tesina análisis del comportamiento de un túnel excavado en rocas altamente expansivas

154 Pages·2008·6.18 MB·Spanish

TESINA

ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE UN TÚNEL EXCAVADO
EN ROCAS ALTAMENTE EXPANSIVAS
ALEXANDRE PLAZA CASTEL
EDUARDO ALONSO
SEBASTIÀ OLIVELLA
ENGINYERIA DEL TERRENY
GENER 2008
Agraïments

Als tutors, Eduardo i Sebastià, per haver-me permès fer aquesta
tesina amb ells. He après molt al seu costat.
A l’Iván Berdugo, per tota la informació que m’ha facilitat.
A la família, per recolzar-me en tot moment.
Als companys d’EG, per haver estat com una gran família. Han
estat els millors anys.
Als antics i presents companys de pis (que no són pocs) per
aguantar-me i compartir tantes coses durant tot aquest temps.
En definitiva, a tots aquells que han compartit amb mi una mica
de les seves vides durant el temps que ha durat aquesta
aventura.
A tots, gràcies.
Resumen

El túnel de Lilla pertenece a la línea de ferrocarril de alta velocidad Madrid-
Barcelona-frontera francesa y está situado cerca de Montblanc
(Tarragona). Con una longitud de 2034 metros, está excavado en arcillitas
sulfatadas Eocenas de la Cuenca Terciaria del Ebro. Durante su
construcción se produjeron hinchamientos de la roca encajante,
registrándose levantamientos en solera superiores a 50 centímetros en
algunos puntos. La magnitud de los hinchamientos obligó a cambiar la
sección inicial en forma de herradura por una sección circular.

El objetivo principal de este trabajo ha sido construir un modelo numérico
que sirva de punto de partida para el futuro desarrollo de un modelo
completo para el diseño de túneles en rocas sulfatadas altamente
expansivas.

En primer lugar se ha hecho una recopilación de los diferentes trabajos y
artículos publicados sobre la problemática del túnel de Lilla hasta la fecha,
en base a los cuales se presenta un modelo conceptual de lo sucedido.

Posteriormente, y partiendo del modelo conceptual, se ha construido un
modelo numérico para la simulación de los hinchamientos. Se presenta
una descripción detallada de las diferentes características del modelo. El
código de elementos finitos utilizado ha sido el CODE_BRIGHT.

El modelo se ha aplicado primero a un caso ideal 1D con dos objetivos
principales: entender mejor su funcionamiento y analizar la sensibilidad de
parámetros y variables. La aplicación al caso con túnel se ha hecho
teniendo en cuenta los tres tipos de sección utilizados durante la historia
de la construcción: sección con solera plana, con contrabóveda, y sección
circular. Se ha analizado tanto el efecto de la excavación, como el efecto
de la generación de expansiones.

Finalmente, se concluye que el modelo puede ser una buena herramienta
para el diseño de túneles excavados en rocas altamente expansivas, se
discuten sus limitaciones y se presentan una serie de propuestas para su
mejora.
Abstract

Lilla tunnel belongs to the high-speed railway Madrid-Barcelona-French
frontier, and is located near Montblanc (Tarragona). Having a length of
2034 meters, it is excavated through Tertiary Ebro Basin Eocene sulphated
claystones. While it was being constructed, rock foundation swellings took
place. Moreover, flat-slab heaves over 50 centimetres were reported at
some points. Swelling magnitude forced to change original horseshoe
cross-section into a circular cross-section.

The main aim of this project has been to build a numerical model as a
starting point for the future development of a complete model for tunnel
design in highly expansive sulphate-bearing rocks.

Firstly a review of different works and papers published up to now about
Lilla tunnel problem is done. Based in those, a conceptual model of what
has happened is presented.

Afterwards, and based on the conceptual model, a numerical model for
swelling simulation has been build. A detailed description of different
features of the model is presented. Finite elements code used has been
CODE_BRIGHT.

Model is first applied to a 1D ideal case basically with two main purposes:
to achieve a best understanding of its way of working, and to analyse the
sensibility of its parameters and variables. Tunnel case application is done
baring in mind the three cross-sections types used during the construction
history: flat-slab section, invert-arch, and circular cross-section. Both
excavation and expansion generation effects are analyzed.

