Nuevo modelo Madrid para la estimación de asientos producidos en túneles con tuneladoras epb de gran diámetro

Resumen

Partiendo de una situación actual (desarrollo de trabajos de ejecución de túneles con tuneladora en el ámbito de la ciudad y alrededores de Madrid), se realiza un planteamiento del “problema”: la estimación de asientos con los modelos existentes (principalmente el Modelo Madrid, Oteo et al, 1999) da valores, en general, superiores a los reales. Para poder dar solución a este “problema” se han realizado una serie de estudios y trabajos cuyo fin último es lograr un modelo más ajustado a la realidad. Para ello se ha llevado a cabo: - Descripción del encuadre geológico de Madrid (capital y alrededores) y análisis de las propiedades geotécnicas, principalmente las relacionadas con la deformabilidad in situ de los suelos. - Descripción de las diferentes ampliaciones llevadas a cabo en el Metro de Madrid, para entender la importancia de establecer un modelo futuro (aunque se haya ejecutado una de las redes de metro mejores del mundo, se seguirá realizando obra subterránea), y analizar tanto los métodos constructivos empleados como su evolución (donde las tuneladoras alcanzan un importancia singular, aunque se siguen utilizando otros métodos). - Establecimiento de la metodología para poder implantar un nivel de control determinado en una obra subterránea, donde el análisis de subsidencias es determinante. Dicho nivel de control condicionará el seguimiento de las subsidencias provocadas por la ejecución de la obra subterránea. Se destacan algunas medidas para la limitación de tales movimientos: Diseño de un plan de avance de la tuneladora: establecimiento de la presión en el frente y control de la misma, peso o volumen del material excavado y relleno del “gap”: presión, volumen, tiempo de fraguado, etc. Posibles tratamientos preventivos del terreno. - Repaso de algunos de los métodos posibles para la estimación de la subsidencia: analíticos, semiempíricos y numéricos, centrándose en los utilizados habitualmente en el área de Madrid: métodos de Peck, Sagaseta y Oteo y Modelo Madrid. - Con los modelos normalmente utilizados, se realiza una estimación de la subsidencia (volumen de asientos) de las obras de metro del periodo 2003 – 2007 ejecutadas con tuneladora, trabajando en modo EPB (líneas que son descritas). - Recopilación de todos los datos de la instrumentación dispuesta (sólo se analizan aquellos que puedan considerarse de “campo libre”: no en edificios ni en infraestructuras ni en zonas en donde se haya realizado un tratamiento del terreno), obteniendo el volumen de asientos real, calificado como “medido”. - La comparativa entre ambos valores: el volumen de asientos esperable y medido, justifica la necesidad de un nuevo modelo. Se analiza en términos de volumen de asientos por ser adimensional y no depender directamente del diámetro. - El manejo de los datos recopilados de la instrumentación dispuesta conlleva una serie de fases para obtener la ley finalmente propuesta: Análisis preliminar para depurar los valores considerados anómalos: distancia al eje del túnel (se eliminan los registros de los instrumentos a más de 20 m), incompatibilidad de datos en una misma sección (en horizontal o vertical) y levantamientos (o asientos negativos) • Una vez considerados los datos como válidos, se analizan desde diferentes criterios con el objeto de establecer la ley que mejor se adapte a los mismos. Para ello se ha tenido en cuenta: Variación del volumen de asientos respecto al recubrimiento resistente relativo, esto es, cobertera resistente dividida por el diámetro de la excavación. Se adopta, por la “bondad” presentada (coeficiente de regresión y facilidad de aplicación), una ley de variación logarítmica. Adopción de unos rangos de valores acordes con los esperados (aunque los datos proporcionen una magnitud del volumen de asientos, éstos deben estar dentro de unos intervalos “lógicos” y contrastados con la experiencia). Los criterios establecidos para el análisis son: Por formaciones (detrítica, yesífera y de transición) Por posición del punto de medida respecto al punto de inflexión (menor de i/2, entre i/2 y 15 m y más de 15 m) Por presión en la cámara de tierras (mayor del 20% de la presión vertical total, entre el 10 y el 20% y menor del 10%) Por cobertera total (mayor o menor de 2 diámetros) Considerar la globalidad de todos los datos. En todos los criterios indicados, además se ha diferenciado entre cobertera resistente relativa superior o inferior a dos diámetros. El criterio finalmente adoptado ha sido el de considerar la globalidad de los datos, que aún sin presentar el mejor coeficiente de regresión, está muy próximo al mismo. - De esta forma, se presenta una única ley de variación del volumen de asientos en función de la cobertera resistente relativa, en dos tramos: El primero de ellos, logarítmico, hasta un determinado valor de HP/D El segundo, constante a partir de dicho valor. Se presenta un intervalo de variación, esto es un máximo y un mínimo. - Por último, se ha comprobado y validado la ley propuesta, comparándola con los valores obtenidos en tres obras de ampliación del Metro de Madrid realizadas recientemente, entre los años 2009 y 2010. Se establecen, por último una serie de limitaciones al modelo propuesto (básicamente para la ciudad de Madrid y sus alrededores, con una posible aplicación a entornos con un esquema geológico-geotécnico similar, introduciendo un coeficiente corrector que podría ser el conciente entre los módulos de deformación en descarga). Las investigaciones futuras se basan fundamentalmente en tener la certeza de que la tuneladora funciona correctamente, esto es: control de volumen