Análisis estabilidad boquilla túnel Arraiz

Jornada sobre taludes inestables en roca. Proyecto y seguimiento geotécnico en ejecución
Haitzetako ezponda ezegonkorrei buruzko jardunaldia. Proiektu geoteknikoa eta exekuzio uneko jarraipena
10-2-2011

Análisis de estabilidad de la boquilla Este del túnel de Arraiz. Variante Sur Metropolitana de Bilbao
Gorka Iglesias

Análisis de estabilidad de la boquilla Este del túnel de Arraiz
Variante Sur Metropolitana de Bilbao

1.- Introducción
1 I t d ió

2.- Descripción y encuadre de la obra
3.- Investigación y trabajos realizados PROYECTO
4.- Marco geológico regional y l
4 M ló i i l locall
5.- Caracterización geotécnica de proyecto

6.- Proceso de control geotécnico de taludes
7.
7 - Criterios de diseño y dimensionamiento

8.- Seguimiento de obra - antecedentes

9.- Registro y análisis de movimientos y deformaciones AUSCULTACIÓN

10.- Modelo geológico-geotécnico
MODELO Y ANÁLISIS
11.-
11 - Criterios y análisis de estabilidad

12. Conclusiones


1.- Introducción

1.- Introducción


1.- Introducción



2
4
5
3

1
3

Longitud Hmax
Litología Talud Calzada P.K. inicial P.K. final Inclinación
(m) (m)

Derecha
Derecho 1 9+005 (eje 2) 9+030 25 25 3V:2H (56º)
(este)

Izquierda
Limolitas Izquierdo 2 8+930 (eje 1) 9+004 74 38 3V:2H (56º)
(oeste)
calcáreas
Formación Frontal 3 Derecha 9+005 - 41 2V:1H
2V 1H (63º)
Tejera (4B)
Frontal 4 Izquierda 8+930 - 40 2V:1H (63º)

Intermedio 5 Derecha 9+005 9+025 20 31 3V:1H (72º)



3.- Investigación y trabajos realizados

• Estaciones geomecánicas
• Sondeos mecánicos
• Perfiles sísmicos
• Calicatas
• 62 ensayos de densidad
• 31 ensayos de RCS
• 21 ensayos de determinación del
módulo de Young y el coeficiente de
Poisson.
• 23 ensayos de resistencia a tracción
• 16 determinaciónes del índice
Schimazek y abrasividad Cerchar
• 25 ensayos triaxiales.

3.- Investigación y trabajos realizados


4.- Marco geológico regional y local

4.- Marco geológico regional y local



Los parámetros geotécnicos de la estratificación y de las juntas son los residuales.

Cohesión Fricción
Densidad
cr ϕr
Estratificación y
0 kPa 22º 2,7 t/m³
juntas

Los parámetros de la roca alterada fueron obtenidos a través de la formulación de
Ucar (1986).
( )

Cohesión Fricción
Densidad
cu φu
Roca alterada 0,54 kg/cm² 30º 2,7 t/m³



Para determinar los parámetros de la roca sana, se utilizará la correlación de Hoek
(2004) suponiendo un RMR de 40:

Fricción
Cohesión Densidad
φ
Roca sana 3,1 kg/cm² 46º 2,7 t/m³

Los parámetros de la matriz rocosa:

Densidad 2 730 kg/m3
RCS 29,98 MPa
RTS 6,48 MPa
Ellab
b 17 091 MPa
ν 0,28
mi 8,30



6.- Proceso de control y validación geotécnica de taludes
GEOTECNIA DE OBRA* Se cumplen condiciones de proyecto

Registro y toma de datos de obra*
Se adoptan soluciones geotécnicas de proyecto
Comprobación geométrica e interacción de taludes*

Plantas, alzados y perfiles geotécnicos*

Caracterización geotécnica* Control de ejecución
Validación última
Identificación de mecanismos de inestabilidad* de la geotecnia Control de calidad

