el interior de la excavación. Esos movimientos, denominados convergencias, dependerán de la calidad del terreno, tamaño de la excavación, profundidad con respecto a la superficie etc. En rocas competentes y poco alteradas, los valores que se obtienen de convergencias suelen ser muy pequeños, no generando por lo general desplazamientos que superen valores milimétricos una vez colocado el sostenimiento definitivo. Esto no sucede así cuando nos encontramos en zonas de falla o en túneles que se ejecutan en rocas muy alteradas o terrenos muy blandos, sobre todo si se emplean métodos no integrales. En estos casos los desplazamientos del terreno suelen ser bastante importantes, alcanzando con cierta frecuencia valores que pueden superar la decena de centímetros. Estas cifras pueden parecer alarmantes, pero si el sostenimiento está debidamente controlado no encaran necesariamente un riesgo a la seguridad en el túnel, pero ponen en entredicho los datos tomados al inicio de los procesos convergentes. 1 Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Esta circunstancia implica que los responsables de topografía de un túnel tomen ciertas medidas de precaución, procurando estar bien informados sobre el comportamiento del terreno y con especial atención en los tramos falla o de material alterados. Los cálculos de los túneles tienen por objeto comprobar el dimensionamiento del sostenimiento y revestimiento de los mismos, así como verificar la estabilidad de cada una de las fases constructivas. Al igual que en el resto de las aplicaciones de la Mecánica del Suelo y de las Rocas, en el cálculo de túneles es necesario efectuar una serie de simplificaciones que hacen que el análisis sea siempre aproximado. Existen varios métodos de cálculo para el estudio de las excavaciones subterráneas, con diversos grados de simplificación y, por lo tanto, con diversos grados de exactitud y también de facilidad de manejo. Se da por hecho que se van a producir convergencias, es más se deben producir en casi todos los casos (salvo casos muy concretos de sostenimientos super-rígidos), ya que la deformación del macizo es un mecanismo para relajar las tensiones producidas. Lo que no deberían sobrepasar es la convergencia máxima que viene contemplada en el proyecto. Si se superan las convergencias máximas, habría que reforzar el sostenimiento, ya que este se ha quedado escaso y no es capaz de contener la deformación del terreno hasta un valor asumible. Puede efectuarse una primera clasificación de los métodos de cálculo como: empíricos, analíticos y numéricos, en grado creciente de fiabilidad. Los analíticos son los basados en el empleo de expresiones obtenidas de la teoría de la Elasticidad aplicada al terreno. Los métodos numéricos se basan en dividir el terreno y/o el revestimiento del túnel en una serie de elementos, tanto más pequeños cuanto más exacto queramos que sea el cálculo, y aplicar en ellos las leyes de la Elasticidad. A continuación se trata el Método de Convergencia (o método de las curvas características) que se enmarca en los métodos analíticos. 1.2 MÉTODO DE CONVERGENCIA. HIPÓTESIS Y FUNDAMENTOS. El Método de Convergencia/Confinamiento o Método de las Curvas Características permite analizar el comportamiento tenso-deformacional de la superficie excavada así como del sostenimiento aplicado a la misma. Es un método simple y fácil de usar, pero que también presenta tantas hipótesis simplificadoras, que su utilidad es más bien relativa. El método de curvas características del terreno y del sostenimiento explica de forma gráfica los fundamentos del Nuevo Método Austríaco de Construcción de Túneles, que es el origen de muchos de los métodos constructivos de túneles usados hoy en día. 2 Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Las hipótesis de partida del método son las siguientes: - Se considera una sección plana del problema, supuesto un comportamiento con simetría cilíndrica, en deformación plana. - El túnel se supone circular y con un sostenimiento colocado en todo su contorno. - El terreno es indefinido, homogéneo e isótropo. El estado de tensiones inicial es también isótropo, con una tensión inicial , de forma hidróstática. - Para el terreno es válido alguno de los siguientes criterios de rotura: elástico, elastoplástico perfecto, elastoplástico frágil. - Para el sostenimiento son válidos todos o alguno de los siguientes elementos: anillo de hormigón proyectado o colocado, anclajes o bulones y cerchas. Un sostenimiento debe cumplir tres reglas: 1. Estabilizar la excavación a corto plazo a medida que se va avanzando. 2. Soportar las presiones del terreno que pueden desarrollarse a largo plazo y que están vinculadas al comportamiento diferido del macizo. 3. Limitar las deformaciones resultantes de la excavación para que sean compatibles con el fin último de la obra y la de otras obras tanto subterráneas como superficiales situadas en las proximidades. El problema del sostenimiento de un túnel tiene dos particularidades, la primera radica en que es esencialmente un problema tridimensional ya que cerca del frente del túnel los campos de tensiones y deformaciones tienen una forma compleja y la segunda es que es un problema relativo a la interacción entre dos estructuras diferentes con una geometría y comportamiento radicalmente distinto: el sostenimiento y el macizo rocoso. Los fundamentos del método se explican con ayuda de la figura 1. El sistema consiste en dibujar dos curvas: la curva de convergencia o del terreno y la curva de confinamiento o del sostenimiento. Ambas se representan en el mismo diagrama, donde el eje horizontal es la deformación tensión radial túnel. del contorno de la excavación hacia su interior y el eje vertical representa la del elemento de terreno situado en el contorno de la superficie excavada del 3 que generalmente se realiza un tiempo después de efectuada la excavación. En una primera fase (A-B) el comportamiento es elástico.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Figura 1: Interacción terreno – sostenimiento Inicialmente el terreno tiene una tensión (punto A). y la línea tiene una forma u otra dependiendo del comportamiento plástico elegido para el terreno. por el contrario. En el ejemplo se supone que se emplean dos elementos resistentes (por ejemplo bulones y hormigón). Cada elemento del sostenimiento tiene un comportamiento elastoplástico perfecto: tiene una primera zona elástica (D-E o F-G) hasta 4 . Es posible definir el momento en que deben colocarse los diversos elementos resistentes. La curva del sostenimiento es la D-E-F-G. El primero empieza a actuar cuando ya se ha producido una deformación coloca cuando ya se ha producido una deformación . con una deformación radial dada por la abscisa del punto de corte. En el punto B se supera el criterio de rotura. La forma de la curva del sostenimiento depende de la rigidez de los elementos resistentes que lo componen: hormigón. Si la línea del terreno corta el eje X significa que la excavación se autosostiene sin necesidad de ningún elemento estructural de refuerzo. mientras que el segundo se . la roca empieza a relajarse. Si. bulones y cerchas. la curva no toca el eje X y comienza a subir de nuevo (punto C) se produce el colapso del túnel. Una vez excavado el terreno. por lo que la curva es una línea recta. disminuyendo la tensión y aumentando la deformación. 1. pero evitando el riesgo de colocarlo cuando ya no sea posible alcanzar el punto de equilibrio y se produzca el colapso de la excavación.La roca tiene una cierta capacidad de autosostenerse. Dicho de otro modo: hay que aprovechar al máximo la capacidad autoportante de la roca. sin que se produzca el colapso. el túnel puede ser estable sin necesidad de sostenimiento.Es conveniente dejar relajarse al terreno antes de colocar el sostenimiento. por supuesto. Si la curva del sostenimiento corta la curva del terreno en un punto (punto de equilibrio). Otro aspecto muy importante a tener en cuenta al calcular la curva característica del terreno es la evolución que ésta tiene con el tiempo debido a la meteorización del macizo. la cual hace que ésta pierda propiedades resistentes y que el sostenimiento a largo plazo se cargue más pudiendo alcanzarse la rotura. Cada curva característica representa el proceso sufrido por un punto determinado del perímetro de la excavación. Si no hay punto de equilibrio significa que la excavación es inestable. porque de este modo la cuantía de los elementos estructurales del mismo podrá ser menor. se obtiene la deformación máxima que se produce en el perímetro de la excavación y la máxima tensión a la que va a estar sometido el sostenimiento. pues como es lógico la diferencia entre la curva característica de un punto clave y otro de los hastiales es notoria. Fener introdujo en 1938 el concepto de asociar la convergencia de un túnel circular sometido a un campo tensional hidrostático con la formación de una zona plástica que rodea la excavación del mismo. Otra posibilidad es que el terreno cortaría el eje X entre el origen y el punto D. La extensión de la zona plástica depende de una presión equivalente 5 .3 EFECTO DEL FRENTE. Generalmente las dos curvas se cortarán en un punto de equilibrio. que nos define la deformación radial alcanzada por el contorno del túnel ( ) y la presión que la roca está ejerciendo sobre el sostenimiento .Deformaciones: Convergencia y Subsidencia alcanzar un cierto criterio de rotura. PROCESOS DE CONVERGENCIA. y a partir de ahí una zona plástica (E-F). es decir. . debiendo buscarse el momento óptimo de su colocación de forma que se cargue lo menos posible. en que se deforma sin soportar mas carga. Este punto de equilibrio depende de la deformación que se permita al terreno antes de colocar el sostenimiento. Del método se extraen dos conclusiones de interés: . por lo que es fundamental realizar una curva para cada punto representativo. A medida que la excavación se aproxima. Este valor de la presión interna intersección de la solución elástica con el criterio de rotura. llamada presión interna o presión del sostenimiento. por lo tanto. se desarrolla alrededor de forma que el radio de plastificación crece a se obtiene como medida que la presión interna disminuye. con una buena aproximación. El problema del comportamiento tridimensional del macizo rocoso alrededor de una excavación se trata como un problema de deformación plana de una sección transversal tipo bajo la influencia de una disminución continua de la tensión radial que se ejerce sobre las paredes de la excavación desde el valor inicial hasta cero. hay convergencia. correspondiente a . el desplazamiento radial de las paredes crece igualmente y. El estado de tensión radial nula en la pared se produce cuando no se coloca sostenimiento y la sección no está afectada por el efecto del confinamiento del frente. Figura 2: A) Desarrollo de la aureola de plastificación a medida que decrece la presión interna en la excavación. B) Posibles zonas de plastificación según Panet (1995) en función de N. de la excavación una zona plástica de radio . 6 . En un túnel no sostenido el valor de disminuye desde la tensión de campo hasta el valor cero.