Finally, is concluded that the model can be a good tool for tunnel design in
highly expansive sulphate-bearing rocks, its restrictions are discussed, and
some improvement purposes are presented.
ÍNDICE
1. Introducción..................................................................................................................1
2. Objetivos........................................................................................................................3
3. Antecedentes. La problemática del túnel de Lilla......................................................5
3.1. Características técnicas del túnel..........................................................................6
3.2. Geología regional y estructural del macizo de Lilla................................................7
3.3. Composición mineralógica de las arcillitas eocenas..............................................9
3.4. Composición química del agua del macizo..........................................................10
3.5. Mecanismos de expansión ..................................................................................11
3.6. Evolución de movimientos y presiones en el túnel. Actuaciones.........................13
3.7. Interpretación actual de los mecanismos de expansión......................................18
3.8. Solución final adoptada para la construcción del túnel........................................19
4. Modelo conceptual.....................................................................................................21
5. Modelo numérico........................................................................................................25
5.1. Ecuaciones de balance........................................................................................27
5.2. Ecuaciones de equilibrio y ecuaciones constitutivas...........................................29
5.3. Modelo mecánico.................................................................................................35
5.4. Modelo de fractura...............................................................................................39
5.5. Modelo de expansión por cristalización...............................................................43
5.6. Proceso iterativo..................................................................................................49
6. Estudio de un caso ideal 1D. Análisis de sensibilidad...........................................53
6.1. Descripción del modelo........................................................................................53
6.2. Resultados...........................................................................................................57
6.3. Conclusiones.......................................................................................................84
7. Aplicación al túnel de Lilla. Descripción del modelo..............................................85
7.1. Geometría............................................................................................................87
7.2. Propiedades de los materiales.............................................................................89
7.3. Condiciones iniciales y condiciones de contorno.................................................95
7.4. Fases de cálculo..................................................................................................99
7.5. Mallado y parámetros numéricos.......................................................................105
8. Aplicación al túnel de Lilla. Resultados del modelo con solera plana...............109
8.1. Efecto de la construcción...................................................................................109
8.2. Efecto de la cristalización...................................................................................113
8.3. Otros resultados.................................................................................................123
9. Aplicación al túnel de Lilla. Resultados del modelo con contrabóveda.............127
9.1. Efecto de la cristalización...................................................................................127
9.2. Otros resultados.................................................................................................137
10. Aplicación al túnel de Lilla. Resultados del modelo con sección circular..........139
10.1. Efecto de la reexcavación..................................................................................139
10.2. Efecto de la cristalización...................................................................................141
10.3. Otros resultados.................................................................................................151
11. Conclusiones............................................................................................................155
12. Limitaciones y avances en el modelo. Nuevas líneas de investigación..............157
13. Referencias y bibliografía........................................................................................159
Análisis del comportamiento de un túnel excavado en rocas altamente expansivas

1. Introducción

La presencia de materiales expansivos ha sido tradicionalmente uno de los principales
problemas en la realización de obras de ingeniería. Por su naturaleza, los túneles, cavernas
y en general todo tipo de excavaciones o cimentaciones profundas, son los más sensibles a
los efectos de este tipo de materiales.

A lo largo de la historia reciente diversos túneles excavados en rocas o suelos expansivos
han experimentado importantes problemas por hinchamientos. En la Figura 1.1 (Alonso &
Berdugo (2006) [1]) se recopilan diferentes casos agrupados según el tipo de material, se
representan los levantamientos y las presiones de hinchamiento medidos, y entre paréntesis
se muestra el periodo durante el cual se realizaron las mediciones.

a) b)
Figura 1.1: Recopilación de excavaciones con problemas por hinchamientos.
a) Desplazamiento; b) Presión de hinchamiento. Fuente: [1].

Como puede verse, los casos más extremos se han producido en presencia de rocas
sulfatadas. Éstas son principalmente rocas triásicas, concretamente del Muschalkalk y
Keuper. En las Jura Mountains (Norte de Suiza) y en Baden-Württemberg (Sur de Alemania)
es donde se congregan la mayor parte de estos túneles.

