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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TUNELES PRIMER EXAMEN PARCIAL SEMESTRE 2017-II

1. Explique brevemente los factores que se deben de considerar en la definición de la sección geométrica de un túnel. Uso que se le dará a el túnel (carretero, ferroviario, peatonal etc.) Parámetros físicos del medio (resistencia al esfuerzo axial y cortante, módulos de elasticidad, rigidez, etc.) Esfuerzos a los que está sometido el medio (dependiendo de la geometría del túnel los esfuerzos variaran de forma considerable) 2. Indique los trabajos topográficos que se deben realizar para el diseño de un túnel carretero y uno urbano. Explique las consideraciones técnicas que se deben atender para definir el área del levantamiento topográfico e indique las principales referencias topográficas que se deben de indicar en el plano de diseño. Al inicio de los trabajos debe realizarse la recopilación de información que proporcione la Secretaría de Comunicaciones y Transportes para iniciar con los trabajos de campo del proyecto. La información consistiré en la obtención de plantas de kilómetro que contienen alineamiento horizontal y vertical del camino y del túnel. El levantamiento debe incluir altimetría, planimetría y toponimia que servirá de base para la elaboración del anteproyecto del trazado tanto del túnel como de la liga de los accesos. El ancho del levantamiento topográfico en planta tendrá como mínimo 100 m a cada lado del eje longitudinal del túnel en proyecto. Debe tomarse en cuenta el límite del derecho de vía; en ocasiones está determinado de un lado mayor longitud que del otro, en tal caso el levantamiento topográfico deberá cubrir como mínimo hasta el derecho de vía. Para definir la longitud del levantamiento topográfico se considerarán de 50 a 100 m a partir de la intersección del terreno con la rasante en cada uno de los accesos del túnel. En caso de que el terreno continúe paralelo o semiparalelo a la rasante, deberán levantarse por lo menos 100 m delante del portal marcado en las plantas de kilómetro. En las zonas urbanas cuando el tráfico (vehicular) no permite la realización de los trabajos topográficos, se considera de gran utilidad realizar los levantamientos desde los techos de los edificios de poca altura, realizar los levantamientos desde edificios muy altos conlleva a presentar errores o problemas debido a factores como la temperatura y el viento. 3. Explique brevemente los elementos que debe contener un estudio geológico para el proyecto de un túnel.

Los túneles demandan un conocimiento geológico del terreno, tanto para ser proyectados como construidos, de forma segura y, en la medida de lo posible, económica. 

Recopilación y análisis de información. Antes de iniciar con los estudios geológicos y la exploración, lo que debe llevarse a cabo es la recopilación y análisis de información existente de la zona en estudio.



Geología regional. A partir de la información obtenida, en particular de las fotografías aéreas y/o imágenes satelitales, de los planos topográficos y cartas geológicas, debe realizarse un reconocimiento de la geología regional, describiendo los principales accidentes y estructuras geológicas que podrían tener importancia durante la construcción del túnel.



Geología local. En esta fase se efectúan los estudios geológicos de detalle, los cuales consisten en recorridos de campo con el fin de definir unidades litológicas e identificar formaciones que fueron anticipadas en el estudio geológico regional. También para confirmar y ubicar los posibles accidentes geológicos, como fallas, escarpes, etc.



Exploración geofísica. Se trata de métodos económicos, por lo que pueden utilizarse con cierta amplitud.



Exploración directa. Los sondeos mecánicos son el método más utilizado para la investigación geológica directa en los estudios para túneles, proporcionan una información física real del material rocoso que se encuentra en profundidad.