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia . y a una distancia suficiente para poder despreciar su influencia. disminuye progresivamente desde hasta cero. Se ha podido mostrar. que la proximidad del frente es equivalente desde el punto de vista mecánico. no aparece aureola de plastificación si en la pared de la excavación la tensión ortoradial es menor que la resistencia a compresión del macizo. Cuando la presión interna de la excavación alcanza un valor crítico. a la aplicación de una presión de sostenimiento ficticia (presión interna) . El estado inicial por delante del frente. En el caso de un túnel no sostenido. . constatándose los siguientes aspectos: . .5 veces el diámetro de la excavación. otra por detrás debido a un exceso de compresión en la dirección ortoradial y ortogonal al eje del túnel y una zona de conexión entre estas dos zonas a nivel del frente en la cual hay una rotación de las tensiones principales.Si el macizo rocoso es suficientemente resistente los desplazamientos son elásticos y la zona plástica aparece por detrás del frente pero todavía no lo ha alcanzado. (1995). aumentando a medida que la distancia al frente disminuye.En el caso intermedio (2<N<5) se pueden distinguir más de una zona en plasticidad. Panet (1995) distingue tres situaciones en función del parámetro : . presostenimiento o excavación por secciones de menor área.Cuando la distancia al frente es nula.Si N>5. debida a un exceso de compresión radial. una por delante del frente. 7 . En la siguiente figura –Hoek et al. el desplazamiento del macizo alcanza un tercio del desplazamiento final. En estas condiciones la estabilidad del frente es crítica y hace falta acudir a técnicas de confinamiento del frente. Este caso se corresponde al valor N<2.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia La curva que liga la tensión radial ficticia y el desplazamiento radial en la pared de la excavación caracteriza el comportamiento del macizo rocoso y se conoce como curva característica del terreno o curva de convergencia en un punto de la pared del túnel.aparece la distribución del desplazamiento radial frente a la distancia al frente para un túnel circular sometido a un campo tensional hidrostático y excavado en un macizo rocoso débil.5 veces el diámetro de la excavación.El desplazamiento final se alcanza a una distancia que oscila entre 1 y 1. .El desplazamiento por delante del frente comienza en el macizo rocoso a una distancia aproximada de 0. El frente está completamente incluido en la zona plástica. . El estado de las tensiones antes de la 8 . 4). Para simular este fenómeno claramente tridimensional con un análisis bidimensional lo que se hace es suponer que en las paredes de la excavación se aplica una tensión radial ficticia (presión interna) que genera una distribución de desplazamientos radiales similar a la que proporciona la realidad. Carranza-Torres y Fairhurst (1999) representan los desplazamientos radiales (obtenidos experimental y numéricamente) a lo largo del eje del túnel. llegando a la conclusión de que la zona de influencia del frente se encuentra a una distancia de tres veces el diámetro de la excavación por delante del frente y cinco veces el diámetro por detrás del frente.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Figura3: Modelo de deformación del macizo rocoso débil en el avance de un túnel (según Hoek et el (1995)). El efecto del frente hace que aparezcan desplazamientos radiales a una distancia determinada por delante del mismo y que los desplazamientos radiales por detrás de éste no alcancen su valor final hasta otra distancia dada. La curva característica del terreno es la curva que relaciona esta presión ficticia con el desplazamiento radial de un punto en la pared de la excavación. Con el fin de clarificar todos estos conceptos se presenta el caso de avance de una excavación con perforación y voladura (Fig. Este fenómeno se conoce como efecto de confinamiento del frente. valores que parecen más realistas. y constituye el fundamento físico de la construcción de la curva característica del terreno. En la etapa 1. ya que cuando el frente se acerca a la sección. En la etapa 2.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia excavación se supone hidrostático y de magnitud . A continuación se discute el desarrollo del desplazamiento radial y presión radial del sostenimiento en un punto de la periferia de la excavación en la sección X-X. formado en este caso por cuadros metálicos. Después de cada ciclo de perforación y voladura se instala el sostenimiento.5. a medida que el frente avanza. el frente no ha alcanzado la sección X-X y el macizo en la periferia del perfil propuesto está en equilibrio con una presión interna del sostenimiento sentido contrario a . desde el punto de vista de su construcción. 9 . La curva dela Fig. la Fig. proporciona el desplazamiento radial que se produce cuando la presión de sostenimiento vale . el frente ha sobrepasado la sección X-X y la presión interna debería haberse reducido a cero pero no ocurre esto debido al efecto de confinamiento del frente ( Paralelamente. Se muestran diferentes curvas para los hastiales y el techo. En realidad esto es cierto si la sección considerada está igual y de suficientemente alejada del frente. la presión interna es ligeramente inferior a la tensión de campo ( ). Figura 4: Ejemplo de un túnel avanzado con perforación y voladura y sostenido con cuadros metálicos. La presión extra del techo es la debida al peso del material suelto.5 muestra la presión radial de sostenimiento limitar el desplazamiento radial del contorno al valor dado por la abscisa necesaria para . Es importante resaltar que la mayor parte de las tensiones redistribuidas surgidas por la creación de la excavación son soportadas por el macizo rocoso y no por el sostenimiento. por lo que es necesario sujetar la roca. El equilibrio entre el macizo rocoso y sostenimiento está en el punto E para el hastial y en el F para el techo.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia En la etapa 3. En este caso el techo colapsaría si no se hubiese colocado el revestimiento. Figura 5: Curva característica del macizo rocoso (techo y hastiales) y curva característica del sostenimiento. y el desplazamiento radial viene marcado por las curvas CEG y BFH. La curva que representa el comportamiento del macizo rocoso se denomina curva característica del terreno o línea de sostenimiento requerido. por lo que el efecto del frente es ahora despreciable. Se induce a una carga en el sostenimiento. conocida como reacción del sostenimiento. En el caso de los hastiales. Si el sostenimiento no hubiese sido instalado después de las dos etapas de avance.4. se ha colocado el sostenimiento cerca del frente de avance. los desplazamientos radiales en X-X habrían aumentado a lo largo de las curvas EG y FH. de la Fig. Los desplazamientos radiales del techo y hastial corresponden a las abscisas de los puntos B y C. 10 . cuyo comportamiento se supone lineal. En la etapa 4 se avanza el frente 1. el equilibrio se habría alcanzado en el punto G. o línea de sostenimiento posible.5 veces el diámetro de la excavación. Sin embargo. la presión requerida por el sostenimiento para limitar el desplazamiento del techo puede caer hasta un mínimo y luego subir de nuevo. Se supone que el macizo rocoso tiene comportamiento no dependiente del tiempo. En esta etapa el sostenimiento no soporta carga porque aún no se ha producido la deformación de la roca desde su instalación. Los sostenimientos se cargan típicamente a lo largo de curvas como la DEF. La curva característica del terreno es ABCDE. El primer momento en que se puede instalar el sostenimiento es después de que hay tenido lugar un desplazamiento OG. Este sostenimiento es muy rígido y soporta una excesiva porción de carga redistribuida. como consecuencia el sostenimiento puede romper causando la rotura de la roca que rodea al túnel. lo que se traduce en el ámbito práctico en colocar el sostenimiento a una determinada distancia del frente. Figura 6. Se habla de momento de colocación en el sentido de que el sostenimiento se coloca cuando el macizo rocoso se ha deformado una determinada cantidad. Influencia de la rigidez del sostenimiento y distancia al frente. 11 . El macizo lleva la principal porción de la carga y los elementos de sostenimiento no están excesivamente cargados. Como muestra la Fig. . .El sostenimiento 1 se instala en G y alcanza el equilibrio con el macizo en el punto B. no sería una mala solución.El sostenimiento 2. Sin embargo.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia El diseño racional de sostenimiento y refuerzo debe tener en cuenta la interacción entre el sostenimiento y el macizo rocoso.6 muestra un diagrama de interacción terreno-sostenimiento para un problema similar al ilustrado en el caso anterior. La rigidez y el momento de instalación del sostenimiento tienen una gran influencia en el control del desplazamiento y la interacción entre la curva del terreno y la del sostenimiento proporciona el punto de equilibrio. pues se produciría una reducción en la resistencia del macizo y éste podría colapsar. teniendo menor rigidez alcanza el equilibrio en C.5 se debe permitir un desplazamiento suficiente para que parte de la energía se convierta en deformación y no sólo en tensión con el fin de restringir las cargas sobre el sostenimiento a unos niveles adecuados. Si el desplazamiento en el borde de la excavación es aceptable. La Fig. no debe permitirse un desplazamiento excesivo. tiene una rigidez mucho menor que el 2 y también se instala en G. Panet. Este sostenimiento 3 es demasiado flexible en este caso.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia . Tomando como referencia la solución propuesta por Panet (1996). el equilibrio es aún estable en el sentido dinámico.4 SOLUCIONES ANALÍTICAS DE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL TERRENO Todas las curvas obtenidas de forma analítica. En todos estos casos se ha supuesto constante la rigidez del sostenimiento. Torres. los desplazamientos serán enormes y el sostenimiento tendrá que soportar tensiones muy elevadas. En este caso. . 1. alcanzando el equilibrio en D. este autor utiliza λ como parámetro de descarga. el sostenimiento se instala demasiado tarde y tendrá lugar una excesiva convergencia de la excavación. A menudo. a la distancia del frente adecuado.El sostenimiento 4. que se supone hidrostática…Diversos son los autores que proponen formulación (Salençon. Hoek. La gunita y los bulones de lechada de cemento. elasto-frágil y elasto-plástico con reblandecimiento). pueden fluir a medida que fraguan. Brown…) bajo distintas suposiciones de comportamiento del terreno (elasto-plástico perfecto. Hoek-Brown). sin embargo. A continuación se presenta la solución para terrenos con comportamiento elastoplástico perfecto propuesto por Panet (1995). se da un comportamiento inicial no lineal debido al incompleto contacto entre la roca y el sistema de sostenimiento. de manera que λ=0 representa la situación previa a la excavación ( ) y λ=1 indica que el frente de avance ya ha pasado y está 12 .El sostenimiento 3. El arte de excavar túneles consiste pues en instalar el sostenimiento adecuado. del mismo tipo y rigidez que el 2. Carranza. Los sistemas de sostenimiento con menor rigidez son los cuadros metálicos o la entibación con madera. así como distinto criterios de rotura (Mohr-Coulomb. aliándose con las fuerzas de la naturaleza para que el macizo rocoso absorba en forma de deformación la mayor parte de la energía tensional liberada. Duncan. En la práctica esto no ocurre y habitualmente la rigidez es no lineal. Fairhurst. Fama. la situación es peligrosa pues una carga adicional podría no ser aceptable por el sostenimiento. Aunque puede ser una solución temporal. donde el macizo rocoso ha empezado a caer. se han desarrollado bajo hipótesis muy restrictivas respecto a la forma de excavación (circular) y la tensión de campo. y los elementos de sostenimiento se sobrecargarán antes de que se alcance el equilibrio. En esta parte de la curva. se instala cuando ha tenido lugar un desplazamiento radial de magnitud OF. sometido a un campo tensional con comportamiento elasto-plástico perfecto. ϕ) y por una regla de flujo no asociada que vendrá marcada por una dilatancia ψ. lo que se corresponde al estado final de descarga. Los valores del desplazamiento radial en la parte elástica según: se obtienen Y en la parte plástica como: 13 . . Recuérdese que la relación entre G y E es: En el instante de la rotura que se obtiene según la expresión: ( ) Donde: Siendo la tensión de campo hidrostática en la zona del túnel.