Tema 6 Túneles - AUSCULTACIÓN DEL TERRENO E INSTRUMENTACIÓN

1.- 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.

Esto implica que, en muchos casos, los sostenimientos sean sobredimensionados o infradimensionados, causando problemas de inestabilidad en este último caso. Con la instrumentación sistemática como parte del diseño y control general de la construcción, se puede contrastar experimentalmente las hipótesis iniciales y modificarlas si es preciso. - Permite optimizar los diseños de sostenimiento definidos en proyectos. Las obras subterráneas presentan elevados costes y envuelven altos riesgos, por lo que si prescindimos de la auscultación el diseño debe ser más conservador y por consiguiente se va a encarecer la construcción. Además, no se es consciente del grado de conservadurismo alcanzado, por lo que ante unas condiciones no esperadas estos diseños pueden resultar no conservadores, además de no ser advertidos con antelación. Con una correcta instrumentación podemos mitigar estas posibles consecuencias debido a que nos informa de las cargas sobre los revestimientos, los esfuerzos y las deformaciones, y mantener unos márgenes de seguridad aceptables.

- Permite evaluar el grado de estabilidad conseguida en la excavación y sostenimiento del túnel.

- Permite controlar las deformaciones diferidas una vez terminada la ejecución del túnel, durante su etapa de explotación. Con la auscultación a largo plazo podemos evaluar el comportamiento de la obra tras la construcción, 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, como puede suceder en materiales de naturaleza evolutiva, 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.

Las fases de la auscultación son:

a) Previsión del comportamiento de acuerdo a las condiciones del terreno.

b) Selección de parámetros a auscultar.

c) Selección de los instrumentos adecuados a dichos parámetros.

d) Obtención e instalación de dichos instrumentos.

e) Mantenimiento de los instrumentos.

f) Lectura y análisis de los datos obtenidos, comparando los resultados reales con los previstos en la fase de diseño.

2.- 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 instrumentación puede suministrar la necesaria seguridad mientras permite mantener los coeficientes de seguridad dentro de márgenes aceptables.

Tras la construcción, la auscultación a largo plazo permite evaluar la evolución de cargas y deformaciones susceptibles de variar en el tiempo.

Por otro lado, un uso excesivo de la instrumentación nos puede aportar información poco útil en algunos casos, por lo que es importante que se ciña a los parámetros efectivos de diseño y a los posibles problemas de construcción.

El objetivo de la instrumentación es medir y auscultar las condiciones in situ sujetas a cambio, entre las que se incluyen:

- Movimientos superficiales

- Movimientos en el interior del terreno

- Presiones del terreno

- Esfuerzos sobre elementos estructurales

El control se realiza durante estas fases:

- Antes de la construcción, para obtener los datos útiles para el diseño.

- Durante la construcción, para confirmar idoneidad o propiciar modificaciones.

- Después de la construcción, para prevenir roturas.

En la selección de la instrumentación, hay que tener en cuenta estos factores:

- Robustez

- Calibrado: en recepción, chequeando con un patrón establecido, o en operación, a intervalos regulares. La rapidez y fiabilidad de esta operación es importante.

- Instalación y mantenimiento: estos factores afectan sustancialmente al coste.

- Recolección de datos y registro: recogida manual o automática, directamente o a distancia, de forma periódica o continua.

- Frecuencia de observaciones: aparte de la auscultación periódica rutinaria, debe ser capaz de incrementar las lecturas cuando las condiciones sean críticas.

En la siguiente Tabla 1, se resumen los métodos e instrumentos frente a la condición auscultada, y en la Tabla 2, frente al tipo de aplicación.

3.- MOVIMIENTOS SUPERFICIALES

3.1.- TIPOS

- Desplazamientos verticales: asientos o levantamientos de la superficie del terreno.

- Desplazamientos laterales: pueden indicar la actividad de una falla; también pueden ser debidos a la convergencia debida a la relajación de tensiones que se produce al realizar una excavación subterránea.

- Vibraciones: las vibraciones propias de la actividad constructiva pueden afectar a las estructuras existentes.

3.2.- MÉTODOS TOPOGRÁFICOS

Los métodos topográficos miden tanto los desplazamientos verticales como los horizontales; existen los siguientes métodos:

- Nivelación: para movimientos en la vertical. Precisión en torno a 1 mm.

- Colimación: para movimientos horizontales en una dirección. Precisión del orden de milímetros.

- Triangulación: tanto para movimientos verticales como horizontales. Precisión del orden del centímetro.

3.3.- MÉTODOS VARIOS

El extensómetro vertical controla los asientos de la superficie del terreno; muy útil para túneles excavados en suelos.

Para medir deformaciones en juntas o grietas se puede utilizar un equipo simple, que mide la distancia entre tres clavos situados en un triángulo junto a la grieta o junta a auscultar.

