Cavernas Soterramiento Sarmiento

Cavernas Soterramiento
Ferrocarril Sarmiento
Dr. Alejo O. Sfriso

Universidad de Buenos Aires materias.fi.uba.ar/6408 asfriso@fi.uba.ar
SRK Consulting (Argentina) www.srk.com.ar asfriso@srk.com.ar
AOSA www.aosa.com.ar asfriso@aosa.uba.ar
Índice
Cavernas soterramiento Sarmiento
• Cavernas del Soterramiento del Sarmiento

• Procedimiento constructivo típico
• Validación de procedimientos constructivos
• Cruce de las pilas de Autopista Illia
• Cavernas post-TBM
• Tímpanos
2
Las cavernas del Sarmiento
Las cavernas del

Soterramiento son
las más grandes
diseñadas en el
Pampeano
• Ancho: 21.2 m
• Altura: 17.4 m
• Longitud: 242 m
• Tapada: 8|11 m
• Ferrocarriles
circulando
3
durante excavación
Condiciones geotécnicas
Cavernas en Pampeano Medio

• Tapada mínima 7.5 m (35% del ancho)
• Distancia mínima al Puelche 6.1 m
(29% del ancho)
Estación Tapada Pampeano Pampeano Pampeano Dist. al

[m] Superior [m] Medio [m] Inferior [m] Puelche [m]
Flores 10.5 10 19 5 6.1
Floresta 8.0 8 20 4 6.6
Villa Luro 7.5 8 22 3 8.1
Liniers 11.0 9 20 7 7.6
Ciudadela 9.5 9 21 5 8.1
Ramos Mejía 10.5 10 24 6 12.1
4 Haedo 8.0 11 31 - 16.6
Índice

• Tímpanos
5
6
Procedimiento constructivo
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
La Estación Corrientes
28
29
30
31
Todas las etapas de

construcción a la vez
32
Vista desde el banco

intermedio
33
Índice

• Tímpanos
34
Validación de procedimientos
constructivos
• Modelo: 60m x 100 m x 45 m

• ~530.000 elementos
• Abatimiento de napa por galería
• No se abate el Puelchense
35
Modelo de secuencia de
obras tempranas
• Abatimiento del nivel freático

• Excavación del
pozo de ataque
• Excavación de
galería de acceso
• Apertura manual de bóveda
• Desarrollo de frente de
excavación hasta
configuración típica
36
Ingreso a caverna
• Excavación manual
de bóveda 16 m
• Excavación de
banco 8 metros
• Exc. contrabóveda
2x8m
37
38
Transición
Procedimiento
típico
• Bóveda 3 x 2 m
• Hastial sup 3 x 2 m
• Hastial inf 2 x 3 m
• Contrabóveda 6 m
39
Factores de seguridad
• Fin de excavación inicial,

antes de contrabóveda
– SSR = 1.91
– Falla cilíndrica desde
superficie
• Fin de excavación 6 m
en bóveda:
– SSR = 1.99
– Falla local de frente
40
Asentamientos
60 m:
abat. 15 m:
napa 5 mm
𝛿 [mm]
Eje caverna 22|27
10 m del eje 9|11
15 m del eje 4|6
41
Solicitaciones en sostenimiento
primario
Las solicitaciones en la bóveda cambian

a lo largo del proceso de excavación
Se requiere amplia redundancia estructural
• Hormigón en edad temprana
• Variabilidad geométrica y geotécnica
• Reología del suelo y del hormigón
Solicitaciones en bóveda 𝑀 𝑁
[kNm/m] [kN/m]
Inicio excavación bóveda 15 690
Inicio excavación contrabóveda 15 1077
Fin construcción contrabóveda 18 1534
Primer hastial completo 64 1341
42 Tramo típico estabilizado 23 2150
Análisis de riesgo estructural del
sostenimiento primario
• Análisis de Montecarlo sobre método de Núñez

