Tema 6 Túneles - AUSCULTACIÓN DEL TERRENO E INSTRUMENTACIÓN1.- AUSCULTACIÓN 2.- INSTRUMENTACIÓN 3.- MOVIMIENTOS SUPERFICIALES 4.- MOVIMIENTOS EN EL INTERIOR DEL TERRENO 5.- MEDICIÓN DE PRESIONES IN SITU 6.- MEDICIÓN DE TENSIONES 7.- INTRUMENTACIONES TÍPICAS 7.1.- INSTRUMENTACIÓN TÍPICA EN MACIZOS ROCOSOS 7.2.- INSTRUMENTACIÓN TÍPICA EN SUELOS DE ÁREAS URBANAS 1.- AUSCULTACIÓN La información a obtener durante la construcción se agrupa en estos conceptos: - Observaciones geológicas de los terrenos atravesados, cuya repercusión es muy importante en el desarrollo de la obra, ya que condicionan la estabilidad de la excavación, las necesidades de sostenimiento y los procesos constructivos. - Control de la Sistemas constructivos, contemplando especialmente el proceso de excavación y los sostenimientos colocados. - Comportamiento tenso-deformacional, obtenido mediante auscultación. Se denomina auscultación al conjunto de las labores necesarias para el control del comportamiento de una excavación subterránea. Intenta recoger la información sobre las deformaciones y estado tensional en la sección excavada, en el terreno de su entorno, y en los sostenimientos. La auscultación desempeña un papel fundamental, por los siguientes motivos: - Permite detectar la existencia de fenómenos o comportamientos anómalos que deban corregirse para evitarse situaciones de inestabilidades, e incluso elimina inseguridades sobre aspectos como el efecto de la construcción sobre movimientos del terreno y posibles asientos de edificios, efecto producido por las vibraciones de las voladuras sobre construcciones cercanas, etc. - Permite juzgar la idoneidad del proceso constructivo. - Permite juzgar si la tipología de sostenimiento es adecuada al tipo de roca, o en su defecto, las bases necesarias para su cambio. Hay que tener presente que en una excavación subterránea el diseño del sostenimiento del túnel se basa en la experiencia, estudios geológicos, métodos empíricos y cálculos teóricos. Tal sostenimiento puede encontrarse lejos del idóneo, principalmente porque las propiedades del terreno y su comportamiento ante la excavación no son exactamente conocidos, además de que la naturaleza de los movimientos y tensiones alrededor de la excavación pueden variar de un punto a otro. causando problemas de inestabilidad en este último caso. por lo que si prescindimos de la auscultación el diseño debe ser más conservador y por consiguiente se va a encarecer la construcción. y mantener unos márgenes de seguridad aceptables. no se es consciente del grado de conservadurismo alcanzado. por lo que ante unas condiciones no esperadas estos diseños pueden resultar no conservadores. Las obras subterráneas presentan elevados costes y envuelven altos riesgos. los esfuerzos y las deformaciones. . .Permite optimizar los diseños de sostenimiento definidos en proyectos. en muchos casos. Con una correcta instrumentación podemos mitigar estas posibles consecuencias debido a que nos informa de las cargas sobre los revestimientos. los sostenimientos sean sobredimensionados o infradimensionados. además de no ser advertidos con antelación. se puede contrastar experimentalmente las hipótesis iniciales y modificarlas si es preciso. Además.Esto implica que. Con la instrumentación sistemática como parte del diseño y control general de la construcción. Permite evaluar el grado de estabilidad conseguida en la excavación y sostenimiento del túnel. lo que nos permite controlar la evolución de tensiones y deformaciones como prevención frente a posibles roturas. Este hecho es particularmente importante en los casos donde cargas y deformaciones puedan variar con el tiempo. en los que se puede poder producir el incremento de empujes como consecuencia de la disminución de los parámetros resistentes por la acción del agua y agentes fisico-químicos. . .Permite controlar las deformaciones diferidas una vez terminada la ejecución del