CLASE Nº 1 DE TÚNELES

Universidad de Los AndesFacultad de IngenieríaDepartamento de Vías

Geotecnia

Prof. Silvio Rojas

Mayo, 2009

Rocas:

IGNEAS SEDIMENTARIA METAMORFICAS

INTRUSIVAS Granito CLÁSTICAS Conglomerado

GneisTextura foliadad > 2 mm

Sienita Arenisca EsquistoTextura foliada0.2 mm< d < 2 mm

Diorita Limonita FilitaTextura foliadad < 0.2 mm

Gabro Lutita PizarraTextura foliadad < 0.2 mm

EXTRUSIVAS BASALTO NO CLASTICAS

Caliza Serpentina

PIEDRA PÓMEZ

Coquina Cuarcita Textura granuda

TRAQUITA Dolomía MármolTextura granuda

OBSIDIANA Marga

Ftanita

Rocas piroclásticas:

Salen expulsadas violentamente por el volcánF< 2 mm tobas de cenizasF > 2 mm redondeados (aglomerados volcánicos)F> 2 mm angulosos (brechas volcánicas)

Sedimentarias de origen químico:

Calizas:Calizas:Calizas:Calizas:

•Formada por conchas y esqueletos de animales y plantas

•Absorben el carbonato de calcio (CaCO3) del agua de mar para formar sus partes duras

•Se forman en aguas profundas

Coquina:

•Es un tipo especial de caliza

•Formada por conchas calcáreas bien notables y mal cementadas.

Creta:

• Otro tipo especial de caliza

•Formada por conchas diminutas o fragmentos de concha, cementadas por material calcáreo, es una roca blanda, friable y porosa.

Dolomía:

•Resulta de remplazar el calcio Ca de una caliza por magnesio Mg.

Marga:

Sedimentos marinos que consisten en arcilla y fragmentos finos de conchas calcáreas, lo mismo que sedimentos que consisten en arcilla y CaCo3.

Ftanita:

Rocas calcáreas con nódulos de silíceo.

Metamórficas:

Cuarcita:

a.- Formada por la cementación de los granos de cuarzo de la arenisca por materia silícea depositada dentro de la arenisca por circulación de agua subterránea.

b.- Formada por metamorfismo, debido al cual se ha eliminado los espacios porosos en la arenisca (consolidación y reacomodo de los granos de cuarzo).

Mármoles:

Se han formado de calizas o dolomías.

Relación suelo – roca:

Suelo Roca sedimentaria Roca metamorfica

Grava redondeadaGrava angular

ConglomeradoBrecha

Meta conglomerado

Arena Arenisca Cuarcita

LimoArcilla

LimonitaLutita

PizarraEsquistoFilita

Barro calcáreoFragmentos de conchas

Caliza Mármol

Colores de los minerales:

Color claro: Blanco, rosado, rojo

Color intermedio: Grises

Color oscuro: Verde, negro

Para las rocas igneas:

Minerales Grano grueso Grano fino Color

Cuarzo Granito Riolita Claro

Feldespato Diorita Andesita Intermedios

Piroxenos, anfiboles, olivino

Gabro Basalto Oscuros

Ígneas Metamórficas Sedimentarias

Estructuras presentes

Fallas, diaclasas, diques, pliegues, coladas de lavas.

Foliación, esquistosidad, fallas, diaclasas, pliegues.

Estratificación, diaclasas, fallas, pliegues.

Concepto de Rumbo-Buzamiento-Dirección de Inclinaci ón:

El rumbo (R) (o dirección) se puede definir: Como el ángulo que forma la línea que resulta por la intersección del plano geológico por un plano horizontal, con la dirección Norte –Sur. Generalmente se mide desde la dirección norte a la dirección horizontal de interés, y por tanto su valor varía de 0º a 90º NE o 0º a 90º NW (Cuando R = 90 La dirección seráESTE-SUR y cuando R= 0º la dirección será N-S).

Dirección Norte-Sur

El buzamiento (β) es el ángulo que forma la línea de máxima pendiente del plano inclinado, con la proyección línea de máxima pendiente en el plano horizontal.

Dirección de buzamiento (α): Es el ángulo que forma la dirección N-S con la proyección de la línea de máxima pendiente en el plano horizontal, y se mide en sentido horario, variando su valor desde 0ºhasta 360º.

Discontinuidad en las rocas:

“Término general para cualquier discontinuidad mecánica en un macizo rocoso que tiene una resistencia a la tracción nula o muy baja. Es el término colectivo para la mayoría de las diaclasas, planos de estratificación débiles, planos de esquistosidad débiles , zonas débiles y fallas.”

Diaclasas son rupturas en las rocas sin desplazamiento lateral (no existe cizallamiento) y las originan movimientos tectónicos (movimientos de la corteza terrestre).

¿por qué son importantes?

Limitan las dimensiones del bloque aprovechable.

