Este artículo se publicó por primera vez en la edición de agosto de 2024 del Geomechanics and Tunneling Journal.
A medida que las ciudades crecen y los proyectos de infraestructura dentro de ellas se vuelven cada vez más ambiciosos, existe una demanda creciente de túneles.
Esto significa que los diseñadores e ingenieros se enfrentan a una cantidad cada vez mayor de desafíos, en especial, en la construcción de túneles de manera segura y eficiente en terrenos blandos, donde gestionar los asentamientos y garantizar la estabilidad es fundamental.
Al mismo tiempo, se espera que los equipos de construcción de túneles logren más con menos, lo que incluye trabajar con presupuestos más ajustados, cumplir con plazos más cortos y reconocer la demanda de márgenes de error más bajos.
El trabajo no se está volviendo más sencillo; sin embargo, existen formas de reducir el riesgo y la incertidumbre, así como de aumentar la precisión de sus decisiones de construcción de túneles.
¿Por qué la construcción de túneles urbanos puede ser una experiencia angustiante?
Las zonas urbanas con gran densidad de población plantean una serie de problemas para los ingenieros y diseñadores de túneles. Uno de ellos es la proximidad de la infraestructura existente, las redes de servicios públicos y los edificios. Se contará con consideraciones ambientales estrictas, como el control del ruido, la vibración y el polvo para mitigar los impactos en los residentes y las empresas. Luego, la gran complejidad logística de operar tuneladoras en espacios confinados con acceso limitado puede suponer, cuando menos, un desafío.
Incluso la elección de las tuneladoras supone un conjunto único de preguntas y decisiones complejas. ¿Qué tipo ofrecerá los resultados más efectivos en las circunstancias y condiciones del suelo (equilibrio de presión de la tierra o escudos de lodo) y cómo se toma la decisión correcta?
Construcción de Tuen Mun-Check Lap Kok Link. Al llevar a cabo análisis de sensibilidad y paramétricos en PLAXIS 3D, Golder Associates logró reducir el número de barretas necesarias para controlar la ovalización del túnel de 158 a 106. Imagen: Golder Associates Hong Kong.
Cómo el modelado numérico permite que la decisión más adecuada sea más clara
El modelado numérico preciso y detallado se ha vuelto significativo para cumplir con estos objetivos, y esencial para simular el comportamiento de suelos blandos bajo diversas condiciones de carga y drenaje. A través de métodos de simulación avanzados y el flujo de trabajo geotécnico conectado único de Seequent, los ingenieros pueden garantizar el desarrollo seguro, eficiente y sostenible de la infraestructura subterránea en las ciudades.
“La solución PLAXIS de Seequent proporciona un conjunto completo de enfoques para el modelado numérico de la excavación de túneles. Además, se adapta perfectamente con las técnicas de máquinas de equilibrado de la presión de la tierra (Earth Pressure Balance Machine, EPB) o de escudo de lodo.”
Permite que los ingenieros creen geometrías detalladas de túneles y secuencias de construcción, adaptándose a los requisitos específicos de ambos tipos de tuneladoras. Facilita el modelado de formas complejas de túneles y la incorporación de diferentes tipos de revestimiento, lo que garantiza simulaciones precisas del proceso de excavación de manera oportuna.
El modelado numérico ayuda a los ingenieros a evaluar las interacciones entre los túneles y las estructuras cercanas. Imagen: Saidel Engineering
Las funcionalidades clave incluyen PLAXIS Tunnel Designer, una poderosa herramienta creada específicamente. Cuenta con una amplia biblioteca de materiales, y una interfaz de automatización y scripting, todo integrado a la perfección en un flujo de trabajo colaborativo y conectado.
Por lo tanto, PLAXIS puede desempeñar un papel fundamental en la predicción de los movimientos del terreno, la evaluación del rendimiento del túnel y la optimización de las estrategias de apoyo.
Comprender los problemas
Una parte significativa de los túneles pasa a través de terrenos blandos, que, con frecuencia, exhiben compresibilidad alta y resistencia baja al corte, lo que aumenta el riesgo de asentamiento del suelo y deformación del túnel. Los ingenieros de modelos numéricos precisos garantizan la estabilidad e integridad del túnel durante todo el proceso de construcción y su vida útil.