Comprobaciones y recálculos*
de contraste Instrumentación
* Se realiza en cada banco de excavación

GEOTECNIA DE CONTRASTE
Son necesarios Son necesarios
ajustes geotécnicos** ajustes geométricos**

GEOTECNIA DE PROYECTO No se cumplen condiciones de proyecto

** Con aplicación de los Criterios de Diseño y Dimensionamiento

6.- Proceso de control y validación geotécnica de taludes


7.- Criterios de diseño y dimensionamiento

Como norma general, se adoptan criterios de diseño de Proyecto.

En los casos en los que se ha variado alguno de estos criterios, se ha justificado y se basa
en datos obtenidos en obra.

La variación de criterios de diseño será siempre considerada como específica para el caso.

Durante la excavación del talud se ha realizado un seguimiento geotécnico intenso para
confirmar la validez del cambio.

Factor de seguridad determinista requerido: 1.4

7.- Criterios de diseño y dimensionamiento



Junio de 2007: comienzo de excavación del emboquille y del seguimiento geotécnico que se ha
continuado ininterrumpidamente
ininterrumpidamente.
Noviembre de 2007: se detectan pequeñas deformaciones en uno de los inclinómetros.
Diciembre de 2007: se observan las primeras grietas en el talud frontal. En consecuencia se
intensifica la instrumentación con inclinómetros y topografía. Se complementa con extensómetros
de varillas y convergencias una vez iniciado el túnel eje1.
A partir de la instrumentación y el seguimiento geotécnico se elabora un primer modelo
geotécnico,
geotécnico con el cual se define una primera actuación de refuerzo del sostenimiento
sostenimiento.
Enero de 2008: Se ejecuta un sostenimiento de urgencia.



8.- Seguimiento de obra- antecedentes


Paralelamente, en el talud intermedio se detecta zona de fracturación y grietas verticales en la
gunita de la costilla.



9.- Registro de movimientos y deformaciones
Inclinómetros
adicionales

Hitos de i l ió
Hit d nivelación

Dianas topográficas

Inclinómetros iniciales

Secciones de convergencia

Extensómetro de varillas

Instrumentación instalada


Evolución de movimientos y deformaciones
INCLINÓMETROS
Ó

Fecha
Fecha última Frecuencia
Incli. P.K. primera
medida medida
medida
SSB2 8+850 14-9-07 02-06-09 Quincenal
SSB2A 8+824 4-2-08 02-06-09 Quincenal
SSB2B 8+828 6-2-08 02-06-09 Quincenal

INCLINÓMETROS


SSB2

Movimiento secundario a 6 m

Movimiento secundario a 13,5 m

Movimiento neto del bloque

INCLINÓMETROS


SSB2
DESPLAZAMIENTOS MÁXIMOS SSB2

SSB2 a 6m de prof SSB2 a 13,5m de prof SSB2 a 17m de prof precipitaciones

100 120

90
tesado anclajes a 30 t tesado anclajes a 90 t
100
80

70

ecipitaciones l/m2 en 24h
Excavación 80
destroza túnel eje 1
os

60
mm acumulado

50 60

40

Excavación
E ió 40

pre
30
avance túnel eje 1

20
20

10

0 0
14/09/2007 23/12/2007 01/04/2008 10/07/2008 18/10/2008 26/01/2009 06/05/2009
fecha

INCLINÓMETROS


SSB2
VELOCIDADES RELATIVAS(mm/día) SSB2

SSB2 a 6m de prof SSB2 a 13,5m de prof SSB2 a 17m de prof precipitaciones

4 120

3,5
tesado anclajes a 30 tm tesado anclajes a 90 tm 100
3

ecipitaciones l/m2 en 24h
2,5 80

2
mm/día

60
1,5

Excavación avance
1 40

pre
túnel eje 1 Excavación
0,5
20
0

-0,5 0
14/09/2007 23/12/2007 01/04/2008 10/07/2008 18/10/2008 26/01/2009 06/05/2009
fecha

INCLINÓMETROS


SSB2

La dirección de movimiento registrado es N130ºE.