De los túneles de las Jura Mountains (túneles de Hauenstein Base, de Bözberg, y de
Belchen, entre otros), el de Belchen, construido en 1963, es el más documentado (Kovári &
Descoeudres (2001) [14]). Justo después de su construcción se produjo la rotura del
sostenimiento original, tras la cual, se registraron levantamientos de 120 mm en 8 días y 400
mm en pocos meses. Para solventar el problema se construyó una contrabóveda de 10.4 m
de radio y 0.45 de canto, pero los hinchamientos continuaron y el túnel quedó fuera de
servicio al poco tiempo. Como medida definitiva se optó por una contrabóveda de radio
reducido (8.12 m) y 0.85 m de canto. El túnel se instrumentó y finalmente entró en servicio.
Sin embargo en algunos puntos se siguieron midiendo deformaciones hasta el año 1995 y
se han tenido que ir realizando reparaciones periódicas.

El túnel de Wagenburg (Krause (1976) [15]) estaba totalmente excavado en el Keuper y es
el que mayores hinchamientos sufrió de los túneles de la zona de Baden-Württemberg. En él
se registró, tras veintisiete años de mediciones, un levantamiento máximo en solera de 1029
mm (Figura 1.2) con una velocidad de hinchamiento constante en el tiempo, sin tendencia a
estabilizarse.
Capítulo 1: Introducción 1
Análisis del comportamiento de un túnel excavado en rocas altamente expansivas

Figura 1.2: Imagen del túnel de Wagenburg en 1970. Fuente: [1].

Recientemente en España se han producido problemas similares en rocas sulfatadas de la
cuenca del Ebro. Éstos son los casos de la excavación para la estación eléctrica de la
central nuclear de Ascó II (Lloret et al (1988) [16]), y de la serie de tres túneles de la línea de
ferrocarril de alta velocidad Madrid-Barcelona-frontera francesa, cerca de Montblanc
(Tarragona), de los cuales el túnel de Lilla es el más largo.

La cuenca terciaria del Ebro se rellenó durante la formación de los edificios orogénicos de
los Pirineos al Norte, los Catalánides al SE y el Sistema Ibérico al SO. Durante un largo
periodo de tiempo fué una cuenca endorreica (sin salida al mar) con grandes extensiones de
aguas someras, por lo que cuenta con abundante presencia de rocas sulfatadas.

El túnel de Lilla sufrió severos e inesperados problemas durante su construcción, y
representó un auténtico reto para los técnicos que se vieron involucrados. A pesar de tener
menor repercusión mediática que otras, ha sido una de las obras más problemáticas de la
ingeniería civil en España en los últimos tiempos. Este trabajo se centra en el túnel de Lilla
para la aplicación de los modelos realizados.

2 Capítulo 1: Introducción
Análisis del comportamiento de un túnel excavado en rocas altamente expansivas

2. Objetivos

Debido a la complejidad y desconocimiento del problema, hasta la fecha en los túneles
excavados en rocas sulfatadas en los que se han producido hinchamientos las soluciones se
han tomado en base a la observación, a la experiencia y criterio de los técnicos, y en
general sobredimensionando el sostenimiento para asegurar la estabilidad. Aún así, en
ocasiones la magnitud del problema ha superado la capacidad de reacción de los
responsables del proyecto, produciéndose importantes pérdidas económicas.

Por lo tanto surge la necesidad de disponer de una herramienta fiable para el diseño de este
tipo de túneles; una herramienta que permita en primer lugar predecir si se van o no a
producir hinchamientos, y en segundo lugar diseñar de forma acotada el sostenimiento en
base a los hinchamientos que se crea van a producirse.

El objetivo de este trabajo es construir un modelo numérico que sirva de punto de partida
para el futuro desarrollo de un modelo completo para el diseño de túneles en rocas
sulfatadas expansivas.

El modelo se aplica al túnel de Lilla. No se pretende dar una explicación o demostrar los
hinchamientos que se registraron en el túnel de Lilla, sino que se imponen los hinchamientos
y se analiza el comportamiento del túnel frente a éstos.