túnel. Con la auscultación a largo plazo podemos evaluar el comportamiento de la obra tras la construcción. durante su etapa de explotación. como puede suceder en materiales de naturaleza evolutiva.. d) Obtención e instalación de dichos instrumentos. f) Lectura y análisis de los datos obtenidos. . c) Selección de los instrumentos adecuados a dichos parámetros. b) Selección de parámetros a auscultar.Las fases de la auscultación son: a) Previsión del comportamiento de acuerdo a las condiciones del terreno. comparando los resultados reales con los previstos en la fase de diseño. e) Mantenimiento de los instrumentos. . La instrumentación puede suministrar la necesaria seguridad mientras permite mantener los coeficientes de seguridad dentro de márgenes aceptables.2. Por otro lado. por lo que es importante que se ciña a los parámetros efectivos de diseño y a los posibles problemas de construcción. Tras la construcción. un uso excesivo de la instrumentación nos puede aportar información poco útil en algunos casos.INSTRUMENTACIÓN La seguridad durante y después de la construcción es de importancia vital en los trabajos subterráneos. pero un excesivo conservadurismo encarece la obra. la auscultación a largo plazo permite evaluar la evolución de cargas y deformaciones susceptibles de variar en el tiempo. . para prevenir roturas. para obtener los datos útiles para el diseño. .El objetivo de la instrumentación es medir y auscultar las condiciones in situ sujetas a cambio.Antes de la construcción. .Esfuerzos sobre elementos estructurales El control se realiza durante estas fases: .Presiones del terreno . entre las que se incluyen: .Durante la construcción. para confirmar idoneidad o propiciar modificaciones.Movimientos en el interior del terreno . .Movimientos superficiales .Después de la construcción. . La rapidez y fiabilidad de esta operación es importante. hay que tener en cuenta estos factores: .Frecuencia de observaciones: aparte de la auscultación periódica rutinaria. y en la Tabla 2.Calibrado: en recepción. o en operación. .Recolección de datos y registro: recogida manual o automática. de forma periódica o continua.Instalación y mantenimiento: estos factores afectan sustancialmente al coste. se resumen los métodos e instrumentos frente a la condición auscultada. frente al tipo de aplicación. En la siguiente Tabla 1. .Robustez . . debe ser capaz de incrementar las lecturas cuando las condiciones sean críticas. a intervalos regulares. directamente o a distancia. chequeando con un patrón establecido.En la selección de la instrumentación. . . .Desplazamientos verticales: asientos o levantamientos de la superficie del terreno.Desplazamientos laterales: pueden indicar la actividad de una falla.Vibraciones: las vibraciones propias de la actividad constructiva pueden afectar a las estructuras existentes. . también pueden ser debidos a la convergencia debida a la relajación de tensiones que se produce al realizar una excavación subterránea.TIPOS .1. ..MOVIMIENTOS SUPERFICIALES 3..3. Precisión del orden de milímetros.MÉTODOS TOPOGRÁFICOS Los métodos topográficos miden tanto los desplazamientos verticales como los horizontales.Triangulación: tanto para movimientos verticales como horizontales.. . existen los siguientes métodos: .2. Precisión del orden del centímetro. .Colimación: para movimientos horizontales en una dirección.3. . Precisión en torno a 1 mm.Nivelación: para movimientos en la vertical. Para medir deformaciones en juntas o grietas se puede utilizar un equipo simple. y mediante péndulos.3.3.MÉTODOS VARIOS El extensómetro vertical controla los asientos de la superficie del terreno. muy útil para túneles excavados en suelos.. se puede auscultar mediante fotogrametría. Para controlar los movimientos horizontales o verticales de las estructuras existentes en la zona de influencia de la excavación. que mide la distancia entre tres clavos situados en un triángulo