INCLINÓMETROS


SSB2B
DESPLAZAMIENTOS MÁXIMOS SSB2B

SSB2B 10,5 m prof SSB2B 17 m prof precipitaciones

50 120
Excavación destroza
túnel eje 1
45

tesado anclajes a 90 tm 100
40

35

cipitaciones l/m2 en 24h
80
mm acumulados
s

e
30

25 60

20

prec
40
15

10
20

5

0 0
06/02/2008 27/03/2008 16/05/2008 05/07/2008 24/08/2008 13/10/2008 02/12/2008 21/01/2009 12/03/2009 01/05/2009
fecha

INCLINÓMETROS


SSB2A
DESPLAZAMIENTOS MÁXIMOS SSB2A

SSB2A 15,5 prof precipitaciones

30 120
Excavación
tesado anclajes a 90 t
t d l j tm
25 100

precipitaciones l/m2 en 24h
20 80

n
mm acumulados

15 60
m

10 40
Excavación
avance túnel
eje 1
5 20

0 0
14/09/2007 23/12/2007 01/04/2008 10/07/2008 18/10/2008 26/01/2009 06/05/2009
fecha

INCLINÓMETROS


EXTENSÓMETRO DE VARILLAS

EXTENSÓMETRO DE VARILLAS


SECCIONES DE CONVERGENCIA EN TÚNEL 1

VARIANTE METROPOLITANA DE BILBAO-FASE BOCA: SALIDA CONVERGENCIA: C-001
I CALZADA: EJE 1 P.K.: 8+920
TRAMO: CADAGUA-PEÑASCAL FASE: AVANCE ÍNDICE Q:
TÚNEL: ARRAIZ SOSTENIMIENTO: IV
TAPADA: 15,8 m
VISTA EN SENTIDO DE AVANCE DEL FRENTE

10,00 50,00
9,00
8,00
45,00
7,00
6,00
5,00 40,00
4,00
3,00
35,00
2,00
1,00
1 00

Distancia al frente (m)
(+) Cierre (-) Apertura
Movimientos (mm)

0,00 30,00
-1,00
-2,00
25,00
-3,00
-4,00
-5,00 20,00
-6,00
-7,00
7 00
15,00
-8,00
-9,00
-10,00 10,00
-11,00
-12,00
5,00
-13,00
-14,00
-15 00
15,00 0,00
0 00
09/01/2008

14/01/2008

19/01/2008

24/01/2008

29/01/2008

03/02/2008

08/02/2008

13/02/2008

18/02/2008

23/02/2008

28/02/2008
H-1 D-1 D-2 N Dist Frente (m)

SECCIONES DE CONVERGENCIA EN TÚNEL 1


CONTROL TOPOGRÁFICO

D -diana
H-Hito

Situación de hitos y dianas topográficas



0,04
02/01/2008
0,03 04/01/2008
D1
D-1 D2
D-2 D3
D-3 D4
D-4 D5
D-5 D6
D-6
Desplazam ien vertical (m )

0,02 07/01/2008
09/01/2008
0,01 14/01/2008
nto

0,00 17/01/2008
25/01/2008
-0,01 04/02/2008
-0,02 11/02/2008
25/02/2008
-0,03 05/03/2008
0 5 10 15 20 25 30 27/03/2008
Distancia (m)



CONTROL DE GRIETAS Y FISURAS

VARIANTE METROPOLITANA DE BILBAO-FASE I BOCA: SALIDA CONTROL DE FISURAS
d c TRAMO: 7 CADAGUA-PEÑASCAL CALZADA: EJE 1 LECTURAS: a-c
TÚNEL: ARRAIZ FASE: AVANCE P.K.: 8+890
a b