1 2 1−𝐾0 1
– 𝑁𝑐 = 𝜂 𝐷 𝛾𝐻 + 𝑞 𝐾0 + − 𝐾0 𝛾𝐷2
2 3 1+𝑎 12
1 𝑎
– 𝑀𝑐 = 𝜂 1 − 𝐾0 𝛾𝐻 + 𝑞 𝐷2
16 1+𝑎
Parámetro Pampeano Pampeano Shotcrete
Superior Medio
𝛾 [kN/m3] 19 ± 0.4 19 ± 0.4 -
𝑐 ′ [kPa] 15 ± 5 35 ± 5
𝜙 ′ [o] 30 ± 1 32 ± 1
𝑓𝑐′ [MPa] 23 ± 5.5
Este análisis desprecia la (muy importante) capacidad de

redistribución de esfuerzos del conjunto caverna-terreno
43
Análisis de riesgo estructural del
sostenimiento primario
• Probabilidad de falla
según Montecarlo
𝑓𝑎𝑙𝑙𝑎𝑠
𝑃𝑓 =
𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠
• Intervalor para un nivel
de confianza 𝑁𝑐 = 99%
1 − 𝜀, 1 + 𝜀 𝑝𝑓
1+𝑁𝑐
Φ−1 2 1+𝑃𝑓
𝜀=
𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑃𝑓
– Haedo: 5 ± 0.6 ∙ 10−5

– Liniers: 3 ± 0.1 ∙ 10−4
44
Validación numérica mediante
Point Estimate Method (32 corridas)
Normales:
mayor
efecto de
tapada
Momentos:
sin impacto
(rango elás-
tico en el
terreno)
45
Validación numérica mediante
Point Estimate Method (32 corridas)
Tensiones de
compresión Pata de elefante
bóveda
(amplia
redundancia)
Tensiones
de tracción
(ignora
cerchas)
46
Índice

• Tímpanos
47
Villa Luro: interacción con las pilas
de la Autopista
La caverna pasa a medio metro de algunas pilas de la AU6

• Cota de punta de la pila en el tercio superior de la caverna
Solución propuesta
• Confinamiento del terreno
con micropilotes
𝑁
• Avances cortos y sostenimiento
de caverna reforzado
• Los micropilotes
se cargan a flexión y
compresión
48
Villa Luro: interacción con las pilas
de la Autopista
49
Índice

– Tritubo
– NATM
• Tímpanos
50
Haedo: el túnel construido
antes de la estación
La Estación Haedo fue el primer diseño de

una caverna subterránea construida luego
del paso del túnel TBM
Desafíos
• Reducido espacio anular
para operación de equipos
• Estabilidad del túnel TBM
durante la excavación
• Desmonte controlado de
las dovelas punto de partida:
túnel construido
51
Propuesta: tritubo
El túnel TBM se
ejecuta con dovelas
convencionales
Las dovelas que

quedan son parte
de la estación
52
53
Antecedentes: Estación Once
Antecedente: Estación Los Orientales
54
Antecedente: Estación Los Orientales
55
Etapa 1
Recalce de dovelas con sistema de arco – puntal – tensor
C C
56
Etapa 2
• Excavación de bóveda en avances de 1.50 m

• Sostenimiento primario c/shotcrete, malla y cerchas
57
Etapa 3
• Excavación del banco en retroceso en avances de 3 a 5 m

• Presolera con hormigón proyectado
58
Etapa 4
• Demolición de dovela lateral

• Ejecución de solera definitiva
59
Etapa 5
• Ejecución de vigas y columnas

• Ejecución de bóveda definitiva
60
Etapa 6
• Repetición de etapas hasta completar la longitud apuntalada
61
62
Desplazamientos
Seguridad geotécnica
El procedimiento es
vulnerable durante
la excavación de bóveda
• Galería piloto (m. alemán)
• Anillo cerrado en el frente
𝑆𝑆𝑅 = 1.42
63
Análisis estructural
64 Momentos flexores Esfuerzos normales Esfuerzos de corte

Análisis estructural
En Buenos Aires se exige

el análisis estructural
(placas y resortes)
• Conservador y seguro
• Permite LRFD
65
Apuntalamiento temporario
Equilibrio de fuerzas:
pernos de corte por fricción
• Corte en servicio: ~1700 kN
• Compresión en servicio: 1500 kN
66
Índice