4. Explique las razones que justifican el empleo de un estudio de sísmica de refracción y de un estudio de resistividad eléctrica para la exploración de un macizo rocoso donde se proyectará un túnel ferroviario de 300 m de longitud y profundidades no mayores a 100 m respecto al nivel del terreno natural. Las técnicas geofísicas son una herramienta de gran utilidad para medir determinadas propiedades físicas de las formaciones geológicas atravesadas por las perforaciones. Con estas técnicas se calculan las velocidades de transmisión (ondas P y S) y el módulo de deformación dinámico del terreno. Se usa el método de refracción sísmica ya que gracias a este, podremos determinar las fronteras entre una roca de mala calidad a una de buena calidad, esto con el fin de determinar la ubicación que resultará más conveniente para la construcción de los accesos (portales), la profundidad (no mayor a 100m) no es un problema debido a que en la actualidad existen aparatos con gran capacidad, la única limitación que pudiera surgir es la longitud del tendido (disponibilidad de zonas descubiertas con suficiente extensión). La propiedad eléctrica que se emplea para inferir las características de los materiales del subsuelo en los métodos eléctricos es la resistividad (su variación con la profundidad). La resistividad es la oposición de los materiales al paso de la corriente eléctrica.

La justificación para utilizar el método de resistividad es que gracias a este se obtienen correlaciones litológicas entre los valores de resistividad y los espesores de las diferentes capas del subsuelo, lo cual es de gran importancia saber para la caracterización del macizo rocoso del proyecto de un túnel ferroviario.

5. Explique los alcances de la exploración del suelo por métodos directos e indirectos y las ventajas y desventajas entre ambos métodos. Los alcances principales que presentan los métodos de exploración directa del suelo (sondeos), es conocer sus propiedades mecánicas e índices como las que se enlistan a continuación:     

Clasificación del suelo Resistencia del suelo Resistencia al corte Capacidad de carga Deformaciones

Los alcances principales que presentan los métodos de exploración indirecta del suelo (métodos Geofísicos), se mencionan a continuación:    

Tener conocimiento de las características electroquímicas Saber las condiciones freáticas Conocer la resistividad del suelo Identificar la velocidad de propagación del suelo (ondas P y S)

La siguiente tabla muestra las ventajas y desventajas de los métodos citados en esta pregunta:

Métodos directos

Ventajas

-Obtención de muestras alteradas e inalteradas para poder realizar pruebas mecánicas e índices

Métodos directos -Los resultados obtenidos son puntuales. -Los tiempos de realización de las pruebas y obtención de los resultados en laboratorio son Desventajas mayores.

Métodos Indirectos -Los tiempos de realización de la prueba son menores. -El costo de estos métodos es menor comparado con los de exploración directa. -Existen métodos que se consideran masivos por la gran área que pueden abarcar. -Mejor acceso para su realización Métodos Indirectos -La interpretación de los resultados suele ser más delicada, en algunos de estos métodos se requiere de alguien que tenga experiencia en la interpretación de los mismos.

-Los costos de los sondeos son más elevados. -El acceso con la maquinaria suele ser complicada en algunos lugares.

-Mayor grado de alteración de los resultados.

6. Explique brevemente los factores que determinan el comportamiento mecánico de un macizo rocoso que es afectado por una excavación interior (túnel) o a cielo abierto (talud).    

El tipo y cantidad de discontinuidades determinan el grado de fracturación de un macizo rocoso, al igual que el tamaño de los bloques. El grado de meteorización se utiliza para clasificar los macizos rocosos, este influye al momento de determinar propiedades mecánicas, por ejemplo, la resistencia del macizo. Las propiedades físicas del macizo rocoso, por ejemplo, su tamaño, su forma, el material del que está compuesto (mineralogía), etc. La modificación, distribución de fuerzas existentes y la aplicación de nuevas fuerzas al macizo rocoso, interviene para que el macizo tenga cambios en su comportamiento mecánico, por ejemplo, compresiones y expansiones, desplazamientos y deformaciones, etc.

