17-C.1         Túneles

17-C.1.1    Introducción

El usuario de CivilFEM dispondrá de dos herramientas de generación de túneles para crear de una forma sencilla un modelo de elementos finitos que reproduzca con fidelidad las diferentes etapas de construcción de un túnel.

17-C.1.2    Generación de túneles 3D

17-C.1.2.1                Esquema general de funcionamiento

Formas estructurales

Para la construcción del túnel, además del terreno inicial que va a ser horadado, la estructura final puede constar de las siguientes partes o formas estructurales:

 

 

Sección base

Se denomina sección base un Assembly que contiene todos los objetos que forman la sección genérica del túnel, ya mallada, en el sistema de ejes activo CSYS. Dicha sección base debe estar contenidos en un plano y sus objetos son:

·         Keypoints

·         Líneas

·         Áreas

·         Nudos

·         Elementos

Los elementos que forman este assembly serán de los siguientes tipos.

 

 

CivilFEM reconoce el tipo de forma estructural a partir del tipo de elemento empleado para su mallado.

La sección base se trasladará al punto inicial del túnel 3D situándose perpendicularmente al path de éste de forma que el punto inicial del path coincide con el origen de coordenadas de la sección.

La sección base contendrá la evolución completa del túnel, es decir, deberá incluir las partes que forman el túnel desde el comienzo de su construcción hasta el final.

 

Directriz “Layout” del túnel

Se denomina directriz del túnel a un conjunto de líneas consecutivas que forman la trayectoria espacial que sigue el origen de coordenadas de la sección base en el proceso de construcción del túnel.

Para definir la directriz del túnel CivilFEM emplea el procedimiento, generalizado en este tipo de obras civiles, de considerar por separado los trazados en planta y en alzado:

 

·         El trazado en planta está formado por una sucesión de rectas, arcos de circunferencia y arcos de clotoide.

·         El trazado en alzado está formado por una sucesión de rectas y arcos de parábola.

 

En la versión actual la herramienta para generación de túneles no contempla la posibilidad de que la directriz esté curvada simultáneamente en planta y en alzado.

 

Proceso evolutivo

Para definir la forma en que realmente se realiza la excavación, CivilFEM emplea las siguientes nomenclaturas:

- Fase            Cada una de las situaciones por las que va pasando la sección transversal del túnel, desde que se comienza la excavación dentro de la sección hasta que ésta está totalmente terminada y revestida.

- Avance        Cada una de las posiciones por las que va pasando el túnel.

- Retraso       Desfase entre la realización de una fase perteneciente a un cierto avance y la última fase que se está iniciando en el STEP de cálculo.

Los esquemas al final de este apartado ilustran estas definiciones.

 

En el Avance 0 aún no ha comenzado la excavación del túnel y el terreno se encuentra sometido a sus condiciones iniciales (s¹0 y e=0).

Entre los avances 0 y 1 tienen lugar cuatro fases:

0.0 – Terreno sin excavar, con sus tensiones iniciales

0.1 – Excavación

0.2 – Disposición de cerchas y gunitado

0.3 – Hormigonado

 

El final de la fase 0.3 coincide con el avance 1. A continuación se realizan tres nuevas fases:

1.1 – Excavación

1.2 – Disposición de cerchas y gunitado

1.3 – Hormigonado

 

para llegar a la fase 2.0, y así sucesivamente.

El sistema que emplea CivilFEM para numerar avances y fases es el siguiente:

·         El avance 0 (cero) corresponde al terreno antes de comenzar la excavación.

·         Para pasar del avance 0 al avance 1 es necesario realizar las siguientes fases

o   Fase 0 – Terreno sin excavar

o   Fase 1 y siguientes: diferentes fases de la excavación.

·         Para pasar del avance n al n+1 (siendo n>0) ya no se realiza la fase 0, pues la fase 0 del avance n es la fase final del avance n-1.

 

 

17-C.1.2.2                Definición de Fases y Avance

CivilFEM es capaz de reproducir, con la precisión que se desee el proceso constructivo más complejo, siguiendo el sistema de avances/fases explicado en el apartado anterior.

Para poder llevar a cabo la modelización es necesario que el usuario informe al programa del sistema constructivo que se va a seguir y esto se realiza eligiendo las fases en la que van a existir los elementos originados a partir de cada área de la sección base.

En el ejemplo visto anteriormente, el proceso se describiría como se indica en el siguiente cuadro:

 

            (1) Esta fase solo existe en el Avance 0

                (2) Tipo de elemento que se empleó en el mallado (informativo)

 

Es importante observar que la existencia de desfases origina que se estén ejecutando simultáneamente diferentes pares (avance, fase), por lo que se facilita un comando (~TPLST) que le informa de a qué paso de cálculo de CivilFEM (STEP) se asocia cada par. En el caso anterior la asociación sería:

 

AVANCE	FASE	STEP
0	0	1
0	1	2
0	2	3
1	1
0	3	4
1	2
2	1
0	3	5
1	3
2	2
3	1
0	3	6
1	3
2	3
3	2
0	3	7
1	3
2	3
3	3

Elementos viga

Pertenecen a este grupo las cerchas. La definición de cómo van apareciendo en cada fase se realiza de la misma forma: el usuario debe marcar las fases en las que los elementos asociados a las líneas malladas de la sección base existen.

