Por Jorge Leonardo Murcia R.
El diseño de una obra subterránea involucra todas las áreas de la ingeniería y es tan versátil y variable que cada proyecto es un mundo distinto según su tipo de uso y propósito. En este sentido en le Figura 1 se muestra de manera general cada uno de los aspectos que se deben desarrollar para llegar a su materialización.
Según su tipo de uso o propósito, las obras subterráneas se pueden agrupar en 4 tipos: por localización, por aislamiento, por protección ambiental o beneficio social y por topografía (Figura 2).
Para el diseño de una obra subterránea, debemos partir desde los aspectos generales, en donde se evalúa el propósito de la obra lo cual va en línea con lo presentado en la Figura 2, cuál es su relación con el diseño y compaginar esta información con la documentación existente de la zona de interés, normativa, diseños previos si los hay y a partir de esta información plantear unas recomendaciones preliminares para su desarrollo.
De este punto pasamos a la caracterización del material a intervenir tanto desde el punto de vista geológico como geotécnico; Esta caracterización se hace a partir de estudios de la información de la zona, exploraciones directas e indirectas del material, así como de ensayos de laboratorio e in-situ. Es importante identificar entre otras cosas, zonas “homogéneas del material” en los cuales se identifiquen estructuras geológicas mayores como fallas o cizallas, condiciones hidrológicas particulares, así como zonas con propiedades similares de macizo rocoso.
Tomando como base este modelo geológico y geotécnico, el diseño debe considerar y prever los efectos que generará la excavación tanto en superficie como en el contorno de la excavación.
Para el caso de los túneles urbanos y de poca profundidad, es necesario considerar los efectos del abatimiento del nivel freático y posterior asentamiento de la superficie, la interferencia con las demás obras existentes y correlacionar estos impactos con la metodología de excavación y eventuales métodos de mejoramiento y reforzamiento del terreno previo a la excavación.
Para el caso de excavaciones profundas, generalmente mayor a 3 veces el diámetro equivalente, ya muchas de estas variables cambian y se deben considerar otros aspectos principalmente los relacionados con la condición de esfuerzos vs resistencia del macizo rocoso, presencia de estructuras mayores tipo fallas, así como geometrías de excavación más complejas y de mayor dimensión. Adicionalmente, se presentan mayores incertidumbres con la condición geología, geotécnica e hidráulica del sector por falta de información y mayor dificultar para su estudio, es decir entre más profundo el túnel mayor incertidumbre se tiene y por ende mayor probabilidad de encontrar condiciones adversas o por fuera de lo considerado en el diseño. Respecto a la información geotécnica, una de las más complejas de evaluar corresponde al estado de esfuerzos in-situ, primero por niveles elevados de esfuerzos, dificultad de su cálculo particularmente con la dirección de los esfuerzos principales así como la magnitud del esfuerzo horizontal, de la mano de esto tenemos altas presiones de agua, estadillos de roca, swelling y squeezing, altas temperaturas etc.
Desde el último punto de vista del sistema de soporte, entrando en los conceptos de diseño se debe crear el modelo geotécnico y desarrollarlo mediante la aplicación de métodos válidos para la mecánica de rocas y mecánica de suelos, los cuales pueden ser empíricos, análiticos o numéricos. Finalmente, teniendo en cuenta la incertidumbre y variabilidad que presentan los suelos y las rocas en el ámbito de excavaciones subterráneas, es necesario crear un sistema exhaustivo de monitoreo que permita validar cada una de las premisas de diseño e identificar comportamientos atípicos del terreno tanto en fase de excavación como de operación.
Alguno de los aspectos y conceptos para tener en cuenta en el diseño de obras subterráneas son los siguientes:
Esquema de las propiedades geométricas primarias de las discontinuidades en la roca:
- Orientación: dirección e inclinación
- Espaciamiento
- Persistencia
- Rugosidad
- Resistencia de las paredes
- Abertura
- Relleno
- Presencia de agua
Criterios de resistencia y métodos de clasificación más utilizados:
Entre los criterios de resistencia desarrollados en la mecánica de rocas, se presentan estos dos:
- Criterio de Mohr – Coulomb
- Criterios de Hoek – Brown
Los métodos de clasificación más utilizados son:
- Rock Mass Rating (RMR) (Bieniawski 1976)
- Rock Tunneling Quality Index (Q) (Barton)
- Geological Strength Index (GSI)
Métodos de diseño:
Empíricos:
Principalmente se basa en experiencias previas derivadas de construcciones de estructuras en rocas similares a la que se va diseñar.
Analíticos – Equilibrio Límite:
- Se aplica al desarrollar un análisis de equilibrio limite, basado en las características de resistencia del macizo rocoso y las discontinuidades.
- Con base en formulaciones exactas (formula de Lamé).
Análisis numéricos:
Consiste en aplicar el estado de esfuerzo-deformación en la estructura ingenieril, considerando la resistencia y propiedades de deformación del macizo rocoso y sus discontinuidades
Este es mi aporte para ustedes a manera de esbozo para que se animen a profundizar en estos temas.
