Hola, bienvenidos a todos.
Soy José Luis Arcos
y esta sería la segunda parte de la clase de patologías
en excavaciones de túneles al amparo de estructuras flexibles tipo
pantallas.
Vamos a ver en esta clase, algo más corta que la anterior,
las patologías debidas al proceso constructivo y al diseño,
al cálculo de los elementos.
En cuanto al proceso constructivo,
estos elementos flexibles, como contábamos en la primera parte,
deben calcularse para cada una de las fases.
De proceso constructivo,
que ya os recordaba que implicaba excavaciones,
colocación de arriostramientos, una segunda excavación,
colocación de otro nivel de anclaje, excavación.
Imaginad, por ejemplo, en la imagen inferior izquierda,
donde he querido representar las distintas tipologías
de arriostramientos de estos elementos,
muros, pantallas flexibles.
La construcción del.
De ese vaciado que veis ahí entre dos muros pantalla
implica un voladizo inicial hasta una cota que a lo mejor
no supera los tres metros de profundidad.
Más allá no podemos excavar porque la pantalla empieza a flectar
y podría esa flexión superar la tolerancia
a lo mejor 10 centímetros, perdón.
10 milímetros, 20 milímetros, que pusiera fuera de servicio
otras estructuras que había en su trasdos.
Entonces imaginemos una primera etapa donde la pantalla por sí misma,
por su inercia, su rigidez, flecta, pero flecta poco,
hasta una determinada cota de excavación.
Allí colocamos, como veis en la imagen,
un primer nivel de arriostramiento.
Colocado ese primer nivel de arriostramiento,
ya la pantalla queda ahí soportada esa cota
y podemos proceder a la siguiente excavación.
Y en esa imagen que veis,
el proyectista habría decidido seguir excavando hasta otra cota
donde el empuje empanza de la pantalla.
Tuvimos una primera deformación en voladizo,
colocación del arriostramiento,
pero ahora si sigo excavando la pantalla puede ceder por panza.
Y empieza a tener una panza, una barriga en su interior.
Por eso he de detener la excavación para colocar, por ejemplo, allí,
este proyectista, un nivel de anclajes al terreno.
El anclaje soportará la pantalla contra el terreno
y una vez colocado ya, arriestramiento arriba,
nivel de anclajes en esa etapa intermedia,
puedo seguir excavando a lo mejor hasta el fondo de excavación.
O hacer una losa, como veis ahí forjado en azul,
que constituya un elemento definitivo pero a la vez construido
antes de proceder al fondo de la excavación.
Una vez llegado ya al fondo de excavación
podría dejar ver más en los laterales o no,
llegaría al nivel de cimentación.
A partir de ahí arrancaría pilotes, zapatas para levantar los pilares.
Y ya seguir construyendo hacia arriba.
Esto sería una solución constructiva en descenso,
una excavación en descenso
y a medida que va progresando el descenso de la excavación,
voy colocando estas distintas posibilidades
de niveles de arriostramiento.
Aquí veis,
aunque no sean específicamente soluciones de túneles,
todas ellas, algunas sí, Pero en la imagen superior izquierda
se ha empleado un sistema que llamamos top-down.
Entre las pantallas no hay puntales, no hay anclajes,
sino que se han construido las propias losas
de los forjados para, una vez construida la losa,
excavar bajo ella hasta el siguiente nivel
de otra losa.
Y una vez construida la segunda losa,
excavar hasta el nivel de la tercera y así ir descendiendo
a medida que voy haciendo las losas de los distintos forjados.
Las ventanas que veis ahí, con una forma cuasi rectangular,
aunque redondeada, son ventanas por donde ir extrayendo
el material propio de la excavación.
Pero tendríamos suficiente losa para constituir un forjado
arriostrante entre una pantalla y la opuesta frontalmente.
Siguiendo con las imágenes de arriba,
a la derecha veis una pantalla que se ha construido
con una sola fila de anclajes al terreno.
Hubo una primera etapa en voladizo,
se construyeron los anclajes al terreno que veis ahí en una fila
y una vez tensados esos anclajes que anclan la pantalla
contra el terreno se ha procedido ya hasta la excavación máxima.
Vamos ahora a la parte inferior izquierda y ahí el sistema
ha sido arriostramiento metálico provisional.
Esto quiere decir que se construyeron los muros pantalla,
se hizo una primera etapa en voladizo,
se colocaron estos puntales metálicos de una pantalla contrasopuesta
y una vez colocado el puntal se excavó hasta abajo.
Cuando lleguemos al fondo de excavación
se construirá una losa de fondo.
Se levantarán a lo mejor pilares o no,
en este caso no parece necesario, y se construirá una losa
en superficie que permitirá restirar los puntales metálicos.
