Deformaciones del revestimiento y asientos

Deformaciones del revestimiento y
asientos producidos por la construcción
de un túnel mediante tuneladora
Autor: Cristian de Santos Rodríguez
Tutor: Eduardo Alonso Pérez de Agreda
Tutor externo: Nicola Della Valle
Código: 708-TES-EG-3212
Tesina de final de carrera
Ingeniería Geológica
Junio de 2007

<< Un túnel no es “un agujero más en la tierra”. En términos estrictamente
prácticos se trata de una obra de ingeniería extraordinariamente sofisticada. Y
nunca fue sencilla ni segura >>
Dijo Nordlund, ingeniero de ficción en la novela de Scortia, Muerte en el túnel.
Para todos los que me han apoyado;
en especial a Roser

Deformaciones del revestimiento y asientos producidos por la construcción de un túnel mediante tuneladora _
E.T.S.E.C.C.P.B.
I
Deformaciones del revestimiento y asientos producidos por la construcción de un túnel mediante tuneladora
Autor: Cristian de Santos Rodríguez.
Tutor: Eduardo Alonso Pérez de Agreda.
Tutor externo: Nicola Della Valle.
Resumen
Debido al gran crecimiento que está viviendo la construcción de túneles urbanos, se ha considerado oportuno
realizar el presente estudio que trata sobre las deformaciones del revestimiento y de los movimientos inducidos por
la construcción de un túnel.
Para llevar a cabo este estudio, en el caso de la deformación del revestimiento, se han realizado un conjunto de
medidas de convergencia, dentro e inmediatamente después del escudo, con la finalidad de determinar la evolución
de la deformación del revestimiento.
Uno de los puntos clave de este análisis ha sido la combinación de medidas de convergencia con medidas
topográficas realizadas en el interior del túnel. Gracias a estás medidas topográficas se ha conseguido pasar las
medidas relativas de convergencia a medidas absolutas, con las cuales se ha representado la evolución de la
deformación del revestimiento del túnel.
La otra parte del estudio consiste en la determinación de la importancia que tiene cada parámetro de la máquina en
la generación de movimientos en el terreno. En este caso, para realizar este análisis se ha construido, mediante el
programa comercial de elementos finitos Plaxis, un modelo predictivo.
Con este modelo se ha intentado simular las distintas etapas en las que se lleva a cabo la construcción de un túnel
mediante tuneladora. Dentro de estas etapas se ha simulado uno de los factores más influyentes, que es la
inyección de mortero de cola en el trasdós de las dovelas.
Finalmente, se han comparado los resultados numéricos (Plaxis) con los resultados obtenidos mediante las medidas
in situ del terreno y se ha verifica la fiabilidad del modelo construido, así como sus limitaciones.
Abstract
Considering the huge development of urban tunneling construction, it is interesting to bring more opinion about the
knowledge of these works. Therefore this study tries to bring some more light, about the deformation of the lining of
the tunnel and therefore studying the movements induced in the construction of such works.
To bring about more knowledge in this concept, that is the deformation of the lining, we have taken a series of
convergence measures, inside, as well as right after the realization of the coating of the shield, with a view to
determine the evolution of the deformation.
One of the main points of this study was to realize a mixing of the convergence measures with reference to various
points, which were determined witch topographical techniques thank to which it has been possible to establish
relative measures, of convergence, considered as absolute with the ones which showed the evolution of the
deformation.
On the other anther contribution to this study is to put a clear evidence of the importance of the parameters of the
EPB machine and the incidence upon the earth movements. In this case, to complete this survey, we have realized
(with the help of the commercial FEM program “Plaxis”) a predictive model which tried to simulate the various steps
under taken during the construction of a tunnel using an EPB machine. In the course of these steps, there is a
simulation of one of the most important factors in the earth movements: that is the injection of the machine, taking
into account the proper deformation of the tunnel as defined previously.
Finally we have established, a comparison between the results of “Plaxis” numerical datas, and the ones obtained in
situ, on the earth, and therefore, we have come to a verification of the fiability of the construction model, as well as its
limits.

E.T.S.E.C.C.P.B.
II
Agradecimientos
Primero de todo quiero agradecer, tanto el Profesor Eduardo Alonso Pérez de Agreda, tutor de la
tesina, como Nicola Della Valle, director del departamento de ingeniería de túneles de la
empresa Paymacotas y tutor externo de la tesina, por la oportunidad que me han brindado al
poder realizar un estudio tan apasionante, del cual he aprendido infinidad de cosas. Además de
todo el apoyo recibido por ambos durante todo el año que ha durado la aventura y del gran
tiempo invertido, en forma de consultas, que me han regalado desinteresadamente, todo y tener
unas agendas repletas de compromisos.
A toda mi familia también quiero mostrarles mi agradecimiento por todo el apoyo recibido durante
toda la carrera, en donde, con sus palabras de ánimo me han ayudado ha superar los momentos
difíciles. Sin olvidar, la cantidad de días que me he librado de ir a trabajar al Chiringuito, gracias
a que vosotros habéis estado para sustituirme y me habéis permitido estudiar más.
Por todo esto y mucho más, infinidad de gracias.
También quiero remarcar el gran apoyo que mis compañeros de clase, ahora amigos, me han
dado durante todo este largo camino y, donde sin duda alguna, me han allanado mucho el largo
trayecto recorrido. Además de haber tenido la gran paciencia de soportarme durante este último
año hablando en todo momento de lo interesante que era mi tesina.
Como no, también tengo mucho que agradecer a infinidad de gente de la universidad, que ha
sido asaltada por los pasillos o despachos, con preguntas a las que muy generosamente me han
respondido. En especial a Alessandra Di Mariano, por su paciencia con mis innumerables dudas
de Plaxis, y al Profesor Alberto Ledesma, por aguantar todo tipo de preguntas relacionadas con
los túneles y la mecánica de suelos.
Finalmente, me gustaría mostrar mi más sincero agradecimiento, a todas las personas del
entorno de la obra, que durante toda mi estancia en la máquina, han hecho posible la realización
de esta tesina.
En especial a todo el equipo de Paymacotas Fira; Néstor Moyà, Tomeu Orfila, Estefano Varotto,
Manuel Alonso, Marta Senin, Mateo Randaboldo, por enseñarme, con muy buen criterio, como
trabaja una EPB y, como no, a todo el equipo de la UTE, en especial a Pau Fornés y Manuel
Moreno Arroyo, jefe de topografía, el cual siempre ha mostrado un enorme interés por mi trabajo.
Como en todo agradecimiento, seguro que me olvidó de citar gente, de la cual, sin su ayuda no
podría haber realizado todo esto, así que, muchas gracias a todos.

E.T.S.E.C.C.P.B.
III
Índice
Resumen. ……………………………………………………………………………………………… I
Abstract.………………………………………………………………………………………………… I
Agradecimientos. ……………………………………………………………………………………… II
Índice. ………………………………………………………………………………………………….. III
Índice de figuras. ……………………………………………………………………………………... VI
Índice de tablas. …………………………………………………………………………………….. VIII
Capitulo 1: Introducción y objetivos.
1.1 Introducción. ……………………………………………………………………………….. 1
1.1.1 Historia de los túneles. …………………………………………………………………. 1
1.1.2 Construcción de túneles mediante la utilización de escudos de presión de tierras
(EPB). …………………………………………………………………………………….. 2
1.1.3 Problemas inducidos por la excavación de un túnel. ……………………………….. 6
1.1.4 Descripción geológica y geotécnica de Barcelona. …………………………………. 7
1.1.4.1 Descripción general de la geología y la geotecnia de Barcelona. …………. 7
1.1.4.2 Descripción detallada de la geología y la geotecnia de la zona de estudio
(Delta del Llobregat). ……………………………………………………………. 9
1.1.5 Las obras de construcción de la línea 9 del metro de Barcelona. ……………….. 12
1.1.5.1 Generalidades. …………………………………………………………………. 12
1.1.5.2 Tramo 2A: Fira - Parc logístic. ………………………………………………... 13
1.2 Objetivo de la tesina. ……………………………………………………………………. 14
Capitulo 2: Determinación de la deformada del túnel “in situ”.
2.1 Introducción. ……………………………………………………………………………… 15
2.2 Determinación de la deformada mediante medidas de convergencia. …………….. 15
2.2.1 Campaña de medidas de convergencia. …………………………………………… 15
2.2.1.1 Fase 1: Realización de visuales. ………………………………………………….. 16
2.2.1.2 Fase 2: Familiarización y práctica con la cinta de convergencia. ……………... 17
2.2.1.3 Fase 3: Posicionamiento de los anclajes. ………………………………………... 17
2.2.1.4 Fase 4: Puntos necesarios para determinar la deformada. ……………………. 18
2.2.1.5 Fase 5: Realización de las medidas de convergencia. ………………………… 19
2.2.2 Referenciación de las medidas de convergencia mediante topografía. ………… 20
2.2.3 Tratamiento de los datos para obtener la deformación radial del túnel. ………… 21
2.2.4 Resultados obtenidos. ………………………………………………………………… 23
2.2.4.1 Resultados obtenidos en el anillo 804. …………………………………………… 23
2.2.4.2 Resultados obtenidos en el anillo 818. …………………………………………… 24
2.3 Determinación de la deformada mediante métodos topográficos (perfilómetros). 29
2.3.1 Tratamiento de los datos para obtener la deformación radial del túnel. ………… 29
2.4 Comparación de las deformadas obtenidas mediante convergencias y perfilómetros.
2.4.2 Conclusiones. ………………………………………………………………………….. 32