El bloque más grande será de 10 x 20 x 30:

Frecuencia de diaclasas: Se expresa como el número de diaclasas por metro lineal

10:1 5:1 0.5:1

Las diaclasas pueden ser cerradas o abiertas.

Son vías de acceso a los agentes atmosféricos.

Diaclasas maestras: Cortan a través de un número de capas o unidades de roca y pueden ser seguidas hasta en longitudes de decenas o cientos de metros.

Diaclasas mayores: Tienen un orden de magnitud más pequeño.

Diaclasas menores: Son fracturas

Diferentes rocas se comportan diferente en un campo de fuerzas. Generalmente algunos materiales prefieren una deformación plástica, otros se rompen. La foto muestra dos capas (calizas, cretácico).

Estrato más antiguo. Tiene un comportamiento plástico

Calizas con un comportamiento diferente. Roca diaclasada

Ambas calizas están en contacto

Aparte de diaclasas tectónicas existen diaclasas de origen no-tectónico:

a) Fisuras de enfriamiento: Tienen su origen durante el enfriamiento de una roca magmática (Materiales o rocas calientes que ocupan más espacio con la misma cantidad de materia fría).

b) Grietas de desecación: Durante la desecación de un barro o lodo bajo condiciones atmosfericas hay una disminución del espacio ocupado y la superficie se rompe en polígonos.

c) Fisuras de tensión gravitacional: Sobre estratos inclinados se puede observar bajo algunas condiciones un deslizamiento de las masas rocosas hacia abajo. Al comienzo de este fenómeno se abren grietas paralelas al talud.

Fallas:

Una falla geológica, es una discontinuidad que se forma en las rocas superficiales de la Tierra (hasta unos 200 km de profundidad) por fractura, cuando las fuerzas tectónicas, superan la resistencia de las rocas. La zona de ruptura tiene una superficie generalmente bien definida denominada plano de falla y su formación va acompañada de un deslizamiento de las rocas tangencial a este plano. FRACTURAS EN LAS ROCAS CON DESPLAZAMIENTO.

Con desplazamiento derecho entre las Placa Norteamericana y la Placa del Pacífico. Este sistema tiene una longitud de aproximadamente 1.287 km y corta a través de California, Estados Unidos, y de Baja California en México. El sistema está compuesto de numerosas fallas o segmentos.

Elementos de una fallaElementos de una fallaElementos de una fallaElementos de una falla

•Plano de falla : Plano o superficie a lo largo de la cual se desplazan los bloques que se separan en la falla. Con frecuencia el plano de falla presenta estrías, que se originan por el rozamiento de los dos bloques.

•Labio hundido : También llamado Bloque Inferior, es el bloque que queda por debajo del plano de falla.

Labio levantado : También llamado Bloque Superior, es el bloque que queda por encima del plano de falla.

Bloque SuperiorBloque Inferior

Fuerza de compresión horizontal predominante.

aprox 30º

Tipos de falla:Tipos de falla:Tipos de falla:Tipos de falla:

I.I.I.I.---- ClasificaciClasificaciClasificaciClasificacióóóón segn segn segn segúúúún la naturaleza del movimienton la naturaleza del movimienton la naturaleza del movimienton la naturaleza del movimiento

Falla inversaFalla inversaFalla inversaFalla inversa. Este tipo de fallas se genera por compresión horizontal. El movimiento es preferentemente horizontal y el plano de falla tiene típicamente un ángulo de 30 grados respecto a la horizontal. El bloque de techo se encuentra sobre el bloque de piso. Cuando las fallas inversas presentan un manteo inferior a 45º, estas pasan a tomar el nombre de cabalgamientocabalgamientocabalgamientocabalgamiento. Labio superior ha ascendido respecto al labio inferior.

En la Región Atacama (Chile) se puede detectar altas cantidades de fallas a causa de la ubicación geotectónica de la región y del país.

Foto: Sector Qda. Carrizalillo, Qda Descubridora. Formación Cerrillos (inferior). Desplazamiento de estratos (rocas clásticas y volcánicas). Falla inversa con alrededor de 10 metros de desplazamiento

La falla (Falla inversa) en este sector tiene un rumbo este - oeste.Foto W. Griem (2002)

Falla normal . Este tipo de fallas se generan por tensión horizontal. El movimiento es predominantemente vertical respecto al plano defalla, el cual típicamente tiene un ángulo de 60 grados respecto a la horizontal.

Esfuerzo de tensión

Aprox 60º

bloque de techo hacia abajo

bloque de piso

Fallas normales son un producto de fuerzas extensionales, fallas inversas un producto de fuerzas de compresión.

Idea para diferenciar entre falla normal e inversa: Una falla normal produce un "espacio". Se puede definir un sondeo vertical sin encontrar un piso (o techo) de referencia. Una falla inversa produce una "duplicación": Se puede definir un sondeo vertical para encontrar el mismo piso (o techo) de referencia dos veces.

