Sociedad Mexicana deIngeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

Consideraciones necesarias para el análisis y diseño de un túnel en una zona de alta sismicidad y geología complicada; caso práctico en el Estado de

Oaxaca.Necessary considerations for the analysis and design of a tunnel in an area of high seismicity and

geology complicated, case study in the State of Oaxaca

Yolanda BARRERA AGUIRRE y Edgar MONTIEL GUITIÉRREZ

CFE – GEICCFE - GEIC

RESUMEN: En esta sección se debe escribir una síntesis del trabajo que se presenta, misma que debe proporcionar un amplio panorama de la investigación (objetivo, descripción de la metodología, método o marco teórico utilizado, descripción del problema o caso de estudio, los resultados y las conclusiones más importantes del trabajo), sin que sobrepase de 200 palabras. El cuerpo del artículo por su parte, debe presentar aportaciones importantes al conocimiento científico y tecnológico de la mecánica de suelos y la ingeniería geotécnica práctica. Su estructura básica debe seguir preferentemente el esquema clásico: resumen (abstract), introducción, metodología, resultados, discusión, conclusiones y referencias. La redacción debe ser coherente y de fácil entendimiento para los lectores. Para asegurar un estilo uniforme en la publicación de las memorias de la XXVI RNMSeIG, todos los artículos deben prepararse estrictamente de acuerdo con el conjunto de instrucciones abajo indicadas. La impresión del documento se realizará únicamente en blanco y negro. Por comodidad para los autores, se proporciona este archivo como documento doc para MS Word 6.0 (y superior).

ABSTRACT: This section must exhibit a summary of the work presented, it should provide a broad overview of the research (objectives, description of methodology, method, or theoretical framework applied, description of the problem or case study, results and the most important findings of the work).

.

1 INTRUDUCCIÓN

Este túnel es parte de una presa de almacenamiento que servirá de fuente de abastecimiento de agua potable a la ciudad de Oaxaca de Juárez y municipios conurbados. El túnel es la Obra de Desvío de esta presa.

1.1 Descripción del proyectoEn la figura 1 se muestra la ubicación del proyecto con el arreglo de obras con el que se realizo el análisis y que consta de las siguientes estructuras: Obra de contención de enrocamiento con cara de concreto, obra de excedencias (margen derecha) con vertedor cimacio con canal lateral y cubeta deflectora, obra de desvío constituida por una ataguía aguas arriba, ataguía aguas abajo y túnel de

desvío (margen derecha) de 530m de longitud de 11m de ancho en sección herradura, obra de toma (margen izquierda) tipo torre, tubería a presión, subestación elevadora y casa de máquinas externa (estas tres últimas en margen izquierda).

Figura 1. Esquema de obras

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2 Título del trabajo

2 CARACTERIZACIÓN GEOLÓGICA – GEOTÉCNICA

Los estudios de ingeniería geológica representan el punto de partida del proceso de diseño de las obras, ya que el terreno natural constituye el mate-rial de excavación, soporte y almacenamiento del agua. El conocimiento geológico – geotécnico del terreno es necesario para prevenir, mitigar o con-trolar los riesgos en las obras civiles.

En el proyecto se realizaron diversos estudios de topografía, geofísica, geohidrología, geología, me-cánica de suelos, mecánica de rocas, etc., a fin de conocer los materiales presentes y detectar los factores condicionantes del proyecto para que sean tomados en cuenta en las etapas de diseño. En los incisos siguientes se desarrolla una descrip-ción de las condiciones geológicas y geotécnicas presentes en la zona de las obras.

2.1 Litología

Las unidades litológicas que afloran en el área de estudio son conglomerados polimícticos (Tpmcgp), rocas andesíticas subvolcánicas (TemA) y los productos generados por la erosión e intemperismo, tales como depósitos de talud (Qdt) y aluviales (Qal). De estas unidades, las que predominan son el conglomerado polimíctico y la andesita porfídica.