E.T.S.E.C.C.P.B.
IV
Capitulo 3: Determinación de los movimientos inducidos por la excavación del túnel.
3.1 Introducción. ……………………………………………………………………………… 33
3.2 Instrumentación utilizada. ………………………………………………………………. 33
3.2.1 Instrumentación topográfica. …………………………………………………………. 33
3.2.1.1 Instrumentación topográfica en superficie. ………………………………………. 33
3.2.1.2 Instrumentación topográfica en las estructuras próximas. ……………………... 33
3.2.2 Instrumentación del terreno. …………………………………………………………. 34
3.3 Lectura de datos. ………………………………………………………………………… 35
3.4 Determinación de la cubeta de asientos y la pérdida de volumen. ………………… 35
3.4.1 Base teórica. …………………………………………………………………………… 35
3.4.1.1 Método de Peck para la estimación de la cubeta de asientos. ………………… 35
3.4.1.2 Pérdida de volumen. ………………………………………………………………... 37
3.5 Aproximación de la cubeta teórica a partir de los asientos medidos in situ y
determinación de la pérdida de volumen. …………………………………………….. 37
3.6 Conclusiones. ……………………………………………………………………………. 38
Capitulo 4: Modelación numérica.
4.1 Introducción. ……………………………………………………………………………… 39
4.2 Zona de estudio. …………………………………………………………………………. 39
4.3 Modelo geométrico del problema. ……………………………………………………… 40
4.3.1 Representación del suelo y sus propiedades. ……………………………………... 40
4.3.2 Representación de las estructuras y sus propiedades. …………………………… 42
4.3.2.1 Representación del escudo y sus propiedades. ………………………………… 43
4.3.2.2 Representación del túnel y sus propiedades. ……………………………………. 45
4.3.3 Representación de los materiales de inyección y sus propiedades. …………….. 46
4.4 Condiciones de contorno y condiciones iniciales. ……………………………………. 47
4.4.1 Introducción. …………………………………………………………………………… 47
4.4.2 Condiciones de contorno. …………………………………………………………….. 47
4.4.3 Condiciones iniciales. …………………………………………………………………. 47
4.5 Fases de cálculo. ………………………………………………………………………… 48
4.5.1 Introducción. …………………………………………………………………………… 48
4.5.2 Fase 1: Excavación del túnel e inyección de bentonita en el contorno del escudo. 48
4.5.3 Fase 2: Construcción del túnel e inyección del mortero de cola. ………………… 49
4.5.3.1 Determinación del incremento o decremento del volumen del mortero de cola. 50
4.5.4 Fase 3: Contracción del revestimiento del túnel. ………………………………….. 52
4.5.5 Fase 4: Endurecimiento del mortero de cola. ……………………………………… 53
4.6 Visualización de los resultados. ………………………………………………………... 53
4.7 Modelo numérico. ………………………………………………………………………... 55
4.7.1 Modelo numérico de la sección 1: PK 11+482. ……………………………………. 55
4.7.2 Resultados del modelo numérico de la sección 1. ………………………………… 56
5 Conclusiones del modelo predictivo. …………………………………………………….. 69
5.2.1 Influencia de la posición de la clave (dovela K). …………………………………… 72
Capitulo 5: Comparación entre los resultados numéricos y las medidas in situ.
5.1 Introducción. ……………………………………………………………………………… 75

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V
5.2 Comparación de las cubetas de asientos. ……………………………………………. 75
Capitulo 6: Conclusiones. ………………………………………………………………………… 79
Referencias bibliográficas. ………………………………………………………………………….. 81
Otra bibliografía consultada. ………………………………………………………………………... 82
ANEXO DE MEIDAS. ………………………………………………………………………………... 83
ANEXO DE RESULTADOS. ………………………………………………………………………. 100
ANEXO DE PARÁMETROS DE LA MÁQUINA. ………………………………………………… 121
ANEXO DE FOTOGRAFÍAS. ……………………………………………………………………... 124
ANEXO DE GEOLOGÍA. …………………………………………………………………………... 144
ANEXO DE PLANOS. ……………………………………………………………………………… 147

E.T.S.E.C.C.P.B.
VI
Índice de figuras
Figura 1. Metro de Londres. …………………………………………………………………………. 1
Figura 2. Esquema de una EPB. ……………………………………………………………………. 3
Figura 3. Cabeza de corte. …………………………………………………………………………... 4
Figura 4. Cilindros de empuje. ………………………………………………………………………. 5
Figura 5. Erector de dovelas. ………………………………………………………………………... 5
Figura 6. Back-up. …………………………………………………………………………………….. 6
Figura 7. Perfil y mapa geológico de la zona de Barcelona (Geología-geotecnia L9 Metro
Barcelona). ……………………………………………………………………………………………... 8
Figura 8. Delta del Llobregat (Bayó, A. 1985 / Albert Ventayol. Bosch & Ventayol, GeoServeis,
S.L). …………………………………………………………………………………………………….. 9
Figura 9. Perfil del delta de Llobregat (Bayó, A. 1985 / Albert Ventayol. Bosch & Ventayol,
GeoServeis, S.L). ……………………………………………………………………………………. 10
Figura 10. Esquema de la línea 9. ………………………………………………………………… 12
Figura 11. Esquema longitudinal de la zona de la EPB donde se realizan las medidas de
convergencia (Herrenknecht). ……………………………………………………………………… 16
Figura 12. Esquema transversal de la zona de la EPB donde se realizan las medidas de
convergencia (Herrenknecht). ……………………………………………………………………… 17
Figura 13. Esquema de visuales (líneas rojas), anclajes sin coordenadas (círculos rojos) y
anclajes con coordenadas (círculos verdes). …………………………………………………….. 19
Figura 14. Convergencia entre el punto 7 y el 5. ………………………………………………… 19
Figura 15. Convergencia entre el punto 7 y el 6. ………………………………………………… 20
Figura 16. Determinación de nuevo punto (X,Y). ………………………………………………... 21
Figura 17. Distintas posiciones del anillo de estudio respecto al escudo. ……………………. 22
Figura 18. Resultante de los desplazamientos verticales y horizontales (escala exagerada). 22
Figura 19. Representación grafica de los desplazamientos entre la posición 2 y la 3. ……… 23
Figura 22. Deformación del anillo de dovelas 804. ……………………………………………… 25
Figura 24. Esquema de situación de las líneas de inyección de mortero. ……………………. 26
Figura 27.1 Representación grafica de los desplazamientos entre la posición 2 y la 4. ……. 27
Figura 30. Representación grafica de perfilómetro (PK: 10+747). ……………………………. 29
Figura 2 Deformación final del anillo de dovelas. ……………………………………………….. 30
Figura 32. Comparación de las deformadas entre las posiciones 2-3 (convergencia) y la final
(perfilómetro). ………………………………………………………………………………………… 31
(perfilómetro). ………………………………………………………………………………………… 31
(perfilómetro). ………………………………………………………………………………………… 31
Figura 35. Esquema de la sección tipo. ………………………………………………………….. 34
Figura 36. Geometría de la cubeta de asientos generada por la excavación según Peck. … 36
Figura 37. Tabla “General” de entrada de datos. ………………………………………………... 41
Figura 38. Tabla “Parameters” de entrada de datos. ……………………………………………. 41
Figura 39. Ejemplo de un perfil con sus estratos correspondientes. ………………………….. 42

E.T.S.E.C.C.P.B.
VII
Figura 40. Ventana del editor de túneles. ………………………………………………………… 43
Figura 41. Tabla de propiedades del escudo. ……………………………………………………. 44
Figura 42. Disposición relativa entre las tres "estructuras". ……………………………………. 45
Figura 43. Relleno del GAP con lechada de bentonita (color Marrón). ……………………….. 48
Figura 44. Activación de la cabeza de corte y el escudo y desactivación del material excavado.
………………………………………………………………………………………………………….. 49
Figura 45. Calculo de las nuevas presiones de agua. ………………………………………….. 49
Figura 46. Tabla de introducción del incremento o decremento de volumen. ………………... 52
Figura 47. GAP relleno de mortero de cola (color gris). ………………………………………… 52
Figura 48. Tabla de contracción del túnel. ……………………………………………………….. 52
Figura 49. Programa de cálculo. …………………………………………………………………... 53
Figura 50. Visualización de la deformación de la malla (Output). ……………………………… 54
Figura 51. Visualización de los desplazamientos verticales (Output). ………………………… 54
Figura 52. Visualización de los puntos plastificados (Output). ………………………………….. 54
Figura 53. Visualización de los asientos máximos en superficie en función del paso de cálculo
(Curves). ………………………………………………………………………………………………. 55
Figura 54. Geometría de la sección 1. ……………………………………………………………. 55
Figura 55. Deformación de la malla. ………………………………………………………………. 56
Figura 56. Desplazamientos totales. ……………………………………………………………… 57
Figura 57. Desplazamientos verticales. …………………………………………………………... 57
Figura 58. Cubeta de asientos en superficie. …………………………………………………….. 58
Figura 59. Puntos plastificados. …………………………………………………………………… 58
Figura 60. Desplazamientos totales del túnel. …………………………………………………… 59
Figura 61. Evolución del asiento máximo en función del paso de cálculo. …………………… 59
Figura 66. Cubeta de asientos en superficie. ……………………………………………………. 62
Figura 74. Cubeta de asientos en superficie. …………………………………………………….. 67
Figura 78. Influencia de la contracción del túnel en la generación de los asientos. …………. 69
Figura 79. Asiento máximo producido por la contracción (Contrac.=0,55%, sección 1). …... 70
Figura 80. Asientos máximos en superficie (sección 1). ………………………………………... 71
Figura 81. Tabla de activación de rotula y entrada de datos de su comportamiento. ……….. 72
Figura 82. Modelo geométrico. …………………………………………………………………….. 73
Figura 83. Influencia de la posición de la clave en la generación de asientos. ………………. 73
Figura 84. Comparación de resultados de la sección 1. ………………………………………... 75

E.T.S.E.C.C.P.B.
VIII
Figura 87. Escalón en el valor de los asientos producido por la parada de la máquina (parada
14/11/06). ……………………………………………………………………………………………... 78
Índice de tablas
Tabla 1. Propiedades geotécnicas del relleno antrópico (R). …………………………………... 11
Tabla 2. Propiedades geotécnicas del nivel superficial (Ql1). ………………………………….. 11
Tabla 3. Propiedades geotécnicas del nivel detrítico superior (Ql2). ………………………….. 11
Tabla 4. Propiedades geotécnicas del nivel intermedio de sedimentos de prodelta (Ql3s). .. . 11
Tabla 5. Propiedades geotécnicas del nivel intermedio de sedimentos de prodelta (Ql3). …. 12
Tabla 6. Propiedades geotécnicas del substrato precuaternario (M1). ………………………... 12
Tabla 7. Frecuencias de lectura de datos. ………………………………………………………... 35
Tabla 8. Parámetros geotécnicos de entrada del Relleno. ……………………………………… 41
Tabla 9. Parámetros geotécnicos de entrada del Ql1. …………………………………………... 42
Tabla 10. Parámetros geotécnicos de entrada del Ql2. …………………………………………. 42
Tabla 71. Parámetros geotécnicos de entrada del Ql3s. ……………………………………….. 42
Tabla 18. Parámetros geotécnicos de entrada del Ql3. ………………………………………… 42
Tabla 13. Propiedades físicas de la bentonita de inyección. …………………………………… 46
Tabla 14. Propiedades físicas del mortero de inyección. ……………………………………….. 46
Tabla 15. Propiedades físicas del mortero endurecido. …………………………………………. 46