7. Indique la información que debe considerar el modelo geológico-geotécnico para el diseño de un túnel. El objetivo final de todo reconocimiento geológico es conocer y cuantificar los atributos más relevantes en función de las características de la obra, en lo que se denomina modelo geotécnico del terreno, el objetivo es definir los parámetros que deben ser utilizados en el análisis tensodeformacional de la secciones tipo del túnel. En principio, el modelo geológico-geotécnico debe contemplar los siguientes aspectos: •

Perfil topográfico

•

Estratigrafía

•

Estructura del macizo rocoso

•

Litología

•

Contactos y distribución de litologías

•

Ubicación de sondeos y el tipo

•

Geomorfología

•

Espesor y características del manto de alteración

•

Espesor de los materiales de recubrimiento

•

Posición y movilidad del agua

•

Resultados de laboratorio y de medición de campo

Estos datos deben ser analizados en relación con la estabilidad de la excavación y presentados en plantas y perfiles geológico-geotécnicos del frente, clave y hastiales. El seguimiento geológico-geotécnico aporta los criterios básicos para definir los sostenimientos y métodos constructivos. 8. Explique brevemente en qué consisten las clasificaciones del RQD, del RMR, y Q para macizos rocosos.  Índice de calidad de las rocas, RQD Se basa en la recuperación modificada de un testigo (el porcentaje de recuperación del testigo de un sondeo). Depende directamente del número de fracturas y del grado de la alteración del macizo rocoso - Se cuenta solamente fragmentos iguales o superiores a 100 mm de longitud. -El diámetro del testigo tiene que ser igual o superior a 57.4 mm y tiene que ser perforado con un doble tubo de extracción de testigo.

𝑅𝑄𝐷 =

∑(𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑓𝑟𝑎𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 ≥ 10𝑐𝑚) 𝑥100 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑎𝑑𝑎

A continuación se presenta una tabla donde se muestra la calidad de la roca dependiendo de los valores en porcentaje de RQD: RQD (%) < 25 25 – 50 50 – 75 75 – 90 90 - 100

Calidad de roca Muy mala Mala Regular Buena Excelente

Existe una formulas empiricas para calcular el valor de RQD cuando no se tienen sondeos: 𝑅𝑄𝐷 = 115 − 3.3 𝐽𝑣 > 4.5 𝑅𝑄𝐷 = 100

𝑝𝑎𝑟𝑎 𝐽𝑣 ≤ 4.5

𝐽𝑣 : 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑗𝑢𝑛𝑡𝑎𝑠 𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑐𝑖𝑧𝑜 𝑟𝑜𝑐𝑜𝑠𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑚3



Rock Mass Rating System (RMR)

Constituye un sistema de clasificación de macizos rocosos que permite a su vez relacionar indices de calidad con parámetros geotecnicos del macizo y de excavación y sostenimiento de túneles.

Se valora una serie de parámetros: 1) 2) 3) 4) 5)

Resistencia del materialintacto (ensayo carga puntual o compresión simple) R.Q.D Distancia entre discontinuidades Condición de las discontinuidades Agua subterranea

valor maximo=15 valor máximo=20 valor máximo=20 valor máximo=30 valor maximo=15

𝑅𝑀𝑅 = (1) + (2) + (3) + (4) + (5) Calsificación de RMR (los valores oscilan entre 0 y 100): Clase I II III IV V



Calidad de roca Muy buena Buena Regular Mala Muy mala

RMR 81 – 100 61 – 80 41 – 60 21 – 40 0 – 20

Indice Q de Barton (rock mass quality)

Basado en una gran cantidad de casos tipo de estabilidad en excavaciones subterraneas, Barton, Lien y Lunde , propusieron un indice para determinar la calidad del macizo en túneles. Se hace una valoración con un indice Q a partir de valores de diferentes parámetros: 𝑄=

𝑅𝑄𝐷 𝐽𝑟 𝐽𝑤 . . 𝐽𝑛 𝐽𝑎 𝑆𝑅𝐹

𝑅𝑄𝐷 ∶ Í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑜𝑐𝑎 𝐽𝑛 ∶ 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑚𝑖𝑙𝑖𝑎𝑠 𝐽𝑟 ∶ 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑢𝑔𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑗𝑢𝑛𝑡𝑎 𝐽𝑎 ∶ 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑗𝑢𝑛𝑡𝑎 𝐽𝑤 ∶ 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑆𝑅𝐹 ∶ 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑐𝑖𝑧𝑜 𝑟𝑜𝑐𝑜𝑠𝑜 𝐽𝑛 , 𝐽𝑟 𝑦 𝐽𝑎 𝑠𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑛 𝑎 𝑙𝑎𝑠 𝑗𝑢𝑛𝑡𝑎𝑠 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑚á𝑠 𝑑𝑒𝑠𝑓𝑎𝑣𝑜𝑟𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠

