Movimientos inducidos en la excavación de túneles urbanos con EPB: Estudio del efecto de pantallas laterales y de las condiciones de contorno

Abstract

Uno de los principales problemas en la construcción de túneles urbanos con EPB es la afección a estructuras próximas a la excavación. Una práctica habitual para reducir los movimientos inducidos sobre dichas estructuras es la construcción de pantallas de hormigón laterales, que separan con un elemento rígido la zona excavada de la zona que se quiere proteger.

En este trabajo se estudia cómo estas pantallas reducen los movimientos que se generan en el terreno durante la excavación de un túnel, especialmente los movimientos superficiales en la zona exterior al recinto entre pantallas, que son los principales causantes de daños a edificaciones próximas. Utilizando el programa de elementos finitos PLAXIS, se ha comparado numéricamente el efecto de las condiciones de contorno en desplazamientos y en presiones sobre la cubeta de asientos superficial y sobre el perfil de movimientos en secciones verticales. Los resultados muestran la equivalencia de ambas condiciones de contorno bajo ciertas hipótesis y tras corregir el efecto “descarga del túnel”.

Se han desarrollado expresiones analíticas para túneles someros en suelo elástico lineal y túneles profundos en suelo elastoplástico perfecto con criterio de fluencia de Mohr-Coulomb, que relacionan la pérdida de volumen de la excavación con la presión del mortero de cola. Dichas expresiones se han comparado con resultados numéricos, ofreciendo una buena aproximación a estos últimos. Para el estudio de las pantallas se ha desarrollado un modelo analítico elástico que permite considerar el efecto de dichas pantallas sobre las cubetas de asientos superficiales, así como evaluar el daño a estructuras próximas a partir del criterio de Boscarding y Cording (1989). El modelo desarrollado se basa en la sustitución del efecto de la excavación del túnel y de las pantallas laterales por una distribución de tensiones equivalente. Esta distribución de tensiones se obtiene manipulando las expresiones de Bobet (2001) para una excavación en un semiespacio elástico, y aplicando el modelo de Winkler de interacción suelo-estructura. A partir de la distribución de tensiones resultante, se calculan elásticamente los movimientos superficiales utilizando las soluciones de los Problemas Nº1 y Nº2 de Mindlin (1936), y se impone la condición de compatibilidad de movimientos. El modelo desarrollado se ha comparado con cálculos numéricos realizados con PLAXIS, obteniendo resultados similares.

A partir del modelo desarrollado, se ha definido un conjunto de parámetros adimensionales para el diseño de las pantallas. Se ha realizado un análisis para establecer intervalos de valores de dichos parámetros que se consideran adecuados para limitar eficazmente los asientos superficiales fuera del recinto entre pantallas. Finalmente, utilizando el modelo desarrollado junto con las expresiones analíticas deducidas en el trabajo, se ha analizado un caso real y varios ensayos de laboratorio realizados por Bilotta (2004). El modelo analítico proporciona buenas aproximaciones del volumen de asientos en la zona fuera del recinto entre pantallas, y aproxima bien las cubetas de asientos cuando la no linealidad del suelo es baja.