E.T.S.E.C.C.P.B.
1
Capitulo 1: Introducción y objetivos
1.1Introducción
1.1.1 Historia de los túneles
Por diversas razones los animales escarban y cavan en el interior de la tierra: para encontrar
agua, para conseguir alimento, para fabricarse un hogar o para esconderse y ocultarse del
peligro.
El hombre también excava con estos mismos propósitos y algunos de diferentes, propios de su
naturaleza. La perforación de túneles fue el primer ejercicio de ingeniería llevada a cabo por el
hombre. La ampliación de la cueva en la que vivía el hombre primitivo resultaba una operación
inmediata para una criatura capaz de un pensamiento lógico. Así lo atestiguan los restos
localizados de víctimas debido al colapso en la construcción de galerías en la Edad de Piedra.
El descubrimiento accidental de depósitos de agua y de minerales durante las operaciones de
extensión del hogar, indujeron a los hombres a perforar con ese propósito y, así, de forma
gradual la perforación de los túneles se fue desarrollando pasando desde una etapa en la que el
instinto animal era predominante a otra más evolucionada, convirtiéndose en un Arte (Luís
Medina Rodríguez, 1999).
Ahora bien, la historia de los túneles adquiere una dimensión y un ritmo especial con el
nacimiento del Ferrocarril Metropolitano que se inicia en 1863 con la apertura del tramo Bishops
Road-Farringdon Street (5,6 km de longitud, con 5,10 m de altura y 8,60 m de ancho) de lo que
posteriormente sería el Metro de Londres (Figura 1).
Figura 1. Metro de Londres.
Al metro de Londres le siguió el de Glasgow en 1886, Budapest (1896), Boston (1898), París
(1900), Berlín (1902), Madrid (1919), Atenas (1920) y así un gran número más.
No fue hasta el 1924 cuando se inauguró el primer tramo de la actual línea 3 del metro de
Barcelona, entonces llamado Gran Metropolitano de Barcelona que unía Plaça de Catalunya con
Plaça Lesseps.

E.T.S.E.C.C.P.B.
2
Con la construcción del túnel de Seikan, entre las islas japonesas de Honshu y Hokkaido, se ha
abierto una nueva etapa en la construcción de túneles. Fue inaugurado en 1983 y su longitud es
de 53,8 km, de los cuales 23 km transcurren bajo el estrecho de Tsugaru. Para la construcción
se emplearon 8 tuneladoras de 14 m de diámetro.
La nueva etapa a la que se ha hecho referencia se caracteriza por los grandes progresos
técnicos acaecidos, especialmente en las máquinas tuneladoras (Tunneling Boring Machines, o
abreviadamente TBM’s), con una capacidad para soportar altas presiones en el frente de trabajo,
lo que ha permitido acometer obras impensables en épocas no muy lejanas, como el túnel de La
Mancha.
En la actualidad, las nuevas tecnologías abren inmensas posibilidades a la construcción de
túneles y obras subterráneas; la robótica, por ejemplo, aplicada en todo el sistema de trabajo de
perforación está abriendo ya una nueva y revolucionaria página en el Arte de la Ingeniería
Subterránea. Las tendencias generales, de cara al futuro, son una mejora en los rendimientos,
en la seguridad, en la precisión y en la organización del trabajo.
El futuro del túnel es inmenso; algunos de los últimos logros (o futuros logros) tienen una gran
significación no solo técnica sino social y cultural; el túnel de Seikan, el Eurotúnel o el ya
imaginado túnel del Estrecho de Gibraltar.
En el desarrollo del Urbanismo Subterráneo, en áreas cada vez más pobladas y con menos
disponibilidad de espacio en superficie, su desarrollo será imprescindible. Proliferan las obras
subterráneas transitables, los túneles para abastecimiento y evacuación de aguas, las
conducciones en plantas hidroeléctricas subterráneas, etc.
Tampoco puede dejar de mencionarse, por su incipiente e indudable provenir, otras aplicaciones
de la solución bajo tierra como son, por ejemplo, los depósitos subterráneos de agua potable, los
recintos deportivos subterráneos y las piscinas bajo tierra, como las escandinavas, con una
finalidad adicional de refugias en casos de emergencia.
Atrás han quedado los tiempos en que Dante, en un pasaje de su Divina Comedia, colocaba un
cartel, en la entrada de una cueva, en la que decía: “¡Oh vosotros los que entráis, abandonad
toda esperanza!” (Luís Medina Rodríguez, 1999).
1.1.2 Construcción de túneles mediante la utilización de escudos de presión de tierras
(EPB)
Es necesario indicar, por muy elemental que parezca, que los túneles o excavaciones
subterráneas en terrenos o suelos blandos no tienen nada que ver con los túneles en roca,
puesto que los problemas y la tecnología para resolver la ejecución de unos y otros es muy
distinta.
Así mismo, tampoco es comparable la construcción de túneles en suelos, cuando éste se realiza
en zonas urbanas o a campo abierto, puesto que en el segundo caso no es tan importante la
subsidencia provocada, como en el primer caso, en el que la ejecución puede inducir
asentamientos o movimientos horizontales que provoquen desperfectos en los edificios o
instalaciones próximas.

E.T.S.E.C.C.P.B.
3
Todo esto es más importante si se piensa que la mayoría de los túneles en terrenos blandos o
sueltos son túneles urbanos y, a su vez, la mayoría de estos túneles es necesario ejecutarlos en
suelos, debido a que la mayoría de las grandes ciudades se asientan en las orillas de los ríos,
con las características geológicas y geotécnicas que esto supone.
Además, este tipo de túneles tiene el problema añadido de la rigidez del trazado en planta y
alzado, por edificios en superficie, construcciones subterráneas existentes, lechos de ríos,
además de la dificultad provocada por los niveles freáticos, susceptibles de ser rebajados por el
efecto drenaje, que la construcción del túnel provoca.
Por estas causas y por la actual concienciación de la sociedad frente a los accidentes laborales,
uno de los métodos más extendidos para realizar túneles urbanos en materiales blandos es la
utilización de los Escudos de Presión de tierras, también conocidas como EPBS (Earth Pressure
Balance Sheild).
Un escudo normalmente consta de las siguientes partes (Figura 2): cabeza o elemento
excavador, el cuerpo de mando y controles, los cilindros o gatos de empuje y el erector de
dovelas y el back-up.
Figura 2. Esquema de una EPB.
Seguidamente se describen cada una de las partes.
• Cabeza o elemento excavador
Está incluido en un primer cuerpo de la coraza, e incorpora el elemento excavador, que en el
caso de las EPB’s se trata de una rueda o cabeza de corte circular (Figura 3).
Esta cabeza giratoria está accionada por motores hidráulicos o eléctricos que permiten una
variación constante de la velocidad de giro, entre 0 y 9-10 rpm y la reversibilidad de la misma.
La cabeza normalmente monta picas o cinceles, y en ocasiones puede incluso incorporar discos.
En terrenos muy variables se puede colocar discos y picas a la vez, aunque siempre los primeros
adelantados 2 ó 3 cm. sobre las picas. Los discos trabajan en terrenos duros, sin la intervención
de las picas y, en terrenos blandos, se embotan y dejan la responsabilidad de excavar a las
picas.

E.T.S.E.C.C.P.B.
4
Figura 3. Cabeza de corte.
La cabeza dispone de una serie de aberturas, frecuentemente regulables, por las que el
escombro arrancado pasa a la cámara de presión del escudo.
Una vez el material se encuentra dentro de la cámara, se extrae mediante un tornillo sin fin, que
es uno de los mecanismos encargados de controlar la presión de la cámara a la vez de llevar el
material de la cámara a la cinta transportadora.
• Cuerpo de mando y controles
Están alojados, al igual que los motores en un segundo cuerpo de la coraza.
• Cilindros de empuje y erector de dovelas
Están situados en un tercer cuerpo de la coraza, también llamada cola del escudo.
Los cilindros de empuje (Figura 4) están distribuidos en toda la periferia de la máquina, y están
equipados con zapatas articuladas que permiten un apoyo uniforme sobre las dovelas del
revestimiento. Su recorrido marca el ciclo de avance, estando normalmente comprendido entre
1,20 y 1,50 m.
Cuando ha finalizado cada ciclo de excavación, se retraen estos cilindros y, al amparo del tramo
de escudo que queda libre, se procede a colocar un nuevo anillo de revestimiento.
Para ello, las dovelas que han llegado hasta el back-up de la máquina en mesillas espaciales, se
transfieren mediante dispositivos adecuados hasta el erector (Figura 5), el cual las colocara una
a una hasta completar el anillo.

E.T.S.E.C.C.P.B.
5
Figura 4. Cilindros de empuje. Figura 5. Erector de dovelas.
Cuando éste está totalmente cerrado, se puede iniciar un nuevo ciclo de excavación, apoyando
los cilindros contra el nuevo anillo colocado.
El accionamiento del erector suele ser hidráulico, de velocidad variable, muy sensible y preciso
para poder aproximar correctamente cada dovela a su situación definitiva.
La coraza del escudo, en la zona en la que se coloca el anillo de dovelas, lleva en toda su
periferia unos sellos (cepillos de cola) que impiden la entrada de la inyección de mortero que
rellena el hueco existente en el trasdós de la dovela y el contorne de la excavación.
Este hueco, en general tiene un espesor entre 7 y 9 cm y su inyección se puede hacer de forma
discontinua, es decir, anillo por anillo cada vez que éste queda liberado de la coraza de la
máquina o bien, en el caso de gran responsabilidad en cuanto asientos del terreno, de forma
continua, a medida que la máquina avanza y el anillo va saliendo de la coraza.
• Back-up
Está constituido por una serie de plataformas que, deslizándose sobre el propio revestimiento de
hormigón, se mueven arrastradas por la máquina simultáneamente a su avance.
El Back-up (Figura 6) incorpora los transformadores, casete de cables, casete de ventilación,
depósitos para el mortero de inyección, etc., y el sistema de evacuación de escombros.
En el caso del escudo hay que tener en cuenta que después de cada ciclo de avance,
ineludiblemente viene la colocación de un anillo de dovelas. El tiempo empleado en ello,
normalmente es entre 20 y 35 min, en función de la pericia del erectorista.