La palabra antitetica indica que la falla y los estratos se inclinan hacia los direcciónes opuestos. Homotetica significa, que los estratos y la falla tienen la misma dirección de inclinación.

II.- Según la relación de capas cortadas

a.- De rumbo o isorumbadas: Rumbo de la falla paralelo al rumbo de las capas

b.- De buzamiento u ortogonales: Rumbo de la falla perpendicular a rumbo de las capas

c.- Oblicuas: Rumbo de la falla forma un ángulo diferente a 0º y 90 º, con el rumbo de las capas.

III.- Según la magnitud de buzamiento

a.- Buzamiento altos (β) > 45º

b.- Buzamientos bajos (β) < 45º

IV.- Según la dirección del movimiento

a.- Con desplazamiento de rumbo

La imagen corresponde a la famosa Falla de San Andréss. En este caso decimos que es de rumbo (u horizontal) porque los bloques no se desplazan vertical sino horizontalmente, manteniéndose al mismo nivel.

En este caso es un res un res un res un ríííío el que revela la o el que revela la o el que revela la o el que revela la fallafallafallafalla. El río viene del lado este (parte inferior derecha), y luego corre a lo largo de la línea de falla por varios cientos de metros, para finalmente continuar su rumbo hacia el lado oeste (parte media izquierda).

Existen principalmente dos tipos de fallas con un desplazamientohorizontal: Fallas con un sentido del movimiento sinistral (contra reloj) y fallas con un sentido del desplazamiento dextral (sentido del reloj).

b.- Con desplazamiento de buzamiento

Fallas con Desplazamiento Vertical : Entre el grupo de las fallas verticales se puede distinguir fallas normales y fallas inversas.

c.- Con desplazamiento oblicuo

Se observa doblez pero no fractura. Roca de comportamiento plástico o la roca todavía no estaba bien consolidada cuando ocurrió el movimiento

Otra posibilidad es que las rocas como éstas, compuestas por material muy fino (limoso a arcilloso) no se comportan de igual forma que una roca de material grueso, sino que responden a los esfuerzos de una forma mresponden a los esfuerzos de una forma mresponden a los esfuerzos de una forma mresponden a los esfuerzos de una forma máááás s s s eleleleláááásticasticasticastica, formando pliegues en vez de fracturas.

Brechas de falla:

Brechas de fallas permiten también un reconocimiento bien seguro de una falla. Las brechas de falla rellenan espacios entre 5 cms hasta algunos metros. Algunas veces son semi - blanda, pero también pueden ser compactadas.

Los clastos son angulares, monomictos y de diferentes tamaños.

Fotos: Wolfgang Griem (2002)

Algunas veces las rocas en la zona de falla se rompen y se quiebran, para formar una brecha tectónica o brecha de falla. Brechas de fallas normalmente muestran una dureza menor que las rocas no afectadas. Por eso morfológicamente una brecha de falla se ve como depresión.

Estrías de falla:

Una de los indicadores más confiables de detectar una falla tectónica en terreno son las estrías, que se forman a causa del movimiento relativa en las rocas.

Sector Mina escuela de la Universidad de Atacama (2002)

Las fallas muchas veces no afloran a la superficie porque la zona de falla es más blanda que las rocas alrededores. La erosión entonces afecta los sectores de la falla más que las otras partes de la zona. La zona de falla se ve como un valle con un relleno de rocas sueltas (como arena y gravas) cuales cubren el fondo del valle.

Desarollo de un Graben Tectónico

Un graben tectónico (fosa tectónica) tiene su origen a fuerzas extensionales, cuales producen dos fallas paralelas con un sector central, que se hunde. Casi nunca en la naturaleza se encuentra este desplazamento en la morfología, porque la erosión rapidamente va a destruir este diferencia de niveles: Significa la erosión afecta mas fuerte los flancos elevados y la fosa se rellenará rapidamente con depósitos aluviales.

Pliegues:

Plegamiento es un producto de una deformación plástica, es decir una deformación sin fracturamiento.

Las dimensiones pueden ser en milímetros hasta kilómetros.

Las fuerzas provocan una deformación plástica no reversible.Esto tipo de deformación ocurre en algunas tipos rocas principalmente debido al metamorfismo.

En las rocas sedimentarias, los elementos de carácter horizontal como los estratos quedan curvados y en las rocas metamórficas la esquistosidad queda curvada.

Anticlinal

Los pliegues se originan por esfuerzos de compresión sobre las rocas que no llegan a romperlas

Fuerzas verticales, como resultado del levantamiento debido al fenómeno de subducciónn, en la que se levantan las cordillerass o relieves de plegamiento.

Fuerzas laterales, originados por la propia interacción de las placasa (convergencia)

Eje del Pliegue

Con rumbo paralelo a la estructura. El eje puede ser inclinado. (En el ejemplo abajo se ve horizontal). Plano Axial contiene al eje del pliegue

La Charnela de un pliegue es el punto más curvado ("La curva").

La cresta el punto más elevado. Muchas veces los dos marcan al mismo punto.