Abajo a la derecha quería ponerla para completar los distintos sistemas
de arriostramiento posibles.
La pantalla de abajo a la derecha
no tiene ni anclajes ni arriostramientos metálicos
ni losas,
pero tiene una forma antifunicular.
No es una solución para túneles, como veis,
pero sí pudiera ser una solución para una estación subterránea,
donde el túnel entrara por un lateral de ese cilindro,
saliera por el otro y esa forma circular
pudiera ser una estación entre dos tramos de túnel,
con esa gran ventaja de una construcción diáfana
en su interior, sin estorbo de puntales ni losas.
Y el ahorro económico
que implica ahorrarnos todos esos sistemas de arrastramiento
porque la forma antifunicular, circular, nos hace que la pantalla
en lugar de trabajar como elemento flexible,
que flecta, trabajaría solamente a compresión.
¿Por qué hablo de los sistemas de contención?
Porque influyen todos ellos en el cálculo,
en el diseño de la pantalla,
con lo cual pueden aparecer patologías debidas al diseño,
pero también veremos en clases posteriores,
en las partes posteriores de esta clase,
patologías directamente asociadas a cada uno de esos sistemas
de arriustamiento o contención.
Estoy insistiendo constantemente en que la pantalla
tiene en su proceso constructivo distintas etapas.
Normalmente una primera excavación en voladizo,
luego una ejecución de un anclaje, a lo mejor
postesado contra el terreno, luego una segunda excavación
y unas flexiones diferentes.
Veis que cada una de esas etapas del proceso constructivo,
he intentado representarlas en la imagen inferior izquierda,
tiene una ley de momentos flectores
para la cual debe ser armada esa pantalla de hormigón.
Las distintas soluciones de flexiones en rojo, verde, azul,
son las distintas leyes de momentos flectores
a las que se ve sometida esta pantalla
durante su proceso constructivo.
Para estos cálculos,
veréis que tenemos distintas herramientas
modelos donde se simula la pantalla como una viga flexible
sometida a empujes del terreno empujes con un terreno
con un comportamiento elastoplástico también es habitual
usar programas de elementos finitos como veis.
A la derecha, el programa de cálculo también tiene
que reproducir cada una de estas etapas constructivas.
Abajo a la derecha se ven, de izquierda, derecha
y de arriba a abajo, una situación inicial,
un primer voladizo, un anclaje,
una segunda excavación, hasta llegar al fondo de excavación,
reproducido con un modelo de elementos finitos.
El de arriba sería una salida gráfica, por ejemplo,
de un programa de cálculo de muelles, llamamos modelo Winkler,
representando el terreno donde podemos también obtener
los resultados no sólo de las flexiones en la pantalla
sino también sus deformaciones.
Para hacer un diseño de una pantalla que como veis son
elementos estructurales como vimos en la parte primera.
Muy sensibles a los parámetros geotécnicos y a los empujes,
pudiendo llegar al colapso en las situaciones extremas,
hay que primero caracterizar el terreno convenientemente.
Un terreno lo caracterizamos en mecánica de suelos
normalmente por su densidad, su rozamiento interno
y su cohesión.
Son los parámetros resistentes del terreno.
Cohesión y rozamiento son los dos parámetros que nos van
a decir dónde está el límite de resistencia del terreno,
dónde el terreno empieza a estar plastificado
y ya no es capaz de resistir más.
Empujes que la pantalla pudiera ejercer contra el terreno
intentando este terreno sustentar a la pantalla.
La cohesión es un valor muy sensible y no basta con tomar unos pocos datos
obtenidos de ensayos de laboratorio.
Normalmente un ensayo de laboratorio para obtener la cohesión del material
puede estar sobredimensionado, sobrevalorado.
Porque normalmente cuando llevamos muestras al laboratorio
para ensayarlas por su cohesión se llevan trozos de testigo,
de un sondeo, los que mejor se pueden manejar
y normalmente son los que más cohesión tienen.
Despreciamos material suelto o con menos cohesión
porque se rompe en el camino al laboratorio
y resulta que no lo caracterizamos correctamente por su baja cohesión.
Es una recomendación buena partir de parámetros de cohesión avalados
por la experiencia anterior.
No sólo tener en cuenta los pocos valores que nos haya proporcionado
un estudio geotécnico.
Siendo conservadores en la cohesión, tendremos mucha más garantía
de hacer una solución con garantía de pantalla sin problemas
por diseño.
Las formas de cálculo con estos programas que os decía antes,
con modelos Winkler, de muelles o de elementos finitos,
suelen calcular con unos valores representativos de cohesión,
de rozamiento, de densidad.