5,00

4,00

3,00

2,00
(+) Cierre (-) Apertura
a
Movimientos (mm)

1,00

0,00

-1,00

-2,00
2 00

-3,00

-4,00

-5,00
11/02/2008

02/03/2008

22/03/2008

11/04/2008

01/05/2008

21/05/2008
F-001 F-002 F-003

CONTROL DE GRIETAS Y FISURAS


CONCLUSIONES DEL ANÁLISIS DE MOVIMIENTOS

Movimiento profundo en el talud frontal.
Deslizamiento global en el macizo rocoso, con salida hacia el talud d l emboquille.
D li i l b l l i lid h i l l d del b ill
El movimiento no afecta al túnel.
Se observa la existencia de distintos niveles de rotura.
La excavación del túnel 1 acelera los movimientos registrados en el deslizamiento profundo.
El resto de la instrumentación confirma la dirección y cuantía del movimiento.
A partir d l registro d movimientos es posible un retroanálisis y un calibrado,
i del i de i i ibl áli i lib d
para el estudio de la estabilidad de la costilla.

CONCLUSIONES DEL ANÁLISIS DE MOVIMIENTOS


10.-Modelo geológico-geotécnico
Datos de partida
p

Datos de partida


En el talud frontal

Buzamiento / Continuidad (m)
Espaciado Apertura Rugosidad
Nombre Dirección Relleno
(m) Rumbo Buzamiento (mm) (JRC)
buzamiento
Estra./
72º/210º 0.06-0.2
0 06 0 2 >15 m >15 m <1 2-4
24 -
laminación*
Junta J1* 25º/088º 0,2-2,0 10-15 10-15 20 8-10 Arcilla
Junta J0 50º/170º >5,0 4-6 4-6 25 6-8 Arcilla
Junta J2´ 67º/119º >5,0 6-8 6-8 15 6-8 Arcilla

* Discontinuidades principales

Datos de partida


25º/088º

Detalle de la junta J1 en el talud intermedio Detalle de la junta J1 en el talud frontal

Datos de partida


Detalle de la junta J1 en el talud intermedio de los planos observadosla juntafrontal el talud frontal
Representación estereográfica
Detalle de en talud J1 en

Datos de partida


En la zona de confluencia entre el talud intermedio y frontal (eje 1):
- Importante grado de fracturación
- Rellenos arcillosos blandos.

Continuidad (m) Apertura Rugosidad
Nombre Dip/DipDir Espaciado (m) Relleno
Rumbo Buzamiento (mm) (JRC0)

Estra.
70º/212º 0.06-0.2 >15 m >15 m <1 2-4 -
/laminación
Junta J1 30º/095º 0,2-2,0 10-15 10-15 >3 8-10 Arcilla
Junta J2 35º/313º >5,0 6-8 6-8 5 6-8 Arcilla

Parámetros de las discontinuidades en la “costilla”

Datos de partida


Macizo rocoso observado en los primeros frentes del eje 1

Datos de partida


Representación estereográfica de los planos observados en talud intermedio

Datos de partida


Datos de partida


Modelo geotécnico del deslizamiento en bloque



Perfil longitudinal P-2



Perfil longitudinal por eje 1
P fil l it di l j



Transversal en el P.K. 8+884 del eje 1



Modelo geotécnico de la “costilla” del talud entre calzadas

Dianas

Medida de fisuras

Convergencias



PARÁMETROS DE CÁLCULO

Los parámetros tensodeformacionales del macizo rocoso pierden importancia frente al
comportamiento de las propias diaclasas.

Los parámetros de la matriz rocosa son los correspondientes a las limolitas
calcáreas de la formación Tejera (4B) determinados en el proyecto constructivo.