Declive: eje inclinado

Anticlinal:a) El eje es un eje de símetría

b) los dos lados del anticlinal muestran direcciones (de inclinación) diferentes.c) los estratos se inclinan siempre hacia los flancos.d) en el centro la pendiente es pequeña o cero (estratos horizontales)e) del centro hacia los flancos la inclinación aumenta.f) en el centro (nucleo) afloran los estratos más antiguos en los flancos los más jovenes.

Sector El Escorial /Qda. Paipote, III. Región / Chile (Foto W.Griem 1999, 2005)

Sinclinal

a) Su eje es de símetría

b) los dos lados del sinclinal muestran direcciones (de inclinación) diferentes

c) los estratos se inclinan siempre hacia el nucleo.d) en el centro la pendiente es pequeña o cero (estratos horizontales)e) del centro hacia los flancos la pendiente aumenta.f) en el centro (nucleo) afloran los estratos más jóvenes en los flancos los más antiguos.

El mismo sector, un pequeño sinclinal forma parte del gran pliegue

Foto en grandeFoto: Sector El Escorial en la Quebrada Paipote, Región Atacama, Chile: Un gran anticlinorio en calizas y margas jurásicas. (Foto W. Griem; 2005)

Los estratos más blandos se erosionan más rápidos. Por tanto los valles y quebradas se forman a lo largo de ellos.

Otro ejemplo del plegamiento en rocas metamórficas de la cordillera de la costa en la Región Atacama (Chile).

Los esquistos muestran un fuerte plegamiento - el eje en este ejemplo es casi horizontal (lápiz en el centro - abajo)

Foto: Pliegues en rocas metamórficas - Cordillera de la costa entre Flamenco y Chañaral; Foto W. Griem (2005; K7853)Foto en grande

Foliación:

Exclusivamente de las rocas metamórficas, señalando la orientación de los minerales, producto de los cambios de presión y temperatura.

a) Foliaciones primarias

Tienen su origen antes de la litificación, es dicirdurante la deposición. Ejemplos: Estratos, Flujo magmatico.

b)Foliaciones secundarias

Tienen su origen despuesde la litificación.

Todos los planos se han formado a causa de las altas presiones y btemperaturas.

Estratificación:

Disposición de la roca sedimentaría. Término que se aplica para separar dos litologías diferentes o la misma litología depositadas en periodos distintos.

Capas de diferentes materiales hechas por procesos de deposición. Generalmente los estratos inferiores muestran una edad mayor como los estratos superiores.

Aplicado a rocas sedimentarias

Diques:

Diques son estructuras tabulares de origen magmático. Las rocas de diques pertenecen al grupo de rocas intrúsivas o hipabisales.

•Edad menor que en la roca donde encajan

•Pueden llegar hasta alturas de 200 m, pero lo normal es 0.5m a 6 m.

•tienen un origen magmático intrusivo (subvolcanico o hipabisal)

• Diques sirven como testigo de una fase tectónica expansiva. Pero tambien se incrustan en una forma paralela de estratos (sí el campo tectónico es permite). Estos diques se llama sills .

Cabalgamientos son grandes planos de fallas horizontales cuales muestran un movimiento horizontal. Generalmente no es tan fácil para detectar esos tipos de estructuras grandes. Común son cabalgamientos en las regiones donde se conocen altas fuerzas compresivas (por ejemplo durante el choque de dos continentes. Estos movimientos (desplazamientos) pueden alcanzar algunos kilómetros.

Autoctono: Rocas que se formaron en el lugar mismo.

Aloctono : Rocas que se formaron en otros sectores, y por fuerzas tectónicas se desplazaron. Ttambien se puede llamar manto tectónico (nunca solamente manto!).

Cronología de estructuras geológicas:

Estructuras tectónicas como fallas, diaclasas y diques marcan edades (relativos) de su origen. El principio es muy simple:1. Cada estructura tectónica es más joven que la l a roca donde encaja.Es decir: las fallas, diaclasas, vetas, y diques en una roca siempre tienen una edad menor como la roca.2. Una estructura tectónica joven puede cortar una estructura antiagua.Es decir: la genesis de un elemento tectónico afecta a las estructuras tectónicas antiguas.

Factores relacionados con las discontinuidades:

1.- Orientación (rumbo y buzamiento)

2.- Espaciamiento (inverso de la frecuencia)

3.- Persistencia: Es un factor difícil de medir y está referido a la continuidad del la discontinuidad en el macizo.

Si una diaclasa no es 100 % persistente, difícilmente la falla ocurrirá a través de ese plano.

4.- Abertura: ancho de la fractura

5.- Relleno: El relleno dentro de las discontinuidades, puede ser arcilla, arena, o mezcla de varios tipos de suelos. La resistencia de la discontinuidad estarádeterminada por el tipo de suelo de relleno.

6.- Forma de la discontinuidad y rugosidad.