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia suficientemente lejos ( ). C. El régimen elástico está caracterizado por las constantes elásticas correspondientes al módulo elástico de Young E y el coeficiente de Poisson ν (o las equivalentes módulo de cizallamiento elástico G y ν). la resistencia a compresión simple del macizo rocoso y ϕ el ángulo de fricción del macizo rocoso. y ángulo de fricción. obteniéndose el valor final del radio de plastificación para λ=1. El régimen plástico está caracterizado por el criterio de rotura de Mohr-Coulomb (cohesión. mediante la expresión: * ( ) ( ) + El radio de plastificación irá variando a medida que se avance la descarga con λ. Resolviendo las ecuaciones diferenciales correspondientes se podrá obtener el radio de plastificación en cada momento de la descarga . excavado en un terreno Se parte de un túnel de radio R. • Como consecuencia de lo señalado en el punto anterior. Es decir. en su defecto. en la medida de lo posible. conviene mantener inalteradas. se deben diseñar los túneles con formas redondeadas. • Para facilitar la distribución de tensiones en el anillo de roca que rodea al túnel. evitando los puntos angulosos.. las características de la roca que rodea al túnel. La carga que va a soportar el sostenimiento dependerá pues del momento en que se coloque tras la excavación. ya que se forma un arco de descarga en torno al túnel que transmite las tensiones a ambos lados de éste. técnicas que suavicen el efecto de las voladuras sobre la roca: recorte. Para ello es beneficioso emplear cualquier técnica de excavación mecánica o. 1. las ideas fundamentales o generalidades para métodos de sostenimientos son las siguientes: • La zona de roca que circunda al túnel interviene en la estabilidad de la excavación y es el principal elemento del que depende ésta. es la propia roca la que se autosostiene.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia [ ( ) ( ) ] ( ( )( ) ) La curve característica del terreno se construye enfrentando cada valor de la presión interna a su valor correspondiente de desplazamiento radial.. precorte. 14 .5 CONCLUSIÓN En esencia. con objeto de que la roca desarrolle su capacidad autoportante. • El sostenimiento se colocará de forma que deje deformarse al terreno siempre dentro de la estabilidad del túnel. En cualquier caso. requiere un precioso tiempo durante el cual la excavación podría colapsar. Más adelante. Esta estandarización supone un preciso cálculo del sostenimiento para cada sección.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia • En la etapa de Proyecto se diseñan varios tipos de sostenimiento a aplicar según sea la calidad de la roca. para realizar una determinación precisa es necesario estudiar cada sección de forma separada ya que pueden diferir entre ellas por las capas de roca encontrada. no se consideran las condiciones de ejecución de la obra. suponiendo que existe solución. puede colocarse o no un revestimiento definitivo de hormigón encofrado. • Inmediatamente tras la excavación se coloca un sostenimiento primario que estabiliza al túnel. Además. determinando sus propiedades y la influencia de cada capa sobre las demás. De hecho. El tipo de sostenimiento a usar se debe limitar a uno o dos de manera que no se desestabilicen las operaciones subterráneas de abastecimiento de material. es un problema debido a la redistribución de tensiones alrededor de la excavación. Podría ser necesario realizar ensayos de cada capa. casi todas estas limitaciones pueden ser en gran parte solventadas haciendo uso de soluciones numéricas. Límites de aplicación del método de convergencia/ confinamiento. El uso de criterios de rotura no lineales (Hoek-Brown) dificulta la obtención de soluciones analíticas. por lo que la mayoría de las soluciones corresponden al criterio de rotura Mohr-Coulomb. tales como presencia de agua u otros factores funcionales. existen otros problemas de difícil resolución que hay que tener en cuenta a la hora de aplicar esta 15 . La estimación del sostenimiento requerido para estabilizar una excavación sobre todo en las proximidades del frente. donde se pueden especificar estas condiciones de partida tan distintas de las necesarias para obtener la solución analítica. su buzamiento y posición. Por otra parte. Las limitaciones de esta metodología nacen de las hipótesis tan restrictivas que hay que imponer para poder obtener la curva característica del terreno para obtener soluciones analíticas. Esto puede requerir una serie de experimentos y análisis matemáticos cuya solución. la necesidad de instalar el sostenimiento inmediatamente después de la excavación no permite tiempo para cálculos ni para fabricación de sostenimiento. Durante la obra los sostenimientos se optimizan con la información que aporta la instrumentación del túnel. Sin embargo. en función de otros factores. se mide la variación de longitud entre los puntos opuestos y se nivela el punto en clave para tener constancia del movimiento (vertical) absoluto de éste. Figura 7: Sección de medida de convergencia y distancia al frente Para la medida de longitudes se pueden utilizar aparatos. Según la importancia del túnel los puntos de una sección transversal pueden ser tres o más. se colocan inmediatamente después de la excavación. dos en los riñones y dos en los hastiales. Habitualmente son uno en la clave. llamados extensómetros que con ayuda de los hilos invar mantenidos a presión constante por un dinamómetro consiguen precisiones de la décima de milímetro. por definición. pero estos tienen la ventaja de la rapidez con la que se ejecutan las medidas.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia metodología: (i) la propia metodología. La medida de la convergencia de una sección es la medida más simple y a la vez más representativa. al igual que los métodos topográficos. MEDIDAS DE CONVERGENCIA Se llaman convergencias a los movimientos relativos producidos entre dos puntos del intradós de un túnel. La cinta metálica milimetrada puede ser utilizada cuando la precisión exigida es menor. una serie de clavos en la sección transversal al eje longitudinal del túnel. 16 . Para la medición de la convergencia. implica modelizar un problema de carácter claramente tridimensional usando un modelo bidimensional y (ii) la dificultad en la obtención de parámetros materiales fiables que caractericen el macizo rocoso es clara 2. precisiones utilizadas en la fase de construcción. y hasta la milésima de milímetro para túneles en explotación. 17 . Para el estudio detallado de la convergencia de la sección de un túnel se debe tener en cuenta lo siguiente: En este primer gráfico. Figura 8: Distancia al frente de excavación (x) en función del tiempo (t). En los siguientes gráficos se van a representar las variaciones de la convergencia (c) en función del tiempo (t) y en función de la distancia x. Será necesario conocer también la distancia al frente de excavación (x) en cada toma de medidas de convergencia. aunque en tramos delicados esta distancia puede reducirse considerablemente.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia La distancia entre secciones de convergencia depende de la naturaleza y heterogeneidad del terreno: habitualmente se suelen disponer cada 20 o 30 metros. Figura 9: variación de la convergencia (c) en función del tiempo (t). se representa la distancia al frente de excavación (x) en función del tiempo (t). lo que se hace instrumentando secciones de control cuidadosamente elegidas. Para ello se debe auscultar todo el túnel. Estos dos objetivos se dividen en dos fases distintas de proyecto. los dos objetivos principales de la instrumentación van a ser: conocer el comportamiento del terreno según se va ejecutando el túnel y controlar su evolución una vez construido. ajustando parámetros de cálculo. La instrumentación en este caso se diseña para comprobar el equilibrio en el 18 . etc. lo que se hace comprobando si se produce la estabilización de las medidas. es importante analizar el terreno atravesado: describiendo y analizando materiales encontrados. Instrumentación: Como se ha mencionado anteriormente. conociendo deformaciones y/o tensiones reales. En este caso la instrumentación se diseña para conocer el comportamiento de los diferentes tipos de terreno.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Figura 10: Variación de la convergencia en función de la distancia (x). y cada una requiere una atención distinta: Durante la construcción: Se debe controlar si las hipótesis de proyecto se ajustan a la realidad del terreno encontrado. e ir espaciando progresivamente las lecturas en función de la evolución de la curva convergencia-tiempo. los movimientos del túnel dependen directamente del comportamiento del terreno. y por ello basta con estudiar bien algunas zonas por cada tipo de terreno. Por ello. si se dieran. Es importante efectuar lecturas diarias en la fase inicial. También se debe conocer si se produce o no un equilibrio entre esfuerzos y capacidad resistente de los sostenimientos. para poder detectar. inestabilidades tanto en el frente de avance como en zonas ya atravesadas. a continuación se van a desarrollar los distintos equipos. Control topográfico Inclinómetro Extensómetro de varillas Desplazamientos o asientos relativos entre puntos Variación angulares Aparato o Equipo Cinta de convergencia Utilización Desplazamientos entre puntos Tabla 1: Equipos que se utilizan en instrumentación En esta tabla se recogen los equipos que se utilizan en instrumentación. destacando los de medida de desplazamientos. Durante la explotación: Se debe controlar si se produce la desestabilización a largo plazo de alguna zona del túnel. y debe hacerse a lo largo de todo él. por lo que da lugar a una instrumentación sistemática. Para movimientos relativos: Cintas de Convergencia Una Cinta Extensométrica es un dispositivo portátil que se usa para medir el desplazamiento entre pares de pernos referencia instalados sobre una estructura o en una excavación. A continuación se expone una tabla de los aparatos y equipos que van a ser desarrollados posteriormente: Función Medida de desplazamientos Medida de desplazamientos Medida de desplazamientos Medida de desplazamientos Medida de fuerzas o tensiones Medida de deformaciones Extensímetro de cuerda vibrante Medida de deformaciones en elementos estructurales Células de carga Dianas. es necesario mantener operativos los equipos colocados durante la construcción y mantener un plan de lecturas sistemáticas. Los pernos están fijados de manera permanente para proporcionar un punto de referencia exacto en la superficie de la estructura. 19 . etc. prismas.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia túnel. para ello. Para obtener la máxima precisión se debe usar un único instrumento a lo largo de la duración de un proyecto. El pin se engancha en el agujero apropiado de la cinta y se asegura con un clip de retención. La lectura final resulta de sumar la lectura sobre la cinta de la posición del agujero en el que se ha enganchado el pin y la lectura digital. y un gancho conector. A continuación se expone un ejemplo real de una Cinta Extensométrica de Soil Instrument Ltd. de cualquier forma la correlación entre ambos instrumentos puede realizarse fácilmente in-situ. la tensión de la cinta se ajusta mediante la rotación de un collar con estrías hasta que las líneas blancas de la carátula y del cursor móvil queden exactamente alineadas.1 mm. 20 . El cuerpo de la cinta extensométrica también tiene un gancho idéntico al que se encuentra en el extremo libre de la cinta. El instrumento incorpora un dispositivo tensor de la cinta y una pantalla LCD para su lectura digital. APLICACIONES ESPECÍFICAS TUNELES Movimientos radiales y convergencias. Con un operador experimentado se puede obtener una repetitividad en las lecturas de 0.