Comparacion tuneladoras NATM
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Maidl + MaidlConsulting Engineers
Dr.-Ing. Ulrich Maidl
Gestió de riscos a la construcció de túnels: utilització de tuneladores en comparació amb el Nou Mètode Austriac
Maidl + Maidl Consulting EngineersBochum,Germany–Ouddorp,The Netherlands
Maidl + MaidlConsulting Engineers
El NATM y las tuneladoras – dos métodos constructivos absolutamente diferentes para alcanzar el mismo resultado.
Introducción
Diameter tunnel:Inside 13.50mOtside 14.50m
Shield diameter:Outside 14.87m
Túnel HSL Green Heart (P. Bajos)Φescudo: 14,87 m
DB Colonia-FrankfurtLínea de Alta Velocidad
Maidl + MaidlConsulting Engineers
El NATM se basa en cálculos, observaciones y flexibilidad.La excavación con tuneladoras se basa en capacidad universal.
Principios
Cálculos geotécnicos y estructurales Análisis geotécnico y de procesos
Clasificación del terreno y planificación de sistemas de sostenimiento y
medidas adicionales
Selección de una(!) tuneladora y planificación de medidas adicionales
Observación, verificación y determinación de los sistemas de sostenimiento durante la ejecución
Optimización de los parámetrosoperacionales durante ejecución
Reconocimiento del terrenoReconocimiento del terreno
Excavación con tuneladoraNATM
Maidl + MaidlConsulting Engineers NATM – Clasificación de la roca
Clasificación
Maidl + MaidlConsulting Engineers
En la excavación con tuneladora bastan dos sistemas de sostenimiento.El NATM requiere entre 5 a 10 sistemas de seguridad en función de la calidad del macizo.
Sistemas de sostenimiento NATM
Informationen oderPrognosen
Frente del túnel:•Hormigón proyectado•Anclajes•Bulones•Paraguas
Excavación:•Cerchas•Anclajes•Mallas•Hormigón proyectado
Revestimiento:•Hormigón in situ + sellado
Sistemas de sostenimientoExcavación con tuneladora
Frente del túnel:
•Bentonita, material de excavación o aire comprimido
•Excavación:
•(Prefabricado) Dovela
Clasificación
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Clasificación mecánica de escudosUn tipo de escudo se ajusta a uno o más tipos de terreno
Clasificación
Maidl + MaidlConsulting Engineers Mechanical shield-classification
One Shield-type fits one or more Ground-types
Classification
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Excavación tradicional - Numerosos procesos parciales querequieren de mucha experiencia y know-how
Procesos parciales:
1 excavación, 2 voladura; 3 refuerzo; 4 extracción
Procesos parciales de un ciclo
t
Diagrama de barras1
23
4
Ciclo
t
Diagrama avance/tiempo
1 2 3 41 2 3 4
1
2
3
Procesos constructivos
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Excavación mecanizadaLos procesos constructivos se reducen, sincronizan y estandarizan.
Procesos parciales del Proc. Construct.
t
Diagramade barras
Procesos parciales:
1 excavación; 2 instalación anillo de dovelas; 3 extracción
1
3
2
Maidl + Maidl
Procesos constructivos
Ciclo
t1
2
31 32
Diagrama avance/tiempo
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Resultados intermedios
La excavación tradicional (NATM) y la excavación con tuneladora sí que tienen en principio características similares.
El mal funcionamiento de un proceso tiene una influencia directasobre el proceso siguiente, y debe ser detectado a tiempo mediante los instrumentos adecuados y evitado mediante la adopción de medidas preventivas.
Alta interdependencia espacial, capacitiva y temporal entre los procesosparciales.
Principalmente procesos de corta duración, ciclos permanentes repetitivos.
Interacciones complejas (máquina-hombre-entorno).
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Primeramente el método constructivo debe adaptarse a las condiciones del terreno (compleja interacción terreno-proceso constructivo).
A pesar de los conflictos de objetivo, el actual estado del conocimiento y la experiencia adquirida permiten optimizar la toma de decisiones.
No se puede dar una respuesta general a la cuestión sobre si los métodostradicionales (NATM) involucran un mayor riesgo que la excavación con tuneladora, sino que depende de la combinación de estos cuatro factores.
La gestión de riesgos debe analizar los cuatro factores, métodoconstructivo, hombre, material y terreno desde la fase de proyecto.
En muchos terrenos existen reglas básicas indiscutibles. Si en la fase de proyecto estas reglas no se consideran o se subestiman, la influencia sobre el potencial de riesgo es considerable.
Resultados intermedios
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Caso 1: NATM y tuneladoras en roca estable sin agua.
Evaluación de riesgos
VollausbruchTBM
Riesgo potencial bajo en ambos métodosLos costes prevalecen sobre la técnica.
Excavación a sección completaen roca sana
Excavación a sección completacon tuneladora de roca
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Caso 2: NATM y tuneladoras en roca de baja calidad
Erst Bild mit TeilungDann mit WasserDann mit Vereisung
Gran flexibilidad del NATM. Baja flexibilidad con tuneladoras.En presencia de agua el riesgo es mayor con NATM que con tuneladora.Una comparación de costes es muy compleja.