El conglomerado polimíctico (TpmCgp) está compuesto por fragmentos de roca de tamaños desde la arena fina hasta boleos de 40 cm de diámetro, dispuestos en estratificación masiva a gruesa; los componen clastos de andesita, granito, gneis, metagranito, metacalizas oxidadas y calizas fosilíferas. Aflora en ambas márgenes de la boquilla, en el cauce está cubierto por aluvión y en las laderas parcialmente cubierto por una capa de depósitos de talud con un espesor promedio 1,5 m. En la margen izquierda, el espesor del conglomerado varía de 30 a más de 180 m desde el cauce hacia la parte alta de la ladera. En margen derecha es más abundante, con espesores mayores de 250 m.

Las andesitas (TemA) se localizan principalmente al norte del eje de la cortina, se trata de un cuerpo que se inyectó como un cuerpo hipabisal, empujándo al conglomerado y a sí misma con un movimiento ascendente. Están parcialmente cubiertas por depósitos de talud y aluvión en la ladera y en las cercanías al cauce. Ocasionalmente se tiene presencia de suelo.

El contacto conglomerado – andesita, en partes se tiene una franja de asimilación magmática y en otras

se presenta un color rojizo debido a requemamiento; algunos monolitos del conglomerado se encuentran aislados y flotando en estas rocas magmáticas. En el eje de la cortina ECC, margen izquierda y en la zona del portal de entrada del desvío en margen derecha, las andesitas se presentan muy fracturadas y alteradas.

2.2 Exploración Indirecta

Como parte de los estudios de caracterización geológica, se realizaron trabajos de exploración geofísica, mediante sondeos eléctricos verticales (SEV) y tendidos de refracción sísmica (TRS) en secciones de interés para el proyecto. Estos estu-dios que se realizaron sobre las aéreas de influen-cia de las diferentes obras civiles y junto con las secciones geológicas, son de gran utilidad para complementar la distribución subterránea de la lito-logía, determinar el espesor de la capa superficial que forman diversos materiales no consolidados y las rocas intemperizadas, localizar estructuras geológicas y estimar la calidad del macizo rocoso de forma cualitativa.

El piso del túnel de desvío nuevo trazo, estará desplantado en su mayor longitud en roca de bue-na calidad (velocidad de onda primaria de 3,6 a 4,9 km/s) salvo en un pequeño tramo de portal de entrada, donde la velocidad es de 1,1 a 1,6 km/s.

2.3 Exploración Directa

Para conocer con mayor detalle la geología y las propiedades de la roca a la profundidad donde se excavará la obra de desvío, dentro del estudio ge-neral para las diferentes obras del Proyecto.

Para el estudio de la margen derecha se perfora-ron 18 barrenos. De ellos, 12 se orientaron a la ex-ploración geológica de detalle del túnel; además proporcionan información para definir la posición de las fallas y fracturas a profundidad. En un ba-rreno se realizaron pruebas de deformabilidad y en otro se utilizó como parte de estudio del riesgo sís-mico del sitio. En la margen derecha los barrenos confirmaron junto con la exploración geofísica que se tiene una capa superficial de conglomerado descomprimido y fracturado con un espesor no mayor de 10 m. Éste mejora notablemente con el aumento de la profundidad, mientras que la unidad de andesita presenta condiciones de menor cali-dad.

A groso modo las diferencias en calidad entre conglomerado y andesita pueden observarse en la

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(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

tabla 1 mediante los porcentajes de recuperación y RDQ.