Y que deben ser avalados por la experiencia,
preferiblemente.
Y una vez reproducido con esos parámetros del terreno
el proceso constructivo y obtenidas las distintas leyes
de flexiones y cortantes que aparecen en la pantalla,
obtener esa envolvente, mayorarla y armar para ese valor
de flexiones y cortantes mayorados.
La otra opción que nos permitiría el Eurocódigo.
Sería disminuir, minorar los parámetros geotécnicos,
hacer el cálculo y armar la pantalla
para las flexiones que nos hubieran salido
pero ya sin ser mayoradas.
Este proceso es mucho menos habitual.
No sería esta segunda opción la práctica habitual en España.
Dicho esto, Hemos visto la problemática relacionada
con los parámetros resistentes del terreno, cohesión y rozamiento,
pero el mayor empuje sobre la pantalla no viene ya dado
por el propio empuje de tensiones efectivas del terreno.
El mayor empuje de las pantallas,
que sufren las pantallas cuando son excavadas,
se debe al nivel freático de su TRAS-2.
El empuje del agua es hidrostático, no viene minorado por un empuje
por un coeficiente reductor que sería el coeficiente de empuje activo.
El empuje del agua en el traslado de la pantalla
es normalmente hidrostático, depende sólo de la altura de agua
y tiene un efecto muy sensible.
Para la pantalla en cuanto a los esfuerzos que va a sufrir
y a las deformaciones que ese empuje de agua va a provocar
en la pantalla.
Una subida de un metro del nivel freático
en el trasdos de la pantalla no es nada despreciable.
Si tenemos un informe geotécnico que nos advierte
de una cota de nivel freático X, Hay
que ser bien precavido para prever situaciones extraordinarias
que pudieran implicar una subida de freático.
Una subida de freático inesperada en el trasdos de la pantalla
puede provocar el colapso de la misma.
Y una subida de freático puede venir dada por una tormenta,
puede venir dada por una rotura de una tubería en el trasdos.
Todo eso ha de tenerse muy en cuenta
y si no se tiene en cuenta esa situación extraordinaria,
prever las situaciones,
las actuaciones que habría que llevar a cabo
en caso de que algo ocurriera.
Por ejemplo, teniendo instrumentación en la pantalla
para ir midiendo deformaciones
e ir teniendo conocimiento de comportamientos irregulares
de la pantalla.
Nivel freático no solo es un problema,
crea una patología cuando tiene
una subida extraordinaria por los empujes sobre la pantalla,
sino hay otros problemas asociados al nivel freático
cuando hacemos una excavación entre pantallas
deprimiendo el nivel freático.
El nivel freático en el trasdor de las pantallas
mantendrá normalmente una cuota muy próxima
a la que tenía inicialmente, pero nosotros,
a medida que excavamos,
vamos deprimiendo la cuota de freático entre las pantallas.
Mirad la imagen de la izquierda,
que sería un túnel entre pantallas, ferroviario en este caso,
donde vemos los dos andenes, las dos pantallas a izquierda y derecha,
una losa de cubierta en superficie y una contra bóveda
con una losa inferior.
Pero veis unos elementos aquí verticales que son anclajes
al terreno.
¿Por qué necesitamos estos anclajes?
Pues es simplemente para contrarrestar el empuje
de Arquímedes ascensional, que llamamos subpresión,
subpresión bajo la losa de fondo.
Este empuje haría flotar este vaso y no es raro
los casos donde nos hemos encontrado excavaciones con losa de fondo
construida que empiezan a intentar flotar y empiezan a elevarse
o rompen el fondo de la losa porque no están estas losas de fondo
armadas para soportar el empuje de la supresión en ese caso
necesitaríamos anclajes como veis aquí.
Es la solución adoptada en este caso.
Pero antes de tener construida la losa y los anclajes hay
que ir deprimiendo el nivel freático y mientras vamos deprimiendo
el nivel freático se crea una red de flujo
que va y pasea nuestras pantallas por su pie
y nos entra al interior entre las dos pantallas,
el nivel freático exterior.
A medida que excavamos el interior se crea una red de flujo
que vaipasea las pantallas por su pie
y entra al fondo de la excavación por su fondo.
Esa red de flujo,
si no están las pantallas suficientemente empotradas,
nos provocará problemas de sifonamientos o levantamiento
del fondo de la excavación.
A veces usamos tapones de jet grouting
para evitar problemas durante el achique.
Necesario para construir las losas de fondo.
Cabe señalar aquí que la losa a supresión
en el fondo podemos hacerla de dos tipos,
la verdaderamente estanca, que es una losa verdaderamente a supresión,
porque es un cierre impermeable por el fondo de la excavación,
o las losas drenadas,
donde mantenemos un achique permanente durante toda la vida
de la obra para que la losa de fondo no sufra el empuje de la supresión.
