TUNEL SINALOENSE

JORNADA TÉCNICA SOBRE EL PROYECTO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS TÚNELES DE LA CARRETERA DURANGO – MAZATLÁN

PROYECTO EJECUTIVO DEL TÚNEL “EL SINALOENSE”

M.I. JOSÉ FRANCISCO SUÁREZ FINO

14 DE OCTUBRE 2010

ETAPAS DEL PROYECTO 1. Levantamiento Topográfico 2. Estudio Geológico y Geofísico 3. Proyecto Geométrico 4. Integración Geotécnica 5. Análisis de Estabilidad de Taludes en los Tajos 6. Análisis, Definición de Fases de Excavación y Diseño de Sostenimientos 7. Análisis y Diseño Estructural del Revestimiento 8. Obras Complementarias 9. Proyecto de Iluminación y Ventilación 10. Especificaciones de Construcción 11. Catálogo de Conceptos

Introducción La longitud del túnel es de 2,787 m.

Se ubica entre los kms 668 668+ +450 – 671+ 671+197, 197, de la Carretera Durango Mazatlán, Tramo: Tramo: El Salto – Concordia, en el Estado de Sinaloa Está localizado a unos 5 km al noreste del poblado de Santa Lucía, y 2.5 km al sureste del poblado Loberas, en la región suroriental del Estado de Sinaloa Sinaloa.. El túnel cruza la carretera Federal a la altura del km 669+ 669+700.

700.

La cobertura de roca por encima de la clave del túnel es del orden de 430 m; mientras que la cobertura mínima se presenta en los portales 80 y 50 m.

Longitud = 2,787 m Ubicado entre los kms. kms. 668+450 – 671+197

1. Levantamiento Topográfico

Panorámica del Flanco Durango, vista desde la caldera el carrizo

Portal Durango

Portal Durango

Portal Mazatlán

Panorámica del Flanco Mazatlán, vista desde el camino a la ciénega

Portal Mazatlán

Portal Mazatlán

Portal Durango

Portal Mazatlán

2. Estudio Geológico y Geofísico Planta y Perfil Geológico

Perfiles de Isorresistividades y de Unidades Georesistivas

3. Proyecto Geométrico Alineamiento horizontal: horizontal: tangente Alineamiento vertical: vertical: entrada en tangente vertical +6%, seguida de una curva vertical de 260 260m m; continua con una tangente de 1,800 m y pendiente de +2.6%, para finalmente salir en una curva vertical de 620 m y pendiente de salida de -5.98 98% %

3. Proyecto Geométrico Aspectos que se tomaron en cuenta para la definición de la sección transversal del túnel: túnel: a)

Tipo y calidad de roca.

b)

Alineamiento horizontal y vertical, ancho de corona (carriles y acotamientos), galibo y banquetas.

c)

Economía en cuanto a volúmenes de excavación.

d)

Distribución de esfuerzos en el entorno de la excavación.

Aspectos funcionales que influyeron en la definición de la sección transversal transversal:: 1.1

Número de carriles de la calzada

1.2

Gálibo y características del trazo

1.3

Sistemas de Iluminación y ventilación

1.4

Instalaciones de seguridad y de emergencia

Ancho de calzada=2 carriles de 3.5m+0.25m a cada lado+2 acotamientos de 1.75 m=11.0 m (primera etapa)

Ancho de calzada=3 carriles de 3.5m+0.25m a cada lado=11.0 m (segunda etapa)

Altura 8.96 m; Banquetas de 0.85; Zapatas de 1.55 m; Ancho de excavación 15.8 m (marcos) y 15 m (anclas)

4. Integración Geotécnica Análisis de muestras y ensayos de laboratorio

Integración de resultados del estudio de resistencia de la roca matriz

Envolventes de rotura y resultados de laboratorio en el espacio de los esfuerzos principales para la unidad Toi (Ignimbrita) Ignimbrita)

Envolventes de rotura y resultados de laboratorio en el espacio de Mohr para la unidad Toi (Ignimbrita) Ignimbrita)

Caracterización Geotécnica Clasificaciones Geomecánicas

Tiene como finalidad obtener parámetros geomecánicos para su empleo en el diseño, proyecto y construcción de las obras subterráneas subterráneas.. a) Rock Mass Rating o sistema RMR de Bieniawski.