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Hay disponibles pernos con diversas longitudes de anclaje en función de las características de las superficies a controlar. El instrumento puede ser usado por una sola persona. Auscultación y control de la construcción mediante el Nuevo Método Austriaco. la unidad completa de Cinta Extensométrica comprende una cinta de medida de acero inoxidable con agujeros perforados de manera precisa y equidistante. pero respecto a la medida o al movimiento anterior proporciona datos precisos a lo largo del tiempo. Se debe establecer una nueva base de medidas cada vez que la cinta es remplazada. La cinta está enrollada en un carrete que está unido al cuerpo ligero del instrumento. Es importante resaltar que las medidas obtenidas no son absolutas. En este caso. En estos casos se instalan unos potenciómetros en los cabezales de los extensómetros. depósitos nucleares. Generalmente se suelen emplear en proyectos especiales como por ejemplo en laboratorios de investigación subterránea. 21 . con cabezales de 1 varilla. Hay extensómetros de 1 a 4 varillas por cabezal. no ocurre lo mismo en Europa. respecto a la boca de la perforación. que transforman las deformaciones en señal eléctrica. o a distancia donde se haya centralizado la lectura de varios. Extensómetros de Varillas Son varillas colocadas en una perforación realizada en el terreno y ancladas en un extremo. etc. Su lectura se hace directamente en el cabezal con un comparador. pero se recomienda la instalación en perforaciones independientes. donde se coloca un “cabezal”.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Figura 11: Cinta extensométrica El empleo de las cintas de convergencia en España es un hecho habitual. estas cintas son cada vez menos usadas. Se miden los desplazamientos del otro extremo. Figura 12: Extensómetro de Varillas Inclinómetros Consiste en un “torpedo” que se introduce en una tubería acanalada (para su dirección). y mide las variaciones angulares de su posición en diferentes puntos a lo largo de la tubería. Su 22 . se calcula la deformada de la tubería. se deberán emplear métodos topográficos para medir los movimientos absolutos del otro. que son relativas. colocando una arqueta cerrada con llave. A estas medidas. y debe hacerse solidaria al mismo.1mm. hay que sumar los movimientos del cabezal. Si se quieren obtener movimientos absolutos de un extremo. La nivelación del cabezal. Debe ser protegida externamente. para lo cual es importante el cuidado de la perforación y la inmediata colocación de la tubería y su relleno exterior. en sondeos verticales desde la superficie. que difícilmente alcanzan esta precisión. Cuando se instalen en superficie deben ser protegidos externamente.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Estos equipos miden movimientos relativos entre el extremo anclado de la varilla y el cabezal. colocándolos en una arqueta cerrada con llave. en estos casos. y se sitúan en los laterales del mismo (a una distancia máxima de 2m del hastial). En condiciones normales se instalan mejor los extensómetros de exterior. Integrando estas variaciones. es más fácil también que obtener los movimientos absolutos de los cabezales en el interior del túnel. Se usan normalmente en el exterior del túnel. La precisión final de estas medidas está en el orden de 0. La tubería se coloca en el interior de una perforación realizada en el terreno. Eligiendo un origen adecuado. etc… La precisión de esta metodología depende de la profundidad. Su utilización consiste en introducir el “torpedo” periódicamente a lo largo de la construcción. y analizar dichos movimientos en cada fase de la construcción. de las paredes de la perforación. así se obtienen sucesivas deformadas en el tiempo. a una determinada profundidad. para medir las deformaciones del terreno por delante del frente de avance.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia profundidad debe ser hasta un diámetro y medio aproximadamente. su uso se reserva a los emboquilles que realmente presentan un grado de complejidad apreciable. por debajo de la solera del túnel (para poder considerar como fijo el extremo inferior). Figura 13: Inclinómetros 23 . se puede representar la evolución en el tiempo de los movimientos perpendiculares a la tubería en ese punto. pero no es habitual. a pesar de los grandes beneficios que aportan estas medidas. Estos movimientos se pueden comparar a las convergencias de interior. se obtienen por diferencias los movimientos sufridos por la perforación.5mm. y tiene muchas dificultades. Eligiendo un punto cualquiera. se pueden eliminar parte de los errores de profundidad y conseguir precisiones de 0. Tanto los inclinómetros como los extensómetros presentan el inconveniente de ser unas medidas mucho más caras que las nivelaciones o convergencias y por ello. y con ella el terreno solidario. pero realizando las correcciones oportunas y midiendo los movimientos absolutos en superficie. Existen experiencias de utilización en interior (en perforaciones horizontales y al frente). Estos datos deben analizarse inmediatamente para poder tomar las decisiones oportunas cuando se detecta cualquier movimiento. 24 . a través de radio o por conexión a internet. Software que realiza la gestión de datos de forma autónoma. Prismas: situados en los puntos a controlar. Estos sistemas están formados por: Estación total (puede estar robotizada y automática). permitiendo su visualización y análisis desde cualquier acceso remoto y en cualquier momento. con suma rapidez y en tiempo real. Figura 14: Estaciones totales Trimble S6 y S8 (Cortesía de Trimble y Al-top) Figura 15: Sistema instalado para la medida automática de las convergencias.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Sistemas Topográficos Con los Sistemas Topográficos es posible llevar a cabo la medición de deformaciones con gran precisión y de forma continua y automatizada. capaz de realizar mediciones de alta precisión y de forma rápida. Sensores para el reconocimiento del prisma. que el sistema compara con el cálculo anterior. registro de datos y alarmas de aviso. determina las tolerancias admitidas. de forma tal que es posible obtener unos diferenciales de coordenadas de cada punto. que permitirá calcular las coordenadas de dichos puntos. El software de control centraliza los datos y configura cada uno de los equipos en cuanto a los periodos de medición. realiza los cálculos y analiza en tiempo real cualquier movimiento sufrido en los puntos de control. calcula convergencias… Para el proceso de medición hay que tener en cuenta varios factores: Decidir la precisión necesaria para determinar los posibles desplazamientos de los puntos a controlar en función del movimiento esperado. hay que programar cuando se miden y tener en cuenta correcciones de temperatura y precisión en la medida de distancias. compararlas con la observación anterior para detectar movimientos. Zona de ubicación de las estaciones. Elegir el instrumento adecuado. Una vez obtenidos los datos. Las estaciones totales son controladas desde un centro de vigilancia que las gestiona. así como tener en cuenta el fenómeno de refracción en la medida de ángulos. En cuanto a la medición de los datos. El control se realiza de forma planificada a partir de un proceso cíclico monitorizado (es posible automatizar la observación de numerosos prismas situados en los puntos de control de forma programada). Estos dos últimos puntos son muy importantes para optimizar el número de estaciones necesarias para controlar el mayor y mejor número de puntos posibles. 25 . Si la diferencia de coordenadas excede una tolerancia establecida. dibuja gráficos. y dar la voz de alarma si es preciso. Determinar la zona de control (posible afección de deformaciones).Deformaciones: Convergencia y Subsidencia El procedimiento de medición consiste en realizar medidas angulares y distanciométricas desde las distintas estaciones totales hacia los puntos de control definidos para el estudio del posible movimiento. emite informes. el sistema de tratamiento nos lo indica. se realiza el cálculo de coordenadas de cada uno de los prismas de control. Teóricamente se pueden medir tensiones tangenciales y radiales. según se dispongan las células respecto a la directriz del túnel. 26 . debido a su gran tamaño en relación con los espesores del sostenimiento y el revestimiento. Son equipos difíciles de colocar bien y existen abundantes casos de medidas incoherentes debido a: Deficiente instalación Les puede afectar la puesta en obra del hormigón El correcto funcionamiento es difícil.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Células de presión Son equipos que miden tensiones de compresión. Estos equipos acompañan en su deformación a los elementos a los que se sujetan y permiten conocer la tensión a que se encuentran sometidos. pero su utilización más habitual es para la medición de tensiones radiales (se colocan tangenciales si el espesor del revestimiento es grande). embebidas en el hormigón o en las superficies de contacto entre ambos. determinan las variaciones de esta variable. o de estos con el terreno. mallazos) o el revestimiento de hormigón armado. Figura 16: Células de presión Extensímetros de cuerda vibrante Son equipos utilizados para conocer las solicitaciones de los elementos metálicos en el sostenimiento (cerchas. y por diferencia con la presión inicial del equipo (tras una presurización para mejorar el contacto de las paredes). Se instalan en el interior del sostenimiento y/o del revestimiento. es costosa. etc. Estas secciones pueden ser de dos tipos: Secciones de control interiores: 27 . todo ello depende de: Profundidad del túnel y posibilidad de acceso a la zona de superficie. La instrumentación desde el exterior siempre es preferible. presencia de agua. Tipo de terreno y problemática propia. especialmente por suponer un obstáculo al hormigonado correcto de la pieza. sobre el túnel. y posterior medida y análisis. lo que se quiera controlar. Método constructivo y posibilidad de acceder al frente de trabajo. Instrumentación localizada en zonas de interés Para conocer el comportamiento teórico del terreno en las diferentes zonas del túnel. Esta zonificación deberá atender a diferentes circunstancias como son: tipo de terreno. se deben controlar todos los tipos de terrenos que puedan verse afectados por la subsidencia. se definen secciones de control en puntos representativos de las características de cada zona. edificios u otras construcciones cercanas. etc. cobertera.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Su instalación debe hacerse con sumo cuidado para no afectar al comportamiento estructural del elemento al que se sujeta. Si la zona es urbana. dependiendo de las circunstancias de la zona. por lo que se deben de plantear dos cuestiones fundamentales a la hora de elegir la instrumentación: qué se quiere medir y para qué. Figura 17: Extensímetro de Cuerda Vibrante Planteamiento de la instrumentación La instrumentación. Cada túnel tiene una instrumentación adecuada diferente. solo pueden hacerse una vez excavado el túnel en ese punto. El tipo de instrumentación elegido debe facilitar información que se pueda contrastar con un modelo matemático.