Todo el caudal que entra por el trasdós de la pantalla,
bajando por su pie hacia el interior,
lo vamos bombeando.
Esas serían soluciones de losas drenadas.
Para acabar, deberíamos contemplar, sobre todo en situaciones
donde la superficie del terreno no es horizontal
y nuestra excavación entre pantallas está en una media ladera.
Imaginad esta imagen, que es un vídeo,
con una pantalla de pilotes, micropilotes en este caso,
a media ladera.
Los problemas no son los habituales cuando excavamos entre pantallas
en un terreno horizontal.
Se nos juntan unas tensiones iniciales
debidas a hacer esta excavación en media ladera
que pueden no contemplarse muy bien en los diseños,
sobre todo cuando la gente no ha tenido experiencias anteriores.
El cálculo de pantallas a media ladera debe contemplar
un cálculo de estabilidad global.
Porque.
Hay que prever situaciones de empujes extraordinariamente grandes
cuando se movilizan cuñas de empuje de terreno muy superiores
a las habituales que se dan cuando tenemos superficies
del terreno horizontal.
No es un caso de un túnel, pero sirva para tener en cuenta
la necesidad de estos cálculos de estabilidad global
cuando la pantalla está en una media ladera.
Aunque lo he comentado anteriormente, esta diapositiva solo
trata de mostrar los dos tipos de cálculo de los que os he hablado.
El modelo Winkler de arriba son cálculos de equilibrio límite
donde el terreno se modeliza por una serie
de muelles elastoplásticos.
Un muelle que representa una reacción elástica hasta cierta deformación
a partir de la cual se considera que el muelle plastifica.
Esos son los modelos tipo muelle y estos
de los que os he hablado antes, los modelos de elementos finitos
ambas, son buenas soluciones para el cálculo de muros pantalla.
Y siempre debemos tener en cuenta
que no podemos esperar un mismo resultado
por ambos modelos, puesto que son modelos diferentes,
pero lo ideal sería probar con ambos cuando vamos a hacer un diseño
de un muro pantalla.
En cuanto a los elementos finitos, quería recalcar una cosa.
No nos valen modelos simples tipo morculón.
Morculón simplificado.
Debemos ir a modelos más avanzados tipo hardening soil,
modelos hiperbólicos.
O incluso modelos todavía más avanzados
como el HSS para pequeñas deformaciones,
porque son los únicos que nos van a permitir obtener valores realistas
de las deformadas de las pantallas.
Y por último.
Las pantallas son elementos flexibles, se deforman
y en su trasdos puede haber edificaciones, como en este caso,
u otras estructuras afectadas.
La margen de la izquierda es una pantalla con tres niveles
de anclaje.
Con una edificación en su trasdos.
Si esta pantalla, como os decía, en su proceso constructivo
va sufriendo determinadas deformaciones,
todos esos movimientos de la pantalla van a implicar movimientos
en la base del edificio que hay en su trasdos.
Y un movimiento en el edificio en su trasdos
va a provocarle grietas.
Tenemos que hacer un sistema de contención suficientemente rígido
y una solución de arriestramiento pretensada,
en este caso con anclajes, para evitar.
Los movimientos excesivos de la pantalla
y cuando digo excesivos a lo mejor es limitarlo a 10 milímetros.
Movimientos a lo mejor para una pantalla que se excava
15 metros de profundidad tener menos de 10 milímetros de flexión
en su proceso de excavación.
Otro caso.
Que se nos ha dado es la construcción de un túnel nuevo muy próximo
a uno primero ya construido.
En este caso no nos valen los modelos de cálculo tipo viga con muelles.
Necesitamos modelos de elementos finitos que nos ayuden a ver
la interacción que hay entre una nueva construcción
y la otra ya existente.
Porque solo los modelos de elementos finitos
nos permiten meter dentro de la malla del problema
todas estas estructuras próximas que pueden verse afectadas
durante el proceso de excavación de la nueva estructura.
En este caso, el túnel antiguo puede verse afectado
por la excavación que estamos haciendo en el túnel nuevo
entre pantallas de la derecha.
Será importante conocer el estado original del túnel antiguo
y la capacidad que tenga para sufrir la modificación de sus esfuerzos,
flectores, a causa de la construcción del primero.
Y los elementos finitos, sobre todo con modelos avanzados,
tipo hiperbólico o hardening soil model,
serían los adecuados para tener en cuenta esta interacción
con estructuras próximas.
O adyacentes a nuestras pantallas.
Y esto es todo en esta segunda parte y gracias por vuestra atención.