Fundamentos Geomecánicos para el Diseño y Estabilidad de Excavaciones Subterráneas

Parámetros Geomecánicos Esenciales para el Diseño de Excavaciones Subterráneas

El proyecto y construcción de una excavación subterránea requieren datos geológicos y geomecánicos fundamentales para el diseño de los sostenimientos, la selección del método de excavación y los tratamientos del terreno. En general, se precisa la siguiente información:

1. Datos Básicos del Proyecto

• Perfil topográfico y planta del trazado a lo largo del eje del túnel.
• Sección tipo de la excavación, situación de emboquilles, distancia entre túneles gemelos, accesos intermedios, etc.

2. Datos de Carácter Sistemático

• Estructura geológica, litología, fallas y demás discontinuidades, mapas y cortes geológicos.
• Condiciones hidrogeológicas, permeabilidad y flujo subterráneo.
• Propiedades geomecánicas de la matriz rocosa, discontinuidades y macizo rocoso.
• Dirección y magnitud de las tensiones.
• Clasificación geomecánica del trazado y perfil de sectorización geomecánica.

3. Datos de Carácter Singular

• Fallas y zonas tectónicas de importancia.

Presentación de Datos Geomecánicos para Proyectos de Túneles

La información obtenida debe reflejarse en los siguientes documentos:

• Planos geológicos de superficie y a cota de túnel.
• Cortes geológicos longitudinal y transversal al túnel.
• Perfil de Sectorización Geomecánica (PSG) a lo largo del eje del túnel y a la cota de excavación; el PSG debe incluir de forma resumida la información más relevante sobre los siguientes aspectos:
  • Litología y grado de fracturación.
  • Puntos singulares de tipo litológico, tectónico, hidrogeológico, etc.
  • Zonas de filtraciones importantes.
  • Clasificación geomecánica.
  • Parámetros geomecánicos de diseño.
  • Recomendaciones sobre sostenimientos, método de excavación y tratamientos del terreno.

Estimación de Estados Tensionales Elevados en Zonas de Estudio

Es posible estimar si en la zona de estudio son previsibles estados tensionales elevados de tipo tectónico o gravitacional. En estos casos, las alternativas son las siguientes:

1. Estimar el valor de K empíricamente mediante el índice SRF o el método de Sheorey; K.
2. Determinar la dirección de las tensiones por métodos geológicos.
3. Efectuar medidas directas mediante ensayos in situ.

El Índice SRF: Factor de Alivio de Tensiones

El índice SRF, Stress Relief Factor (González de Vallejo et al., 1988), permite estimar el parámetro K a partir de datos geológicos y de la deformabilidad del macizo rocoso, cuando este se encuentra sometido a campos tensionales tectónicos importantes.

Condiciones Naturales que Afectan la Estabilidad del Macizo Rocoso en Túneles

Al excavar un túnel, se pueden encontrar tres tipos de condiciones naturales que dan lugar a la pérdida de resistencia del macizo y, por tanto, a problemas de estabilidad:

• Orientación desfavorable de discontinuidades.
• Orientación desfavorable de las tensiones con respecto al eje del túnel.
• Flujo de agua hacia el interior de la excavación a favor de fracturas o acuíferos.

Acciones Inducidas por la Excavación del Túnel y su Impacto

La excavación del túnel también genera una serie de acciones inducidas que se suman a las citadas condiciones naturales, como son:

• Pérdida de resistencia del macizo que rodea a la excavación como consecuencia de la descompresión creada: apertura de discontinuidades, fisuración por voladuras, alteraciones, flujos de agua hacia el interior del túnel, etc.
• Reorientación de los campos tensionales, dando lugar a cambios de tensiones.
• Otros efectos como subsidencias en superficie, movimientos de ladera, cambios en los acuíferos, etc.