excavado, control de la presión y del volumen de relleno del gap y sobre todo control de la presión en la cámara de la tuneladora, no solo en la clave sino tener la certeza de la existencia de un gradiente de presiones en la misma, lo que implica necesariamente un correcto trabajo en modo EPB. The matter is set out from a real situation (tunnel perforation with tunnel boring machines in the city area of Madrid and surroundings): data estimation with existing models (mainly Madrid Model, Oteo et al, 1999) offers values, in general, higher than actual ones. In order to solve this “problem”, a series of surveys have been conducted trying to find a more consistent model with the reality: - Description of the geological frame of Madrid (city and surroundings) and analysis of geotechnical features, mainly the ones related to on-site deformability of soils. - Description of the different extensions developed in Metro de Madrid in order to understand the importance of setting up a future model (in spite of having built one of the best underground networks in the world, more subterranean works will be made), and to analyze the construction methods used and their evolution (where the TBMs are of great importance, although other methods are still used). - A methodology is set in order to introduce a fixed level of control in a subterranean site, where the subsidence analysis is crucial. That level of control will condition the tracking of the subsidence induced by the subterranean works execution. Some steps to reduce such movements are highlighted here: Design of a plan of advance for the TBM: setting up of frontal and side pressure and its control, weigh or volume of excavated material and filling of the “gap”: pressure, volume, time of setting, etc. Possible preventive ground treatments. - Some of the possible methods to estimate the subsidence are reviewed: analytic, semiempiric and numerical, focusing in the most commonly used in the area of Madrid: Peck, Sagaseta and Oteo methods and Madrid model. - With these commonly used models, an estimation of subsidence (volume loss) in the underground works performed with TBM for the period 2003- 2007 is calculated, using the EPB mode (lines which are described). - A compilation of all data coming from the set out instruments is made (only those considered as coming from “green-field” areas are analyzed: not the ones coming from buildings, infrastructures or areas where the soil has been manipulated), obtaining a real volume of data, qualified as “measured”. - The comparison between the two set of values (expectable and measured data) justifies the need for a new model. The analysis is carried out according the volume of data because they are dimensionless and aren’t directly dependant from the diameter. - The processing of the collected data measuring with instruments needs a series of steps in order to find the finally proposed law: Preliminary analysis to eliminate values considered as anomalous: distance to the tunnel axis (registers of instruments located to more than 20 m. are eliminated), incompatibility of despalcement in the same section (horizontal or vertical) and heave Once the data considered as validated are taken, they are analyzed according to different criteria in order to find the law who best adjusts to them. In order to do so it has been taken into account: Variation of the volume of data compared to relative resistant overburden, i.e. resistant cover divided by the diameter of the excavation. A logarithmic law of variation is adopted because of the accuracy presented (regression coefficient and simplicity of application). Adopting a range of values consistent with those expected (although the data provide a magnitude of the volume, these should be within a "logical" range and contrasted with the experience.) The established criteria for the analysis are; By formations (detritus, gypsum and transition) By location of the measuring point regarding the inflection point (less than i / 2, between i / 2 and 15 m and over 15 m) Under pressure in the chamber of land (more than 20% of the total vertical pressure, between 10 and 20% and less than 10%) By total cover (more or less than 2 diameters) Considering all data globally. In all indicated criteria, a distinction has been made between relative resistant cover over or below two diameters. The finally adopted criteria have been considering all data globally. Although it doesn’t show the best regression coefficient, is quite next to it. - In this way, an only law of variation of data volume regarding relative resistant overburden, in two sections: The first of all, logarithmic, up to a determined value of HP/D. The second one, constant from that value on. An interval of variation (i.e. a maximum and a minimum value) is Provided - Finally, the proposed law has been checked and validated confronting it with the values obtained from the last three recently accomplished works of Metro de Madrid extension, between the years 2009 and 2010. As a final point a series of limitations to the proposed model are also established (basically concerning the city of Madrid and surroundings, with a possible application to environments with a similar geologic-geotechnical frame, inserting a corrective coefficient that could be the quotient between the different Young´s modulus from unloaded. Future research must be based upon the conviction that the Tunnel boring machine works correctly; i.e. the excavated volume control, gap filling volume and pressure control and most of all TBM chamber pressure control, not only at vault but also having the certainty of the existence of a pressure gradient in it, which implies necessarily a correct performance on EPB mode.