Tabla 1. Barrenos en zona de obras, margen derecha_____________________________________________________Barreno Litología Profundidad(m) Recuperación(%) RQD(%)_____________________________________________________PA-2 TpmCgp 60,40 86 79PA-4 TpmCgp/ TemA 94,00 92 78BI-4 TemA 71,10 73 38 BI-6 TpmCgp 30,10 84 66BI-8 TpmCgp 60,30 92 89BI-10 TpmCgp 49,05 93 80BI-12 TpmCgp 42,25 94 86BI-16 TpmCgp 70,10 88 78BI-18 TpmCgp/ TemA 45,20 86 56BI-22 TemA 75,05 68 18BI-26 TpmCgp/ TemA 65,00 96 60MDE-1TpmCgp 100,00 96 86 _____________________________________________________

El barreno BI-22, localizado en la salida de portal del túnel de desvío presenta planos de fallá casi en su totalidad, con inclinaciones promedio de 60° a 70º, algunos con estrías así como tramos arcillo-sos producto de la alteración de la roca, que indica zonas de fallamiento intenso.

2.4 Geología EstructuralEn esta sección se aborda el estudio de la distribución espacial y orientación de las discontinuidades presentes en el sitio de estudio.

En los estudios geológicos se determinó que en la zona existen cuatro sistemas preferenciales. En cuanto a su abundancia, el sistema principal (s1y S1) tiene una dirección NE – SW, el sistema 2 se orienta NW – SE, el tercer sistema es sensible-mente E – W y el cuarto N – S.

Con una orientación preferencial de NW56ºSE y echado de 36º al SW, se presenta una estratifica-ción en la unidad de conglomerados, con estratos de 60 cm de espesor promedio.

La estratificación no presenta planos disyuntivos en el macizo rocoso, por lo que se considera que no influirá en la estabilidad del túnel.

En el tabla 2 se presenta la dirección y buzamiento de los sistemas de discontinuidades obtenidos en marguen derecha.

Tabla 2. Geología estructural margen Derecha_____________________________________________________Estructura Sistema S1 Sistema S2 Sistema S3 Sistema S4 geológica_____________________________________________________Fallas NE52°/81°SE NW43°-51°/77 NW 83°/78°SE NE14°/72°SE 80°NE y SWFracturas NE52°-54°/78° NW54°-78°/77-80° NE04°/85°SE -81°SE NE y SW Estratificación NW56°/36°SW _____________________________________________________

Los sistemas de fracturamiento que afectan el sec-tor del túnel de desvío, se presentan en la tabla 3

Tabla 3. Sistema de fracturamiento en la obra de desvío_____________________________________________________Sistema s1 s2 s3 _____________________________________________________

Túnel y portal NE38°-66°/81°-87° NW63°/81°SW NW 77°-88°/60°-78° entrada NW y SE NE y SW

Portal de NE55°-61°/77°-89° salida NW y SE _____________________________________________________

2.5 Modelo geotécnico

El modelo geotécnico resulta de gran utilidad, en-tre otras cosas para identificar los posibles riesgos que enfrentará la obra tanto en excavaciones a cielo abierto com o en las subterráneas. En el modelo geotécnico se obtuvieron las unidades siguientes:

Ug-1a Conglomerado de buena calidadUg-1b Conglomerado de buena a mala cali-dadUg-1c Conglomerado de zona descomprimi-da y de muy mala calidadUg-2a Andesita de regular calidadUg-2b Andesita de la zona de asimilaciónUg-2c Andesita alterada (del cauce y margen izquierda)Ug-2d Andesita de mala a muy mala calidadUg-3 Falla el Estanque

La sección geotécnica del túnel de desvío se muestra en la figura 3. En el portal de entrada se tienen las unidades geotécnicas Ug-2a y Ug-2d. La primera unidad (Ug-2a), que corresponde a una andesita de buena calidad, aflorará en la parte in-ferior. La segunda unidad (Ug-2d) es una andesita fracturada e intemperizada que en la parte supe-rior y se tiene en la mayor parte del talud. Se pre-vén la presencia de fallas que están a rumbo de los taludes, un fuerte fracturamiento y alguna posi-bilidad de volteo de pequeños bloques.

En un tramo del túnel es una zona de poca cober-tura y de mala calidad. Los principales riesgos pueden ser cuñas inestables, fracturamiento y al-teración en las cercanías a las fallas.