Para controlar los movimientos horizontales o verticales de las estructuras existentes en la zona de influencia de la excavación, se puede auscultar mediante fotogrametría, y mediante péndulos.

3.4.- 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.

El equipo está constituido por sismógrafos portátiles.

4.- MOVIMIENTOS EN EL INTERIOR DEL TERRENO

4.1.- TIPOS

- 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, incluyéndose las posibles convergencias.

- Gradientes de deformación: generados por el cierre de la excavación subterránea.

- Caída de bloques en macizos rocosos diaclasados: en excavaciones sin revestimiento continuo, hay que hacer un reconocimiento para evitar la caída de bloques de techo y hastiales.

4.2.- MEDIDA DE CONVERGENCIAS

Se realizan con una cinta extensométrica entre clavos o pernos cortos distribuidos por el perímetro de la excavación, midiéndose los desplazamientos relativos entre ellos. Precisión de medio milímetro.

El instrumento consta de una cinta de acero perforada a intervalos regulares. El aparato incorpora un dispositivo para tensar la cinta y una esfera indicadora.

(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

4.3.- EXTENSÓMETRO VERTICAL DE VARILLA

Es un aparato simple para la medición de deformaciones entre la superficie del terreno y una cierta profundidad.

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, donde se monta una esfera indicadora para leer el desplazamiento relativo entre la superficie del terreno y el punto considerado.

4.4.- 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. Precisión de medio milímetro.

Se realizan sondeos verticales desde la superficie del terreno, a una cierta distancia de los laterales de la excavación, hasta una profundidad superior a la de dicha excavación.

El equipo consta de una sonda, tambor para recogida del cable y una unidad de lectura. 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. La sonda se introduce en la tubería, que presenta unas acanaladuras longitudinales que sirven de guía, y los sensores eléctricos que lleva permiten la medición de la inclinación de su eje con respecto a la vertical a distintas alturas.

Los sensores de la sonda pueden ser de resistencia eléctrica, de cuerda vibrante o servoacelerómetros, siendo estos los de mayor precisión.

4.5.- DEFLECTÓMETRO

Se usa como instalación permanente en sondeos para medir movimientos laterales al eje del sondeo; por ejemplo, los que pueden existir en zonas de fallas o en cualquier plano de debilidad del macizo rocoso.

Precisión en torno a 0,025 mm.

El sistema puede ser leído a distancia, e incorporar un sistema de alarma.

4.6.- BULÓN EXTENSIOMÉTRICO

La excavación subterránea crea una zona de relajación en su entorno que induce deformaciones hacia su interior. Los extensómetros se instalan en sondeos, y miden el movimiento relativo entre la boca de dicho sondeo y el interior del terreno. Precisión de 0,1 mm.

En el caso más sencillo, se instalan bulones a varias profundidades para medir las deformaciones diferenciales.

El equipo mide la deformación existente entre el punto de anclaje y la cabeza.

4.7.- EMISIÓN ACÚSTICA

La emisión acústica está relacionada con los ruidos no audibles originados en suelos y rocas por la liberación de tensiones.

También es conocida como actividad microsísmica.

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.

En suelos y rocas, el origen de la actividad está relacionado con los procesos de deformación y rotura, los cuales son acompañados por una liberación súbita de la energía de deformación.

Como estos materiales son, básicamente, de naturaleza policristalina, la actividad se origina, a nivel microscópico resultado de dislocaciones por movimientos entre granos o iniciación y propagación de fracturas entre y a través de éstos, y a nivel macroscópico, por fracturación y rotura de grandes áreas de material o movimientos relativos entre grandes unidades estructurales.

La liberación súbita de la energía elástica almacenada por deformación que acompaña a estos procesos genera ondas elásticas que viajan desde su fuente, en el interior del material, hasta sus límites, donde es captada.

La actividad se incrementa según el material es tensionado y, a la inversa, disminuye cuando el equilibrio es alcanzado tras una rotura.

El geófono es un sismógrafo que convierte el movimiento vertical de la tierra en señales eléctricas.

Los geófonos pueden detectar señales con frecuencias comprendidas entre 1 y 1.000 Hz, que es el rango normal para grandes estructuras geológicas.

Para frecuencias más altas se emplean acelerómetros, y para las más bajas se mide el desplazamiento.

En la figura se observan las posibles situaciones de los geófonos.

5.- MEDICIÓN DE PRESIONES

5.1.- TIPOS

- Presiones intersticiales de agua subterránea.

- Tensiones bajo áreas cargadas o en elementos estructurales.

- Presiones del terreno contra revestimientos o sostenimientos.

- Tensiones residuales en macizos rocosos.

5.2.- PIEZÓMETRO

Se usan para auscultar niveles de agua.

Pueden ser de 2 tipos:

a) Piezómetros abiertos

En el interior de un sondeo, se introduce un tubo ranurado por la zona que se quiere controlar, aislando dicha zona con un sello de bentonita. El nivel piezométrico se mide con una sonda introducida por la boca del tubo, controlándose las presiones intersticiales de un determinado nivel.