E.T.S.E.C.C.P.B.
6
Figura 6. Back-up.
Para tener una idea más detallada sobre las partes y componentes de una EPB, ver el Manual
de túneles y obras subterráneas de Carlos López Jimeno, del cual se ha extraído gran parte de
lo que se ha presentado en este apartado.
1.1.3 Problemas inducidos por la excavación de un túnel
El progresivo incremento de la construcción de túneles, a poca profundidad y en áreas urbanas,
generalmente inducen a un serio problema a resolver durante la realización de sus
correspondientes planes de viabilidad y su construcción: la influencia de la excavación de estas
obras sobre las estructuras situadas en las proximidades del trazado.
Los movimientos superficiales originados por la construcción de un túnel tiene, en estos casos,
una importancia decisiva y son en muchas ocasiones uno de los factores más limitativos a la
hora de elegir el tipo de túnel, su trazado y el método constructivo del mismo. O, al menos,
origina una serie de inversiones para evitar daños, o indemnizaciones, que pueden tener una
importancia relativamente apreciable.
La excavación subterránea introduce una alteración del estado tensional del terreno, lo cual lleva
asociada una generación de movimientos en zonas relativamente próximas a fin de restablecer
el equilibrio tensional del suelo. Este hecho ha sido comprobado en numerosas ocasiones, con
motivo de la construcción de túneles urbanos, midiendo los movimientos superficiales originados
por la excavación. En estos casos se han medido asientos que van desde pocos milímetros
hasta varios decímetros. Además, el fenómeno se extiende a una distancia del eje del túnel que
puede llegar hasta 10 veces el diámetro del mismo (Tinajero y Vieitez, 1972).
Estas deformaciones que se producen en la superficie, originadas por alteraciones en el
equilibrio interno del terreno y no por sobrecargas directamente aplicadas en ella, constituye el
fenómeno denominado subsidencia.

E.T.S.E.C.C.P.B.
7
Los mencionados desplazamientos tienen, simplificadamente, un carácter casi radial hacia el
centro del túnel y pueden afectar a los edificios próximos si sus magnitudes son suficientemente
para ello, al experimentarlos las cimentaciones, se originan deformaciones peligrosas en la
estructura. Aunque generalmente se presta mayor atención a los movimientos en superficie, por
su gran repercusión en cimentaciones superficiales, no debe olvidarse que en el interior del
terreno se inducen movimientos considerables que pueden afectar también a cimentaciones
profundas. Además de los asientos, que son los movimientos que más habitualmente se
evalúan, deben ser considerados los movimientos horizontales, cuya influencia suele ser más
dañina.
En general, el movimiento de un punto de la superficie se inicia varios días antes de que el frente
de la excavación llegue a su vertical.
Este movimiento continúa de forma que, cuando el frente alcanza al punto de observación, el
asiento puede ser de un 10 a un 50% del valor máxima, el cual será alcanzado al cabo de un
tiempo que varía desde varios días hasta varios meses.
Los movimientos finales son función de un gran número de variables, como la geometría del
problema, heterogeneidad del terreno, presencia de agua, proceso constructivo, deformación
relativa entibación-terreno y su evolución en el tiempo, los huecos entre el terreno y
sostenimiento, el tiempo que transcurre hasta que se realizan las inyecciones de contacto, etc.
La estimación teórica de estos asientos resulta extremadamente difícil por la gran cantidad de
variables que intervienen en el fenómeno. Sin embargo, existen métodos teórico-empíricos y
numéricos que permiten estimar, de forma aproximada, la ley de movimientos verticales de la
superficie del terreno, de forma que pueda analizarse su influencia sobre las estructuras.
Para profundizar en el tema de los movimientos inducidos por la excavación de un túnel, ver la
tesis doctoral de Luís Medina Rodríguez (1999), Estudio de los movimientos originados por la
excavación de túneles con escudos de presión de tierras en los suelos tosquizos de Madrid, de
donde se ha extraído gran parte de este apartado.
1.1.4 Descripción geológica y geotécnica de Barcelona
1.1.4.1 Descripción general de la geología y la geotecnia de Barcelona
La evolución histórica, a escala regional, comienza con el intenso plegamiento y deformación de
los sedimentos paleozoicos durante la orogénesis hercínica. En una fase tardía de esta misma
se intrusio un batolito granítico que ocupa la mayor parte de la Cordillera Litoral Catalana. La
intrusión granítica provocó en las rocas adyacentes una zona de metamorfismo de contacto. En
ésta, y debido al flujo térmico producido por la intrusión, los minerales recristalizaron, variando la
estructura de la roca, convirtiéndose ésta en metamórfica de contacto. La intensidad de esta
transformación disminuye a medida que nos alejamos del foco térmico, pasándose gradualmente
a los sedimentos metamórficos regionales del Paleozoico (pizarras y calizas).
Durante la Orogenia Alpina, y debido a su anterior deformación, los materiales no pueden
comportarse de un modo plástico o de pliegues, haciéndolo de una forma rígida, fracturándose
en bloques y creando importantes fallas como la que hunde, al pie del Tibidabo, el bloque de
Vallcarca.

E.T.S.E.C.C.P.B.
8
Durante el Terciario superior, se produce una trasgresión marina, depositándose los sedimentos
marinos del Mioceno y del Plioceno desde la actual Travessera de Gracia hacia el mar.
Finalizada la trasgresión, las tierras emergendefinitivamente.
Después del Plioceno y antes de la formación de los depósitos del piedemonte se produce una
intensa fase de erosión, como lo demuestra el relieve excavado en el substrato margoso,
abarrancado este y relativamente enérgico, que queda fosilizado y sepultado bajo el manto
cuaternario. Se trata, sin lugar a dudas, de un verdadero paleorrelieve.
Posteriormente se formó el denominado Pla de Barcelona, que es una plataforma morfológica
suavemente inclinada hacia el mar y que corresponde a una llanura de piedemonte.
Después de la formación de la llanura de piedemonte, a causa de una oscilación climática, los
cursos de agua se encajaron en los materiales cuaternarios hasta cortar en algunos puntos el
substrato plioceno.
El establecimiento del nivel actual del mar posibilitó la formación de los deltas del Llobregat y
Besòs. La edad de estos deltas es muy reciente, estimándose en unos 4.000 años
aproximadamente. Las llanuras deltaicas de ambos ríos son sectores de morfología muy suave,
con pendientes inferiores al 1%. El Delta del Besòs tiene una superficie aproximada de 15 km2
mientras que la del Llobregat es mayor, con unos 92 km2.
Para visualizar toda la información descrita, se presenta un perfil y un mapa geológico de la zona
de Barcelona (Figura 7), extraído del estudió de geología-geotécnia L9 Metro Barcelona de Marta
Filbà.
Figura 7. Perfil y mapa geológico de la zona de Barcelona (Geología-geotécnia L9 Metro Barcelona).

E.T.S.E.C.C.P.B.
9
1.1.4.2 Descripción detallada de la geología y la geotecnia de la zona de estudio (Delta
del Llobregat)
En primera instancia, en este apartado, se describirán las características del delta del Llobregat y
a continuación se hará una descripción detallada de los distintos materiales que se encuentran
en la traza del túnel de estudio. Esté último punto también tiene la finalidad de etiquetar los
materiales y así evitar posteriores confusiones.
La llanura deltaica del Llobregat (Figura 8 y Figura 9) se sitúa al suroeste de la ciudad de
Barcelona. Su morfología es muy suave, con pendientes claramente inferiores al 1%, situándose
casi siempre por debajo de los 12 m sobre el nivel del mar.
Figura 8. Delta del Llobregat (Bayó, A. 1985 / Albert Ventayol. Bosch & Ventayol, GeoServeis, S.L).
.
La superficie deltaica tiene una extensión total de unos 92 km2, siendo mucho mayor el lóbulo
derecho que el izquierdo.
El delta avanzó sobre el mar hasta principios del siglo XX, pero en la actualidad prevalecen los
procesos de erosión marina en algunos sectores. Ello es debido a un menor aporte de
sedimentos, ya que gran parte de ellos quedan retenidos en presas, y también por el menor
caudal de agua que llega al mar.
Es una formación geológica relativamente reciente (Holoceno), ya que se ha formado después
de la última glaciación, que comportó la elevación del nivel del mar en unos 100 m hace unos
15.000 años.

E.T.S.E.C.C.P.B.
10
El cuerpo deltaico se depositó sobre antiguos deltas preholocenos, que actualmente se sitúan
más allá de la línea de costa.
Como resultado del ascenso del nivel del mar, el río comenzó a depositar sedimentos sobre los
antiguos aluviones, de manera que los depósitos deltaicos fueron poco a poco progradondo
hacia el mar.
Figura 9. Perfil del delta de Llobregat (Bayó, A. 1985 / Albert Ventayol. Bosch & Ventayol, GeoServeis, S.L).
• Nivel aluvial inferior, de 5-10 m de potencia, formados por gravas y arenas con gravas, y que
representan los sedimentos aluviales anteriores al delta. Son la sede de un acuífero cautivo, el
acuífero profundo, que ha sido objeto de una intensa explotación hídrica, en algunos casos
excesiva, que ha favorecido procesos de intrusión salina.
• Nivel intermedio de sedimentos de prodelta (cuña semipermeable que confina el nivel
precedente). Son los sedimentos depositados en la parte sumergida del frente deltaico, y están
constituidos por materiales finos: arcillas y limos, limos arenosos y arenas finas o limosas,
generalmente grises. Este cuerpo de sedimentos se acuña aguas arriba, y también lateralmente,
para llegar a desaparecer en las zonas marginales interiores del delta.
• Nivel detrítico superior. Formado por arenas medias y gruesas, bastante limpias, de color
marrón, que representan la sedimentación fluviodeltaica y litoral que progresa sobre los
sedimentos del prodelta. Son los materiales que forman el acuífero superior, que normalmente
es de tipo libre, cuando no queda confinado por la siguiente unidad.
• Nivel superficial, formado por arcillas y limos que corresponden a la llanura de inundación
deltaica. Son sedimentos de coloración marrón, si bien también incluyen los sedimentos
depositados en las marismas asociadas al desarrollo deltaico, y que conducen a la deposición de
arcillas grises, que frecuentemente presentan restos de materia orgánica. Sobre estos
sedimentos naturales, existen rellenos antrópicos de variada precedencia y espesor.