Bieniawski.

b) Sistema Q, del Instituto Geotécnico Noruego, desarrollado por Barton, Barton, Lien y Lunde.

Lunde.

Parámetros RMR Rock Mass Rating

Q Índice de calidad del macizo

• Resistencia a la compresión simple • Índice de calidad de la roca RQD • Separación entre discontinuidades • Estado de las discontinuidades • Presencia de agua • Corrección por orientación de la discontinuidad

• RQD = Índice de calidad de la roca • Jn = Número de sistemas de juntas • Jr = Índice de la rugosidad de las fisuras • Ja = Número de la alteración de las fisuras • Jw = Factor de reducción por la presencia de agua en las juntas • SRF = Factor de reducción por esfuerzos

Calidad del macizo rocoso con base en el índice RMR de Bieniawski

Calidad del macizo rocoso según la Q de Barton Q E n t r e 0 .0 0 1 y 0 .0 1 E n t r e 0 .0 1 y 0 .1 E n t r e 0 .1 y 1 .0 E n tre 1 y 4 E n tre 4 y 1 0 E n tre 1 0 y 4 0 E n tre 4 0 y 1 0 0 E n tre 1 0 0 y 4 0 0 E n tre 4 0 0 y 1 0 0 0

C A L ID A D R o c a e x c e p c io n a lm e n t e m a la R o c a e x tr e m a d a m e n te m a la R o c a m u y m a la R o c a m a la R o c a m e d ia R o ca b uen a R o ca m u y b uen a R o c a e x tre m a d a m e n te b u e n a R o c a e x c e p c io n a lm e n te b u e n a

PARÁMETROS DERIVADOS DE LAS CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS

Correlaciones empíricas para la evaluación del módulo de deformabilidad en macizos rocosos son: 50-55 para RMR > 50-

Em = 2 RMR − 100 ( Bieniawski, 1978 ) para 10 < RMR < 50, en GPa. GPa.

Em

RMR −10 = 10 40

( Serafim y Pereira, 1983 )

Barton et al. (1980), Barton et al. (1992) y Grimstad y Barton (1993)

Em = 2 5 L o g10 Q

Mediante el índice GSI (Geological Strenght Index), Hoek et al. (2002) :

σ ci

 D Em =  1 −  2  100 

Em

GSI −10 ⋅ 10 40

GSI −10  D = 1− ⋅ 10 40

 

 2

para

para

σ

i c < 100 MPa

σ

i c> 100 MPa

Sostenimiento a partir del índice RMR

Relación de la calidad de la roca con el tiempo de estabilidad sin sostener

Categorías del sostenimiento según Barton

ParámetrosPERFIL mecánicos delÉmacizo GEOT GEOTÉ CNICOrocoso Unidad

Unidad I Unidad II Bajas presiones Unidad II Altas presiones Unidad III Altas presiones Unidad III Bajas presiones Unidad IV Altas presiones Unidad IV Bajas presiones Unidad V

UNIDAD

φ m (º)

c m (MPa)