Densidad 2 730 kg/m3
RCS 29,98 MPa
RTS 6,48 MPa
Elab 17 091 MPa
ν 0,28
mi 8,30



Determinación de parámetros del macizo rocoso con el Rocklab



Para modelizar el efecto d l estratificación, se ha utilizado un modelo d
P d li l f t de la t tifi ió h tili d d l de
comportamiento transversalmente isotrópico.

Los parámetros utilizados en todos los modelos realizados son:

Módulo de Young longitudinal E1= 12 500 MPa
Módulo de Young Transversal E2= 6 250 MPa
Módulo de deformación cortante G1= 2 685 Mpa
Índice de Poisson ν= 0,28
No se prevé que el estado tensional sea un factor influyente en la
estabilidad, en todos los casos se ha utilizado una k0=1,0



Los términos que definen el comportamiento de las juntas son

1.-Criterios de rotura

Criterio de Mohr-Coulomb, para discontinuidades planas con relleno.

σn : esfuerzo normal sobre el plano de discontinuidad
c : cohesión τ = c + σ n tan φ
φ : ángulo de fricción o de rozamiento interno

Criterio asignado a J1 y J2



Criterio de Barton (1977), para juntas rugosas sin relleno

τ y σn son los esfuerzos tangencial y normal sobre la discontinuidad
g
φr es el ángulo de rozamiento residual
JRC es el coeficiente de rugosidad de la discontinuidad
JCS es la resistencia a compresión de la pared de la discontinuidad

⎛ ⎛ JCS ⎞ ⎞
tan ⎜ log⎜
τ = σ n t ⎜ φ r + JRC l ⎜ ⎟⎟
⎟⎟
⎝ ⎝ σ n ⎠⎠

Criterio asignado a la estratificación-laminación



2.-Rigidez de corte tangencial y normal

La rigidez tangencial (ks): desplazamiento cortante necesario para alcanzar la resistencia
de pico a corte. Bandis, p p
p , propone la siguiente expresión:
g p

100 ⎛ JCS ⎞
ks = σ n tg ⎜ JRC log
⎜ + φr ⎟
⎟
L ⎝ σn ⎠

Siendo ks la rigidez de pico (MPa/m) y L la longitud de la junta (m).

La rigidez normal (kn): deformación que se produce en dirección perpendicular a la junta
cuando está sometida a una tensión de corte.
Se estima un orden de magnitud 10 veces mayor que Ks.



ESTIMACIÓN DE LA RIGIDEZ DE LAS JUNTAS

Juntas J1 y J2 con relleno arcilloso Estratificación sin relleno
Longitud L=10 m
g Longitud L=10 m
g
Esfuerzo normal σn=0,1 MPa Esfuerzo normal σn=0,1 MPa
Coeficiente de rugosidad JRC= 5 Coeficiente de rugosidad JRC= 3
RCS pared discontinuidad JCS= 0,1 MPa RCS pared discontinuidad JCS= 30 MPa
Angulo de rozamiento residual ør=12º Angulo de rozamiento residual ør=20º
ks=0,2 MPa/m*
, ks=0,5 MPa/m*
,
kn=2 MPa/m* kn=5 MPa/m*

*Estimación inicial



A B



C D



10

1
Caso A
)

0,1
ortante (m

Caso B
Kn=5 MPa/m
iento co

Kn=50 MPa/m
0,01
Kn=500 MPa/m
Caso C
eslizam

Kn=5000 MPa/m

0,001
,
D

Caso D

0,0001

0,00001



1000

100
MPa/m)

10
ks (M

1

0,1
1 10 100 1000 10000
Desplazamiento vertical (mm)



Juntas J1 y J2
J J2:
ks= 10 MPa/m
kn= 100 MPa/m

Estratificación/Laminación:
ks= 2 MP /
25 MPa/m
kn= 250 MPa/m



MODELO DE CÁLCULO

PASO 1

MODELO DE CÁLCULO


PASO 2

MODELO DE CÁLCULO


PASO 3

MODELO DE CÁLCULO


PASO 4

MODELO DE CÁLCULO


PASO 5

MODELO DE CÁLCULO


Vertical Di l
V ti l Displacement
t

0,02
splacemen [m]
nt
0,01
0 01
0
-0,01
Vertical Dis

-0,02
-0,03
-0,04
V

0 5 10 15 20 25 30 35
Distance [m]