La forma puede ser: Plana, ondulada, escalonada.

La rugosidad, está asociada a la fricción.7.- RQD: Roca Quality Design (Indice de la calidad de la roca)

100._

10__

rotadaLongtitud

cmnúcleosdeLongitudRQD

∑ ≥=

100._

__Re%

rotadaLongitud

recuperadonúcleoLongitudcuperación

∑=

Ejemplo:

Diámetro Mínimo para el RQD es de 50 mm.

Rocas sedimentarias:

Rocas Igneas:

Rocas metamórficas:

Túneles:

Eje de portales Perpendicular al eje de los túneles.

Buzamiento de los portales definidos por la pendiente del terreno natural

Rumbo del túnel

Rumbo del portal

Rumbo del portal

Norte magnético

Evaluar la estabilidad de los portales es evaluara la estabilidad del terreno natural.

Si es inestable o factores de seguridad muy bajos, entonces se debe anclar.

Para la seguridad de los hastíales y techo: Concreto proyectado, pernos y costillas

Ubicación del túnel respecto a las capas:

• Eje del túnel paralelo al eje del anticlinal.

• Ambos hastíales son cinemáticamenteestables.

• Rumbos de las capas perpendiculares al rumbo de los portales.

• Rumbo de las capas paralelo al eje del túnel.

•Se debe evitar construir el túnel paralelo al eje del anticlinal.

• Siempre existirá agua en el túnel

• Aumentará la permeabilidad.

(permeabilidad secundaria: Flujo a través de discontinuidades y grietas)

No hay problemas por filtraciones, si la capa impermeable está sin fisuras.

• Eje túnel paralelo al eje del sinclinal

• Rumbo de capas paralelo al eje del túnel

• Rumbo de capas perpendicular al rumbo de portales.

• Ambos hastíales son cinematicamente inestables.

• Posible zonas de grietas en la zona más baja y de menor resistencia del sinclinal.

Norma:

No orientar él túnel paralelo a ejes de anticlinales o sinclinales.

• Túnel ubicado en suelo estratificado con capas horizontales (infinitos rumbos para las capas)

• Los hastíales son cinemáticamente estables.

• El problema puede ser fallas flexulares de algunos estratos débiles.

• Otro problema es el hacer el avance con la presencia de distintos materiales.

•Rumbo del túnel perpendicular a rumbo de las capas

• Rumbo de las capas paralelo al rumbo de los portales.

• Portal sur cinematicamente inestable.

• Portal norte cinematicamente estable aunque pueden existir problemas de volcamientos de capas.

• Frente de excavación del sur cinematicamente inestable

• Frente de excavación del norte cinematicamente estable

• Hastíales estables.

•Problemas de avance en distintos materiales.

• Rumbo del túnel no coincide con rumbo de capas.

• Hastial con frente de exposición al oeste es cinematicamente inestable.

• Hastial con frente de exposición al este cinematicamente estable.

• Portal del sur cinematicamente inestable.

• Portal del norte cinematicamente estable. Pueden existir problemas de volcamiento.

• Frente de excavación del sur puede tener problemas de deslizamientos de capas.

Tiene declive

Tiene declive

Caso 1:

Anticlinal (declive horizontal)

Hastíales, frente de excavación, portales, son: cinematicamenteestables.

Caso 2:

Portales y frentes de excavación pueden tener problemas de volcamiento. Pero son cinematicamenteestables.

La presión en el túnel disminuye en las entradas e incrementa en el centro.

Caso 3:

Las mayores presiones en el túnel están en la entrada y disminuyen en el centro

Antes de llegar al plano del eje del túnel, el hastial con frente de disposición al oeste es cinematicamenteinestable. Luego el hastial con frente de exposición al este es C.I

Tiene declive

Caso 1:

Ayuda aliviar las presiones en el revestimiento.

Caso 4:

Ubicación del túnel no favorece la presión sobre el revestimiento.

Hastíales C.I

Frente de excavación del sur C.I

Caso 1:

• La presión vertical sobre el revestimiento tiende a aliviar.

• El agua tiende a escurrir hacia los lados.

• En esa zona de ubicación los estratos superiores pueden estar agrietados.

Caso 2:

• La presión sobre el revestimiento tiende a aumentar.

• El agua tiende a escurrir hacia los túneles.

• Pueden existir grietas en la parte más curvada del sinclinal.

Caso 3:

El túnel se ubica en uno de los flancos del anticlinal.

Túneles en ladera:

•Estratificación Favorable.

• Si la roca es resistente la ubicación del túnel es favorable y el túnel será estable.

• Estratificación es desfavorable para la ubicación del túnel. Buzamiento en el sentido de la ladera.

• Construcción inestable.

• Estratificación favorable.

• Buzamiento de capas contrario a la inclinación de la ladera.

• Si la roca es poco meteorizada el túnel es estable.

• Condición ideal para ubicar el túnel.

• Se observa una serie de fisuras en la roca.