-

Clasificación de Q (oscila entre 0.001 y 1000)

Q (rock) mass quality) 0.001 – 0.01 0.01 – 0.1

Valoración Excepcionalmente mala Extremadamente mala

0.1 – 1.0 1.0 – 4 4 – 10 10 – 40 40 – 100 100 – 400 400 - 1000

Muy mala Mala Regular Buena Muy buena Extremadamente buena Excepcionalmente buena

9. Dibuje en una red estereográfica meridional las dos siguientes familias de discontinuidades: F1 :200/10 y F2: 330/60

10. Indique a partir del criterio de Bieniawsky, cual es el efecto del rumbo y el echado de cada una de las familias de discontinuidades indicadas en el punto anterior para el procedimiento constructivo de un túnel carretero cuyo eje longitudinal tiene un rumbo N20W. Considere el avance de construcción en ambos sentidos y exprese el efecto de las familias por separado. La familia 1 al tener un echado menor a 20° se encuentra en una situación desfavorable por cualquiera de los dos portales que se ataque. La familia 2 cuando se ataca desde el portal que se encuentra en el NW nos encontramos con una situación regular. Cuando se ataca desde el otro extremo nos encontramos en una situación muy favorable.

11. Explique brevemente la metodología para determinar el módulo de elasticidad de un macizo rocoso para el diseño de un túnel. Comente las principales expresiones y las limitaciones de cada uno. Una vez obtenida la relación entre Q - RMR y GSI - RMR, es posible referir muchas de las correlaciones empíricas que fueron propuestas por varios autores al índice de calidad de Bieniawski. Las correlaciones entre los parámetros mencionado anteriormente y el módulo de elasticidad del macizo rocoso son las siguientes: 

Hoek, 2002 (𝐺𝑆𝐼, 𝜎𝑐𝑖 , 𝐷) 𝐺𝑆𝐼−10 𝐷 𝜎𝑐𝑖 𝐸𝑚 = (1 − ) √ . 10 40 2 100

𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜎𝑐𝑖 < 100 𝑀𝑃𝑎

𝐺𝑆𝐼−10 𝐷 𝐸𝑚 = (1 − ) . 10 40 2

𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜎𝑐𝑖 > 100 𝑀𝑃𝑎

𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝐷 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑑𝑎ñ𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑒𝑥𝑐𝑎𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 Las limitaciones de este método son que tiende a ser conservador, considera la relación que existe entre la resistencia a la compresión simple de la roca matriz y el factor de daño al proceso de excavación. 

Bieniawski, 1978 (RMR)

𝐸𝑚 = 2𝑅𝑀𝑅 − 100 (𝐺𝑃𝑎)

𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑅𝑀𝑅 > 55

Las limitaciones de este método son que es excesicamente simplista (lineal), abarca un rango limitado (RMR>55) y por la epoca en que fue propuesto, esta basado en escasos números de datos de medición. 

Barton, 1992 (Q) 𝐸𝑚 = 25𝐿𝑜𝑔10 𝑄 (𝐺𝑃𝑎)



Serafim y Pereira, 1983 (RMR) 𝐸𝑚 = 10



𝑅𝑀𝑅−10 40

(𝐺𝑃𝑎)

𝑝𝑎𝑟𝑎 10 < 𝑅𝑀𝑅 < 50

Barton, 2002 (𝑄, 𝜎𝑐𝑖 ) 1

𝜎𝑐𝑖 3 𝐸𝑚 = 10. (𝑄 ) (𝐺𝑃𝑎) 100

Este es el criterio que mejor se ajusta estadísticamente a los valores reales. 