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia CP: Célula de Presión Ex 2/4/6: Extensómetros con anclajes Figura 18: Secciones de control exteriores. Tienen la ventaja de poder instalarse en cualquier punto del túnel. por tanto. pero su instalación y primera medida. con el objetivo de detectar cualquier incidencia. registrar toda variación producida por la construcción. Tienen la ventaja de poder medir desde antes del paso del túnel y. y revisar los cálculos antes de iniciar otras fases de excavación más comprometidas. Esto consiste en la instalación de muchos puntos de control y de características sencillas para controlar la totalidad del túnel. 28 . Instrumentación sistemática a los largo del túnel. De esta manera se podrán ajustar los parámetros del terreno al inicio de los trabajos. Secciones de control exteriores: Figura 19: Secciones de control. es fundamental la identificación cuidadosa de cada equipo. Un ejemplo de lo que se ha de tener puede ser: Planos de situación con todas las secciones y equipos de instrumentación colocados. esto es de gran importancia. y es conveniente que se detalle toda la información de los equipos para evitar problemas. la gente cambia. Figura 20: Sección de control exterior. ya que a lo largo de la obra. para ello. Información específica (fecha de instalación. Características del equipo instalado. responsable de instalación. se hace habitualmente con medidas de convergencias. etc. Equipos instalados Es muy importante recoger toda la información de los equipos instalados.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Si la instrumentación se hace desde el interior.) 29 . Secciones transversales de todas las secciones de control identificando la posición de cada equipo. y especialmente en todos los edificios situados en una banda alrededor del túnel. También se debe instrumentar sistemáticamente la superficie en zonas urbanas. No se debe abandonar ninguna sección de convergencia y nivelación. Es importante tras la estabilización seguir realizando la toma de medidas. 30 . y malo es medir demasiado y que la abundancia de datos impida el análisis sistemático y la detección de variaciones significativas. hasta que se decida su suspensión. Por detrás de esta zona se debe leer periódicamente (semanal. o se decida por la dirección de obra. malo es no medir cuando se debe. humanos y de equipamiento de los que se disponga. mientras el túnel no tenga el revestimiento definitivo construido. La instrumentación en secciones de control debe medirse selectivamente.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Lecturas Es importante buscar un equilibrio entre el interés por tener muchos datos y la capacidad de su análisis inmediato a pie de obra. Figura 21: Medida de Convergencias en el túnel de Archidona (Málaga). se debe medir diariamente hasta que se aprecie una tendencia. La instrumentación sistemática debe leerse diariamente cerca del frente de avance (hasta 3 diámetros de distancia). quincenal. que no se necesita seguir midiendo. tras lo cual se podrán distanciar las lecturas hasta su estabilización. Es por ello por lo que se deben optimizar los recursos. Cuando se espera que el paso del túnel empiece a detectarse. Cuando se instala se debe medir frecuentemente hasta asegurarse de que las lecturas son correctas. mensual) en función de como se vayan estabilizando las lecturas. tras la correspondiente justificación. las medidas suelen representarse como variación respecto a la lectura inicial. se presentan los resultados obtenidos de las lecturas anteriormente realizadas. incidencias en los equipos… Recomendaciones para manejar datos fiables exentos de errores: En lo posible. En estos casos se debe repetir la medición y comprobar que no ha habido errores. teniendo a otra como sustituta para épocas de vacaciones. normalmente. debe medir siempre la misma persona. especialmente si la variación es significativa.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Resultados En este apartado. Cada medida debe ir acompañado de los comentarios pertinentes acerca de las fases significativas de los trabajos. fecha/medida. Se debe extremar el cuidado en la calibración Se deben presentar y conservar todos los resultados aunque haya incoherencias aparentes. 31 . sin intentar corregirlos en función de alguna teoría. Al medir se debe asegurar la bondad de la medida. Tiempo/velocidad y pk/medidas. Se representan habitualmente mediante gráficas. etc. Ello tiene como consecuencia la inducción de un campo de deformaciones en el terreno. SUBSIDENCIA 3. con tendencia a producir tracciones horizontales en la clave. originadas por 32 .Deformaciones: Convergencia y Subsidencia 3. Las deformaciones que se producen en superficie. de compresión entre la superficie y la clave del túnel. Esto significa que habrá movimientos de la superficie y sus proximidades con componentes horizontal (lo que a menudo se olvida) y vertical (asiento). La excavación de terreno en una obra subterránea introduce una clara alteración del estado tensional inicial del mismo. que pueden ser naturales o causados por el impacto de una gran variedad de actividades humanas. etc. etc. que tiende a cerrarse en torno a la excavación (con extensión entre la superficie y la clave del túnel. Figura 22: Vista aérea de una subsidencia Dentro de esa variedad de actividades humanas que provocan la subsidencia se encuentra la construcción de túneles.) y que viene a equivaler a desplazamientos radiales hacia el túnel. aumento de la compresión vertical en hastiales.1 CONCEPTO DE SUBSIDENCIA La subsidencia terrestre es un fenómeno que implica el asentamiento de la superficie terrestre en un área extensa debido a varios factores. levantamiento ligero del fondo de la excavación. el movimiento de un punto de la superficie se inicia varios días antes de 33 . velocidad de avance. etc.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia alteraciones en el equilibrio interno del terreno y no por sobrecargas directamente aplicadas en ellas son lo que constituyen el fenómeno conocido como subsidencia. Figura 23: Representación general de una subsidencia Los movimientos finales son función de un gran número de factores: Geometría del problema Heterogeneidad del terreno y presencia de agua El proceso constructivo (tipo de elemento excavador. Deformabilidad relativa entibación. tiempo que transcurre hasta realizar inyecciones de contacto. Además para la estimación de estos movimientos se debe considerar el tiempo. huecos que quedan entre zonas excavadas y revestimiento.). En general.terreno y su evolución en el tiempo etc. Normalmente se presta más atención a los movimientos en superficie por su repercusión en elementos de la misma. pero no deben olvidarse las deformaciones interiores que inducen movimientos considerables que pueden afectar a cimentaciones profundas. desfase entre los frentes de túneles paralelos. que influye considerablemente en la magnitud de la relajación total que va a experimentar el terreno. La extracción de minerales en galerías subterráneas. desde un punto de vista genético o general.2 TIPOS DE SUBSIDENCIA Podemos definir la subsidencia. Figura 24: Evolución de la subsidencia en función del tiempo. la construcción de túneles. el descenso de nivel freático. Dicho valor máximo será alcanzado en un tiempo que varía entre varios días (suelos duros no fisurados) a varios meses. la disolución natural del terreno y lavado de 34 . 3. La subsidencia puede también clasificarse en función de los mecanismos que la desencadenan. tales como pliegues. petróleo o gas) acumulados en reservorios subterráneos. Subsidencia endógena: hace referencia a aquellos movimientos de la superficie terrestre asociados a procesos geológicos internos. etc. vulcanismo. fallas. como: Subsidencia exógena: se refiere a los procesos de deformación superficial relacionados con la compactación natural o antrópica de los suelos. la extracción de fluidos (agua.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia que el frente de excavación llegue a su vertical y continúa de forma que cuando el frente alcanza el punto de observación el asiento puede ser de un 10% a un 50% del valor máximo. 35 . Figura 25: Subsidencia minera. El agua. moviliza partículas de suelo generando una serie de canales que pueden desencadenar colapsos del terreno. Figura 26: Subsidencia por erosión. La subsidencia por erosión subterránea se produce por un proceso mecánico de arrastre de partículas de suelo causado por el flujo de agua subterránea. en su recorrido horizontal por el terreno. los procesos como fallas.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia materiales por efecto del agua. El fenómeno es conocido como tubificación o “piping”. son algunas de las causas de los procesos de subsidencia. La subsidencia minera o por construcción de obras subterráneas consiste en el hundimiento de la superficie del terreno con motivo de la deformación y/o colapso de galerías generadas para la extracción de minerales o la construcción de túneles respectivamente al intentar ocupar el suelo el vacío generado los terrenos circundantes. Deformaciones: Convergencia y Subsidencia En torno a diversas formaciones evaporíticas se producen fenómenos de subsidencia asociados a fenómenos de flujo lateral. Figura 28: Subsidencia por carga Las vibraciones producidas por los terremotos. explosiones u otras causas pueden causar la densificación de terrenos granulares sueltos por reajuste de partículas al alcanzar éste una estructura más compacta. Esta subsidencia se produce por una reducción gradual de los huecos del suelo. Figura 27: Subsidencia por flujo lateral La acumulación natural sucesiva de sedimentos o determinados tipos de cimentaciones pueden ocasionar la consolidación del terreno como consecuencia del peso que ejercen los sedimentos o las construcciones. 36 . Se ha observado en materiales arcillosos intercalados entre materiales más competentes como pizarras. en general.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Figura 29: Subsidencia por vibraciones La extracción de fluidos (agua) desde el terreno puede causar importantes valores de subsidencia como consecuencia del cierre gradual de los huecos rellenos por el fluido extraído. Figura 31: Subsidencia Tectónica 37 . Figura 30: Subsidencia por extracción de agua Los descensos de la superficie terrestre producidos por las fallas producen un efecto conocido como subsidencia tectónica. Este tipo de subsidencia es. muy lenta y de pequeña magnitud (de pocos mm o décimas de mm al año) frente a otros tipos de subsidencia. el cual se alcanza con posterioridad a sobrepasar el frente la vertical de dicho punto.