La presencia de estructuras cercanas, como edificios y otros túneles, complica los proyectos de túneles. El proceso de excavación puede ocasionar movimientos del suelo que afectan la estabilidad e integridad de estas estructuras. El modelado numérico desempeña un papel importante en la evaluación de los posibles impactos y el diseño de medidas de mitigación para proteger la infraestructura existente. Al simular la interacción entre el túnel y el terreno circundante, los ingenieros pueden predecir patrones de asentamiento, identificar zonas críticas e implementar estrategias para minimizar los efectos adversos, como modificar las técnicas de excavación o instalar barreras protectoras.
… y elegir la tuneladora correcta
– Las máquinas EPB están diseñadas para controlar la presión sobre el suelo en el interior del túnel. Utilizan el propio material excavado para formar un tapón, lo que equilibra la presión y minimiza el asentamiento. La ventaja principal de las máquinas EPB es su capacidad para manejar una variedad de tipos de suelo, en especial, aquellos con plasticidad alta y permeabilidad baja.
– Las máquinas de escudos de lodo utilizan un lodo presurizado (por lo general, bentonita) para brindar soporte al interior del túnel. Este método es particularmente efectivo en suelos altamente permeables, como arenas y gravas, donde mantener la presión interior es fundamental. Los escudos de lodo son expertos en controlar la entrada de agua y mantener la estabilidad interior. La desventaja es la complejidad y el costo asociados con los procesos de tratamiento y separación de lodos, así como la necesidad de una amplia infraestructura superficial para manejar los lodos.
Features and capabilities
How PLAXIS Tunnel Designer helps tunnel teams get to the right decisions faster and more confidently
PLAXIS Tunnel Designer allows engineers to create detailed tunnel geometries and construction sequences, accommodating the specific requirements of both EPB and Slurry Shield TBMs. This facilitates the modelling of complex tunnel shapes and the incorporation of different lining types, ensuring accurate simulations of the excavation process in a timely manner.
Extensive Material Library
PLAXIS boasts an extensive material library, which is essential for accurately simulating the diverse range of soil and rock conditions encountered during tunnel excavation. The wide array of constitutive material models helps engineers replicate the specific behaviours of sand, clay and rock mass under any loading conditions.
Automation and Scripting
The automation and scripting interface in PLAXIS boosts productivity and saves time. It makes tunnel numerical modelling more flexible, versatile and tightly targeted on the specific problems of a particular project.
Engineers can automate repetitive tasks and customise the modelling process through scripting, allowing for the rapid iteration of different scenarios and the fine-tuning of model parameters. This is invaluable when dealing with the complex and shifting conditions often associated with EPB and Slurry Shield tunnelling.
Connected Geotechnical Modelling Workflow
Seequent’s geotechnical modelling workflow integrates seamlessly with PLAXIS, providing a connected and comprehensive solution for tunnel design and analysis. This workflow leverages Seequent’s advanced data management, geological modelling and visualisation tools. Geotechnical data, design parameters, and construction progress can be integrated swiftly and easily.
Such connected workflows are becoming an increasingly important expectation within infrastructure projects. They ensure that all stakeholders have access to up-to-date information, enhance collaboration, and derisk decision-making throughout the tunnel construction process.
PLAXIS desempeña un papel clave en la predicción del movimiento del suelo y en la evaluación del rendimiento del túnel en un túnel de tráfico submarino que ha establecido un récord.
En Tuen Mun-Check Lap Kok Link, Golder Associates Hong Kong Ltd. construyó uno de los túneles submarinos más grandes del mundo, a 55 m bajo la superficie y 4,1 km de longitud. Al enfrentar las condiciones bastante complejas del suelo de las tierras recién recuperadas de Hong Kong, se sabía que los métodos geotécnicos tradicionales no proporcionarían el control de movimiento del suelo que lograría la vida útil requerida de 120 años.
Mediante PLAXIS, Golder Associates produjo un diseño que cumplía con la presión exigente de lodo interior de la tuneladora requerida para mantener la estabilidad. También lograron optimizaciones que redujeron en dos meses el tiempo de construcción, disminuyeron las emisiones de CO2 en 1500 toneladas y ahorraron 16 millones de dólares.