El espacio subterráneo opción del futuroWTC CIUDAD DE MÉXICO, 8 – 10 OCTUBRE 2014

Sostenimientos deformables para túneles excavados a gran profundidad y sujetos a grandes presiones.

Heinz Ehrbar 8 de octubre 2014

Conclusiones

Construcción

Análisis estático del túnel

Básico del proycto

Diseño del soporte

Líneas del ferrocarril a través de los Alpes SuizosPieza central en el eje norte – sur de Europa

Eje del San Gotardo - un ferrocarril plano

m.s.n.m.3000

2700

2400

2100

1800

1500

1200

900

600

300

0

Bözberg/Hauenstein

Arth-Goldau

Bellinzona

Lugano

Airolo

Göschenen

Basel

Chiasso

BodioErstfeld

Eje actual

1600 t

1400 t

1800 t

Ferrocarril plano con túneles de base

Túneles de base: San Gotardo Ceneri

≥ 2000 t

Túnel de base San Gotardo ( l = 57 km) - Alineación

área para instalaciones

túnel de base San Gotardo

ferrocarril a cielo abierto

ferrocarril existente

depósito para la roca excavada

Sistema del túnel

Perfil geológico longitudinal

caída de rocas, aflojamiento en la bóveda,

desprendimientos da la roca inducidos por discontinuidades

desprendimientos da la roca inducida por esfuerzos

Convergencias o/y presiones altasFalla del frente de excavación

+ altas temperaturas de la roca y alta presión hidrostatica inicial

Riesgos principales

Macizo intermediario del TavetschPerforaciones exploratorias

com

pre

sio

n a

xia

l σ

1 [M

pa]

deformación axial ε [%]despues del ensayoantes del ensayo

2

1

2 4 6 800

σ3 σ3

σ1presión lateralσ3 = 0.15 Mpa

Ensayos tiaxialesComportamiento plástico de la roca

1 - 2 Mpa

después de la excavación

10 mnúcleo

20 Mpa

antes de la excavación

Tarea: ¿ Es posible crear un nuevo equilibrio después de la excavación ?

• perfil circular

• cierre inmediato del anillo del primer soporte

• uso de tecnología probada

• excavación del perfil en sección completa

Supuestos básicos para el diseño

resi

ste

nci

a d

el s

op

ort

e

p

deformación radial u

p1

p2

u1 u2

p

u

Experiencia - la curva característica

Dos principios pricipales de soporte de la roca

principio de resistencia

soporte rigido

deformaciones minimas

revestimiento finalsoporteprovisional

principio de evitación

soporte dúctil

grandes deformaciones

Sobre-excavacion

revestimiento final

soporteprovisional

El principio de resistencía

El principio de evitación

Conclusiones

Construcción

Análisis estático del túnel

Básico del proycto

Diseño del soporte

parametros:

E = 2000 MPaν = 0.3

c = 0.3 MPaφ = 26°

κ = 1/(1 - sinφ)

deformación radial [m]

0.5 1.000

1.5

prof

undi

dad

del t

únel

[m]

1000

500

1.20 m

p = 1.0 MPa

/ 0.25 m

p = 2.0 MPa

0.15 m

0.60 m

Deformaciones radiales como función de la profundidad del túnel

up

D = 13 m

H

0.5 1.000

1.5

up

D = 13 m

H

resi

sten

cia

del s

opor

te

p [M

pa]

1

2

10

H = 1000 m

0.60 m

1.20 m

H = 500 m

0.15 m

0.25 m

deformación radial [m]

parametros:

E = 2000 MPaν = 0.3

c = 0.3 MPaφ = 26°

κ = 1/(1 - sinφ)

Deformaciones radiales como función de la resistencia del soporte

0

principio de evitación

0.5 1.00 1.5

1

2

10

deformación radial [m]

resi

sten

cia

del s

opor

te

p [M

pa]

parametros:

D = 13 m

E = 2000 MPaν = 0.3

c = 0.3 MPaφ = 26°κ = 1/(1 - sinφ)

Principiode resistencia

Límites de aplicación

Conclusiones

Construcción

Análisis estático del túnel

Básico del proycto

Diseño del soporte

p p

Excavación inicial

juntas deslizantes cerradas

p

R1 Rayo excavado R2 Rayo después de las deformaciones

d Tolerancia para deformaciones asymetricas

Concepto para el soporte de la roca

p Restistencia del soporte

arcos de acero perfil TH

juntas deslizantes abiertas

Anclaje radial(hasta 250 m’/m túnel)

Arcos de acero(hasta 9.4 to/m túnel)

Anclaje del frente(hasta 210 m’/m túnel)

Excavación inicialcon espacio adicional para convergencias hasta 70 cm

Anclas radiales y en el frente de la excavación

malla metálica

concreto lanzado

juntas deslizantes arcos de aceroperfil TH

excavación anclas radiales

Concepto para el soporte de la roca

defo

rmac

ión

anclas radialesexcavación

concreto lanzado

malla metálica

arcos de aceroperfil TH juntas deslizantes

anclas radiales

excavación

arcos de aceroperfil TH

juntas deslizantes abiertas

concreto lanzado

malla metálica

anclas radiales

defo

rmac

ión

excavación

juntas deslizantes cerradas

concreto lanzado

arcos de aceroperfil TH

malla metálica

Concepto para el soporte de la roca

ur

paprincipio de evitación principio de resistencia

anclas del frente

anclas adicionales concreto lanzado

arcos de aceroadicionales

anclas radiales

excavación

L1 (15 m) L2 (60 m) L3

Secuencia de construcción

arcos de acero

urpa

roca

cojín de elevación para cargas pesadas

distribución de las cargas

arcos de acero

Ensayos in situ

�

5.2 Observations during the trial

In the first insertion phase it proved very difficult to guarantee the gliding of the ring beam. From the outset these tended to twist or go off axis. This phenomenon was effectively countered with different auxiliary constructions for lateral support and continuous checks. Insertion resistance, however, lay clearly below the required 400 kN during this phase. The system stabilised itself only after a radial deformation of approx. 30 cm, the insertion process took place at a more even pace and the test conditions were no longer crucial for compression behaviour.