junto a la grieta o junta a auscultar. . El equipo está constituido por sismógrafos portátiles.VIBRACIONES El propósito es obtener datos del movimiento del terreno para evaluar los problemas de vibraciones asociadas a las voladuras.. a la excavación mecánica o al tráfico. .4.3. .MOVIMIENTOS EN EL INTERIOR DEL TERRENO 4. . .TIPOS ..4. hay que hacer un reconocimiento para evitar la caída de bloques de techo y hastiales.Desplazamientos verticales: la compresión o consolidación del terreno entre una excavación subterránea y la superficie puede producir asientos.Desplazamientos laterales: la existencia de suelos blandos o fallas puede generar este tipo de movimientos hacia la excavación.Gradientes de deformación: generados por el cierre de la excavación subterránea..Caída de bloques en macizos rocosos diaclasados: en excavaciones sin revestimiento continuo. incluyéndose las posibles convergencias. .1. 4. Precisión de medio milímetro.MEDIDA DE CONVERGENCIAS Se realizan con una cinta extensométrica entre clavos o pernos cortos distribuidos por el perímetro de la excavación. El aparato incorpora un dispositivo para tensar la cinta y una esfera indicadora. midiéndose los desplazamientos relativos entre ellos.. . El instrumento consta de una cinta de acero perforada a intervalos regulares.2. (1A) Tornillo para la cinta de Convergencia (1B) Tornillo para la cinta de Convergencia (2A) Junta de conexión (2B) Enganche con la conexión (3) Cinta con perforaciones (4) Clavija de cierre (5) Ventana de lectura (6) Calibrador mecánico o digital (7) Dispositivo de sujeción (8) Cinta de medida con manivela (9) Compartimiento del tensor calibrador . . 3.EXTENSÓMETRO VERTICAL DE VARILLA Es un aparato simple para la medición de deformaciones entre la superficie del terreno y una cierta profundidad. donde se monta una esfera indicadora para leer el desplazamiento relativo entre la superficie del terreno y el punto considerado.. El instrumento consta de una bolsa inflable que se introduce en un sondeo hasta la profundidad deseada. . La bolsa es conectada a la superficie por medio de una tubería galvanizada.4. . La sonda se introduce en la tubería.INCLINÓMETRO El inclinómetro permite la medición continua de movimientos laterales a lo largo de la vertical de un sondeo. Este equipo puede ser usado para medir deformaciones es suelos blandos. y los sensores eléctricos que lleva permiten la medición de la inclinación de su eje con respecto a la vertical a distintas alturas. El equipo consta de una sonda. Se realizan sondeos verticales desde la superficie del terreno. Los sensores de la sonda pueden ser de resistencia eléctrica. tambor para recogida del cable y una unidad de lectura. de cuerda vibrante o servoacelerómetros.4. En el interior de un sondeo se instala una tubería flexible que queda fijada a la pared del sondeo mediante inyección de la zona comprendida entre ambas. siendo estos los de mayor precisión.4. Precisión de medio milímetro. a una cierta distancia de los laterales de la excavación.. que presenta unas acanaladuras longitudinales que sirven de guía. hasta una profundidad superior a la de dicha excavación. los que pueden existir en zonas de fallas o en cualquier plano de debilidad del macizo rocoso. por ejemplo.5.4.DEFLECTÓMETRO Se usa como instalación permanente en sondeos para medir movimientos laterales al eje del sondeo. El sistema puede ser leído a distancia. e incorporar un sistema de alarma.. .025 mm. Precisión en torno a 0. .BULÓN EXTENSIOMÉTRICO La excavación subterránea crea una zona de relajación en su entorno que induce deformaciones hacia su interior. El equipo mide la deformación existente entre el punto de anclaje y la cabeza.6. Los extensómetros se instalan en sondeos..4.1 mm. Precisión de 0. En el caso más sencillo. y miden el movimiento relativo entre la boca de dicho sondeo y el interior del terreno. se instalan bulones a varias profundidades para