– Tritubo
– NATM
• Tímpanos
67
Excavación NATM alrededor
del túnel TBM
68
69
Secuencia de inicio
70
Primer anillo
Secuencia
típica
• Tres avances
en bóveda
• Un avance triple
en hastiales
• Demolición de
dos anillos
(a ajustar en obra)
• Cierre de solera
71
Etapa 1
• Colocación del refuerzo interior

• Excavación de bóveda
72
Etapa 2
• Retiro de dovela superior y laterales

• Excavación de los bancos laterales
73
Etapa 3
• Retiro de dovela inferior

• Excavación del banco inferior
• Ejecución de presolera
74
Asentamientos
Asentamientos reducidos Etapa Asentamiento

Abatimiento Eje 2.5|3.7 mm
• No muy diferente 10 m 2.3|3.2 mm
a caverna sin TBM 15 m 2.2|3.0 mm
• TBM “confina” el frente Inicio excavación típica Eje 36|34 mm
Fin excavación típica Eje 32|42 mm
(¿super-paraguas?) 10 m 16|24 mm
15 m 7|13 mm
60m
8.3 mm a 15 m
12.3 mm a 10 m
75
76
Asentamientos
Asentamientos verticales finales
Fin de excavación
• Eje de caverna: 36 mm
• 10m eje de caverna: 12 mm
• 15m eje de caverna: 8 mm
77
Solución 1: anillos abiertos
Ventajas
• Desmonte económico de dovelas
• Rápido acceso al volumen del túnel
Desventajas
16 metros
• Bajo factor de seguridad: falla local
𝑆𝑆𝑅 = 1.19
78
Solución 2: anillos cerrados
Ventajas
• Mayor seguridad
Desventajas
• Desmonte de dovelas más costoso
16 metros
• Anillos sobre la cabeza de operarios
𝑆𝑆𝑅 = 1.66
79
Solución 3: talud
Ventajas
• Muy alta seguridad geotécnica
Desventajas
• Muy difícil de construir
18 metros
• Mucha carga sobre la última dovela
𝑆𝑆𝑅 = 1.77
80
Índice

• Tímpanos
81
Tímpanos temporarios
Tímpano de hormigón proyectado

y anclajes pasivos (290 m2)
• Estabilidad de frente
• Presión de empuje
de ingreso de TBM
82
Método de González,
Nuñez y Holguín
𝐿 𝐿
𝑠𝑚2 𝑧𝑑 𝐵 𝑎 + 𝐿 + 2𝐿 𝑎 + + 𝑠𝑚3 𝑧𝑑 𝑎2 + 2.7𝑐𝑖𝑛𝑓 𝐾𝑝 + 𝑝𝑓 𝐾𝑝 𝐿𝐵 𝑎 +
2 2
𝐹𝑆 =
𝑎 𝐿 𝐿 1 1 1
𝐻 + + 𝐷0 𝑎 + 𝛾𝐿 + 𝛾𝐷0 − 𝑝𝑎 𝑎2 + 𝑞 𝑎 + 𝐿 2 − 𝑝𝑓 𝐻 2 𝐵
2 6 2 2 2 2
Evalúa momentos respecto al punto de rotación de los prismas

• 𝑠𝑚2,3 resist. caras prismas 2, 3
• 𝑧𝑑 = min 𝐷0 , 1.7𝐵
• 𝑝𝑓 : presión en el frente
• 𝑝𝑎 : presión sostenimiento
• 𝛾: peso unitario del suelo
• 𝑞: sobrecarga superficial
83 • 𝐾𝑝 : coef. emp. pasivo prisma 1
Método de Anagnostou
𝑠 = 𝐹0 𝛾𝐷 − 𝐹1 𝑐 + 𝐹2 𝛾∆ℎ − 𝐹3 𝑐Δ𝐻/𝐷
84
Método de Vermeer
Asume un diámetro equivalente

𝑎 6⋅tan 𝜙
2+3 𝐷 𝑐
Si 𝑎 < 0.5𝐷 y 𝜙 > 20°: 𝑝𝑓 = 𝛾𝐷 − 0.05 −
18⋅tan 𝜙 tan 𝜙
Produce resultados menos conservadores
González et al Anagnostou Vermeer