En el portal de salida se tienen dos unidades geo-técnicas; Ug-1a y Ug-1c; la primera unidad corres-ponde a un conglomerado de buena calidad, se encuentra fracturado con fallas a rumbo del talud, este material se encuentra en la mayor parte del talud, la segunda es un conglomerado de mala ca-lidad, se encuentra fracturado e intemperizada, se

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4 Título del trabajo

prevé que se encuentre en la parte superior, con un espesor de 10 metros.

PARÁMETROS GE OMECÁNICOS DEL MACIZO ROCOSO

³

Ug-1a

Ug-1b

Ug-2aUg-2bUg-2d

48

88

71

55

33

61

49

45

38

66

54

50

25,81

25,93

25,73

26,04

4104

17830

10044

6138

0,22

0,17

0,19

0,21

31 3625,55 2610 0.23

2,40

7,60

2,80

8,20

32

37

35

2,20

Ug-1c55 48 5325,93 10528 0,194,90 37

msnm

ELE

VACI

ÓN

Ug-1c

Figura 2. Modelo geológico – geotécnico por el eje de la Obra de desvío

2.6 Propiedades de la roca intacta

En la tabla 4 se muestran las propiedades índice de la roca intacta para las siete unidades definidas en el modelo geotécnico, por otra parte la tabla 5 contiene las propiedades mecánicas.

Tabla 4. Propiedades índice de roca intacta_____________________________________________________Unidad Peso Volumétrico i a Ia ambiente saturado (kN/m3) (kN/m3) (%) (%) (%) (%)_____________________________________________________Ug-1a 25,83 25,93 0,82 0,33 0,75 1,43 Ug-1b 25,81 25,93 0,78 0,36 0,78 0,72Ug-1c 25,68 25,81 1,07 -- -- -- Ug-2a 25,61 25,73 1,55 0,40 1,05 2,34 Ug-2b 25,98 26,04 0,75 -- -- --Ug-2c 25,32 25,50 1,63 0,44 1,60 1,29Ug-2d 25,31 25,55 1,98 0,64 1,46 4,22Ug-3 24,70 24,83 2,81 0,74 2,22 1,03 _____________________________________________________

Donde:: contenido de agua

i: índice de alteración a: índice de absorciónIa: intemperismo acelerado

Tabla 5. Propiedades mecánicas de roca intacta_____________________________________________________Unidad Rt ci Et50 D&Mc mi VP VS Ed d (MPa) (MPa) (GPa) (MPa) (°) (km/s) (km/s) (GPa)_____________________________________________________Ug-1a 8,6 102 46,4 CM 17,9 51 23 5,2 2,4 42 0,36Ug-1b 8,5 88 50,1 CH 15,5 51 22 5,2 2,5 44 0,36Ug-1c 4,4 57 41,1 CH 10,2 50 21 3,9 1,9 26 0,34 Ug-2a 8,9 48 37,3 DH 8,4 51 23 4,8 2,1 31 0,38 Ug-2b -- -- -- -- 8,0 50 20 -- -- -- --Ug-2c 5,6 38 29,3 DH 6,7 51 21 4,7 1,8 25 0,41Ug-2d 5,1 55 30,1 CH 9,9 50 20 4,4 2,0 29 0,37Ug-3 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --_____________________________________________________

Donde: U G: unidad geotécnica Rt: resistencia en tensión indirectaci: resistencia en compresión simple

Et50: módulo de deformabilidad al 50% de la re-sistencia en compresión D&M: clasificación de Deere y Miller para roca intacta c: cohesión: ángulo de fricción interna mi: constante adimensional que depende de la matriz rocosa VP: velocidad de onda primaria (compresional) VS: velocidad de onda secundaria (cortante) Ed: módulo de deformabilidad dinámicod: relación de Poisson dinámica

El modelo de resistencia empleado para definir los parámetros de resistencia, corresponde con el crite-rio de Hoek Brown, y a partir de él se estiman los co-rrespondientes parámetros de resistencia del modelo de Mohr – Coulomb.