• Probablemente la roca está fuertemente meteorizada.

• Condición muy desfavorable para ubicar el túnel.

Buzamiento horizontal

Buzamiento hacia el sur

Buzamiento vertical

• En los tres casos el revestimiento experimenta presiones verticales más o menos uniforme.

Buzamiento hacia el oeste

Buzamiento vertical

Buzamiento hacia el este afectando el frente de excavación.

Caso 4: Concentración de esfuerzos en el hastial del este.

Caso 5: Concentración de esfuerzos en el techo.

Caso 6: Concentración de esfuerzos en parte del techo y hastial del oeste.

Caso 1: Caso más desfavorable para su ubicación

Caso 2: Ubicación más favorable para el túnel

Caso 3: Más favorable que el caso 1

Caso 4: Más favorable que el caso 1

Caso 5: Favorable como el caso 2

Caso 6: Más desfavorable que el caso 4

Comentarios:

Sea la falla activa o inactiva, en la zona fallada el terreno suele estar fracturado y ser inestable. Se pueden encontrar fuertes caudales como el caso de un sinclinal.

También algunas veces, el espacio entre los labios de la falla, está relleno de roca triturada del tamaño de granos de arena, que tiene la tendencia a fluir en el túnel. Si el túnel está emplazado por debajo del NF, el túnel puede ser invadido por una especie de suspensión de arena.

Caso 3: Si existe filtraciones a través de la arenisca, el delgado espesor de lutita en techo puede sufrir filtraciones.

Condiciones hidrogeológicas

Caso 1: Si la roca es sana las filtraciones serán pequeñas hacia el túnel. La simbología de la roca es de caliza.

Caso 2: Alternancia de estratos permeables (arenisca) e impermeables. Si existe circulación de aguas a través de arenisca altamente meteorizadas, puede ser una condición peligrosa, cuando el frente de excavación alcance esa situación.

Caso 4: A través de la s betas en la roca, pueden circular flujos de agua.

AreniscaLutita

Presión del agua en la arenisca, lavo la lutita y luego dreno la arenisca

Modificación del alineamiento o rasante del túnel p ara evitar zonas de rocas débiles

Roca débil o suelo

Roca débil o suelo

Caso 1: Apoyo de presa en caliza. Filtraciones a través de la renisca

Caso 2: Apoyo de presa en roca débil y filtraciones a través de la arenisca

Caso 3: Presa fundada en suelo o roca débil.

Eje de presa

Caso 1:

• Estribos cinematicamente estables

• Filtraciones a través de los estratos de arenisca

• Capas con infinitos rumbos

Caso 2:

• Eje de la presa paralelo al rumbo de capas

• Estribos cinematicamente estables

• Filtraciones a través de la arenisca

• Condición favorable al deslizamiento

• Condición más desfavorable para una presa en arco.

• Filtraciones a través de la arenisca

Caso 4:

• Puede existir volcamiento por empuje del agua

• Eje de presa paralelo al rumbo de capas

• La lutita puede evitar las filtraciones (es una barrera)

• Estribos estables

Caso 5:

• Mayor seguridad que el caso 4

• Eje de presa perpendicular al rumbo de capas

• No existe ninguna capa impermeable que evite filtraciones

• Filtraciones en el estribo izquierdo

• Estribo izquierdo cinematicamente inestable.

• Estribo derecho C.E

Perry:

Las cargas que ejerce el terreno sobre el sostenimiento del túnel, son el resultado:

De la interacción:

Estado de solicitación Propiedades geomecánicas del sitio

El método de construcción Tipo de sostenimiento

Masa de roca no favorable

Mayores esfuerzos

Construcción más cuidadosa

Sostenimiento más costoso

Posibles funciones que cumplen los sostenimientos:

1.- Evitar caídas de bloques de roca del techo o pared

2.- Sostener el peso de roca con deformaciones excesivas alrededor del túnel.

Roca inestable

Roca autoestable

3.- Evitar desplazamientos excesivos del perímetro

4.- El estrato de caliza se trasforma en sostenimiento de los anclajes

Teorías empíricas que determinar la cargas sobre el sostenimiento de los túneles:

Teoría de Ritter (1979):

• Presión actuante sobre el techo de un túnel independiente de la profundidad.

• La carga total viene dado por el volumen comprendido en la parábola.

• La carga total la disminuye la resistencia a la tracción (cohesión) c que actúa perpendicular a la superficie de la parábola.

−

⋅⋅⋅=

γγ

γ CC

BBP

48

2

γC

BHp

⋅=

16

2

P: Carga total

B: Ancho del túnel

C: Cohesión

Hp: Altura de la parábola

γ : Peso unitario del terreno.

Fuerzas cohesivas que disminuyen la carga sobre el techo.

Teoría de Engesser (1882):Cúpula formada por un arco de círculo que delimita el suelo actuante en el sostenimiento.