Gokceoglu, 2003 (RMR) 𝐸𝑚 = 0.073𝑥𝑒 0.075 𝑅𝑀𝑅 (𝐺𝑃𝑎)



Hoek, 2004 𝐸𝑚 = 0.33𝑥𝑒 0.064 𝐺𝑆𝐼 (𝐺𝑃𝑎)



Hoek y Brown, 1997 𝐸𝑚 = √

𝐺𝑆𝐼−10 𝜎𝑐𝑖 . 10( 40 ) (𝐺𝑃𝑎) 100

12. Describa las expresiones que representan la Ley de Resistencia al Corte del criterio de HoekBrown, los parámetros que la integran y las diferencias que existen para una roca intacta y para un macizo rocoso. El criterio de falla generalizado de Hoek-Brown para macizos rocosos fracturados está definido por:

1

𝜎1 = 𝜎3 + (𝑚𝜎𝑐 𝜎3 + 𝑠𝜎𝑐 2 )2 donde - 𝜎1 y 𝜎3 : son los esfuerzos efectivos principales mayor y menor, respectivamente, en la condición de falla - 𝑚 : es el valor de la constante de Hoek-Brown para el macizo rocoso - 𝑠 : es una constante que depende de las características del macizo rocoso - 𝜎𝑐 : es la resistencia a la compresión uniaxial de los trozos o bloques de roca intacta que conforman el macizo rocoso.

Para una roca inalterada el valor del parámetro s es igual a 1, debido a que no se presenta una disminución a su resistencia, con las siguientes expresiones se pueden calcular los valores de 𝜎𝑐 y 𝑚 para este caso: 𝜎𝑐2 =

∑ 𝑦𝑖 ∑ 𝑥𝑖 𝑦𝑖 − (∑ 𝑥𝑖 ∑ 𝑦𝑖 /𝑛) ∑ 𝑥𝑖 −[ ]. ∑ 𝑥𝑖 2 − (∑ 𝑥𝑖 )2 /𝑛 𝑛 𝑛

𝑚=

1 ∑ 𝑥𝑖 𝑦𝑖 − (∑ 𝑥𝑖 ∑ 𝑦𝑖 /𝑛) .[ ] ∑ 𝑥𝑖 2 − (∑ 𝑥𝑖 )2 /𝑛 𝜎𝑐

Para un macizo rocoso alterado el parámetro de S debe calcularse de la siguiente manera, los valores oscilaran entre 0 y 1, en el caso de que el valor de esta constante sea negativo, deberá considerarse igual a 0 y el valor de 𝑚 se calculará con la siguiente expresión correspondiente: 𝑠=

∑ 𝑦𝑖 ∑ 𝑥𝑖 1 .[ − 𝑚𝜎𝑐 . ] 2 𝜎𝑐 𝑛 𝑛 𝑚=

∑ 𝑦𝑖 𝜎𝑐 . ∑ 𝑥𝑖

𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝑚𝑎𝑐𝑖𝑠𝑜 𝑟𝑜𝑐𝑜𝑠𝑜 𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜

𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 "𝑠" 𝑛𝑒𝑔𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠

Se pueden obtener los valores de las constantes 𝑚 𝑦 𝑠 a partir de los valores del RMR, los cuales se calculan con las siguientes expresiones:



macizos rocosos inalterados y no afectados por voladuras 𝑚 = 𝑚𝑖. 𝑒



(

𝑅𝑀𝑅−100 ) 28

;

𝑠=𝑒

(

𝑅𝑀𝑅−100 ) 9

macizos rocosos alterados o afectados por voladuras 𝑚 = 𝑚𝑖. 𝑒

(

𝑅𝑀𝑅−100 ) 14

;

𝑠=𝑒

(

𝑅𝑀𝑅−100 ) 6

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Ingeniería DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TUNELES PRIMER PARCIAL Alumno:  Rufino Noyola Ulises Tlacaelel Profesor: M.I. Bardomiano Soria Castañeda 24 febrero 2017