During the insertion process it was possible to observe the behaviour of the clamps and the glide paths in detail. The clamps migrated completely irregularly both in the direction of glide path and towards the middle of the segment. The glide paths of both rings were similarly unpredictable. In the extreme case the glide path of a ring was practically closed, during which the same glide path on the other ring was still completely open.

Towards the end of the trial there was a substantial increase in insertion resistance. In one case an entire segment was overthrust and the ring beam closed even further. After almost all glide paths of both ring beams were closed, the ring beams began to deform in the vicinity of the open insertion points (Fig. 9 right). With increasing load an incompletely closed glide path was ultimately the reason for the stability failure of the ring beams. It was observed that the ring beams remained stable even following the failure with strong deformation and retained a good residual bearing capacity.

5.3 Evaluation of the trial

As in the SST the jack pressure, ring beam expansion with strain gauges and ring beam deformation were measured optically by 3D and displacement transducers. The normal force was determined as in the SST both by way of the measured pressures in the jacks and by calculation from the expansion. The resistance-yield curve was determined by the normal force from the averaged values of the flat jacks and radial deformation based on the optical 3D measurements.

Figure 8. Comparison of all resistance-yield curves from steel ring beam trials

Behaviour after failure was significantly better than in the SST. No residual bearing capacity was observed in the SST. In contrast, in the RST lining stiffness declined by only 30% after stability failure. At this level the resistance remained constant with increasing deformation. In Fig. 8 the resistance-yield curve from the RST is compared to all SST. It is evident that the required insertion resistance of 400 kN was achieved, after the test conditions were no longer critical. The maximum lining resistance from the RST lies at the same level as that of the single ring beam in the SST. This was because the glide paths had not completely closed and in the end phase a single beam which was supported laterally by the other segments was tested. The single ring beam failed at this point in the same way as in the SST due to stability problems. Besides the failure pattern, maximum lining stiffness was identical to the two SST. The only difference to the SST was the behaviour after failure: despite the enormous deformation the residual lining stiffness remained constant. In contrast to the SST, where two rigid nodes influenced the behaviour after failure, the entire ring was evenly embedded in the RST. Due to even embedding, the ring beam was able to stabilise itself after the one-time decline in resistance at the achieved level.

1711

resi

sten

cia

del s

opor

te

p [M

pa]

deformación radial [m]

Resultadsos de los ensayos in situ

capacidad teórica

capacidad efectiva

diámetro de excavación:8.60 – 9.20 m

diámetro de excavación:9.20 – 13.08 m

en roca favorable en roca fluyente

Secciónes típicas

Conclusiones

Construcción

Análisis estático del túnel

Básico del proycto

Diseño del soporte

Excavación con martillo hidraulico

Grado de los esfuerzos tectónicos

LeyendaGeología

según la perforación exploratorio inclinadapronóstico

Grado de los esfuerzos tectónicos

realidad

según las perforaciones exploratorios

según la excavación del túnel

Perforaciones exploratorios sistemáticos

Manipuladordel soporte

Manipulador para concreto lanzando cestas de trabajo

marco de la máquina

Elevador y apoyo para los segmentos de la boveda

peso total 55 t

carril suspendido

GTA 7500Instalación para el soporte en dirección radial

GTA 7500Instalación para el soporte en dirección radial

Sostenimiento en la pared lateralZona de excavación L1

Anclaje del frente de excavaciónZona de excavacion L1

Recorte de las anclas en el frente

Comportamiento del sistema - tubo este Deformaciones altamente asimétricos en progresiva metro 1600

Comportamiento del sistemaPared lateral altamente deformada

Comportamiento del sistemaMonitoreo de las deformaciones

Con

verg

enci

as Δ

D [c

m]

60

90

30

0

0 0.5 1.0 1.5 2.0

Tiempo [meses]

ΔD

D = 13 m

1D 2D 3D

Comportamiento del sistemaTubo oeste – Convergencias en progresiva metro 1174

50 cm

17 de octubre 2007 - perforación del primer tubo

• Con 9 meses de avance al programma contractual

• Con costos finales debajo del presupuesto

• La excavación se terminó cumpliendo la productividad contractual.(approx. 1.0 m/día)

Conclusiones

Construcción

Análisis estático del túnel

Basico del proycto

Diseño del soporte

• Los escenarios de risegos claramente definidos

• Los supuestos básicos del concepto estructural

• La investigación permanente de la geología

• Un monitoreo sistemático

• Un alto grado de mecanización

• Una supervisión profesional

Condiciones para el éxito

• Plazos cumplidos

• Objetivos de coste cumplidos

• Producción continua y estable

• Ninguna reperfilación

• Cooperación ejemplar

Indicadores para el éxito

Gracias por su atenciónwww.heinzehrbarpartners.com