E.T.S.E.C.C.P.B.
11
La potencia de los sedimentos deltaicos del Llobregat aumenta en dirección al mar. En la parte
central de la línea de costa alcanzan los 70 m. Este espesor corresponde a la base de las gravas
del acuífero profundo, que no siempre coincide con el techo del sustrato precuaternario. Así por
ejemplo, en la zona deltaica central, cerca del mar, por debajo de las gravas y antes de las
arcillas azules pliocenas, se encuentra el llamado complejo detrítico inferior, constituido por
niveles detríticos amarillentos, con intercalaciones arcillosas, que de alguna manera representan
el techo de nuevas secuencias deltaicas preholocenas, situadas bajo el mar actual.
A continuación se describen los materiales que se encuentran en la traza del túnel de estudio y
definidos anteriormente, además de caracterizar sus propiedades geológicas y geotécnicas más
relevantes, así como: peso específico aparente (?ap), peso específico seco (?d), compresión
simple (CS), cohesión (c), número de golpes del SPT, granulometría (G), ángulo de rozamiento
(F), módulo elástico (Ep), módulo de Poisson y permeabilidad (K).
Los valores han sido extraídos del estudio geológico de la L9, realizado por Marta Filbà.
• Relleno antrópico (R).
Unidad
?ap
(g/cm3)
CS
(kg/cm2)
c
(kg/cm2)
F
(º)
Ep
(kg/cm2) Poisson
R 1,7 0,25 0,05 27 75 0,33
Tabla 1. Propiedades geotécnicas del relleno antrópico (R).
• Nivel superficial (Ql1).
Unidad
?d
(g/cm3)
?ap
(g/cm3) SPT
G
(%0,08)
c
(kg/cm2) F
(º)
Ep
(kg/cm2) Poisson
K
(m/s)
Ql1 1,6 2,01 9 65 0,25 25 95 0,33 E-07
Tabla 2. Propiedades geotécnicas del nivel superficial (Ql1).
• Nivel detrítico superior (Ql2).
Unidad
?d
(g/cm3)
?ap
(g/cm3) SPT
G
(%0,08)
CS
(kg/cm2)
c
(kg/cm2) F
(º)
Ep
(kg/cm2
Poisson
K
(m/s)
Ql2 1,7 2,02 16 18 0,25 0,2 34 250 0,32 E-04
Tabla 3. Propiedades geotécnicas del nivel detrítico superior (Ql2).
• Nivel intermedio de sedimentos de prodelta (Ql3s y Ql3).
Unidad
?d
(g/cm3)
?ap
(g/cm3) SPT
G
(%0,08)
CS
(kg/cm2)
c
(kg/cm2) F
(º)
Ep
(kg/cm2
Poisson
K
(m/s)
Ql3s 1,55 2 12 55 0,4 0,2 32 170 0,3 E-06
Tabla 4. Propiedades geotécnicas del nivel intermedio de sedimentos de prodelta (Ql3s).

E.T.S.E.C.C.P.B.
12
Unidad
?d
(g/cm3)
?ap
(g/cm3) SPT
G
(%0,08)
CS
(kg/cm2)
c
(kg/cm2) F
(º)
Ep
(kg/cm2
Poisson
K
(m/s)
Ql3 1,6 2,05 12 85 0,6 0,3 27 150 0,3 E-07
Tabla 5. Propiedades geotécnicas del nivel intermedio de sedimentos de prodelta (Ql3).
• Substrato precuaternario (M1).
Unidad
?d
(g/cm3)
?ap
(g/cm3) SPT
G
(%0,08)
CS
(kg/cm2)
c
(kg/cm2) F
(º)
Ep
(kg/cm2
Poisson
K
(m/s)
M1 1,79 2,12 R 35 0,85 0,23 27 260 0,3 E-06
Tabla 6. Propiedades geotécnicas del substrato precuaternario (M1).
Para visualizar con mayor claridad la geología, ir al anexo de geología y ver el perfil geológico de
la zona de estudio.
1.1.5 Las obras de construcción de la línea 9 del metro de Barcelona
1.1.5.1 Generalidades
La nueva línea 9 del metro de Barcelona (Figura 10), conjuntamente con los dos ramales de la
también nueva línea 10, que actualmente están en construcción, serán la línea de metro de
mayor longitud de Europa, con sus casi 43 km de recorrido y sus 51 estaciones (conjuntamente
L9 y L10). Es la inversión más grande que el gobierno catalán ha realizado hasta la fecha. Al
mismo tiempo, es la infraestructura más importante incluida en el Plan Director de
Infraestructuras 2001-2010 (PDI), aprobado por la Autoridad del Transporte Metropolitano el 25
de abril del 2002. La nueva línea cruzará Barcelona con la finalidad de conectar barrios de la
ciudad con una gran demanda de transporte público, como el eje Carles III - Ronda del Mig -
Travessera de Dalt - Sagrera, y unirá Badalona y Santa Coloma de Gramenet con la Zona de
Actividades Logísticas del puerto (ZAL), la Zona Franca y el Aeropuerto del Prat.
Figura 10. Esquema de la línea 9.

E.T.S.E.C.C.P.B.
13
La principal característica de esta obra es la profundidad a la que se construye, con la finalidad
de evitar otras líneas ya existentes de metro y/o ferrocarril, sistemas de alcantarillado y otros
servicios. Esto facilita enormemente la construcción pero aumenta el tiempo de acceso de los
pasajeros de la calle a la andana. En consecuencia se ha previsto dotar las instalaciones de
unos grandes ascensores para realizar el acceso con un menor tiempo. Esta característica de
profundidad no la posee íntegramente toda la línea, ya que la zona que transcurre por los
materiales del delta del Llobregat es de poca profundidad. Incluso hay un ramal de la Zona
Franca que se construye en viaducto.
La construcción se desarrolla prácticamente en su totalidad mediante tuneladoras que permite
una construcción más segura y más rápida. Las tuneladoras utilizadas para esta obra son dos
maquinas de 12 m de diámetro, una de presión de tierras y otra de mixta y una tercera máquina
EPB con un diámetro inferior a las dos anteriores (diámetro = 9,4 m).
1.1.5.2 Tramo 2A: Fira – Parc logístic
El tramo 2A tiene una longitud total de 1.323 m y se trata del tramo que une la estación de Fira
con la de Parc logístic, todo este segmento transcurre sobre materiales deltaicos del Llobregat
en donde el nivel freático se encuentra en todo momento por encima del eje del túnel.
Por las características del terreno de la zona, en este caso, se ha utilizado la EPB de 9,4 m de
diámetro para realizar la excavación.
También hay que destacar que el recubrimiento del tramo 2A es muy inferior a la del resto de la
línea, en donde la gran profundidad del túnel era una característica significativa de la obra. En
este caso el recubrimiento es de un diámetro y medio a lo largo del tramo.
Para realizar la totalidad del tramo se han instalado un total de 875 anillos de dovelas. Estos
anillos de dovelas son del tipo universal, es decir, todos los anillos son idénticos. En
consecuencia, para realizar la curvatura necesaria únicamente hay que cambiar la posición de la
clave del anillo. Además, por razones de estabilidad i estanqueded durante tres anillos
consecutivos no se puede colocar la clave en una misma posición.
El tiempo empleado para realizar la totalidad de la excavación ha sido de aproximadamente unos
seis meses, los cuales han transcurrido desde el mes de Mayo de 2006, hasta el mes de
Noviembre del mismo año. Cabe recalcar que la llegada de la propia máquina a la estación de
Parc logístic se retraso unos mese, ya que todavía no se había finalizada la excavación de la
propia estación. En consecuencia, el tiempo real en llegar la maquina de una estación ha otra ha
sido superior ha estos seis meses, quedando patente el 25 de Abril de 2007 como día del cale de
la máquina.

E.T.S.E.C.C.P.B.
14
1.2Objetivos de la tesina
Esta tesina tiene tres objetivos principales:
El primero es el de entender y medir in situ el comportamiento del revestimiento del túnel una vez
sale del amparo del escudo, es decir, ver como se deforma el anillo de dovelas una vez el
terreno aplica sus cargas sobre él.
El siguiente objetivo es el de realizar un modelo predictivo del comportamiento del suelo frente la
construcción de un túnel mediante EPB. Para la realización de este modelo se va ha utilizar un
programa de elementos finitos (Plaxis), en el cual se va ha intentar simular las diferentes etapas
constructivas que se dan en la construcción de un túnel con EPB, así como la inyección de
bentonita y mortero. Además, de la introducción de datos provenientes del estudio de la
deformación del revestimiento, que también influye en los asientos que se producen.
Finalmente, como tercer y último objetivo, está discutir la validez del modelo numérico frente al
gran numero de medidas in situ (en la traza del tramo de estudio) que hay sobre los movimientos
inducidos en el terreno y así proporcionar pautas de trabajo que puedan ayudar en la realización
de futuras actuaciones similares.

E.T.S.E.C.C.P.B.
15
Capitulo 2: Determinación de la deformación del túnel "in situ"
2.1 Introducción
Como se vera más adelante, uno de los parámetros más influyentes en la generación de
asientos, es la pérdida de terreno en la excavación (VL). Esta pérdida de terreno es debida al
hecho que la excavación que se realiza no tiene el mismo diámetro (en el caso de excavación
circular) que el propio túnel. Además, el propio revestimiento del túnel no se comporta como una
estructura totalmente rígida, es decir, se deforma y se contrae.
En consecuencia, la finalidad de este capitulo es determinar esa deformación y contracción que
experimenta el revestimiento del túnel una vez sale del amparo del escudo. Además de constatar
como y cuando se producen estas deformaciones.
Para llevar a cabo esta misión se realizaron medidas de convergencia y de medidas topográficas
en el interior del túnel, a fin de entender el proceso.
2.2 Determinación de la deformada mediante medidas de convergencia
Las medidas de convergencia únicamente miden la variación de la longitud que hay entre dos
puntos. En consecuencia, los desplazamientos que se pueden determinar entre estos dos puntos
son desplazamientos relativos.
Este hecho limita mucho la información que se puede extraer de las convergencias, así que,
normalmente, su aplicación básica es para tener una idea de la magnitud de los desplazamientos
globales (o deformaciones globales) que se producen en el interior de los túneles, normalmente
aquellos construidos con procedimientos tradicionales, como el Nuevo Método Austriaco.
Por consiguiente, en este estudio se ha combinado la técnica de la convergencia con la
posibilidad que ofrece la técnica topográfica para determinar coordenadas espaciales (x, y, z) de
un punto y así poder determinar los desplazamientos que experimentan los diferentes puntos (de
forma absoluta y no relativa entre otros puntos).
2.2.1 Campaña de medidas de convergencia
Este apartado ha sido uno de los más importantes, ya que la mayoría del proyecto depende de la
calidad de los datos que se han extraído de las medidas de convergencia. Así que en esta fase
el tiempo invertido, para realizar una buena campaña de medidas, ha sido prolongado, en parte
por el gran tiempo que se ha invertido en la planificación, ya que las medidas se han realizado
únicamente en dos jornadas intensivas de unas 12 horas cada una.
A continuación se enumeran las distintas fases de la campaña de medidas de convergencia:
• Realización de visuales.
• Familiarización y práctica con la cinta de convergencia.
• Decisión de posicionamiento, en la superficie de las dovelas, de los anclajes para enganchar la
cinta de convergencia y el tipo de anclajes a utilizar.