Los objetivos concretos del trabajo son:

• Resumir la problemática del túnel de Lilla. Para ello en el capítulo 3 se muestran
resultados, gráficos y conclusiones de varios trabajos y artículos publicados hasta la
fecha.

• Construcción del modelo numérico (capítulo 5) en base a un modelo conceptual
formulado en el capítulo 4. El modelo está formado por diferentes sub-modelos,
algunos de los cuales nunca han sido utilizados conjuntamente, por lo que la
utilización conjunta de éstos ya es un objetivo en sí.

• Aplicación al túnel de Lilla. Se pretende modelar tanto la construcción del túnel como
el efecto de los hinchamientos, y analizar la influencia de la forma de la sección y del
tipo de sostenimiento.

• Detectar las limitaciones del modelo y proponer posibles nuevos avances y mejoras.

Capítulo 2: Objetivos 3
Análisis del comportamiento de un túnel excavado en rocas altamente expansivas

3. Antecedentes. La problemática del túnel de Lilla

El túnel de Lilla pertenece a la línea de ferrocarril de alta velocidad Madrid-Barcelona-
frontera francesa, y está situado cerca de Montblanc (Tarragona). Es el más largo de la serie
de tres túneles que atraviesan la Serra de Miramar: Camp Magré (952 m.), Lilla (2034 m.) y
Puig Cabrer (607 m) (Figura 3.1).

Figura 3.1: Plano de situación de los túneles de Lilla, Camp Magrer y Puig Cabrer.

Aunque en los túneles de Camp Magrer y Puig Cabrer también se produjeron
hinchamientos, es en el túnel de Lilla donde éstos fueron más importantes y generalizados,
por lo que la mayoría de los diferentes estudios y campañas de ensayos y mediciones se
realizaron en él. Por este motivo el presente trabajo se centra exclusivamente en el túnel de
Lilla.

Los hinchamientos en el túnel de Lilla se detectaron por primera vez en septiembre/octubre
de 2002, justo después de su construcción. A raíz de esos problemas se iniciaron diversas
campañas de ensayos in situ y de laboratorio. El objetivo de los estudios era conocer la
naturaleza y las causas de los hinchamientos, y encontrar una solución a la construcción del
túnel. En este capítulo se resumen los diferentes estudios realizados, se muestran los
resultados, y se comentan las interpretaciones a las que se ha llegado hasta la fecha.
Capítulo 3: Antecedentes. La problemática del túnel de Lilla 5
Análisis del comportamiento de un túnel excavado en rocas altamente expansivas

3.1. Características técnicas del túnel

El túnel de Lilla tiene una longitud de 2 km, y transcurre N-S con una pendiente media del
2.5 %. La sección era inicialmente de 117.3 m2 y tenía forma de herradura con radio 6.76 m
(Figura 3.2. Alonso et al (2004) [2]). Los recubrimientos varían entre 10 y 100 m (Figura 3.6).

Figura 3.2: Sección inicial del túnel de Lilla. Fuente: [2].

El sostenimiento se diseñó según el método de convergencia-confinamiento. Se excavó
siguiendo el método tradicional de perforación y voladura, dividiendo la sección en avance y
destroza y avanzando desde los dos emboquilles simultáneamente.

El sostenimiento temporal consistió en hormigón proyectado en toda la longitud del túnel, y
bulones y cerchas metálicas en las zonas donde la calidad de la roca era peor. El
revestimiento lo formaban 300 mm de hormigón en masa de 25 MPa.

Una vez escavada la destroza a todo lo largo del túnel, se construyó una solera de 300 mm
de hormigón en masa de 20 MPa. Por lo tanto la roca estuvo expuesta a la atmósfera del
túnel durante un largo periodo de tiempo.

Debido a la baja permeabilidad del macizo solo se impermeabilizó las zonas cercanas a los
emboquilles mediante una lámina de PVC y un geotextil instalados entre el sostenimiento y
el revestimiento. En el resto del túnel el agua filtrada era recogida por un colector de PVC
de 500 mm instalado 1.4 m bajo el centro de la solera.

6 Capítulo 3: Antecedentes. La problemática del túnel de Lilla