( )( )

⋅

−+

⋅⋅+⋅= 2cot245tan6

tan 2 φφφγγσ anbxv

( ) BxHb t +

−⋅+⋅= 245tan2 φ

hxHp +=

φtan25.0 ⋅⋅= bh

σv : Esfuerzo vertical sobre el sostenimiento

x: Parámetro empírico

Ht: Altura del túnel

φ: Angulo de fricción

Hp: Altura de carga

Teoría de Willmann (1911):Masa rocosa sujeto a deformaciones elásticas debido a las cargas de compresión que el han transmitido los estratos superiores durante el proceso de formación

La energía acumulada en ese material se liberará debido a la abertura.

En la zona alrededor las tensiones internas se reducen, como también la cohesión, quedando el material incoherente sujeto a la gravedad

Esa zona afectada, se considera aislado y es lo que produce el empuje de la montaña sobre el sostenimiento.

B

Semi elipse

Teoría de Kommerell (1912)

• Carga no directamente proporcional al revestimiento.

La altura de la roca perturbada, se estima:

k

eHp ⋅= 100

Hp: Altura por encima del soporte de la roca perturbada.

e: Deflexión del sostenimiento.

K: Coeficiente de ablandamiento. Varía entre 1 % y 15%, pasando de suelos granulares a rocas competentes.

Para el caso de un elipse, la carga total se determina:

k

eBP ⋅⋅⋅⋅= 100γπ

Elipse

Teoría de Bierbaumer (1913)

• El sostenimiento es cargado por un volumen de terreno delimitado por una parábola.

HyHp ⋅=

−⋅⋅+

−⋅⋅

−=

245tan2

245tantan1

2

φ

φφ

HtB

Hy

Hp es función de la cobertura del túnel.

y: Parámetro relacionado con la cobertura.

Cobertura del túnel

Teoría de terzaghi (1925 - 1946): Efecto de arqueo

La cedencia de una ranura puede asimilarse a la cedencia del techo de un túnel, por el efecto de las cargas actuantes sobre él.

simula las condiciones de soporte no rígido en las paredes verticales del túnel. Para ello consideró cuñas de deslizamientos que se mueven hacia abajo y hacia el vacío.

Si el techo se deja sin soporte (lo que equivale a dejar la ranura abierta) se llegará a regenerar la presión sobre él,por lo menos parcialmente; se formarán cuñas de material desprendido que se cae y que van siendo mayores según el tiempo que pasa.

• Considera la teoría del efecto de arco

•Trata la distribución de esfuerzos en un soporte horizontal en un medio arenoso de desciende hacia el techo del túnel.

Medio arenoso que desciende hacia el techo

Ensayos de arqueamiento, determinó que el descenso del soporte horizontal, no afecta el estado de esfuerzos en la arena más allá de una altura de 5B por encima del soporte

Techo del túnel

Teorías en que se supone que las secciones verticales bd y ca, que pasan por los extremos de la faja de cedencia son superficies de deslizamiento y que la presión sobre la frontera cedente es igual a la diferencia entre el peso total de la masa de arena colocada sobre esa frontera y la resistencia friccionantedesarrollada a lo largo de las superficies de fluencia.

Superficies de deslizamientos

Frontera cedente

Presión sobre la frontera cedente =

Peso total de la masa de arena colocada sobre esa

frontera menosresistencia friccionantedesarrollada a lo largo de las superficies de fluencia.

( ) dzvKdzcvBvdvBdzB ⋅⋅⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅−+⋅⋅=⋅⋅⋅ φσσσσγ tan22222

B

c

B

Kv

dz

vd −=⋅⋅+ γφσσtan

+⋅⋅⋅= ∫∫ ⋅−⋅−

CdzeQevdzPdzP

σ φtan⋅=B

KP

B

cQ −= γ

( ) ( )

+⋅⋅

−⋅= ∫⋅⋅⋅⋅−

CdzeB

cev B

KzBKz φφ γσ tantan

( ) φ

φ

γσ tan

tan

⋅⋅−⋅+⋅

−⋅= B

KzeC

K

B

cB

v

si z=0 σv = q, por tanto:

( ) ( )BzKB

zKeqe

K

B

cB

v⋅⋅−⋅⋅− ⋅+

−⋅⋅

−= φφ

φ

γσ tantan

1tan

Si el suelo es puramente friccionante, resulta:

( ) ( ) ( )BzKB

zKeqe

K

Bv

⋅⋅−⋅⋅− ⋅+

−⋅⋅

= φφ

φγσ tantan

1tan

si q=0

( ) ( )

−⋅⋅

=⋅⋅− B

zKe

K

Bv

φ

φγσ tan

1tan

Cuando z tiende a infinito: ( )φ

γσtan⋅

=K

Bv Ec 11

La ec. 11, corresponde a un valor constante.,

Comportamiento asintótico al valor constante anterior.

( )φ

γσtan⋅

=K

Bv

Si en la ec. 11, para fines prácticos se toma

φ = 30º

K=1

σv=2B.γ.