E.T.S.E.C.C.P.B.
16
• Determinación de cuantos puntos de medidas son necesarios para poder definir la deformada
del túnel. Además de la determinación de cuales serán los puntos en los que se determinarán
sus coordenadas con las técnicas topográficas y que serán utilizados para transformar las
medidas relativas en absolutas.
• Realización de las medidas de convergencia.
2.2.1.1 Fase 1: Realización de visuales
En esta fase de la campaña se ha tratado de ver qué medidas eran posibles de realizar en la
práctica, ya que en la zona donde interesaba realizar las medidas, dentro del escudo de la
máquina e inmediatamente después, hay infinidad de cosas que obstaculizan llevar a cabo estas
medidas.
Figura 11. Esquema longitudinal de la zona de la EPB donde se realizan las medidas de convergencia
(Herrenknecht).

E.T.S.E.C.C.P.B.
17
Figura 12. Esquema transversal de la zona de la EPB donde se realizan las medidas de convergencia
(Herrenknecht).
Como se puede apreciar en las Figuras 11 y 12, la complejidad de la zona obliga ha estudiar
muy bien que visuales hay, y la posibilidad de acceder físicamente hasta esos puntos.
Finalmente se decidió realizar medidas en el anillo desde la primera posición que ocupa,
respecto al frente de la excavación, hasta la situación en que este mismo anillo tiene cuatro
nuevos anillos construidos por delante de él.
2.2.1.2 Fase 2: Familiarización y práctica con la cinta de convergencia
Como es sabido en el ámbito de la construcción, uno de los factores determinantes en la
prosperidad de una obra es el tiempo. En consecuencia, una de las exigencias que se palpaba
en el ambiente era la de realizar las medidas con rapidez y no tener que repetirlas ni una sola
vez.
Por lo tanto, la familiarización y la práctica con la cinta de convergencia han sido un requisito
indispensable, tanto para realizar rápidamente las medidas, como para realizar unas medidas de
calidad.
2.2.1.3 Fase 3: Posicionamiento de los anclajes
Aunque a primera vista parece que este apartado no tiene una gran importancia, en la práctica
ha sido todo lo contrario.

E.T.S.E.C.C.P.B.
18
En una primera instancia se había decidido instalar unas arandelas con unos ganchos en los
propios pernos que unen los distintos anillos (no los que unen dovelas de un mismo anillo), pero
más adelante se desestimó esta opción, ya que colocar el punto de sujeción de la cinta de
convergencia en un punto tan vulnerable a ser manipulado por cualquier operario era un riesgo
que no se quiso asumir (es muy difícil informar ha todo el personal que se encuentra trabajando
en la máquina, que si se mueve, aunque sean unos milímetros, estas arandelas, los resultados
que salen ya no son fiables). Además, en la primera situación de anillo a medir, estos pernos no
están instalados, ya que se encuentran en el perfil más próximo al frente de excavación y aún
falta otro anillo para poder enroscar los pernos.
En consecuencia, se decidió instalar unos anclajes exclusivamente para la sujeción de la cinta.
El problema de esta opción era la de determinar donde instalarlos, ya que tenían que ser unos
puntos que fuesen independientes de la situación de la clave (dovela K), puesto que en cada
anillo la situación de la K es distinta y su posición no se conoce hasta unos diez minutos antes
de la construcción del propio anillo. Esto tenía su importancia, ya que los puntos medidos en
diferentes anillos preferiblemente tenían que ser los mismos para poder comparar mejor los
resultados obtenidos, y el hecho de colocar unos anclajes referenciados por la posición de la
clave no ayudaba.
Finalmente, se colocaron los anclajes alineados a los pernos que unen distintos anillos entre si,
ya que estos siempre están igualmente alineados, independientemente de la posición de la
clave.
Para evitar problemas con las ventosas de rector y los anclajes y reducir el tiempo de instalación,
se decidió realizar los taladros antes de instalar el anillo y una vez instalado el anillo fijar los
anclajes.
2.2.1.4 Fase 4: Puntos necesarios para determinar la deformada
En esta fase se determinaron el mayor número posible de puntos que se podían medir y que
posteriormente se podían modificar mediante un conjunto de puntos, de los cuales se conocían
las coordenadas (x, y, z).
Esta modificación hace referencia a la posibilidad de transformar las medidas relativas de
desplazamiento de un punto a medidas absolutas (este punto se ha movido de la posición x1, y1,
a la x2, y2).
Para llevar a cabo esta misión se escogieron un mínimo de tres puntos, en donde se iban a
instalar anclajes, y de los cuales se podía determinar sus coordenadas, mediante técnicas
topográficas durante todas las posiciones que toma el anillo respecto la máquina. Además de
mirar si desde los puntos, sin conocimiento de sus coordenadas, se podía realizar un mínimo de
dos medidas entre estos puntos y los de coordenada conocida.
En la Figura 13 se muestran los puntos de referencia, los de medida de convergencia y las
visuales que se consideraron posibles de realizar.

E.T.S.E.C.C.P.B.
19
Figura 13. Esquema de visuales (líneas rojas), anclajes sin coordenadas (círculos rojos) y anclajes con
coordenadas (círculos verdes).
2.2.1.5 Fase 5: Realización de las medidas de convergencia
La realización de las medidas de convergencia se llevó a cabo en dos anillos distintos, el anillo
804 y el 818.
Las medidas realizadas en el anillo 804 se efectuaron el 8 de noviembre del 2006 y se realizaron
de forma simultánea las medidas de convergencia con las determinaciones de las coordenadas
de los anclajes de "referencia". Estas últimas medidas, realizadas por el equipo de topografía de
la obra.
Para ilustrar la evolución de algunas medidas de convergencia entre dos puntos se presentan las
Figuras 14 y 15.
Evolución de la convergencia 7--5
1
2
3
4 5
4322,0
4323,0
4324,0
4325,0
4326,0
4327,0
4328,0
4329,0
4330,0
4331,0
4332,0
Med.convergencia(mm.)
7---5
Figura 14. Convergencia entre el punto 7 y el 5.

E.T.S.E.C.C.P.B.
20
Evolución de la convergencia 7--6
1
2 3
4
5
2438,2
2438,4
2438,6
2438,8
2439,0
2439,2
2439,4
2439,6
Med.convergencia(mm.)
7---6
Figura 15. Convergencia entre el punto 7 y el 6.
En el caso de anillo 818 las medidas de convergencia se realizaron durante toda la noche del 9
de noviembre del 2006.
En ambos casos se siguió la misma metodología de trabajo:
• Realización de los taladros durante el avance de la excavación previa a la instalación del
anillo de estudio.
• Instalación de los anclajes durante la instalación del anillo.
• Realización de las medidas de convergencia. Estas medidas se realizan con la máquina
parada. (30 min aprox.).
• Nuevo avance de la excavación y construcción de un nuevo anillo.
• Realización de las medidas de convergencia en una nueva situación entre anillo y escudo.
• Se repiten estos dos últimos pasos hasta que el anillo de estudio tiene cuatro anillos por
delante de él.
Toda la información detallada de las medidas de convergencia se encuentra en el anexo de
medidas.
2.2.2 Referenciación de las medidas de convergencia mediante topografía
Coma ya se ha mencionado anteriormente, hay unos puntos de los cuales se determinan sus
coordenadas mediante técnicas topográficas, con la finalidad de poder dar coordenadas a los
puntos de los cuales únicamente se conoce su desplazamiento relativo.
Para poder determinar las coordenadas de estos puntos, se ha instalado un teodolito en el propio
túnel, a una distancia lo suficientemente lejos del frente para garantizar que no se mueve. El
teodolito se ha fijado al revestimiento del túnel mediante una ménsula, diseñada expresamente
para este estudio. Para poder orientar el teodolito se ha instalado un prisma lo más lejos posible
del frente y con el se le han dado unas coordenadas absolutas al aparato (por ejemplo x=100,
y=150, z=0. No son coordenadas UTM).
A partir de este instante se han calculado las coordenadas de los puntos (anclajes) de referencia
para cada situación del anillo respecto al escudo de la máquina.

E.T.S.E.C.C.P.B.
21
2.2.3 Tratamiento de los datos para obtener la deformación radial del túnel
En este apartado se muestra el procedimiento que se ha empleado para transformar unas
medidas de convergencia a unas medidas de desplazamientos radiales con relación al eje del
túnel.
Una vez se tienen todas las medidas de convergencia y las coordenadas de los puntos de
referencia, se inicia el primer paso de transformación. Este primer paso consiste en determinar
las coordenadas (x, y) de los puntos medidos mediante convergencias.
Para poder determinar sus coordenadas se introducen los puntos de referencia en el Autocad,
con sus coordenadas correspondientes (determinadas mediante técnicas topográficas). A
continuación, desde dos puntos de referencia se representan unos círculos, con centro en cada
punto de referencia y radio igual a la medida de convergencia que forma el segmento definido
por uno de los puntos de referencia y el punto al cual se le intenta determinar su posición en el
espacio (coordenadas). Una vez se han representado los círculos se define la posición del nuevo
punto como el punto de intersección entre los dos círculos (de los dos puntos de intersección que
hay entre los círculos se elige el que se aleja menos de la geometría inicial del túnel.
Normalmente uno de los puntos de intersección da unos desplazamientos totalmente irreales)
(Figura 16).
Figura 16. Determinación de nuevo punto (X,Y).
Esta operación se realiza tantas veces como haga falta, hasta determinar todas las coordenadas
de los puntos de estudio.
Una vez se han determinado las coordenadas de un punto de "convergencia" este punto pasa ha
ser un punto de referencia y puede ser utilizado para determinar las coordenadas de otro punto.
Todas estas operaciones se realizan un total de cinco veces, ya que las medidas se han
realizado en cinco posiciones distintas entre el anillo y el escudo de la EPB.

E.T.S.E.C.C.P.B.
22
A continuación se determinan los desplazamientos verticales y horizontales de cada punto, en
todas sus distintas posiciones (Figura 17), es decir, el desplazamiento vertical y horizontal que
ha experimentado un punto de la posición inicial (anillo en la posición (1) más próxima al frente
de excavación) hasta una de distinta (posición 2, 3, 4 y 5).
Figura 17. Distintas posiciones del anillo de estudio respecto al escudo.
Seguidamente se representan los valores de los desplazamientos verticales y horizontales
dentro del entorno de Autocad. La representación se realiza a partir de segmentos rectos
verticales y horizontales, de longitud igual al desplazamiento experimentado por el punto.
Una vez se han representado estos "vectores de desplazamientos" se representa la resultante
de la combinación de los desplazamientos verticales y horizontales (Figura 18).
Figura 18. Resultante de los desplazamientos verticales y horizontales (escala exagerada).
Esta representación se repite para todas las combinaciones de posiciones que se consideran
interesantes para el estudio (combinación 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 2-3, 2-4 y 2-5).
Finalmente se realiza un abatimiento de estos "vectores" sobre unas líneas que unen los puntos
de medida con el eje del túnel y así se determina la deformación radial del anillo de dovelas.
En el anexo de resultados se recogen todos los resultados de esté análisis.