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia 3. el orden de magnitud y distribución de la subsidencia para túneles ejecutados en condiciones similares. reproducir con bastantes simplificaciones. incluso se pueden producir levantamientos (en arcillas rígidas y excavaciones con EPB). mas acentuada en zonas de menor cobertera o terrenos de mala calidad. Por otra parte. el desarrollo en los últimos años de herramientas de cálculo y disposición de procesadores cada vez más rápidos ha permitido la evaluación de subsidencias esperables con la aplicación de métodos numéricos y modelos que intentan reproducir el modelo constructivo. acentuada por tratarse de un fenómeno tridimensional y dependiente del tiempo. se ha producido entre el 10% y el 50% del asiento máximo. que se manifiesta en superficie en forma de una cubeta de asientos. La excavación y sostenimiento de un túnel originan la redistribución del estado tensional alrededor de su contorno. lo que provoca la reducción de la sección teórica de excavación. con un elevado grado de fiabilidad. Este movimiento continúa. y el desarrollo de convergencias radiales hacia el interior de la excavación. la presencia de otros túneles o edificaciones y el comportamiento del terreno en la post-rotura. En algunos casos. el movimiento de un punto en la superficie de un túnel empieza varios metros antes de llegar el frente de excavación a la vertical de dicho punto. Los modelos de cálculo permiten. La estimación teórica del asiento máximo y su evolución es complicada debido al gran número de variables que intervienen. el procedimiento constructivo y tener en cuenta aspecto tales como la consideración del estado tensional geoestático.3 MÉTODOS PARA LA ESTIMACIÓN DE SUBSIDENCIAS En la mayoría de los casos. de forma que cuando el frente llega al punto de observación. en teoría. Para la previsión de la subsidencia se han utilizado tradicionalmente procedimientos analíticos basados en observaciones de experiencias reales (métodos empíricos) que han permitido estimar. En particular para un túnel excavado con una 38 . es posible analizar la sensibilidad de la subsidencia que se obtiene a la variación de las siguientes variables: - Presión aplicada en el frente. Asimismo. la rigidez de los elementos e infraestructuras situados en la zona de influencia y en definitiva los modelos de comportamiento. Eficiencia del relleno del trasdós de dovelas (gap) existente. y en particular el confinamiento lateral cuya influencia en el análisis resulta muy significativa.. que pueden ser 39 . elementos finitos tanto para análisis bidimensionales o en 3D para estudios de problemáticas marcadamente tridimensionales. Alternancia de niveles geotécnicos de distinto comportamiento. La aplicación de modelos numéricos exige adoptar modelos constitutivos adecuados para representar un comportamiento del terreno lo más realista posible. etc. Para ello se emplean algoritmos de diferencias finitas. Sin embargo.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia TBM-EPB. Estado tensional inicial y cobertura existente.). influyen en el resultado los parámetros de resistencia y de deformabilidad del terreno. efectos de dilatación. La utilización de modelos analíticos o semiempíricos sencillos no permiten considerar adecuadamente el efecto de aspectos tales como las variaciones en las propiedades del terreno (anisotropía). La realización de ensayos in situ y en laboratorio debe plantearse con el objetivo de determinar. con la mayor precisión posible. Presencia de huecos en la geometría. no solo los valores característicos sino también sus rangos de variación local y a distintas profundidades con objeto de poder efectuar análisis de sensibilidad e identificar las variables críticas que manejan el fenómeno. Comportamiento del terreno en la post-rotura (efectos de dilatación negativa o positiva. Resulta particularmente difícil conocer cual es el estado real inicial de tensiones in situ. interacción suelo-estructura. etc. desde el punto de vista práctico no tiene sentido la utilización de modelos sofisticados que requieren la incorporación de múltiples parámetros de cálculo que no siempre pueden ser bien conocidos. Deformaciones: Convergencia y Subsidencia determinantes por lo que no considerarlos puede conducir a resultados excesivamente simples y poco realistas. en modelos muy complejos la interpretación de los resultados se complica. y en la mayor parte de los casos engañoso por su mayor visual de la realidad. - Conocimiento preciso del procedimiento constructivo y de las distintas fases de ejecución. numéricos. Figura 32: Modelos tridimensionales FLAC-3D (Estudio para el Metro de Tesalónica. - Aplicación de métodos de cálculo diversos: analíticos. para una adecuada previsión de subsidencias. se requiere: - Toma de datos del terreno lo más exhaustiva y fiable posible. - Elección de modelos de comportamiento del terreno adecuados y para cuya aplicación se disponga de datos suficientemente fiables. semiempíricos. 2005). con distintas hipótesis y análisis paramétricos de sensibilidad y comparación de resultados. En consecuencia. - Contraste de resultados con casos históricos y experiencias documentadas. Toma de datos de los elementos e infraestructuras situados en el entorno: geometría. Sin embargo. si se basan en datos y modelos de comportamiento poco fiables. siendo además de dudosa utilidad. rigidez. determinista y subjetivo. 40 . materiales. que hacen innecesario un modelo de cálculo sofisticado. suele expresarse como un porcentaje de la sección transversal excavada.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia En general.4 EVALUACIÓN GLOBAL DE LOS MOVIMIENTOS De forma práctica. 3. Vs. Figura 34: Perfil transversal de la cubeta de asientos. la incertidumbre en la fiabilidad del resultado. aconseja plantear la previsión con un cierto criterio conservador. Figura 33: Imagen tridimensional de la cubeta de subsidencia. el valor absoluto de los desplazamientos superficiales puede estimarse a partir de la pérdida de terreno o área de la cubeta de asientos (o cubeta de Attewell). Esta magnitud se define como el volumen entre la posición inicial de la superficie y la posición final de la misma. 41 . Este volumen de asientos. Vs. V0.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Figura 35: Definición en planta de la cubeta de asientos (Oteo.5 a 2% en suelos rígidos y del orden de hasta el 5% en suelos blandos. suele decirse.75. Dado el proceso de extensión a que está sometido el terreno por encima de la clave del túnel esta relación entre Vs y V0 es del orden de 0. 42 . La pérdida de terreno se relaciona con la pérdida de sección. que el rango de Vs es de 0. A partir de datos reales. Pi la presión intersticial del túnel (si existe) y Cu la resistencia al corte sin drenaje. que se produce en el túnel y que suele deducirse a través de las medidas de convergencia. N= (Po-Pi)/Cu Siendo Po la presión total o sobrecarga de tierras en el eje del túnel. El volumen de asientos se puede representar también en función del factor de sobrecarga. 2003).65 a 0. N. aunque ello depende del sistema constructivo. Rankin y Oteo y Moya. 43 . A continuación.plástico. Como resultado de ese estudio puede deducirse que: El volumen de asientos tiende a aumentar con el factor de sobrecarga. se van a exponer las aportaciones de Peck. Sagaseta y Oteo.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Figura 36: volumen de asientos. Vs. en función del factor de sobrecarga. Por último estudiaremos el “modelo Madrid” que es un modelo semiempírico ampliamente contrastado con las medidas reales. N. El análisis elástico reproduce suficientemente bien el fenómeno. Sagaseta (1987) realizó un análisis teórico correspondiente tanto a comportamiento elástico como elasto. 3. Para valores de N<3 el volumen de asientos se corresponde bien con los cálculos teóricos (apertura de excavación cilíndrica). Para N>3 el análisis teórico es una cota superior.5 EVALUACIÓN DE ASIENTOS VERTICALES Existen varios modelos para la estimación de los asientos. 1 Peck (1969) En la práctica ha venido utilizándose un método sencillo basado en un modelo estocástico debido a Schmidt y difundido por Peck (1969). la profundidad relativa del eje del túnel (referida a su diámetro H/D) y la distancia desde este eje al punto de inflexión. Como podemos observar en la figura anterior: En el punto situado a una distancia i del eje de simetría. Para la definición del punto de inflexión Peck recogió los resultados de medida en túneles reales. 44 . Figura 37: Ley de asientos en superficie (Peck. referida al radio.61 δmax. i/R (Figura 38). Esta curva es muy parecida a la curva de asientos medida en la realidad y viene definida por dos parámetros (por ejemplo. el asiento máximo sobre la clave (δmax) y la abscisa del punto de inflexión (i)). el asiento vale 0. relacionando. Peck basa su método en suponer que la forma de la ley de asientos superficiales es similar a una campana de Gauss invertida o curva de distribución normal.5.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia 3.1969). Con esta hipótesis de tomar la curva de distribución normal como la ley de asientos. podemos deducir que el volumen de asientos vale: Vs=2.5 *i *δmax Para estimar el valor de los asientos suponiendo conocido el valor del punto de inflexión i utilizaremos la siguiente expresión deducida a partir de la fórmula anterior: Donde: 45 . Figura 38: Gráfica para la localización del punto de inflexión. En dicho punto se producen los máximos asientos diferenciales superficiales y los máximos movimientos horizontales.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia El punto de mayor curvatura está situado a √3 i del eje de simetría de la curva. el proceso constructivo. En el caso de grandes deformaciones. los asientos obtenidos por dicha expresión discrepan de los asientos reales.5. Por esta razón el sistema de Peck ha resultado incompleto con respecto a posteriores utilizaciones. La ley de asientos propuesta por Sagaseta es: 46 . Por ello es necesario recurrir a sistemas de evaluación de movimientos que tengan en cuenta el estado tensional. elástico e isótropo. i: distancia al punto de inflexión desde el eje del túnel. comportamiento elasto-plástico del terreno etc. 3. concentrándose los asientos en el eje y manteniéndose la anchura de la cubeta. Figura 39: Posición del punto de inflexión con respecto al eje del túnel. Esta aproximación simplifica el problema y permite estudiarlo de forma adimensional. δmáx: asiento máximo en la vertical del eje.2 Sagaseta y Oteo (1974) Sagaseta y Oteo (1974) han considerando el caso de un túnel circular excavado en un terreno homogéneo.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia δ(x): asiento en un punto situado a una distancia x del eje. en deformación plana y sin revestimiento. Figura 40: Movimientos superficiales debidos a un túnel aislado. La expresión que proporciona el asiento máximo es: Donde: E: módulo de deformación del terreno. ν: coeficiente de Poisson. γ: densidad aparente del terreno. D: diámetro del túnel.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Siendo H la profundidad del eje del túnel. Para recubrimientos sobre la clave del túnel de más de un diámetro.5. Esta ley se ajusta más a la realidad cuando existen elementos rígidos en superficie. Como resultado del análisis realizado por estos autores cabe destacar que: El volumen de asientos es del orden del 70% de la pérdida de sección del túnel.3 Oteo y Moya (1979) 47 . el asiento máximo en superficie puede ser del orden de más de la mitad del descenso de la clave. 3. Calculados por Sagaseta y Oteo (1974). Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Con objeto de tener en cuenta el proceso constructivo Oteo y Moya (1979) han introducido el llamado factor de subsidencia Ψ. a efecto considerar la velocidad de avance.4 Rankin (1987) 48 . 0. Con lo que el asiento máximo será: Los valores de Ψ se obtienen de medidas reales.75 en el caso de excavación con escudo abierto.50 para suelos arcillo-arenosos rígidos y arcillas rígidas (tosco y arena tosquiza). adoptando: 0.5. mala entibación y retraso en la inyección de contacto 1. 3.0 en el caso de paradas sin presión en el frente o en rellenos. 0.40 en arcillas rígidas y sobreconsolidadas (peñuelas). la acción del sostenimiento etc. Figura 41: variación del factor de subsidencia en función del tipo de suelo y de la velocidad de excavación. Rankin (1987). el asiento máximo no está claramente gobernado por la profundidad. Otra de las aportaciones realizadas por Rankin fue la realización de una serie de una serie de medidas de la localización del punto de inflexión en función de la profundidad y del tipo de suelo: 49 . influye mucho más el tipo de terreno y el sistema constructivo.