𝑆𝑆𝑅 𝑝𝑓 [𝑘𝑃𝑎] 𝑝𝑓 [𝑘𝑃𝑎] 𝑝𝑓 [𝑘𝑃𝑎]
1.0 4 0|0 0
1.2 18 17|25 0
1.3 25 29|37 2
1.4 31 38|46 8
1.5 37 57|65 14
85
Modelos numéricos
• Geometría real
• M1: sin fisuras, con dilatancia
• M2: sin fisuras, sin dilatancia
• M3: con fisuras (𝑅𝑖𝑛𝑡 = 0.25), con dilatancia
• M4: con fisuras (𝑐 = 0 𝑘𝑃𝑎), con dilatancia
𝑺𝑺𝑹
𝑝𝑓 [kPa] 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0
Modelo 1 1.36 1.45 1.49 1.53 1.56
Modelo 2 1.35 1.41 1.45 1.49 1.52
Modelo 3 1.27 1.31 1.35 1.38 1.41
Modelo 4 1.14 1.22 1.29 1.36 1.40
86
Modos de falla de los distintos modelos
87
Comparación de resultados
Gran dispersión
de resultados
Se adopta
𝑆𝑆𝑅 = 1.30 y
𝑝𝑓 = 25 𝑘𝑃𝑎
88
Disposición de anclajes pasivos
89
Evaluación de riesgo
El cálculo de 𝑆𝑆𝑅 se enriquece con

un análisis de riesgo geotécnico
• Funciones Beta para 𝑐, 𝜙 y
resistencia de anclajes (𝑝𝑓 )
90
Evaluación de riesgo, análisis de
Montecarlo
• Método de González, Nuñez y Holguín

• Objetivo: 𝑔 𝑐, 𝜙, 𝑝𝑓 = 𝛴𝑀𝑒 − 𝛴𝑀𝑑
• 600.000 simulaciones
• Probabilidad de falla 0.53%
91
Sector que atraviesa
la TBM
Pantalla plana anular: Geometría de cáscara

• 30 cm espesor
Sector de túnel TBM
• Cáscara esférica
– dia 13.3 m
– esp 20 cm
• No tiene anclajes
92 Reacciones de vínculo

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• Cavernas del Soterramiento del Sarmiento

Las cavernas del

Cavernas en Pampeano Medio

Estación Tapada Pampeano Pampeano Pampeano Dist. al

• Cavernas del Soterramiento del Sarmiento

Todas las etapas de

Vista desde el banco

• Cavernas del Soterramiento del Sarmiento

• Modelo: 60m x 100 m x 45 m

• Abatimiento del nivel freático

• Fin de excavación inicial,

Las solicitaciones en la bóveda cambian

• Análisis de Montecarlo sobre método de Núñez

Este análisis desprecia la (muy importante) capacidad de

– Haedo: 5 ± 0.6 ∙ 10−5

• Cavernas del Soterramiento del Sarmiento

La caverna pasa a medio metro de algunas pilas de la AU6

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La Estación Haedo fue el primer diseño de

Las dovelas que

Recalce de dovelas con sistema de arco – puntal – tensor

• Excavación de bóveda en avances de 1.50 m

• Excavación del banco en retroceso en avances de 3 a 5 m

• Demolición de dovela lateral

• Ejecución de vigas y columnas

• Repetición de etapas hasta completar la longitud apuntalada

64 Momentos flexores Esfuerzos normales Esfuerzos de corte

En Buenos Aires se exige

• Cavernas del Soterramiento del Sarmiento

• Colocación del refuerzo interior

• Retiro de dovela superior y laterales

• Retiro de dovela inferior

Asentamientos reducidos Etapa Asentamiento

• Cavernas del Soterramiento del Sarmiento

Tímpano de hormigón proyectado

Evalúa momentos respecto al punto de rotación de los prismas

Asume un diámetro equivalente

González et al Anagnostou Vermeer

El cálculo de 𝑆𝑆𝑅 se enriquece con

• Método de González, Nuñez y Holguín

Pantalla plana anular: Geometría de cáscara

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