Túneles con método mecánico a sección plena: Estudio de la inyección del espacio anular de cola

Abstract

Las obras subterráneas han tenido una evolución significativa en el tiempo; hasta hace algunos años la excavación de túneles en terrenos con baja resistencia mecánica era casi imposible. La creación de las máquinas a sección plena (topas), específicamente aquellas con el frente de excavación bajo presión, ha permitido la conquista de nuevos ámbitos y el mayor aprovechamiento del espacio subterráneo, por ejemplo, en zonas urbanas, en cuyo caso es requerido un grado de perturbación mínimo. Hasta el momento el control de los asentamientos producto de la excavación de túneles se ha focalizado en la aplicación de presión en el frente de la máquina. Sin embargo, actualmente ha crecido el interés por minimizar los desplazamientos ocurridos luego que la excavadora ha pasado. Las inyecciones del espacio anular de cola tienen el objetivo de detener las deformaciones producidas en la cola del escudo y luego de la instalación de los primeros revestimientos. Su aplicación consiste en introducir determinados materiales entre el anillo de concreto y el terreno, impidiendo la disipación de tensiones en este último y su inclusión dentro del túnel. El comportamiento del túnel desde el montaje del revestimiento y el endurecimiento de la lechada en el espacio anular es incierto. Existe escasa información teórica referida a la fase de inyección y a cuáles son los mecanismos a los que se ven sometido tanto el terreno como los segmentos de concreto. Asimismo no está del todo claro el comportamiento del grout, en cuanto a cómo se deforma o cambia su volumen hasta que desarrolla su resistencia final. El objetivo de este trabajo de grado es el de estudiar la eficiencia y los efectos de las inyecciones efectuadas en la parte posterior del escudo, en la construcción de túneles. La investigación fue realizada en varias fases. Durante la primera fase se recopiló la información disponible para componer el estado del arte sobre las técnicas de inyección; se tuvieron en cuenta también los parámetros empíricos que son usualmente usados, variables según las condiciones de operación. Seguidamente, fueron estudiados los distintos tipos de materiales de inyección, sus propiedades, su aplicabilidad y el desempeño durante la etapa de excavación. Finalmente, se construyeron sendos modelos analíticos y numéricos para evaluar el comportamiento de la lechada aún en estado líquido, que fueron útiles para comparar los diversos tipos de maltas y los parámetros que tienen que ver con el proceso de inyección. A través de estas simulaciones se obtuvo que el uso de las inyecciones de cola reduce notablemente el volumen de terreno que deformado hacia el interior del espacio anular, trayendo como consecuencia una disminución de la subsidencia de hasta 300%.

ABSTRACT The underground works have evolved in time; few years ago the excavation in soft ground was almost impossible. The invention of the Tunnel Boring machines, more specifically pressurized face ones, have permitted reaching new scopes and the utilisation of underground space in urban areas. Urban areas present critical conditions for tunnel excavation mainly due to the impact of the subsidence on the stability of buildings. The soft ground tunnelling has focused the settlement control in the optimisation of the face pressures. However within the years the interest about the ground settlements after the tail of the machine has arised. The tail void grouting is a procedure aimed to control the deformations after the passage of the TBM, injecting material between lining and ground to stop the relaxation and the insertion of the soil inside the tunnel The available theoretical information about this phase in the tunnel construction is minimum. The behaviour of the tunnel after the lining assembling is uncertain, and the performance of the grout during the injection and till it hardens has not been extensively analyzed in technical literature. The objective of this project is to study the grouting performance and its influence to the construction process. This task wasreached in first place through the collection of the available information about the topic. It was done a wide research about the known theoretical aspects and the uncertainties that are already present regarding the backfill procedure. Afterwards, they were examined the operational procedures, mostly empirical, to build a database for subsequent theoretical investigation. Different injection materials, their properties, their applicability and performance were studied. This research project was concluded with the setup of numerical and analytical models, to assess the behaviour of the grout during tunnel construction. These models made possible comparisons between different injection materials and other parameters regarding the injection process.