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Rankin (1987) efectuó una recopilación de valores de δmax en muy diversos tipos de suelos. De la figura anterior podemos concluir que. para recubrimientos normales. Dicha recopilación se recoge en la siguiente figura: Figura 42: Asientos máximos medidos. 50 . Figura 44: Modelo Madrid.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Figura 43: Valores de i en función de H y del tipo de suelo. El módulo de deformación de estos materiales puede estar comprendido entre 5 y 10 MPa. Perfil esquemático (Oteo et al. 1999) A continuación. 1999).5. El “Modelo Madrid” se basa en un perfil del terreno simplificado para la estimación del asiento máximo. 3.5 El “Modelo Madrid” (Oteo et Al. Rankin (1987). se describen los niveles que componen dicho perfil: Nivel 1: capa superficial constituida por rellenos y suelos cuaternarios flojos. Modelo Madrid (Oteo et Al. El módulo de deformación en descompresión oscila entre 50 MPa y 225 MPa. Las conclusiones obtenidas con respecto a los asientos son las siguientes: Si la excavación del túnel afecta exclusivamente a materiales cuaternarios flojos puede producirse una rotura masiva. El espesor de suelos flojos superficiales (aluviales.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Nivel 2: constituido por los niveles mas rígidos que constituyen el terciario (Mioceno y Plioceno). rellenos) no tiene influencia en los asientos cuando el espesor de los depósitos terciarios sobre la clave es mayor o igual a 51 . El asiento máximo de acuerdo con este modelo se estima a partir del siguiente gráfico: Figura 45: Estimación del asiento máximo. 1999). 75 D.15 y 1% de la sección del túnel. se puede escribir: Umáx=0. El valor de Umáx se obtiene del análisis de elementos finitos considerando las siguientes hipótesis: La variación de Umáx con respecto a la profundidad relativa H/D es despreciable en primera aproximación. δmáx es lineal con respecto al coeficiente de Poisson. Posición de Umáx (distancia i al eje del túnel).Deformaciones: Convergencia y Subsidencia dos diámetros. ESTIMACIÓN DE MOVIMIENTOS HORIZONTALES La evolución de la ley de movimientos horizontales se reduce a la de tres parámetros: Desplazamiento horizontal máximo.75 a 2 diámetros el volumen de asientos oscila entre el 0. 52 .21 d/D= 1. d (distancia al eje del túnel).3*δmáx Esta sencilla expresión permite estimar el valor de los movimientos máximos superficiales y utilizando los resultados del estudio de elementos finitos ya citado. Umáx.50 H/D + 0.6. 3. Para espesores de materiales terciarios sobre la clave del túnel entre 0 y 0. el volumen de asientos varía entre el 0. Si la cobertera terciaria varía de 0.55 H/D – 0.50 Por lo tanto con estas expresiones puede obtenerse la ley simplificada de movimientos horizontales superficiales. pueden deducirse las expresiones aproximadas siguientes: I/D= 0. Umáx es lineal con respecto al coeficiente de Poisson.6 y el 4%. Teniendo en cuenta esto. Alcance de los movimientos. 1993). en general. aunque con diferencias no muy grandes. Ello parece avalar que el uso de las soluciones teóricas resulta recomendable. pero el de d/D parece indicar que los valores reales son algo menores que los teóricos. El ajuste en cuanto a la posición del movimiento máximo (i/D) es muy satisfactorio. excavados en arcillas de consistencia media a dura. Figura 47: Comparación entre valores teóricos y reales de i/D y d/D (Oteo.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Figura 46: Ley simplificada de los movimientos horizontales en superficie (Oteo. 1993). En la siguiente figura se comparan los valores de i/D y d/D teóricos y reales. en el metro de Madrid. 53 . en cuanto a la definición de la forma de la ley de movimientos.). Para conocer la fiabilidad de los resultados teóricos anteriormente expuestos.K. se han comparado con algunas mediciones realizadas en el metro de Londres. y en el túnel de Howdon (U. para un mismo método de excavación depende de la naturaleza del terreno excavado: 54 .3 a próximos a 1. dados los parámetros que intervienen en su determinación.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Para comparar movimiento horizontal máximo con los valores reales. con valores del coeficiente de empuje en reposo muy importantes) la liberación de tensiones que supone la excavación. puede originar que los desplazamientos horizontales sean superiores a los teóricos y del mismo orden de magnitud que los asientos. δmáx. se ha preferido referirlo al asiento máximo. Como consecuencia de estas comparaciones podemos determinar que la relación teórica solo resulta aceptable para aquellos suelos arcillosos de consistencia media a alta. A continuación. en profundidades no grandes. Figura 48: Comparación de la relación de movimientos máximos teóricos con los medidos en diversos casos. mientras que los muy rígidos (presumiblemente. se incluyen esquemas de la distribución espacial de movimientos en la zona de influencia del frente que. Así en la siguiente figura se ha comparado la relación Umáx/δmax que alcanza valores desde 0. Puede ocurrir que la influencia de la profundidad relativa H/D sea muy importante en este fenómeno. 55 .Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Figura 49: Movimiento del suelo en el frente en suelos cohesivos (Yamada et Al. 1986).. 1986).. Figura 50: Movimiento del suelo en el frente en suelos arenosos (Yamada et Al. Es. 2003). También se puede partir de una magnitud conocida del área de asiento. Se determinará la posición del punto de inflexión. 3.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia La ley empírica de asientos en sentido longitudinal se indica en la siguiente figura: Figura 51: Ley empírica de asientos en sentido longitudinal (Oteo.7 CONCLUSIÓN Para evaluar la subsidencia se recomienda seguir el siguiente proceso. La ley de asientos superficiales se tomará igual a una curva de distribución normal. i. Como guía puede tomarse igual al módulo secante para el 1% de deformación en ensayos triaxiales drenados. Evaluar el módulo de deformación. 56 . El máximo asiento. puede determinarse a partir del valor del módulo de deformación Es o a partir de Vs. representativo del terreno mediante medidas reales. Se determinarán los movimientos horizontales a partir de las expresiones y gráficas anteriormente expuestas. δmax. Vs (o bien utilizar una solución elástica). y la interacción del terreno con la estructura construida mediante el control de presiones y de tensiones. En cuanto a la instrumentación para llevar a cabo el control de deformaciones producidas por la excavación de un túnel existen una serie de instrumentos que permiten determinar los numerosos parámetros requeridos. Para realizar el seguimiento del nivel freático se utilizan piezómetros (cerrados o abiertos) y para medir presiones y tensiones se utilizan además células de presión o tensión. para así comprobar su correcto funcionamiento o. comprobando movimientos superficiales. durante y después de la ejecución de la obra subterránea para determinar correctamente la evolución de las tensiones y deformaciones producidas. detectar la aparición de anomalías que puedan comprometer la seguridad de la obra. pasando por la selección de parámetros a controlar. Para el control de las magnitudes de auscultación que se consideran como guías de comportamiento se emplean de manera genérica la manifestación en el entorno. la selección e instalación de la instrumentación para la medición de las magnitudes elegidas. inclinómetros. desde la previsión del comportamiento del terreno desde el punto de vista geotécnico. se utilizarán fundamentalmente equipos y métodos topográficos (estaciones totales y niveles). etc. En cuanto al control en el interior del terreno se utilizarán extensómetros. bandas extensométrica. además de extensómetros y sismógrafos.1 DISPOSITIVOS Y EQUIPOS DE AUSCULTACIÓN Mediante la disposición de los dispositivos de auscultación se pretende controlar aquellos parámetros más importantes del comportamiento del túnel. células de carga. y la observación o lectura con los equipos de medida obteniendo resultados. 57 . movimientos en el interior del túnel. hasta el análisis de los resultados y su comparación con los previstos en la fase de diseño. AUSCULTACIÓN La auscultación es el conjunto de trabajos necesarios para el seguimiento y control de las tensiones originadas en el interior del terreno al realizarse en él una excavación y que son transmitidas al sostenimiento de la oquedad como consecuencia del equilibrio producido. emisiones acústicas.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia 4. por el contrario. etc. Para el control de movimientos en la superficie. 4. El control de una excavación subterránea contempla varias fases. movimientos en el interior del terreno. El control de las magnitudes se debe llevar a cabo antes. Deformaciones: Convergencia y Subsidencia 4.2. MOVIMIENTOS SUPERFICIALES Las mediciones para la determinación de los desplazamientos tanto verticales como horizontales que se puedan producir en la superficie se realizan por equipos y metodología topográfica. La medida de desplazamientos verticales o de asientos en superficie se lleva a cabo mediante la nivelación de alta precisión de unos hitos localizados en la zona de deformaciones de forma periódica. Se utiliza el método de nivelación geométrica o nivelación por alturas con niveles de alta precisión y miras invar. Figura 52: Nivelación de alta precisión. La instrumentación moderna consiste en niveles electrónicos en base a realizar lecturas con un lector de código de barras para la medición de desniveles y que realizan el control electrónico de su propia horizontabilidad mediante un mecanismo compensador. La nivelación se lleva a cabo sobre hitos de nivelación firmemente implantados en el terreno, salvando pavimentos y cargas cementadas artificiales, repartidos por la zona de influencia de la obra. 58 Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Figura 53: Hito de nivelación. Figura 54: Control de asientos verticales (hitos de nivelación). La determinación de la cota referida en la cabeza avellanada de estos hitos se realiza a partir de bases fijas e independizadas de los movimientos de las capas superiores. Estas bases fijas se sitúan fuera del área de influencia, en una zona exenta de deformaciones. Los desplazamientos horizontales en superficie se vigilan mediante el establecimiento de redes topográficas de control ubicadas en la zona de influencia y referidas a bases localizadas fuera de la zona de afección de las deformaciones. Se trata de determinar las coordenadas planimétricas (x,y) de un mismo punto de control cada cierto periodo de tiempo. Las observaciones se efectúan utilizando estaciones totales de gama alta y utilizando métodos topográficos para dar coordenadas con un alto grado de precisión a una serie de puntos de control repartidos por el área de influencia. Las coordenadas se determinan desde referencias o bases topográficas ubicadas en una zona exterior al área de influencia de posibles deformaciones que deben conformar una red local de alta precisión rigurosamente compensada. 59 Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Figura 55: Control de desplazamientos horizontales (red topográfica). El control en movimientos en edificaciones próximas al trazado del túnel es el tema de mayor importancia por sus repercusiones sociales y económicas. En primer lugar se requiere de un levantamiento del estado inicial de la edificación (estado general, grietas, etc.) antes de realizarse la excavación, con un soporte documental suficiente como para permitir conocer si se está produciendo afección a la edificación o si por el contrario esta ya tenía dichos daños. El control más simple que se realiza se realiza a través de la nivelación de alta precisión de clavos o regletas de nivelación situadas en las fachadas de los edificios o en los muros de carga, de toda la zona de desarrollo de la cubeta de asientos refiriendo las medidas a bases externas a la zona previsible de influencia de las obras. Se debe efectuar una medida “cero” en el momento de la instalación y una comprobación posterior antes de que la excavación se encuentre próxima. Figura 56: Regletas de nivelación (edificaciones), Figura 57: Control de movimientos en edificaciones . 