2.7 Propiedades geotécnicas del macizo rocoso

Como es sabido, un macizo rocoso es el conjunto de bloques de matriz rocosa (o roca intacta) y de las discontinuidades que lo afectan. Por lo tanto, al ser éste un medio discontinuo y heterogéneo; sus pro-piedades son diferentes de las de la roca intacta.

La caracterización geotécnica del macizo se realizó mediante la clasificación geomecánica propuesta por Bienawski, Rock Mass Raiting (RMR), basado en descripciones ingenieriles que toman en cuenta la resistencia de la matriz de la roca, RQD, separación y estado de las discontinuidades (longitud, abertura, rugosidad, relleno y grado de alteración), además de la presencia de agua.

En la tabla 6 se presentan las propiedades más im-portantes del macizo rocoso en el que se excavarán las obras superficiales y subterráneas.

Tabla 6. Propiedades mecánicas del macizo rocoso_____________________________________________________Unidad RQD RMR E Mohr - Coulomb Hoek – Brown c GSI mb

s (%) (GPa) (MPa) (°) _____________________________________________________Ug-1a 88 58 17,8 0,17 7,6 41 61 5,68 0,0131Ug-1b 55 53 10,5 0,19 5,4 37 48 3,40 0,0031Ug-1c 15 38 4,1 0,22 2,8 32 33 1,92 0,0006Ug-2a 71 54 10,0 0,19 3,0 37 49 3,66 0,0035Ug-2b 55 50 6,1 0,21 2,6 35 45 2,81 0,0022Ug-2c 25 40 3,3 0,22 1,9 32 35 2,09 0,0007Ug-2d 19 36 2,6 0,23 2,5 31 31 1,69 0,0005Ug-3 3 14 1,5 0,35 0,05 20 9 -- --_____________________________________________________

Donde:RQD: índice de calidad de la rocaRMR: índice de calidad del macizo rocoso

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(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 5

E: módulo de deformabilidad del macizo ro-coso: relación de poisson del macizo rocosoGSI: índice de resistencia geológico mb: constante del macizo rocoso, Hoek-Browns: constante del macizo rocoso, Hoek-Brown

2.8 Propiedades geotécnicas de las discontinuidades

Por otra parte, es de gran importancia conocer los parámetros de resistencia al corte en los planos de discontinuidad. Para esto se tomaron en cuenta tan-to las pruebas de corte directo realizadas en mues-tras cúbicas extraídas de la boquilla del proyecto, como el criterio de Barton y Choubey.

Las propiedades serán de acuerdo a lo presentado anteriormente (tabla 7).

Tabla 7. Parámetros de resistencia en fallas_____________________________________________________ Material r(°) residual _____________________________________________________ TpmCgp 18 TemA 30_____________________________________________________

Las pruebas de corte directo realizadas en muestras cúbicas en laboratorio mostraron valores de ángulo de fricción pico de 31° y 30° para el valor residual, y evidenciaron que existe un pequeño valor de la cohesión (0,1MPa). De acuerdo a la tabla anterior se considera que la estimación de los parámetros de resistencia en discontinuidades sin relleno es confia-ble.

3 CONSIDERACIONES PARA LOS ANÁLISIS GEOTÉCNICOS

La información presentada en los incisos anterio-res es la base para el análisis de estabilidad de las diferentes excavaciones requeridas para alojar las obras, considerando distintos mecanismos de falla.

Los análisis consisten en determinar los factores de seguridad para las diferentes condiciones a las que pudieran estar sometidas las excavaciones, al final de la construcción y durante la operación. Los estados límite de falla y de servicio se revisan en cada una de las excavaciones, considerando me-canismos de falla plana, falla en cuña y estado lí-mite de servicio (estado de deformaciones).

Cuando el medio es continuo, los modelos de aná-lisis se elaboran con la distribución de materiales de acuerdo al modelo geotécnico empleando el modelo de resistencia de Hoek – Brown (referen-

cia 5) por ser el que mejor describe el comporta-miento del macizo rocoso.

