Abstract
Ya en el informe acerca del estado de la tecnología en la excavación profunda y en la
construcción de túneles en terreno duro presentado en la 7ª Conferencia en Mecánica de
Suelos e Ingeniería de la Cimentación, Peck (1969) introdujo los tres temas a ser tenidos en
cuenta para el diseño de túneles en terrenos blandos:
o Estabilidad de la cavidad durante la construcción, con particular atención a la
estabilidad del frente del túnel;
o Evaluación de los movimientos del terreno inducidos por la construcción del
túnel y de la incidencia de los trabajos subterráneos a poca profundidad sobre
los asentamientos en superficie;
o Diseño del sistema de sostenimiento del túnel a instalar para asegurar la
estabilidad de la estructura a corto y largo plazo.
Esta Tesis se centra en los problemas señalados en el segundo de los puntos,
analizando distintas soluciones habitualmente proyectadas para reducir los movimientos
inducidos por la excavación de los túneles.
El objeto de la Tesis es el análisis de la influencia de distintos diseños de paraguas de
micropilotes, pantalla de micropilotes, paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting en
los asientos en superficie durante la ejecución de túneles ejecutados a poca profundidad, con
objeto de buscar el diseño que optimice los medios empleados para una determinada
reducción de asientos.
Para ello se establecen unas premisas para los proyectistas con objeto de conocer a
priori cuales son los tratamientos más eficientes (de los propuestos en la Tesis) para la
reducción de asientos en superficie cuando se ha de proyectar un túnel, de tal manera que
pueda tener datos cualitativos y algunos cuantitativos sobre los diseños más óptimos,
utilizando para ello un programa de elementos finitos de última generación que permite
realizara la simulación tensodeformación del terreno mediante el modelo de suelo con
endurecimiento (Hardening Soil Small model), que es una variante elastoplástica del modelo
hiperbólico, similar al Hardening Soil Model. Además, este modelo incorpora una relación
entre deformación y el modulo de rigidez, simulando el diferente comportamiento del suelo
para pequeñas deformaciones (por ejemplo vibraciones con deformaciones por debajo de 10-5
y grandes deformaciones (deformaciones > 10-3). Para la realización de la Tesis se han elegido cinco secciones de túnel, dos
correspondiente a secciones tipo de túnel ejecutado con tuneladora y tres secciones ejecutados
mediante convencionales (dos correspondientes a secciones que han utilizado el método Belga
y una que ha utilizado el NATM).
Para conseguir los objetivos marcados, primeramente se ha analizado mediante una
correlación entre modelos tridimensionales y bidimensionales el valor de relajación usado en
estos últimos, y ver su variación al cambio de parámetros como la sección del túnel, la
cobertera, el procedimiento constructivo, longitud de pase (métodos convencionales) o
presión del frente (tuneladora) y las características geotécnicas de los materiales donde se
ejecuta el túnel.
Posteriormente se ha analizado que diseño de pantalla de protección tiene mejor
eficacia respecto a la reducción de asientos, variando distintos parámetros de las
características de la misma, como son el empotramiento, el tipo de micropilotes o pilote, la
influencia del arriostramiento de las pantallas de protección en cabeza, la inclinación de la
pantalla, la separación de la pantalla al eje del túnel y la disposición en doble fila de la
pantalla de pantalla proyectada.
Para finalizar el estudio de la efectividad de pantalla de protección para la reducción
de asiento, se estudiará la influencia de la sobrecarga cercanas (simulación de edificios) tiene
en la efectividad de la pantalla proyectada (desde el punto de vista de reducción de
movimientos en superficie).
Con objeto de poder comparar la efectividad de la pantalla de micropilotes respecto a
la ejecución de un paraguas de micropilotes se ha analizado distintos diseños de paraguas,
comparando el movimiento obtenido con el obtenido para el caso de pantalla de micropilotes,
comparando ambos resultados con los medidos en obras ya ejecutadas.
En otro apartado se ha realizado una comparación entre tratamientos similar,
comparándolos en este caso con un paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting.
Los resultados obtenidos se han con valores de asientos medidos en distintas obras ya
ejecutadas y cuyas secciones se corresponden a los empleados en los modelos numéricos. Since the report on the state of technology in deep excavation and tunnelling in hard
ground presented at the 7th Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Peck
(1969) introduced the three issues to be taken into account for the design of tunnels in soft
ground:
o Cavity Stability during construction, with particular attention to the stability of
the tunnel face;
o Evaluation of ground movements induced by tunnelling and the effect of
shallow underground workings on surface settlement;
o Design of the tunnel support system to be installed to ensure short and long
term stability of the structure.
This thesis focuses on the issues identified in the second point, usually analysing
different solutions designed to reduce the movements induced by tunnelling.
The aim of the thesis is to analyse the influence of different micropile forepole
umbrellas, micropile walls, jet grouting umbrellas and jet grouting wall designs on surface
settlements during near surface tunnelling in order to use the most optimal technique to
achieve a determined reduction in settlement.
This will establish some criteria for designers to know a priori which methods are
most effective (of those proposed in the thesis) to reduce surface settlements in tunnel design,
so that it is possible to have qualitative and some quantitative data on the optimal designs,
using the latest finite element modelling software that allows simulation of the ground’s
infinitesimal strain behaviour using the Hardening Soil Small Model, which is a variation on
the elasto-plastic hyperbolic model, similar to Hardening Soil model. In addition, this model
incorporates a relationship between strain and the rigidity modulus, simulating different soil
behaviour for small deformations (eg deformation vibrations below 10-5 and large
deformations (deformations > 10-3).
For the purpose of this thesis five tunnel sections have been chosen, two sections
corresponding to TBM tunnels and three sections undertaken by conventional means (two
sections corresponding to the Belgian method and one corresponding to the NATM).
To achieve the objectives outlined, a correlation analysis of the relaxation values used
in the 2D and 3D models was undertaken to verify them against parameters such as the tunnel
cross-section, the depth of the tunnel, the construction method, the length of step (conventional method) or face pressure (TBM) and the geotechnical characteristics of the
ground where the tunnel is constructed.
Following this, the diaphragm wall design with the greatest efficiency regarding
settlement reduction was analysed, varying parameters such as the toe depth, type of
micropiles or piles, the influence of bracing of the head protection diaphragm walls, the
inclination of the diaphragm wall, the separation between the diaphragm wall and the tunnel
axis and the double diaphragm wall design arrangement.
In order to complete the study into the effectiveness of protective diaphragm walls ofn
the reduction of settlements, the influence of nearby imposed loads (simulating buildings) on
the effectiveness of the designed diaphragm walls (from the point of view of reducing surface
movements) will be studied.
In order to compare the effectiveness of micropile diaphragm walls regarding the
installation of micropile forepole umbrellas, different designs of these forepole umbrellas
have been analysed comparing the movement obtained with that obtained for micropiled
diaphragm walls, comparing both results with those measured from similar completed
projects.
In another section, a comparison between similar treatments has been completed,
comparing the treatments with a forepole umbrella by jet grouting and jet grouting walls.
The results obtained compared with settlement values measured in various projects
already completed and whose sections correspond to those used in the numerical models.