mb

s

Mohr-Coulomb

Mohr-Coulomb

Hoek-Brown

Hoek-Brown

25 – 45

0.10 – 0.50

0.15 a 0.50

3.0×10-5 a 1.0×10-3

19 a 22

0.53 a 0.50

30 – 45

1.00 – 2.50

0.25 a 1.00

5.0×10-5 a 2.0×10-3

166 a 176

0.52 a 0.50

23 – 35

2.00 – 4.50

0.25 a 1.00

5.0×10-5 a 2.0×10-3

166 a 176

0.52 a 0.50

20 – 30

2.00 – 4.50

0.20 a 0.50

1.0×10-4 a 3.0×10-3

157 a 164

0.51 a 0.50

26 – 35

1.00 – 2.50

0.20 a 0.50

1.0×10-4 a 3.0×10-3

157 a 164

0.51 a 0.50

15 – 20

1.00 – 2.00

0.17 a 0.50

5.0×10-5 a 2.0×10-3

57 a 63

0.52 a 0.51

22 – 30

0.70 – 1.00

0.17 a 0.50

5.0×10-5 a 2.0×10-3

57 a 63

0.52 a 0.51

35 – 45

2.50 – 5.00

2.052 a 8.56

5.0×10-3 a 7.5×10-2

175 a 200

0.50

σ ci (MPa) HoekBrown

Em

Em

Em

Em

Em

RMR

GSI

Hoek, et al.

Ec. (A6.18)

Bieniawski, Ec. (A6.16)

S. & P. , Ec. (A6.17)

Hoek Fig. (A6.12)

Barton, Ec. (A6.19)

Unidad I

34 – 59

29 – 54

0.78 – 3.54

--- - 18.0

3.98 – 16.78

1.0 – 4.0

--- – 16.42

Unidad II Unidad III

39 – 65 46 – 67

34 – 60 41 – 62

2.39 – 10.67 3.57 – 11.92

---- - 30.0 ---- - 34.0

5.31 – 23.71 7.94 – 26.61

3.0 – 23.0 5.0 – 29.0

--- - 22.74 3.02 - 24.86

Unidad IV Unidad V

37 – 57 61 – 80

32 – 52 56 – 75

1.61 – 5.34 8.5 – 25.3

--- - 14.0 22.0 - 60.0

4.73 – 14.96 18.8 – 56.2

2.0 – 10.0 20.0 – 60.0

--- – 14.33 18.5 – 38.5

Unidades en GPa

a Hoek-Brown

UNIDAD GEOTECNICA

Módulo de elasticidad del macizo rocoso, Em, (MPa)

Unidad I

1,000 – 3,500

Unidad II Unidad III Unidad IV Unidad V

2,500 – 15,000 4,000 – 25,000 1,700 – 7,000 10,000 – 30,000

PERFIL GEOTÉ GEOTÉCNICO Tramificación geotécnica y constructiva para el túnel El Sinaloense Tramo

Unidad Geotécnica

Calidad del macizo

Denominación

Portal Durango (168+445) al 168+700

Unidad I

Mala

Condición geotécnica D(+)

168+700 al 168+840

Unidad II

Mala a media

Condición geotécnica D(+)

169+040 al 169+500

Unidad III

Media a buena

Condición geotécnica C(+)

169+500 al 169+580

Unidad II

Mala a media

Condición geotécnica D(+)

169+580 al 170+080

Unidad III

Media a buena

Condición geotécnica C(+)

170+080 al 170+160

Unidad IV

Mala a media

Condición geotécnica D(+)

170+160 al 170+530

Unidad V

Media a buena

Condición geotécnica B

170+530 al 170+620

Unidad IV

Mala a media

Condición geotécnica D(+)

170+620 al Portal Mazatlán (171+200)

Unidad III

Media a buena

Condición geotécnica C(-)

PERFIL GEOTÉ GEOTÉCNICO Planta y perfil Geotécnico

PERFIL GEOTÉ GEOTÉCNICO Modelos geomecánicos

5. Análisis de estabilidad en los cortes de los tajos de acceso Consideraciones: a) Tipo y calidad de roca b) Geometría (pendiente y altura) c) Volumetría d) Estabilidad e) Tratamientos

La tipología de los deslizamientos o inestabilidades más habituales en los taludes corresponde con los siguientes tipos de falla falla:: Desprendimientos:: Caída de bloques Desprendimientos

Deslizamiento de planos planos:: Masa de suelo o raca que desliza hacía el talud

Rotura SemiSemi-circular o rotacional

Rotura Plana

Rotura en Cuña

Roturas por Volteo y Pandeo

Análisis de Estabilidad Rotura plana

Rotura en cuña

Rotura semisemi-circular

Rotura semisemi-circular

Portal Durango

Portal Mazatlán

Portal Mazatlán

6. Análisis, Definición de Fases de Excavación y Diseño de Sostenimientos

Tipos de falla analizadas: 1. Falla por esfuerzos esfuerzos:: ocurre cuando los esfuerzos actuantes (inducidos por la excavación), superan los esfuerzos resistentes propios de la roca. roca. La roca se plastifica alrededor de la excavación. excavación.