medir las deformaciones diferenciales. También es conocida como actividad microsísmica.EMISIÓN ACÚSTICA La emisión acústica está relacionada con los ruidos no audibles originados en suelos y rocas por la liberación de tensiones. el origen de la actividad está relacionado con los procesos de deformación y rotura. por fracturación y rotura de grandes áreas de material o movimientos relativos entre grandes unidades estructurales.. En suelos y rocas. a nivel microscópico resultado de dislocaciones por movimientos entre granos o iniciación y propagación de fracturas entre y a través de éstos. de naturaleza policristalina. y a nivel macroscópico. básicamente.7. la actividad se origina. . El fenómeno está asociado con el hecho de que cuando un material es tensionado se generan ondas elásticas. Estas señales informan sobre la estabilidad de la estructura y pueden ser detectadas a considerables distancias de su fuente con una instrumentación adecuada. los cuales son acompañados por una liberación súbita de la energía de deformación.4. Como estos materiales son. 000 Hz. La actividad se incrementa según el material es tensionado y. disminuye cuando el equilibrio es alcanzado tras una rotura. en el interior del material. que es el rango normal para grandes estructuras geológicas. y para las más bajas se mide el desplazamiento. a la inversa. .La liberación súbita de la energía elástica almacenada por deformación que acompaña a estos procesos genera ondas elásticas que viajan desde su fuente. En la figura se observan las posibles situaciones de los geófonos. hasta sus límites. Para frecuencias más altas se emplean acelerómetros. donde es captada. Los geófonos pueden detectar señales con frecuencias comprendidas entre 1 y 1. El geófono es un sismógrafo que convierte el movimiento vertical de la tierra en señales eléctricas. . TIPOS . . .Presiones intersticiales de agua subterránea. .Presiones del terreno contra revestimientos o sostenimientos. .Tensiones residuales en macizos rocosos..Tensiones bajo áreas cargadas o en elementos estructurales.1.MEDICIÓN DE PRESIONES 5.5.. Pueden ser de 2 tipos: a) Piezómetros abiertos En el interior de un sondeo.5. aislando dicha zona con un sello de bentonita. .. El nivel piezométrico se mide con una sonda introducida por la boca del tubo.PIEZÓMETRO Se usan para auscultar niveles de agua. controlándose las presiones intersticiales de un determinado nivel. se introduce un tubo ranurado por la zona que se quiere controlar. Están indicados para medir presiones intersticiales en un determinado nivel de un terreno permeable.2. . como en la figura de la derecha. que conduce la señal emitida hasta la unidad de lectura. que mide la presión ejercida por el agua. incluidos los poco permeables. Se pueden utilizar en cualquier clase de terreno. y cuando se desee medir las presiones intersticiales a distintos niveles. un elemento de transmisión. situada en el exterior del sondeo.b) Piezómetros cerrados Constan de un sensor. entre cualquiera de estos y el terreno. según la orientación de instalación. como se ve en la figura. Se pueden medir tensiones tangenciales o radiales.CÉLULAS DE PRESIÓN Se usan para la medida de presiones contra el revestimiento. .3.5. o en el interior de los mismos.. y se pueden instalar en las superficies de contacto entre sostenimiento y revestimiento. Pueden ser de tipo neumático. la instalación es difícil. lo que influye sobre la presión transmitida al líquido que contiene. hidráulico y eléctricas. Además.La célula está constituida por una doble placa metálica de forma circular o rectangular. siendo estas últimas las de mayor precisión. rellena de mercurio o aceite. Un problema es la diferencia de rigidez entre el terreno y la propia célula. con lo que la precisión es del orden del 10% de la lectura. lo cual incrementa las posibilidades de error en la medición. . extremadamente fina en relación a su diámetro. cuando se desea