60 Figura 58: Control de desplazamientos verticales en profundidad. instrumento que consta de una bolsa inflable que se introduce en un sondeo hasta la profundidad a la cual se desean medir las deformaciones.3 MOVIMIENTOS EN EL INTERIOR DEL TERRENO La medida de asiento o desplazamientos verticales en profundidad se lleva a cabo utilizando. En la medida de desplazamientos horizontales en profundidad se utiliza el sistema de medición de desplazamientos con inclinómetro (biaxial) mediante la disposición de tuberías de aluminio anodizado.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia 4. por ejemplo. situado fuera de la influencia del túnel (a gran profundidad) hasta la superficie del terreno. el extensómetro vertical de varilla. conectada a la superficie por medio de una tubería galvanizada donde se realiza la lectura del desplazamiento relativo entre la superficie del terreno y el punto considerado. El inclinómetro permite la medición continua de movimiento laterales a lo largo de la vertical del sondeo. Las medidas se realizan desde el pie de la tubería. 61 . Figura 59: Control de desplazamientos horizontales en profundidad. acortando el plazo de apertura de galerías. Cambios del proceso constructivo. etc. pilotes tangenciales. Esta operación tiene que hacerse un poco antes de llegar el túnel y realizarse en varias fases para compensar los movimientos que se vayan produciendo. situadas entre los edificios y el túnel.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia 5. etc. introduciendo mejoras o adecuando el diseño. 62 . Ejecución de paredes continuas de protección. creando un bulbo de empuje del terreno que compense los asientos. inyectando huecos entre sostenimiento y terreno. Washington. Esta técnica se ha usado en diferentes metros como el de Baltimore. jet-grouting. Se puede realizar incluso una vez producidos los daños. y las inyecciones pueden hacerse desde superficie o desde pozos verticales. disminuyendo el área del frente que se abre de una sola vez. Figura 60: Recalce de cimentación de edificio. MÉTODOS PARA REDUCIR LA SUBSIDENCIA Destacamos los siguientes procedimientos: Refuerzo de cimientos de las estructuras cercanas con micropilotes. llevando a estos a zonas donde no se prevean movimientos. que pueden ser pantallas continuas. Caracas y Londres. Compensación de los asientos con inyecciones de compensación. de la cimentación. a la ejecución de actuaciones preventivas de refuerzo o de tratamientos de mejora del terreno para garantizar que.20m de diámetro exterior se considero que no requerían tratamiento preventivo los edificios para los que se esperaba: Asiento máximo:<50mm y Distorsión angular: 1/200 En Alemania: no son de esperar fisuras para distorsiones angulares inferiores a 1/1000. En diversos países se han establecido una serie de criterios. 63 . ya que hacen referencia a su capacidad de soportar movimientos adicionales. en función de datos básicos. de manera empírica.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia 5. independientemente de cuál sea su origen. Basado en este planteamiento existente una amplia referencia de normativa y recopilaciones de distintos autores. etc. en su caso. estando encaminada. Clair en Canadá. Los umbrales propuestos son independientes del terreno en que se cimienta la estructura. topología de la estructura. referentes a asientos máximos y diferenciales admisibles. tales como: naturaleza del suelo. se excederán los umbrales críticos considerados para las edificaciones o estructuras del entorno. VALORES ADMISIBLES DE LOS MOVIMIENTOS La presencia de edificaciones u otras infraestructuras en las proximidades de la excavación de un túnel implica analizar los posibles efectos y consecuencias de las subsidencias originadas por la obra ejecutada. históricamente se ha venido limitando.El umbral de afecciones estructurales se sitúa en torno a 1/250 En la ampliación del Metro de Madrid (1995-1999): asiento máximo 15mm y distorsión angular 1/500 sin considerar la rigidez de los edificios. Esta clasificación se considera conservadora y tiene un carácter orientativo.1. Dada la gran cantidad de variables que intervienen en la interacción suelo-estructura. tal y como se citan a continuación: Metro Londres (Jubilee Line): Asiento máximo:15 mm y Distorsión angular: 1/1000 En el paso del Río St. movimientos horizontales máximos y diferenciales. los máximos movimientos que puede sufrir un edificio. con un escudo de 9. en ningún caso. 64 . Figura 62: Criterio de daños basados en la distorsión angular.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia A continuación. se presentan una serie de tablas con valores de movimientos admisibles a modo de ejemplo: Figura 61: Movimientos adicionales admisibles y umbrales de control propuestos en las Ampliaciones del Metro de Madrid. optimización de espacios y uso de suelos. los criterios de evaluación del riesgo de los edificios generados por los trabajos de excavaciones subterráneas. para poder definir los lineamientos o medidas de tipo preventivo. la generación de movimientos inducidos al terreno como respuesta a los trabajos de excavaciones. túneles y excavaciones que se desarrollan como respuesta a las necesidades de brindar alternativas de movilidad. traen inmersos impactos medioambientales y del entorno. se hace necesario el uso de herramientas que permitan definir a priori. que se hacen necesarios evaluar. 65 . de forma tal que se mitiguen dichos movimientos y las posteriores consecuencias como daños y creación de ambientes con alarma social.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Figura 63: Movimientos adicionales admisibles adoptados para estructuras con alto grado de isostaticidad (Proyecto Modificado de TYPSA. Particularmente. 6. en las cimentaciones de los edificios próximos al entorno de actuación del proyecto y que se evidencian finalmente en los componentes arquitectónicos y/o estructurales de los edificios. Por esta razón. AFECCIÓN DE LA SUBSIDENCIA EN EDIFICIOS Los proyectos de ingeniería que incluyen trabajos subterráneos. 2001). se refleja en esfuerzos que se transmiten a su vez. Deformaciones: Convergencia y Subsidencia La importancia de implementar criterios de evaluación de daños. contemplando características propias tales como la orientación. Nacional Coal Borrad (1975). entre otros. tipos de contención y periodos de los mismos. brindando siempre la importancia que se merece cada caso. las características del edificio deberán estar asociadas a las diferentes fases constructivas como tipo y proceso de excavación. Paralelamente. la importancia de los desplazamientos de la cimentación se han definido progresivamente entre las categoría denominadas I a III. se ha podido definir una clasificación de daños detallada basada en la facilidad de reparación de daños visibles y que a lo largo del 66 . cimentación. La consecuencia asociada a la evaluación detallada es la necesidad técnica de implementar medidas preventivas en los edificios que así lo estimen conveniente. 6. U. estado actual y periodos de mantenimiento.2 CLASIFICACION DE DAÑOS (BURLAND) Dentro de las propuestas de clasificación de daños de los edificios planteadas por diversos autores. se deberá realizar una evaluación detallada y mas exhaustiva del mismo. Como se puede inferir de las anteriores categorías. tipo y materiales estructurales. Gracias al aporte de Burland (1977) y a otros autores que han sumado esfuerzos con sus trabajos. está argumentada por la susceptibilidad del tema: daños en el entorno social y el coste económico asociado. se distinguen básicamente tres categorías: Los daños que afectan el componente estético o el aspecto del edificio.K. entre otros. los daños que afectan su funcionalidad y estado de servicio y aquellos que afectan y son una amenaza inminente para la estabilidad del edificio. dichos argumentos testifican que la aplicación e interpretación de los criterios de daños debe darse con trato cauteloso. 6. entre los cuales podremos citar a Jenning y Kerrich (1962).1 ALCANCE DE LOS CITERIOS DE EVALUACION DE DAÑOS Una vez hemos identificado aquellos edificios susceptibles de tener alteraciones como resultado de la ejecución de las obras. movimientos previos. MacLeod y Littlejohn (1974). Las categorías 0.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia tiempo se ha impuesto como una referencia normal cuyo uso ha sido generalizado en la evaluación de daños de edificios. La clasificación de los daños producidos en los edificios según Burland (1977). 1 y 2 tienen relación con los daños estéticos. es la que se presenta en la siguiente tabla. En dicha tabla se define en orden creciente la severidad de los daños de la categoría 0 a la 5. Tabla: Clasificación de los daños producidos en edificios según Burland 67 . las categorías 3 y 4 con daños de tipo funcional y la categoría 5 con aquellos daños que suponen una amenaza para la integridad estructural del edificio. se puede expresar que éstos son debidos a una suma de las causas mencionadas anteriormente. pueden estar asociados a diversas causas como aquellas de tipo intrínseco de la estructura tales como contracciones. son definidos como edificios de bajo riesgo. es decir. retracciones y afecciones por el componente térmico. rápidas y asequibles. hasta las debidas a las propiedades y el comportamiento del suelo donde están cimentados dichos edificios. La experiencia derivada de la inspección de edificios ha permitido concluir que los daños hasta la categoría 2.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia Una particularidad que definen diversos autores. la causa es identificable con mayor facilidad y generalmente esta asociada con movimientos del terreno. Aquellos edificios donde la predicción del grado de daños esta comprendida entre la categoría 0 a 2. es la identificación e interpretación de la frontera entre las categorías de daños 2 y 3. el límite entre daños estéticos y funcionales. 68 . Para las demás categorías 3 a 5. donde en ningún caso la integridad estructural del edificio se ve comprometida y las reparaciones de daños en todo caso son fáciles. Aunque resulta difícil determinar el origen de esos daños. A. Ingeopres 2005 (137. AUSCULTACION DE TUNELES por JOSE Mª RODRIGUEZ ORTIZ (Dr. Geocontrol S. Ingeniero de Caminos.Deformaciones: Convergencia y Subsidencia 7. Universidad Politécnica de Valencia) Soil Instruments Ltd.com/controldesubsidencias www.raco.adif.cat/index.php/ect/article/viewFile/199932/267375 Control de subsidencias 1 y 2: www. Catedrático de Mecánica del Suelo Y Cimentaciones de la UPM).4. José María Rodríguez Ortiz) Tesis doctoral: Nuevo modelo de Madrid para la estimación de asientos producidos en túneles con tuneladoras EPB de gran diámetro Subsidencia del terreno – Resumen general: www. 143). BIBLIOGRAFÍA Ingeo Túneles: Tomos 1. Ingeopres 2006 (Túnel Saint Celoni) Aforos (Colegio de Ingenieros Técnicos de Obras Públicas de Madrid) nº 70 (Febrero 2008) Subsidencia y auscultación en los túneles del metro de Madrid (Carlos Oteo Mazo.gim-geomatics.es Catálogo Leica Revista de Obras Públicas 2002 (3422) 69 .11 Manual de túneles y Obras Subterráneas (evaluación global de los movimientos) Túneles y Tuneladoras (Enrique Priego de los Santos.7.
Report "Deformaciones en Tuneles Convergencia Subsidencia"