2. Falla Estructural: Estructural: ocurre por la intersección de discontinuidades formando bloques, proclives a caer hacía el interior del túnel. túnel. La falla puede ser plana o en cuña. cuña.

Malla de elementos finitos para la sección 668+520

Etapas de excavación

Desplazamientos horizontales y verticales, parámetros GSI mínimos (k0=0.85, λ =0.8) =0.8

Puntos plásticos alrededor de la excavación para la combinación de parámetros GSI mínimos (k0=0.85, λ =0.8)

Malla de elementos finitos para la sección 669+540

Etapas de excavación

Desplazamientos horizontales y verticales, parámetros GSI mínimos (k0=0.85, λ =0.8) =0.8

Puntos plásticos alrededor de la excavación para la combinación de parámetros GSI mínimos (k0=0.85, λ =0.8)

Evolución de la resistencia de los marcos metálicos (normalizada) durante el proceso de carga para los marcos separados 80 cm

Evolución de las fuerzas en el marco durante el proceso de carga para los marcos separados 80 cm

Momentos flexionantes máximos soportados por los marcos

Fuerzas axiales máximas soportadas por los marcos

Malla de elementos finitos y etapas de excavación para la sección 669+740

Malla de elementos finitos y etapas de excavación para la sección 670+350

Malla de elementos finitos y etapas de excavación, sección 669+030 (zona de falla)

Analisis de estabilidad de cuñas en el interior del túnel

7. Análisis y Diseño Estructural del Revestimiento Interacción entre la estructura (revestimiento) y la masa de roca, tanto en el sentido radial, como en el tangencial. tangencial.

La masa de roca se encontrará en un estado de completo equilibrio estable antes de ser colocado el revestimiento. revestimiento.

Tipo de carga que actuará sobre sobre el revestimiento Se considera un revestimiento elástico, parcialmente embebido en un medio elástico continuo (macizo rocoso); rocoso); el envolvimiento no se considera en la totalidad de la estructura debido a que se supone que, en la zona de la clave, es donde se localiza el material aflojado y por lo tanto no existe interacción interacción..

La roca circundante restringirá las deformaciones de la estructura, generando presiones pasivas contra el revestimiento revestimiento..

Se aplica la condición de no no--tensión entre la masa de roca y el revestimiento.. Es decir que en la intercara solamente actuarán revestimiento esfuerzos normales de compresión y esfuerzos de fricción fricción..

Tipo de carga: Presiones de aflojamiento Los procesos de redistribución de esfuerzos y generación de deformaciones se completan en plazos relativamente cortos cortos.. Bajo tal situación, resulta conveniente excavar la totalidad del túnel utilizando únicamente sistemas de soporte de tipo temporal (marcos) y de estabilización o refuerzo (anclas y concreto lanzado) para, un cierto tiempo después, si las necesidades funcionales del túnel así lo requieren, colocar un revestimiento definitivo definitivo..

CONSIDERACIONES ESTÁTICAS Y SIMULACIÓN

8. Obras Complementarias Impermeabilización del túnel

Drenaje túnel

Drenaje Galería

Pavimento

Iluminación

Ventilación

GRACIAS

JORNADA TÉCNICA SOBRE EL PROYECTO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS TÚNELES DE LA CARRETERA DURANGO – MAZATLÁN

PROYECTO EJECUTIVO DEL TÚNEL “EL SINALOENSE”

M.I. JOSÉ FRANCISCO SUÁREZ FINO

14 DE OCTUBRE 2010