E.T.S.E.C.C.P.B.
23
2.2.4 Resultados obtenidos
Los resultados obtenidos de las deformaciones del túnel se han representado de dos formas
distintas. Una de ellas es una representación grafica del propio revestimiento del túnel y sus
desplazamientos en distintas etapas.
La otra forma de representación se basa en dibujar los valores de los desplazamientos radiales
en un grafico donde en el eje de ordenadas se representa el valor de los desplazamientos y en el
eje de las abcisas el ángulo que forma la proyección radial de los desplazamientos respecto la
clave del túnel.
2.2.4.1 Resultados obtenidos en el anillo 804
Figura 19. Representación grafica de los desplazamientos entre la posición 2 y la 3.
En esta representación grafica (Figura 19) y en todas las siguientes (Figura 20, 21, 22, 25, 26 y
27), la escala de los desplazamientos se ha exagerado hasta tal punto que los desplazamientos
más pequeños también se hacen visibles.

E.T.S.E.C.C.P.B.
24

E.T.S.E.C.C.P.B.
25
Figura 22. Deformación del anillo de dovelas 804.
Desplazamientos radiales
-160,000
-140,000
-120,000
-100,000
-80,000
-60,000
-40,000
-20,000
0,000
20,000
40,000
60,000
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angulo (º)
Desplazamientos(mm.)
desp. De 2-3 Desp. De 2-4 Desp. De 2-5
Los valores positivos significan hinchamiento, mientras que los negativos significan contracción.
Una de las cosas que más sorprende de la deformación del anillo 804 (Figura 22 y Figura 23) es
el hecho que la deformación se concentra en una zona muy reducida y que la deformación entre
la posición 2-3 y la 2-4 ha sufrido una "especie de rotación".
Es muy probable que este cambio en la geometría de la deformación 2-3 y la 2-4 tenga que ver
con el fenómeno de la inyección de mortero de cola.

E.T.S.E.C.C.P.B.
26
En el caso de la deformación 2-3, seguramente la línea de mortero que inyectaba a más presión
era la A5, mientras que en la posición 2-4 era la línea A6 (ver Figura 24).
Figura 24. Esquema de situación de las líneas de inyección de mortero.
2.2.4.2 Resultados obtenidos en el anillo 818
A1
A2
A3
A5
A4
A6

E.T.S.E.C.C.P.B.
27
Figura 27.1 Representación grafica de los desplazamientos entre la posición 2 y la 4.

E.T.S.E.C.C.P.B.
28
Desplazamientos radiales
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angulo (º)
Desplazamientos(mm.)
desp. De 2-3 Desp. De 2-4 Desp. De 2-5
En este caso, las deformadas que se obtienen (Figura 28 y Figura 29), tanto la 2-3 como la 2-4,
siguen una evolución relativamente constante.

E.T.S.E.C.C.P.B.
29
2.3 Determinación de la deformada mediante métodos topográficos
(perfilómetros)
Debido al número limitado de medidas de convergencia que se han realizado dos únicos anillos
(804 y 818), ha sido necesario utilizar el gran número de perfilómetros, realizados por el equipo
de topografía de la UTE, con la finalidad de poder definir el comportamiento del revestimiento del
túnel.
Los perfilómetros son unas medidas topográficas que se realizan para determinar la deformación
final del túnel en distintas secciones a lo largo de éste.
La intención de trabajar con los perfilómetros, radica en la idea de poder determinar una
"deformada promedio final" y compararla con los resultados obtenidos con las convergencias. De
este modo se puede estimar lo cerca o lejos que esta la deformación medida en los anillos
próximos al escudo, respecto la final, además de comprobar si coincide geométricamente.
2.3.1 Tratamiento de los datos para obtener la deformación radial del túnel
Estrictamente, en este caso, no ha habido un tratamiento de los datos para determinar la
deformación radial, ya que directamente se nos ha proporcionado un archivo CAD con la
geometría inicial del túnel y sus desplazamientos radiales finales.
Únicamente se ha determinado el ángulo que forman los puntos en donde se ha medido los
desplazamientos y la clave del túnel.
La finalidad de determinar estos ángulos, radica en la idea de comparar las graficas obtenidas
con las convergencias (Figura 23 y Figura 29) y las de los perfilómetros (Figura 31).
Debido a la propia evolución de la obra, únicamente se han tenido perfilómetros hasta el PK
10+747. Este hecho seria un problema si la variabilidad de los resultados entre perfilometros
fuese muy distinta, cosa que no sucede.
En consecuencia, se ha escogido el perfilómetro del PK 10+747 (Figura 30) que es el más
próximo a los anillos medidos.
Figura 30. Representación grafica de perfilómetro (PK: 10+747).

E.T.S.E.C.C.P.B.
30
Desplazamientos radiales (perfilometro)
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angulo (º)
Desplazamientos(mm)
PK: 10+747,000
Figura 2 Deformación final del anillo de dovelas.
En el anejo de resultados se recogen todos los resultados de esté análisis.
Debido que se ha supuesto que esta es la deformación final, se ha calculado el área que
encierra la grafica que define la deformación (Figura 31) y se ha realizado la diferencia entre la
parte positiva (hinchamiento) y la negativa (contracción) con la finalidad de determinar la
contracción final del revestimiento.
El cálculo se ha llevado a cabo mediante triángulos y el valor de la contracción obtenido ha sido
del 0,55% respecto el área total del túnel (perímetro exterior del revestimiento de dovelas).
2.4 Comparación de las deformadas obtenidas mediante convergencias y
perfilómetros
Como se ha comentado anteriormente, con esta comparación se intenta ver lo lejos o cerca que
se esta de la deformación final, además de comprobar si el método combinado de convergencias
y topografía es acertado para determinar la deformada del revestimiento.
La comparación se ha realizado mediante las graficas de desplazamiento radial vs ángulo en
relación a la clave (Figura 32, 33 y 34).

E.T.S.E.C.C.P.B.
31
Convergencias vs Perfilometro
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angulo (º)
Desplazamientos(mm)
PK: 10+747,000
804/2-3
818/2-3
Figura 32. Comparación de las deformadas entre las posiciones 2-3 (convergencia) y la final (perfilómetro).
-300
-200
-100
0
100
200
300
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angulo (º)
Desplazamientos(mm)
PK: 10+747,000
804/2-4
818/2-4
-300
-200
-100
0
100
200
300
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angulo (º)
Desplazamientos(mm)
PK: 10+747,000
804/2-5
818/2-5

E.T.S.E.C.C.P.B.
32
2.4.2 Conclusiones
De las medidas del anillo 804 y de su posterior comparación, no se ha extraído ninguna
conclusión relevante, ya que su geometría es notablemente distinta a la que se extrae del
perfilómetro. Únicamente se puede apreciar que los valores máximos de los desplazamientos se
encuentran relativamente próximos al rango de los finales.
En el caso de los resultados obtenidos en el anillo 818, la situación es totalmente distinta a la
anterior, ya que en este caso se pueden extraer un conjunto de conclusiones relevantes.
Estas conclusiones son las siguientes:
• La deformación del anillo de dovelas es prácticamente instantáneo a su salida del escudo.
Esto queda patente en el hecho de que las deformaciones medidas entre la posición 2 y la tres
posiciones (pos. 2, justo antes de salir del escudo, pos. 3, inmediatamente después de salir del
escudo) son prácticamente iguales a las que da el perfilómetro (deformación final).
• Debido a la coincidencia geométrica entre la deformada del anillo 818 y la del perfilómetro, se
supone que, en la mayoría de los casos, la deformada del túnel es similar a la del anillo 818. En
consecuencia se puede afirmar que la mayoría de los desplazamientos se producen en la zona
próxima a la solera.
• El valor de la contracción final del túnel ha resultado ser de un 0,55% el área del túnel.
• Se ha podido verificar que la técnica empleada para determinar la deformada (convergencia
con puntos referenciados) es relativamente fiable, ya que hay que considerar que se han
conseguido resultados similares con dos técnicas totalmente distintas que ni siquiera han sido
realizadas por la misma persona (persona convergencia distinta a persona topografía). Además
del plus que supone poder medir las deformaciones de forma inmediata a la salida del escudo,
cosa que es muy difícil con las técnicas puramente topográficas.

E.T.S.E.C.C.P.B.
33
Capitulo 3: Determinación de los movimientos inducidos por la
excavación del túnel
3.1 Introducción
Para poder registrar y controlar los posibles movimientos, tanto en superficie como en
profundidad, producidos por la excavación del túnel, se ha implantado un conjunto de
instrumentación a la largo de toda la traza del túnel.
Posteriormente, con los datos extraídos de esta instrumentación y utilizando una base teórica,
que se detallara más adelante, se determina una aproximación de la cubeta de asientos y un
valor de la pérdida de volumen.
Gran parte de lo expuesto en este capitulo, se ha extraído de: Orfila, T. Moyà, N. y Della Valle, N.
(2006). Gestión de la excavación con escudo a presión de tierra para la atenuación de asientos
en superficie. Experiencia en suelos granulares bajo el nivel freático. 32ª Jornada sobre Obras
de Interés Geotécnico, 28 de noviembre de 2006.
3.2 Instrumentación utilizada
Hay que remarcar que dentro de la instrumentación se engloban, tanto la instrumentación
topográfica, utilizada para determinar los movimientos en superficie y los movimientos de las
estructuras próximas a la traza del túnel, como la instrumentación que se encuentra en el interior
del terreno.
3.2.1 Instrumentación topográfica
3.2.1.1 Instrumentación topográfica en superficie
La instrumentación topográfica que se instala en la superficie del terreno tiene la finalidad de
registrar las deformaciones superficiales. Además, de ser las encargadas de las correcciones
que hay que hacer sobre la instrumentación que hay en el terreno.
La instrumentación topográfica de superficie consta de dos tipos de hitos distintos. Uno de ellos
es un hito de nivelación, el cual nos da los movimientos en el eje z (vertical). El siguiente hito, es
el que se denomina combinado, ya que permite registrar los movimientos verticales y los
horizontales.
En el caso de los hitos de nivelación, además, se utilizan para nivelar la zona superior de los
extensómetros y así corregir los datos registrados con este tipo de instrumentación. Mientras
que, con los hitos combinados se corrigen los movimientos verticales y horizontales, y así
determinar los desplazamientos horizontales "reales" que se extraen de los inclinómetros.
3.2.1.2 Instrumentación topográfica en las estructuras próximas
En este caso la instrumentación utilizada se encuentra instalada en las propias estructuras y así
poder ver las afecciones que la construcción del túnel produce sobre ellas.