Están indicados para medir presiones intersticiales en un determinado nivel de un terreno permeable.

Constan de un sensor, que mide la presión ejercida por el agua, un elemento de transmisión, que conduce la señal emitida hasta la unidad de lectura, situada en el exterior del sondeo.

Se pueden utilizar en cualquier clase de terreno, incluidos los poco permeables, y cuando se desee medir las presiones intersticiales a distintos niveles, como en la figura de la derecha.

b) Piezómetros cerrados

5.3.- CÉLULAS DE PRESIÓN

Se usan para la medida de presiones contra el revestimiento, y se pueden instalar en las superficies de contacto entre sostenimiento y revestimiento, entre cualquiera de estos y el terreno, o en el interior de los mismos.

Se pueden medir tensiones tangenciales o radiales, según la orientación de instalación, como se ve en la figura.

La célula está constituida por una doble placa metálica de forma circular o rectangular, extremadamente fina en relación a su diámetro, rellena de mercurio o aceite. Pueden ser de tipo neumático, hidráulico y eléctricas, siendo estas últimas las de mayor precisión.

Un problema es la diferencia de rigidez entre el terreno y la propia célula, lo que influye sobre la presión transmitida al líquido que contiene, con lo que la precisión es del orden del 10% de la lectura.

Además, la instalación es difícil, lo cual incrementa las posibilidades de error en la medición.

5.4.- CÉLULAS DE CARGA

Se utilizan para el control de anclajes o bulones, cuando se desea conocer la evolución de la carga, instalándose en la cabeza del bulón.

Dada la excentricidad de las cargas aplicadas, los errores llegan a alcanzar el 10% del valor medido.

6.- MEDICIÓN DE TENSIONES

6.1.- TIPOS

- Tensiones tectónicas actuales debidas a la deformación de la corteza terrestre.

- Tensiones residuales debidas a movimientos tectónicos del pasado.

- Tensiones debidas a la erosión del terreno.

- Tensiones generadas por la propia excavación.

6.2.- SOBRETESTIFICACIÓN

Se basa en el procedimiento de relajación, realizándose en el interior de un sondeo. Su gran ventaja es ser el método que proporciona los resultados mas completos, y su sencillez de operación.

Los pasos para el ensayo son:

a) Se perfora un sondeo hasta la profundidad que se pretende investigar.

b) Se perforan unos 50 cm. a partir de este punto con diámetro inferior, y se coloca el instrumento de medida en su interior.

c) Se perfora el tramo anterior con el diámetro inicial.

d) Se van tomando medidas durante todas las fases del proceso, y se procede a interpretar dichos valores.

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.

7.- INTRUMENTACIONES TÍPICAS

7.1.- INSTRUMENTACIONES TÍPICAS EN MACIZOS ROCOSOS

El objetivo fundamental de la instrumentación es proporcionar un sostenimiento adecuado a la excavación, aunque también hay que considerar la posibilidad de subsidencias y desplazamientos de estructuras adyacentes.

Los elementos a auscultar durante la construcción son:

- Convergencia de la excavación.

- Deformaciones y cargas del sostenimiento.

- Subsidencia del terreno.

- Vibraciones por voladuras.

La instrumentación adecuada constará de:

- Extensómetros de sondeo: para medir los gradientes de deformación y convergencias.

- Convergencias: controlan el cierre de la excavación.

- Deflectómetros: se instalan en un sondeo piloto en el frente de avance, y proporcionan información de las fallas y planos de debilidad que aparecerán mas adelante. Adicionalmente, al perforar se detectará la presencia de agua y servirá como drenaje.

- Células de presión: se instalan entre el revestimiento del túnel y el terreno, para auscultar los cambios de tensión y avisar sobre la necesidad de sostenimiento adicional.

- Bandas extensométricas: se instalan entre los anclajes metálicos, e informan de desplazamientos entre los mismos.

- Células de carga: para auscultar las variaciones de la carga en bulones. Si se reduce la carga, habrá que poner bulones adicionales y de mayor longitud

- Extensómetros de varilla: para auscultar la subsidencia del terreno.

- Inclinómetros y péndulos: informan sobre movimientos en estructuras.

- Emisiones acústicas: para anticipar posibles colapsos.

- Vibraciones: solo cuando se realizan voladuras.

- Piezómetros: para controlar las variaciones de presión intersticial.

7.2.- 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.

La instrumentación adecuada constará de:

- Nivelación de precisión: ausculta los movimientos de la superficie del terreno.

- Inclinómetros o péndulos: auscultan movimientos en estructuras.

- Extensómetros de sondeo: Aportan información sobre las deformaciones del terreno en la vertical.

- Piezómetros: auscultan la presión intersticial.

- Células de carga: se instalan en los revestimientos y proporcionan datos sobre la presión del terreno.