conocer la evolución de la carga.4.CÉLULAS DE CARGA Se utilizan para el control de anclajes o bulones.. Dada la excentricidad de las cargas aplicadas. los errores llegan a alcanzar el 10% del valor medido. .5. instalándose en la cabeza del bulón. Tensiones tectónicas actuales debidas a la deformación de la corteza terrestre.1.Tensiones generadas por la propia excavación.Tensiones residuales debidas a movimientos tectónicos del pasado.Tensiones debidas a la erosión del terreno. . ..TIPOS ..MEDICIÓN DE TENSIONES 6. . .6. y se procede a interpretar dichos valores. d) Se van tomando medidas durante todas las fases del proceso. y su sencillez de operación. y se coloca el instrumento de medida en su interior. Su gran ventaja es ser el método que proporciona los resultados mas completos. c) Se perfora el tramo anterior con el diámetro inicial.2. a partir de este punto con diámetro inferior. Los pasos para el ensayo son: a) Se perfora un sondeo hasta la profundidad que se pretende investigar. .6. b) Se perforan unos 50 cm.SOBRETESTIFICACIÓN Se basa en el procedimiento de relajación. realizándose en el interior de un sondeo.. 6.3.FRACTURACIÓN HIDRÁULICA Se realiza también en sondeo y se basa en el análisis de la distribución de tensiones tangenciales que se producen alrededor del sondeo.. El ensayo consiste en provocar fracturas en la roca al inyectar un fluido a presión sobre las paredes internas de un tramo del sondeo. . pudiéndose estimar los esfuerzos basándose en la presión necesitada para fracturar el macizo y por las direcciones de las fracturas. aunque también hay que considerar la posibilidad de subsidencias y desplazamientos de estructuras adyacentes. Los elementos a auscultar durante la construcción son: .Subsidencia del terreno.Vibraciones por voladuras.Convergencia de la excavación..7.1.. . .Deformaciones y cargas del sostenimiento.INTRUMENTACIONES TÍPICAS 7. . .INSTRUMENTACIONES TÍPICAS EN MACIZOS ROCOSOS El objetivo fundamental de la instrumentación es proporcionar un sostenimiento adecuado a la excavación. Extensómetros de sondeo: para medir los gradientes de deformación y convergencias. e informan de desplazamientos entre los mismos.La instrumentación adecuada constará de: .Convergencias: controlan el cierre de la excavación. . Adicionalmente. para auscultar los cambios de tensión y avisar sobre la necesidad de sostenimiento adicional. . . .Células de presión: se instalan entre el revestimiento del túnel y el terreno.Deflectómetros: se instalan en un sondeo piloto en el frente de avance. al perforar se detectará la presencia de agua y servirá como drenaje. .Bandas extensométricas: se instalan entre los anclajes metálicos. y proporcionan información de las fallas y planos de debilidad que aparecerán mas adelante. habrá que poner bulones adicionales y de mayor longitud . . .Inclinómetros y péndulos: informan sobre movimientos en estructuras. . .Vibraciones: solo cuando se realizan voladuras.Extensómetros de varilla: para auscultar la subsidencia del terreno.Emisiones acústicas: para anticipar posibles colapsos.Piezómetros: para controlar las variaciones de presión intersticial.. . Si se reduce la carga.Células de carga: para auscultar las variaciones de la carga en bulones. . . La instrumentación adecuada constará de: .2. . .Células de carga: se instalan en los revestimientos y proporcionan datos sobre la presión del terreno. .Piezómetros: auscultan la presión intersticial.Extensómetros de sondeo: Aportan información sobre las deformaciones del terreno en la vertical. .INSTRUMENTACIONES TÍPICAS EN SUELOS DE ÁREAS URBANAS Los objetivos fundamentales de la instrumentación de excavaciones subterráneas en áreas urbanas son la auscultación de movimientos superficiales y la inexistencia de daños a estructuras.7.Nivelación de precisión: ausculta los movimientos de la superficie del terreno.Inclinómetros o péndulos: auscultan movimientos en estructuras.