E.T.S.E.C.C.P.B.
34
Esta instrumentación consiste en una serie de prismas topográficos, atornillados a las fachadas
de los edificios o estructuras de las cuales se quiere determinar los movimientos. Las medidas
sobre estos prismas permiten conocer los movimientos en las tres direcciones del espacio.
La colocación de estos prismas a diversas alturas permite determinar las variaciones en la
inclinación. En el caso de no ser posible se completa la instrumentación mediante bases
clinométricas.
3.2.2 Instrumentación del terreno
Este tipo de instrumentación se suele agrupar formando una sección de control "tipo" (Figura 35).
Estas secciones de control están formadas por un extensómetro a dos metros por encima de la
clave del túnel, un par de inclinómetros, uno a cada lado del túnel, hasta una profundidad
superior a tres metros la solera del túnel y un par de extensómetros, uno a cada lado del túnel y
exteriores a los inclinómetros.
Figura 35. Esquema de la sección tipo.
Gracias ha estos instrumentos, se consigue determinar los movimientos inducidos por la
excavación del túnel, tanto en dirección vertical (extensómetro) como en horizontal
(inclinómetros) en diferentes profundidades.
Además, gracias a los datos que se obtienen de los extensómetros y los inclinómetros, se puede
determinar la perdida de volumen que se genera en profundidad, que posteriormente se
relacionara con la generada en superficie.

E.T.S.E.C.C.P.B.
35
3.3 Lectura de datos
Las lecturas de los instrumentos se realizan con periodicidad variable, en función de la posición
de la máquina. A continuación se muestran la frecuencia de medida en la situación en la que la
máquina esta situada, entre los 200 metros antes de llegar a la sección de control y los 100
metros posteriores a la sección de control (Tabla 7).
Cabe destacar que esta es la situación en la que se registran los mayores movimientos.
Instrumento Nivelación
Topografía
Horizontal Piezómetro Inclinómetro Extensómetro Clinómetro
Frecuencias
de lectura
Diaria Semanal Diaria
Dos veces
por
semana
Diaria Diaria
Tabla 7. Frecuencias de lectura de datos.
3.4 Determinación de la cubeta de asientos y la pérdida de volumen
3.4.1 Base teórica
3.4.1.1 Método de Peck para la estimación de la cubeta de asientos
El método descrito por Peck (1969) se basa en una hipótesis fundamental, que aproxima la curva
de asientos transversales al túnel, a una distribución expresada por una campana de Gauss
invertida.
Esta curva (Figura 36) queda definida geométricamente por una serie de parámetros que se
definen teniendo en cuenta que el área encerrada por la mencionada campana de Gauss será
igual a la variación de la sección experimentada por la excavación (llamada pérdida de suelo y
expresada generalmente como VL). Este parámetro equivale a la superficie encerrada por la
curva por unidad de longitud y se expresa mediante la expresión (1):





 −
⋅=
2
2
max
i
y
V eSS (1)
Donde:
SV es el asiento en abcisa y (distancia horizontal a la vertical del eje del túnel).
Smax es el asiento máximo en superficie (en la vertical del eje del túnel).
y es la abcisa medida desde la vertical de la clave del túnel.
i es la abcisa del punto de inflexión de la campana de Gauss.

E.T.S.E.C.C.P.B.
36
Figura 36. Geometría de la cubeta de asientos generada por la excavación según Peck.
• Parámetro i
El parámetro i, define la abcisa del punto de inflexión respecto de la vertical del eje del túnel.
Gracias a este parámetro se puede definir la zona de la cubeta en la que la inclinación del
terreno será mayor y por tanto, donde los daños en las estructuras pueden ser más importantes.
Además, mediante este parámetro se define la zona de compresión (arrufo), comprendida entre
–i e i, de la zona de tracción (quebranto).
Según las observaciones empíricas de O'Reilly (1982) y New (1991) se estableció una expresión
(2) para aproximar el parámetro i como una función lineal con la profundidad del túnel.
HKi ⋅= (2)
Donde:
H representa la profundidad del eje del túnel respecto de la superficie.
K es un parámetro que depende del tipo de terreno. Los valores de K oscilan entre 0,25
(en suelos granulares) y 0,50 (en suelos cohesivos).
Los asientos en profundidad, tal y como se ha demostrado empíricamente, muestran cubetas
mucho más planas, con lo cual se deduce que el valor de K aumenta con la profundidad. Es por
eso que Mair, Taylor y Bracegirdle (1993) definieron la expresión (3):
( )ZHKi −⋅= (3)
Donde Z representa la profundidad del plano en el que se fija i y el valor de K, creciente con la
profundidad, se puede estimar mediante una nueva expresión (4):
H
Z
H
Z
K
−






−⋅+
=
1
1325,0175,0
(4)

E.T.S.E.C.C.P.B.
37
3.4.1.2 Pérdida de volumen
De las propiedades de la curva de Gauss, puede considerarse que el asiento máximo sobre la
vertical del túnel puede expresarse en función de la pérdida de volumen (área encerrada en la
curva) y el parámetro i, mediante la siguiente expresión (5):
i
V
S S
⋅
=
5,2
max (5)
Donde VS es la pérdida de volumen, que se puede expresar como (6):
A
V
V
VS ⋅
∆
=
0
(6)
Siendo A el área de la sección excavada y ?V/Vo la pérdida de suelo referida en tanto por ciento.
3.5 Aproximación de la cubeta teórica a partir de los asientos medidos in situ
y determinación de la pérdida de volumen
Según la base teórica desarrollada en el apartado anterior, se ha podido observar como la curva
teórica de Peck queda totalmente definida a partir de los parámetros i y Smax. A su vez, y
teniendo en cuenta las expresiones anteriores, podemos, también, definir la cubeta a partir de los
parámetros K y VS (además de los parámetros geométricos de la excavación).
Teniendo en cuenta estás hipótesis, se define el procedimiento por el cual se podrán aproximar
los asientos medidos por los hitos de nivelación a una curva teórica de asientos, estimada según
el método de Peck.
En primer lugar, se representan los valores medidos con los hitos de una misma sección de
control. A continuación, se ajusta la curva teórica a partir de la variación de los parámetros K y
VS. La variación del parámetro K está relativamente limitada, dado que el terreno no es lo
suficientemente variable para que el parámetro K varíe de forma considerable en un tramo de
dimensiones reducidas y geología uniforme. Teniendo en cuenta esta última hipótesis, se deberá
limitar la variabilidad del parámetro del terreno y el parámetro que gozará de mayor libertad para
ajustar la curva teórica a los valores de los hitos, será la pérdida de volumen (VS).

E.T.S.E.C.C.P.B.
38
3.6 Conclusiones
En este apartado se ha intentado mostrar, de forma clara, una de las muchas maneras que hay
para determinar la geometría de la curva de asientos, y como determinar el valor del parámetro
de la pérdida de volumen.
En la práctica, la determinación de la geometría de la curva de asientos y de la pérdida de
volumen tiene una gran importancia, ya que en primera instancia, en el caso de la curva de
asientos, conseguimos determinar la zona susceptible de movimientos. Además de cuantificar la
magnitud de estos posibles movimientos y encontrar la zona potencialmente más desfavorable
para las estructuras que se encuentran en las inmediaciones del túnel, que es la que se
encuentra en las proximidades del punto de inflexión (i).
Mientras que, la gran importancia que tiene la determinación de la pérdida de volumen, no
únicamente es por la de posibilitar la obtención de la curva de asientos, sino que, es un
parámetro muy extendido en el ámbito de túneles para dar una idea o "cuantificar" los posibles
asientos que se van a producir. De esta forma, además, el valor de la perdida de volumen es un
parámetro que se utiliza para mostrar la calidad con la que se ha realizado la construcción del
túnel. En consecuencia, en muchos proyectos de túneles se encuentra delimitado el valor de la
pérdida de volumen que se puede causar. Siendo muy habitual el valor de el 1% como cota
superior de la pérdida de volumen.

E.T.S.E.C.C.P.B.
39
Capitulo 4: Modelación numérica
4.1 Introducción
Como se ha comentado anteriormente, uno de los objetivos de esta tesina es el de realizar un
modelo predictivo de los movimientos del terreno inducidos por la construcción de un túnel
mediante EPB.
En la realización del modelo se han tenido muy presentes los parámetros de la máquina que
inciden de una forma directa en los movimientos del terreno, así como las distintas etapas
constructivas que se dan en la construcción de un túnel con la utilización de un escudo de
presión de tierras.
La construcción del modelo predictivo se ha desarrollado con las herramientas que proporciona
la versión 8.5 del programa comercial de elementos finitos Plaxis, el cual permite tanto la
realización de la geometría del problema (estratos geológicos, escudo, túnel, etc.…) como la
realización del propio calculo numérico (MEF) y el posterior tratamiento final de los resultados
(representación gráfica de las deformaciones, desplazamientos, tensiones, etc.…).
Además de los parámetros más relevantes de la máquina, también se han introducido
propiedades de la deformación del túnel, determinados en el capitulo 2.
Finalmente, una vez se ha construido el modelo y se ha calibrado, se ha realizado un último
estudio con Plaxis. Este último estudio tiene la finalidad de determinar la influencia de la posición
de la clave (dovela K) en los asientos producidos en superficie.
Cabe destacar que la importancia de este capitulo recae sobre la construcción del modelo
predictivo y que el último estudio (posición de la clave) únicamente tiene la finalidad de
determinar la escala de la influencia que tiene la colocación de la clave, ya que no es la finalidad
que persigue este estudio.
Como se verá a lo largo de todo este capitulo, una de las grandes limitaciones de este modelo
es el hecho que se haya realizado en dos dimensiones, a pesar de que el problema real es
claramente tridimensional.
A continuación, se va a exponer todo el procedimiento que se ha seguido para realizar el modelo
y las dificultades que han sufrido.
4.2 Zonas de estudio
Como se ha comentado en la introducción del capitulo, el modelo que se ha realizado ha sido en
2D. En consecuencia, no se ha podido realizar un análisis continuo a lo largo de toda la traza de
túnel, sino, se han realizado diversas secciones 2D a lo largo del trazado.
La situación de estas secciones de estudio han sido escogidas en función de si en un
determinado punto (PK) había secciones de control (secciones instrumentadas en el terreno y en
superficie), ya que con los valores obtenidos in situ se ha calibrado el modelo numérico.

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