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Consorcio Beta Ingeniería –Geotensa Ing. Roberto Úcar Navarro 326 APÉNDICE D DISEÑO DE TÚNELES UBICADOS EN ZONAS SÍSMICAS Consorcio Beta Ingeniería –Geotensa Ing. Roberto Úcar Navarro 327 1. INTRODUCCION La excavación de un túnel en un macizo rocoso genera una alteración en el estado de equilibrio del mismo, el cual se debe en parte al efecto perturbador producido por el sistema de arranque (excavación mecánica o empleando el método tradicional de perforación y voladura), y a la eliminación de una fracción del material rocoso, que previamente estaba contribuyendo con el equilibrio total del macizo. El comportamiento del túnel excavado es diferente, según se trate de rocas rígidas poco diaclasadas, rocas plásticas o muy fragmentadas, las afectadas por la tectónica, influyendo además la presión geoestática y por lo tanto, su cobertura. Por otra parte de acuerdo a Medaña [1], el túnel es probablemente, la estructura ingenieril donde el conjunto proyecto y sistema constructivo tiene la mayor relevancia. El empleo de una metodología de construcción puede no sólo incrementar el costo hasta niveles que no sea factible realizar el proyecto, sino que logra condicionar el diseño y, por ende, la obra. En estas circunstancias, es fundamental orientar cualquier proyecto de diseño de estructuras subterráneas, considerando el máximo aprovechamiento de la capacidad portante de la roca. Bajo estas condiciones, hay que tratar de obtener que el desequilibrio producido en el macizo rocoso como consecuencia de la cavidad sea mínimo, lográndose por lo tanto optimizar el consumo mínimo de elementos de sostenimiento (bulones, cerchas metálicas, vigas, hormigón, etc.). El éxito en mayor o menor grado dependerá de las condiciones geológicas y tectónicas de la zona, y de la correcta toma e interpretación de la información geológica recopilada, que permita la elaboración del modelo geomecánico en el que estará fundamentado el diseño de la obra subterránea. De esta manera, el conjunto de elementos estructurales que conforman el sostenimiento de la excavación deben diseñarse para garantizar su estabilidad, en la fase constructiva del túnel, y en su vida útil. Adicionalmente si el túnel es vulnerable a accidentes tectónicos activos, asociados a sistemas de fallamientos, sin lugar a dudas es necesario estudiar en detalle las solicitaciones generadas por las ondas sísmicas, conjuntamente con el estado de esfuerzos y deformaciones que actúan en la masa rocosa y en el soporte. Consorcio Beta Ingeniería –Geotensa Ing. Roberto Úcar Navarro 328 Vista la relevancia del tema, en este apéndice se describen los criterios de diseño actualmente utilizados para determinar el campo de deformaciones que se generan en el túnel debido a un tren de ondas que se propaga normal al eje del túnel o con un ángulo de incidencia con relación al eje de la estructura subterránea, así como el nivel de daños que puede sufrir tanto la roca como el revestimiento del túnel al producirse el movimiento del terreno. Dichos criterios de diseño se aplicarán al Túnel de Palo Grande. La respuesta de los túneles bajo la acción sísmica se determina en función de tres tipos de deformaciones: a) Deformaciones longitudinales (compresión – dilatación). b) Deformación longitudinal por flexión (curvatura). c) Ovalamiento (túneles circulares) o deformaciones transversales (racking) para túneles de sección rectangular, debido al paso de ondas de corte en un plano perpendicular al eje del túnel. Las deformaciones longitudinales (compresión-dilatación) en combinación con las generadas por la curvatura corresponden cuando las ondas sísmicas se propagan paralelamente o formando un ángulo de incidencia ( φ ) con el eje del túnel. Por lo tanto las consideraciones en el diseño del revestimiento al tomar en cuenta estas deformaciones son básicamente en la dirección longitudinal del eje del túnel. En el caso de la ovalización, se considera la condición más desfavorable que debe soportar la estructura del túnel, como consecuencia del frente de onda de corte la cual se propaga en dirección perpendicular o cercanamente perpendicular al eje del túnel, lo que resulta en una distorsión (cambio de forma) en el revestimiento del túnel. Consorcio Beta Ingeniería –Geotensa Ing. Roberto Úcar Navarro 329 2. EFECTO DINÁMICO SOBRE LA ESTRUCTURA SUBTERRANEA. Aparte de las deformaciones longitudinales previamente mencionadas, Hendron y Fernández [2] consideran que el comportamiento estructural del túnel debido al movimiento sísmico debe ser evaluado tomando en cuenta los siguientes aspectos: 1) La distorsión (cambio de forma) impuesta al soporte como consecuencia de la deformación que experimenta la roca circundante. 2) La amplificación dinámica de los esfuerzos asociados con el paso de las ondas que chocan con la cavidad. 2.1. Interacción entre la Masa Rocosa y la Estructura En el apartado siguiente, se determina analíticamente el campo de deformaciones longitudinales (compresión, dilatación y curvatura), y angulares (distorsiones), como resultado del movimiento sísmico actuando sobre la estructura subterránea. Básicamente, se pretende calcular las deformaciones producidas por las solicitaciones dinámicas en el revestimiento de hormigón, dependiendo de la rigidez relativa, del revestimiento del macizo rocoso que lo rodea. Para conocer mejor la interacción masa rocosa - estructura, es necesario determinar el coeficiente de compresibilidad y de flexibilidad. De acuerdo a Höeg [3], el primer coeficiente toma en cuenta la presión radial uniforme necesaria para producir una deformación diametral ( ∆ D/D) del revestimiento sin cambio de forma. Para un revestimiento de espesor (t) el coeficiente de compresibilidad C se obtiene a través de la expresión:
