Comentarios referentes al análisis einterpretación de las mediciones de

control mediante secciones deconvergencia colocadas durante la

excavación y construcción de los túnelesde la carretera

Durango-Mazatlán (Tramo III).

Generalidades

Las mediciones de los movimientos relativos entre dos puntosfijos colocados en la superficie de un espacio subterráneo(túnel, caverna, lumbrera) son conocidas como mediciones deconvergencia o divergencia, según los puntos se aproximen oalejen entre sí. Su cuantificación permite graficar enfunción del tiempo los decrementos o incrementos de ladistancia inicial medida –conocida como medición cero- conlas mediciones subsecuentes.

Este método de medición cuantifica como la sección originaldel espacio subterráneo se comporta al estar influenciada porfactores geológicos, esfuerzos inherentes de la montaña,ritmo y ciclo de excavación, sistema de refuerzo primarioseleccionado, momento en su colocación, y por la presencia deagua subterránea, especialmente importante en el caso dondelos materiales que conforman el entorno del túnel seansusceptibles de cambiar sus propiedades físicas y mecánicasal entrar en contacto con el agua (por ej. rocas expansivascomo las margas, rocas deshidratadas como las anhidritas,rocas muy alteradas, materiales arcillosos o aquellosafectados por estructuras que los contengan, tales comobandas milonitizadas o fracturas con rellenos arcillosos).

Mediante el monitoreo continuo de una o más secciones laconstrucción del espacio subterráneo se ejecuta de manera mássegura y eficiente, pues generalmente nos permite comprendery evaluar oportunamente la tendencia estática o dinámica deltúnel vs el sistema de refuerzo primario colocado, y elmomento idóneo para realizar el revestimiento definitivo.

Características de las secciones de convergenciacolocadas en los túneles

Los puntos que se toman para efectuar las lecturas deconvergencias en cada estación del túnel son los indicados acontinuación:

De acuerdo a los 5 puntos de esta sección se observan lasdeformaciones de la bóveda y de las paredes.

Movimientos relativos verticales para la bóveda: losmovimientos producidos en los triángulos superior einferior de la sección del túnel nos indican: asentamientosde la clave (líneas 2-3, 4-3 y 2-4) y deformaciones de labóveda (líneas 2-3, 4-3 y 2-4, 1-3 y 5-3 y 1-5)

Movimientos relativos horizontales: los movimientosproducidos en el inicio de la bóveda y en los hastiales deltúnel o en la geometría del rectángulo inferior (líneas 2-4 y 1-5).

Estos movimientos verticales y horizontales indican elgradiente de la velocidad que existe entre dos puntos ajuntarse o separase el uno del otro y en su momento apermanecer estáticos, es decir sin movimiento convergente odivergente.

Sección típica de medición y pares de puntos medidos para túneles carreteros, vista de

acuerdo al avance de la excavación

I.- Frente de avance de la media sección superior

II.- Frente de avance de la media sección inferior

I

II

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

MOV

IMIEN

TOS EN mm

FECHA

GRAFICA DE LINEAS DE CONVERGENCIAS EST. 670+206.00 (TUNEL SALIDA) SINALOENSE

LÍNEA 2-3LÍNEA 3-4LÍNEA 4-2LÍNEA 1-5LÍNEA 1-3

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

MOV

IMIEN

TOS EN mm

FECHA

GRAFICA DE LINEAS DE CONVERGENCIAS EST. 670+306.00 (TUNEL SALIDA) SINALOENSE

LÍNEA 2-3LÍNEA 3-4LÍNEA 4-2LÍNEA 1-5LÍNEA 1-3

Convergencias con tendencia estática dado quedespués del 13 de octubre la velocidad tiende aser nula (mínima) y dado que el gradiente develocidad al inicio de la “curva” alcanzó su valormáximo, se deduce que las deformaciones enesta sección son aceptables y tienden acesarán.

Convergencias con tendencia dinámica ya quedespués de 29 de agosto la velocidad se haincrementado en tres décimas de milímetro,alcanzando con ello el gradiente máximo de laslecturas reportadas en la gráfica, indicando conello a la necesidad de incrementar el refuerzo.

Las lecturas de las líneas de convergencia se midendiariamente con una cinta extensométrica invar o dos veces aldía si es necesario. A medida que las deformaciones decrecenpueden hacerse lecturas más espaciadas. Estas mediciones secomparan con la lectura anterior y la diferencia positiva onegativa se presenta en una gráfica, como las ya mostradas.Además, la sección de medición debe colocarse lo más próximaal frente de avance, de manera que los pernos de mediciónqueden fijados con la primera capa de concreto lanzado y encontacto con la roca para que después del lanzado se realicela medición inicial de la sección, obteniendo así una gráficaque abarque el periodo de las deformaciones más importantes(dado que las deformaciones de mayor magnitud se llevan acabo inmediatamente después del avance de la excavación ynormalmente decrecen a medida que el concreto lanzado y/oanclas pasivas fragüen, adquieran resistencia y comiencen atrabajar.

El colocar la sección lo más próxima al frente de avance esmuy importante ya que las deformaciones decrecen a medidaque la excavación se aleja de ésta, volviéndose a incrementarcuando se aproxima la excavación de la media sección inferiordel túnel o por la ejecución de obras cercanas, tales comogalerías lumbreras, nichos o por las conexiones entre eltúnel y la galería. Interpretación de las gráficas

Disminución del gradiente de Aumento en el gradiente de

Como se aprecia en siguiente gráfica del Túnel Pánuco(Sección km 185+320), las lecturas de convergencia puedenarrojar resultados tanto positivos como negativos. Cuando elresultado de la línea medida aumenta (diferencia negativa) sehabla de una divergencia. Ello normalmente ocurre en túnelessomeros e indica que se presenta un incremento de la secciónmedia del túnel con y un asentamiento de la bóveda. En elcaso de que las diferencias sean positivas ello nos indicaque la sección ha disminuido en su longitud y se habla de unaconvergencia, indicando con ello que los puntos se estánjuntando y con ello ue disminuye el área de la sección deltúnel.

Túnel Pánuco Km 185+320

Lapso con m ovim iento divergente

Para túneles someros donde el encape de roca alcanza algunasdecenas de metros (menos de 50 metros) respecto al nivel delpiso del túnel, es común monitorear divergencias, tal comoocurrió en el túnel Panuco (Figura superior).

Durante la excavación de un túnel, las lecturas estáninfluenciadas por los movimientos debidos propiamente alproceso de excavación, movimiento de tierras (rezagado),maquinaria, etc. El objetivo del refuerzo primario es que lasdiferencias entre las lecturas iniciales y finales tienda acero, ello indica que el entorno rocoso del túnel ha dejadode deformarse y se asume que el refuerzo colocado es elidóneo.

Túnel Pánuco Km

Sin embargo, no se puede definir un límite o una toleranciadebido a que estos movimientos pueden obedecer a diferentescausas, ya que intervienen otros factores que afectan laestabilidad del túnel y debido también a las diferentescondiciones geológicas entorno a la sección del túnelmonitoreada.

Es por ello, que estas lecturas deben ser tomadas y seranalizadas de manera concienzuda, incluyendo también en esteanálisis los trabajos ejecutados en el sitio, las condicionesclimáticas y geológicas de la zona, el procedimientoconstructivo y la influencia por la proximidad o lejanía aque se encuentran los frentes de excavación de la mediasección superior e inferior.

También las condiciones climáticas, asociadas a lamineralogía de los materiales y específicamente en el caso deque se presentan materiales expansivos como la arcillaexpansiva o la anhidrita, pueden influir el estado dedeformaciones de un túnel, pues al hidratarse los materialesexpansivos, ellos aumentan de volumen y ejercen presiones quepueden deformar la estructura del revestimiento primario.

Experiencias aplicadas durante la excavación de lostúneles.

El Túnel Pánuco (Sección Km 185+320), después del colapsoocurrido entre los km 185+277 al km 185+293 (aprox.), seobserva que después de la época de lluvias el túnel ha tenidonotorias divergencias en el orden de algunas 3 décimas demilímetro, interpretándose –tentativamente- con ello, que laarcilla de las fallas entorno al túnel esté perdiendo humedady por ende contrayéndose. Pero después de aumentar la secciónde medición en el periodo que va del 9 al 25 de septiembre,esta divergencia cesó y se ha vuelto a entrar en una faseconvergente, posiblemente debida al laboreo subterráneo en elportal de salida o a la necesidad de incrementar el refuerzoprimario.

Por otra parte, en la sección adyacente situada antes de laanterior y en donde los marcos metálicos y el concretolanzado no colapsaron se observa que antes de que ocurriera

la falla de la estructura del túnel, las convergencias en lastres líneas de la bóveda eran menores a un milímetro.

-13.00-12.50-12.00-11.50-11.00-10.50-10.00-9.50-9.00-8.50-8.00-7.50-7.00-6.50-6.00-5.50-5.00-4.50-4.00-3.50-3.00-2.50-2.00-1.50-1.00-0.500.000.501.001.502.00

MOV

IMIEN

TOS E

N mm

FECHA

GRAFICA DE LINEAS DE CONVERGENCIAS EST. 185+300.00TUNEL PANUCO EN EL TRAM O CON M ARCOS NO COLAPSADO

LÍNEA 2-3LÍNEA 3-4LÍNEA 4-2LÍNEA 1-5LÍNEA 1-3

Periodo de falla de la rastra en la sección horizontal superior

Asentam iento de la bóveda del túnel

También se observa en la gráfica una mayor deformación en lassecciones 2-3 y 3-4, sugiriendo ello un asentamiento de labóveda. Llama la atención, como a partir del día 25 deagosto, las convergencias de las líneas 2-3 y 3-4, tienen unaconvergencia constante 1.5 centímetros en poco menos de tresmeses. Este gradiente convergente de 0.5 cm al mes es preocupanteporque indica que de continuar la deformación a esa velocidadconstante (línea roja punteada) la deformación debida a lasfuerzas actuantes, sobrepase la capacidad de resistencia derefuerzo primario colocada y con ello la falla de laestructura.

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

MOV

IMIEN

TOS E

N mm

FECHA

GRAFICA DE LINEAS DE CONVERGENCIAS EST. 670+246.00 (TUNEL SALIDA) SINALOENSE

LÍNEA 2-3LÍNEA 3-4LÍNEA 4-2LÍNEA 1-5LÍNEA 1-3

Tendencia estática de las convergencias, con un rango de velocidad m uy bajo ( < 0.2 m m al m es) y

aceptable, logrado después de haberse increm entado el espesor de concreto lanzado y una vez que éste ha alcanzado su resistencia de proyecto, después de la cuarta sem ana de haber sido aplicado.

Se tom a la decisión de reforzar el tram o con concreto lanzado dado que la velocidad de las convergencias se ha increm entado notoriam ente con respecto a la las lecturas anteriores, y en virtud de que los frentes de avance se han retirado lo suficiente com o para considerar que ya influyen en este sitio.

Se increm enta la capa de concreto lanzado entre los m arcos.

Periodo donde se aprecia la dism inución de la velocidad de convergencia por el increm ento en el espesor de concreto lanzado.

Nota: La línea punteada verde indica la tendencia de la velocidad de convergencia en un lapsodeterminado de tiempo. Fe de errata: En la figura debe decir en el cuadro superior, 4 renglón …que ya no influyen en este sitio…

La sección de convergencias en el túnel El Sinaloense,ubicada en el Km 670+246, ha sido observada concienzudamentedesde que se observaron daños en la estructura derevestimiento, concretamente entre los marcos metálicos y elconcreto lanzado (reporte interno del Ing. Mario RamírezLarralde, 3 de septiembre del 2011). En ese momento se tomóla decisión de reforzar el tramo dañado aumentando elespesor del concreto lanzado a 20 centímetros, pues seobservó que la velocidad no solamente aumentaba (ver línearoja punteada), sino también alcanzaba los valores máselevados.

Cabe señalar que antes de tomarse la decisión de lanzarleconcreto, a partir del día 9 de septiembre, se aumentaron losdrenes para aliviar posibles presiones de agua subterráneaentorno al revestimiento y que a pesar de ello no se logróuna disminución en el gradiente de la velocidad.

Conclusiones y Recomendaciones

Esto nos lleva a concluir que puede haber diferencias delecturas mínimas y presentarse desprendimientos y/oinestabilidad en el túnel, tal es el caso del túnel “Pánuco”,donde desde el 02 de junio al 11 de agosto del corriente,sólo se habían medido convergencias, no mayor a -1 mm (menosun milímetro) y como a partir del 12 de agosto, dichasdiferencias presentaron un sobresalto brusco para quefinalmente el 25 de agosto ocurriera un “caído” en elinterior del túnel, precisamente en el tramo no reforzado conmarcos metálicos y adyacente a la sección presentada conformea proyecto.

También se concluye que si se incrementa el gradiente de lasconvergencias en 3 décimas de milímetro por semana, con locual la curva se vuelve cóncava hacia abajo, es necesariorevisar los factores que puedan estar influenciando esecomportamiento y muy probablemente sea necesario incrementarel refuerzo primario.

Recomendaciones

A continuación se presenta en un Anexo I, las observaciones yrecomendaciones de cada una de las secciones actualizadas al14 de noviembre analizando las secciones de los túnelesactualmente en proceso constructivo:

El Sinaloense Real de Pánuco Roblar de la Cueva Pánuco Panuco II

Atentamente:

_______________________________________________Ing. Luis Chavelas Peña

Jefe del Departamento de Geotecnia.