Los análisis de falla plana se realizarán mediante algún programa, generando la revisión mediante equilibrio límite del potencial de deslizamiento que tiene algún prisma con respecto a la excavación.

Uno de los mecanismos de falla más importantes es la falla en cuña. El método de análisis emplea-do es el de equilibrio límite considerando como fuerzas estabilizadoras las que resultan de los pa-rámetros de resistencia (modelo Mohr – Coulomb) en las discontinuidades.

La determinación de las cuñas potencialmente inestables se realiza mediante un análisis estereo-gráfico combinando los diferentes sistemas de dis-continuidades presentados anteriormente y deter-minar de esta manera una cuña máxima, la cual se considera como cuña de diseño. En seguida se seleccionan las cuñas con movimiento cinemática-mente admisible para calcular sus factores de se-guridad (FS) en condiciones de excavación estáti-ca (E), vaciado con empuje de agua llenando el 25% de las discontinuidades (A) y acción sísmica (S). Eventualmente, cuando las condiciones loca-les evidencian la formación de una cuña importan-te, se toman en cuenta las fallas y fracturas que se ubican en una zona o excavación en particular.

Los análisis de cuñas en las obras subterráneas se realizan bajo el mismo principio de equilibrio lí-mite.

La revisión del estado de deformaciones es impor-tante para verificar que no se ocasionarán defor-maciones excesivas en las excavaciones subterrá-neas y que tampoco rebasen el límite permisible en las estructuras de concreto. La revisión del es-tado límite de servicio se realiza sobre secciones críticas de las distintas obras civiles. Para este fin se utiliza el método de elemento finito bidimensio-nal. En todos los análisis la acción sísmica se eva-lúa de manera pseudoestática mediante la adición de fuerzas inerciales en el modelo y con el empleo de un coeficiente sísmico de 0,29 que corresponde a la aceleración para el sismo base de diseño con un periodo de retorno de 200 años.

Se establecieron los factores de seguridad de di-seño adoptados para cada mecanismo de falla son los siguientes (tabla 8):

Tabla 8. Factores de seguridad de diseño de las obras superficiales y subterráneas._____________________________________________________Condición de análisis (fuerzas actuantes) Factor de seguridad

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6 Título del trabajo

mínimo admisible _____________________________________________________ Peso propio (Estático) 1,5 Peso propio + Vaciado rápido 1,1 Peso propio + Sismo 1,1 Peso propio + Sismo + Vaciado rápido 1,05 _____________________________________________________

4 CONCLUSIONES

Es importante tener información fidedigna del lugar donde se encuentra el proyecto.La investigación de los parámetros del macizo rocoso tienen como objetivo reconocer geológica y geotécnicamante los parámetros necesarios para analizar su estabilidad, tanto el diseño de taludes como la excavación del túnel, calcular las medidas de estabilización y proyectar las obras.

La estructura geológica es un factor importante en la estabilidad de una excavación subterránea.Algunos factores importantes son:

Estratigrafía y litología Buzamiento de las estructuras con respecto

a la sección del túnel. Dirección de la estratificación con respecto

al túnel. Tipos de pliegue Cartografía geológica y análisis estructural Geología Estructural (Identificación de fallas

y fracturas). Tamaño, relleno, resistencia, etc. de las

mismas estructuras. Transmisibilidad hidráulica. Estudios sismológicos regionales. Caracterización de fallas, por edad, tipo y

geometría.

Las propiedades del macizo rocoso nos alluda a conocer la posible respuesta del macizo rocoso ante las acciones naturales e inducidas determina las condiciones de estabilidad del túnel y, como consecuencia, las medidas de sostenimiento a aplicar. Por otro lado, el proceso constructivo también depende de la forma de excavación de las rocas, que así mismo es función de la resistencia, dureza y abrasividad, entre otros factores.

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