Query 1 Avance Eje 1 - Avance exterior Query 1 Destroza exterior - Avance exterior
Query 1 Destroza Eje 1 - Avance exterior 04/02/2008

MODELO DE CÁLCULO


CONCLUSIONES DEL MODELO OBTENIDO

La configuración estructural y la excavación del túnel origina una
inestabilidad por rotura del pie del talud intermedio: pandeo por flexión de placas
diaclasadas planas.

El mecanismo consiste en la expulsión de bloques, rotando sobre una de sus
esquinas, y en la caída de los estratos situados por encima de la zona fracturada.

Podría afectar a unos 16 m del talud según eje 1.

CONCLUSIONES DEL MODELO OBTENIDO


11.-Criterios de cálculo y análisis de estabilidad
Deslizamiento del bloque

C e os
Criterios de cálculo
cá cu o

1.- Sólido rígido que desliza por un plano. Hipótesis del equilibrio límite.

2.- Sólido rígido que desliza sobre dos planos. Hipótesis del equilibrio límite.

3.- Sólido compuesto por rebanadas. Se establece equilibrio de fuerzas y momentos.

11.- Criterios de cálculo y análisis de estabilidad


Análisis de estabilidad
Retroanálisis con Pendiente ladera/ talud Cohesión Angulo de Sostenimiento
F.S.
sostenimiento excavado (º) (kN/m2) rozamiento φ (º) efectivo (t)
enero 08 ( p )
30/40(aparente) 0 25 720t en aprox. 30 m
p 0.9



Pendiente
P di t Angulo d rozamiento
A l de i t
Retroanálisis Cohesión (kN/m2) F.S.
ladera (º) φ (º)
ladera natural
30 0 25 1.02



Método 2: sólido que desliza sobre dos planos
(Kobari & Fritz)

⎛ c1F 1 + c 2 F 2 ⎞
Rs, n = k1 **⎜1 − K 2 **⎟G + k 1 **k 2 **χRh
⎝ G ⎠

G Peso del macizo que puede deslizar (t/ml)
F Longitud del plano de deslizamiento
c Cohesión en la superficie de deslizamiento (t/m2)
Rs,n N
R Necesidad d anclaje
id d de l j
Rh Resultante de las fuerzas activas R en la
dirección del eje h
χ Factor de relación angular
Los factores K1** y k2** conservan la forma
deducida para el caso plano únicamente hay que
sustituir φ por el valor aparente φ**



Estabilidad del talud entre calzadas - “costilla”

Una vez analizado el mecanismo de rotura se realiza un cálculo analítico.
Se han emplean datos obtenidos por elementos finitos.
Para determinar un valor analítico representativo de la estabilidad se sigue una metodología
basada en el cálculo del equilibrio de fuerzas que actúan sobre los bloques que intervienen.



0
ψ U
A N.F.
NF

D1 1

W1 U1
E1
D2 2
B

W2
C E2
U2



12.-Conclusiones finales

La instrumentación muestra el movimiento de un bloque de unos 46000 m3.

El estado inicial de la ladera presenta un F.S. próximo a 1.

Del cálculo numérico y analítico de la “costilla” se desprende que es fundamental
asegurar un espesor mínimo de estrato de 6 m e impedir la rotación de los bloques
inestables.

Los elementos de control indican que la inestabilidad de la “costilla” influye en el
deslizamiento del bloque frontal. Esto es debido a que el movimiento de pandeo
contribuye a liberar lateralmente el bloque
bloque.

12.- Conclusiones finales

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