En el caso del ejemplo, se definiría de la siguiente forma:

 

            (1) Esta fase solo existe en el Avance 0

                (2) Tipo de elemento que se empleó en el mallado (informativo)

 

17-C.1.2.3                Ejemplos

Los siguientes ejemplos han sido realizados empleando la herramienta de túneles 3D de CivilFEM.

El modelo del segundo de los ejemplos ha sido retocado manualmente, una vez generado para simular las diferentes estratificaciones en el terreno.

 

Ejemplo 1

En el cuadro adjunto se indican la pertenencia de cada área y línea mallada a cada una de las fases.

La última fila del cuadro indica el retraso (delay) con que van entrando las fases dentro de cada avance.

 

 

 

 

 

 

 

Ejemplo 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17-C.1.3    Generación de túneles 2D

A través del wizard de túneles 2D (ver ventanas gráficas de CivilFEM) se podrá generar de forma sencilla diversas tipologías de túneles y su proceso constructivo.

 

17-C.1.3.1                Formas estructurales

Para la construcción del túnel, además del terreno inicial que va a ser horadado, la estructura final puede constar de las siguientes partes o formas estructurales:

 

 

17-C.1.3.2                Proceso constructivo

En el caso de modelos 2D,el número de fases viene determinado por la tipología geométrica de la sección (con o sin contrabóveda )y el procedimiento de construcción seleccionado.

 

Contrapresión de sostenimiento en el túnel

Cuando se realiza la excavación de un túnel, la presencia del frente de excavación proporciona una labor de sostenimiento en las zonas próximas a éste.

 

Mediante un modelo 3D no es necesario considerar esta presión de sostenimiento, pues el mismo modelo la proporciona. Sin embargo, si se realiza un cálculo bidimensional, no tener en cuenta esta presión equivaldría a calcular la sección media de un túnel largo, que se hubiera excavado de una vez, lo que obviamente no es posible.

 

Para tener en cuenta el efecto de la proximidad del frente de excavación (que normalmente se irá alejando conforme van avanzando las fases de construcción de la sección), se puede introducir un valor de la presión de confinamiento para cada una de las fases.

 

Esto se realiza proporcionando la fracción de la tensión hidrostática inicial, antes de la excavación.

 

 

Siendo g_i el peso específico del estrato número i y h_i el espesor del mismo, estando la sumatoria extendida a los estratos que existen desde el punto en que se mide la tensión hasta la superficie inmediatamente por encima de ésta.

 

Se puede optar porque sea CivilFEM quien defina estos valores, lo que el programa hace con los siguientes criterios:

 

-          Se utiliza la teoría de Panet-Guenot (para el método Convergence-Confinement).

-          Sólo se consideran presiones de confinamiento en las dos primeras fases de la excavación del túnel.

 

Presiones de PANET-GUENOT (para el método Convergence-Confinement)

La teoría elaborada por estos autores (también llamada teoría de convergencia-confinamiento), está deducida para secciones circulares excavadas en una fase, por lo que en rigor sólo sería aplicable a esta situación y, por tanto, el usuario debe ser consciente de la simplificación que asume el utilizarla.

 

La presión de confinamiento se obtiene mediante la expresión:

 

(Presión radial)

 

Siendo x la distancia al frente de excavación R el radio del túnel (que se toma igual al radio exterior de la bóveda (R₁ + t₁)) y p₀ la tensión inicial en el terreno.

 

CivilFEM toma el valor x = 1.0×ForeheadAdvance  para la primera fase constructiva y x=2.0×ForeheadAdvance para la segunda. En las restantes fase, si las hay, toma el valor cero.

En el tabla y gráfico adjuntos se representan los valores adimensionales de s_pg /p₀, en función de x/R.

 

	x/R	Radial Press/p0
	0.0	0.667
	0.1	0.578
	0.2	0.501
	0.3	0.434
	0.5	0.326
	0.8	0.228
	1.0	0.160
	1.5	0.078
	2.0	0.038
	2.5	0.019
	3.0	0.009
	3.5	0.004
	4.0	0.002
	5.0	0.001
	6.0	0.000
Panet-Guenot pressure

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En el cálculo CivilFEM aplica una presión normal al contorno abierto del túnel en la fase considerada.

 

 

 

17-C.1.3.3                Ejemplo

El siguiente ejemplo correspondiente a tres túneles realizados en un mismo macizo, de diferentes tipologías, con tipos de construcción diferentes y con desfases en la excavación ha sido realizado empleando la herramienta de túneles 2D de CivilFEM.