Significa que la presión que se ejerce sobre la zona cedente es únicamente la correspondiente a una columna de arena de altura 2B ó de altura igual a su ancho.

Pero por otra parte, los datos de la observación experimental en arenas han mostrado:

K aumenta des de 1, muy cerca del centro de la frontera que cede hasta 1.5 en una elevación de (2B) sobre ese punto.

presión vertical dentro de la arena ya no sigue la conocida ley lineal

(11)

A elevaciones mayores que 5B aproximadamente, la cedencia de la frontera ceda ya no influye en el estado de esfuerzos de la arena.

S,r Por encima de esta frontera la arena no se afecta

Altura donde se moviliza la resistencia al esfuerzo cortante en bc y da

Masa de arena por encima de z2actuará como una sobre carga

( )

⋅⋅−

⋅⋅−

⋅⋅+

−⋅

⋅= B

zKBzK

ezeK

Bv

22 tan

1

tan1

tan

φφγ

φγσ

12

la profundidad a lo largo de la cual no existen esfuerzos cortantes en las superficies verticales de deslizamiento

q = γ.z1

Observaciones respecto a las ecuaciones:

• Si el estrato de arena es de gran espesor

• Si φ = 40º y K =1, z1 = 4B, la presión en z1 varia linealmente en esa profundidad, pero por debajo de ella la presión variará según la ec. 12 y disminuye cuando la profundidad incrementa acercándose al valor de la ec. 11.

( )φ

γσtan⋅

=K

Bv (11)

• La teoría indica que a una profundidad de más de 8B, la influencia del peso de la arena en el espesor z1 ya es despreciable, pues a tal profundidad el valor de σv ya se acerca al valor constante de σv.

• A una elevación de más de 4B ó 6B sobre el centro de la zona cedente, la presión sobre tal zona ya no se ve influenciada por el estado de esfuerzos prevalecientes en las capas superiores de la arena.

( )

⋅⋅−

⋅⋅−

⋅⋅+

−⋅

⋅= B

zKBzK

ezeK

Bv

22 tan

1

tan1

tan

φφγ

φγσ

Presión por debajo de Z1

esfuerzo sobre la frontera cedente

Explicó de tal manera como la anchura efectiva del terreno que

desciende con el soporte, resulta igual (B+Ht).La carga vertical sobre el soporte del techo del túnel, terzaghi indica que depende de:

De las deformaciones permitidas por el soporte al terreno contenido dentro de la zona arqueada.

Terzaghi, cuantifica el valor de Hp para nueve clases de roca.

Método de Protodyakonov:

• Teoría fundamentada en el efecto de arco.

• La carga actuante sobre el túnel está contenida dentro de una parábola.

• El terreno externo a la parábola se autosostienegracias al desarrollo del efecto del arco.

3

2_

HpbparabolaArea

⋅⋅=

f

bHp

⋅=

2

f

bv ⋅

⋅=3

γσ

−⋅⋅+= 245tan2 φHtBb

b

Presión vertical sobre el techo.

Grado de resistencia

Tipo de roca o suelo γ ton/m2 σc kg/cm2 F

Muy Alto Granitos masivos, cuarcitas o basaltos sanos y, en general, rocas duras, sanas y muy resistentes.

2.80 a 3 2000 20

Muy alto Granitos sólidos, pórfidos cuarzosos, pizarras silicosas, areniscas y calizas altamente resistentes.

2.60 a 2.70 1500 15

Alto Granito y formaciones similares, Caliza y arenisca muy resistente, conglomerados muy resistentes.

2.50 a 2.60 1000 10

Alto Caliza, granito meteorizado, arenisca sólida, mármoles, piritas.

2.50 800 8

Moderadamente alto

Arenisca normales. 2.40 600 6

Moderadamente alto

Pizarras. 2.30 500 5

Grado de resistencia

Tipo de roca o suelo γ ton/m2 σc kg/cm2 F

Medio Lutitas. Arenisca y calizas de baja resistencia. Conglomerados no muy duros.

2.40 a 2.80 400 4

Medio Esquisto y pizarras. Mármol denso.

2.40 a 2.80 300 3

Moderadamente bajo

Esquisto fracturado, Caliza fracturada. Areniscas en bloques, grava cementada. Suelo duro.

2.20 a 2.60 200150

21.5

Moderadamente bajo

Gravas. Lutitas y pizarras fragmentadas. Depósitos de gravas densas. Arcillas duras.

2 - 1.5

Bajo Arcilla firme. Suelos arcillosos.

1.7 a 2 - 1

Bajo Loes. Formaciones de arena y grava. Suelos arenosos arcillosos o limo arcillosos.

1.7 a 2 - 0.8

Suelos Suelos con vegetación. Turbas. Arenas húmedas.

1.6 a 1.9 - 0.6

Suelos granulares

Arenas y gravas. 1.4 a 1.6 - 0.5

Suelos plásticos

Limos y arcillas blandos. - - 0.3