Excavación a sección completa con anclajesen el frente de fibra de vidrio
Frente fracturado e irregular en la excavación con tuneladora
Evaluación de riesgos
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Excavación del frente por fases Excavación con escudo EPB en zona de transición roca-suelo
Evaluación de riesgos
Caso 2: NATM y tuneladoras en roca de baja calidad
Gran flexibilidad del NATM. Baja flexibilidad con tuneladoras.En presencia de agua el riesgo es mayor con NATM que con tuneladora.Una comparación de costes es muy compleja.
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Caso 3: NATM y tuneladoras en roca blanda.
RohrschirmInjektionenDruckluft
Existen numerosas tipologías de escudos y recomendaciones internacionales.Bajo el nivel freático el NATM conlleva más riesgos y requiere medidasadicionales considerables. Una comparación de costes es muy compleja.
Excavación con aire comprimido Excavación con tuneladora en modo cerrado
Evaluación de riesgos
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Los daños cuestan tiempo y dinero y tienen consecuenciaspolíticas considerables sobre la construcción de infraestructuras.
Colapso Metro de Múnic – Trudering1994
En el futuro, la excavación de túneles debe ser mássegura, rápida y económica.
Resultado intermedio
Colapso Metro Singapore2004
Maidl + MaidlConsulting Engineers
La Gestión de Riesgos se centra en la optimización de los factores de éxito: costes, tiempo, calidad y seguridad
Proyecto
Preparación de los trabajos
Ejecución
Gestión de riesgos
Costes
Calidad
Plazo
Acorte de plazos
Mejora de la calidad
Rebaje de costes
Incremento de la seguridad y de la sostenibilidad medioambiental+
Gestión de riesgos
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Gestiónde calidad-
Gestión de datos
Control de Procesos
El control del riesgo en la construcción de túneles se basa en tres pilares
Gestión de riesgos
Maidl + MaidlConsulting Engineers
DIN EN ISO 9000-9004 sólo contienen recomendacionesgenerales para la gestión de la calidad, sin una concreción parala construcción de túneles.
Recomendaciones según DIN EN ISO 9000-9004Gestión de calidad y sistemas de mantenimiento de la calidad
Revisión del proyecto
Tareas
Análisis de probabilidades de fallo y de influencia
Protocolos de trabajo
Documentación
Auditorías
Gestión de riesgos
Maidl + MaidlConsulting Engineers
El control tradicional en las obras es inadecuado debido al carácter secuencial del mismo
Análisis deplazos y costes
Análisis de procesos
Adopción demedidas
Análisis de procesos (orientado al sistema)
Análisis de plazos y costes
Control tradicional(secuencial)
Prozess-controlling
Tiempo
Act
ivid
adde
con
trol
Control de Procesos
(simultáneo)
Optimización de procesos
Gestión de riesgos
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Comportamientoesperado en proyecto
Observación
¿Comportamientoesperado?
Ajuste del comportamiento
esperado
¿Queda tiempo de reacción?
• Reinterpretación geológica
• Cálculos de contraste
• Verificación del
comportamiento esperado en
base a medidas actuales
• ¿Roca frágil?
• ¿Estructuras de rotura preformadas?
• ¿Influencia inesperada del agua en el macizo?
• Valores de alarma
• Asientos, tensiones
• Desplazamientos
• Indicadores de fallo
El Eurocódigo 7 exige el método observacional para la construcción de túneles (verificación mediante sistemas de medida de los valores objetivo durante ejecución).
Eurocódigo 7 (también ÖNORM ENV 1997 o DIN 1054)
Gestión de riesgos
Maidl + MaidlConsulting Engineers
La flexibilidad del NATM exige una sistema fuerte de control de calidadLa excavación con escudos requiere de un control de procesos.
Principios
EscudosNATM
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Principios
EscudosNATM
La flexibilidad del NATM exige una sistema fuerte de control de calidadLa excavación con escudos requiere de un control de procesos.
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Tuneladora
Registro de datos
Valorobjetivo
Valorreal
Instrucciones
Datos
Personal detuneladora
Unidad de control
Influenciasexternas
Expertosgeotécnicos
en obra
El Control de Procesos es un método que permite captar la interacción tuneladora-terreno en tiempo real
Control de Procesos
• Análisis de datos• Simulación numérica• Ensayos
RetroanálisisSimulaciónMétodos basados en el
conocimiento
Programa de auscultación
• Redes neuronales• Lógica difusa (fuzzy logic)• Neuro-fuzzy
Valores objetivode proyecto
Maidl + MaidlConsulting Engineers
El Control de Procesos se basa en la descomposición del desarrollo de la obra en reglas técnicas manejables
Diseño
Ajuste
Control
Diseño
Ajuste
Control
Diseño
Ajuste
Control
Diseño
Ajuste
Control
Diseño
Ajuste
Control
Diseño
Ajuste
Control
Diseño / Proyecto
Preparación de los trabajos
Construcción
Solución
Maidl + MaidlConsulting Engineers
La solución está en la descomposición del desarrollo de la obra en reglas técnicas manejables
Procesos clave en laexcavación con tuneladora
Informationen oderPrognosen
• Control de presiones en la cámara de excavación
• Inyección de mortero
• Acondicionamiento del terreno
• Balance masa-volumen
• Transporte del escombro
• Control del empuje
• Prospección sísmica
Solución
Procesos clave en laNATM
Informationen oderPrognosen
• Clasificación de la excavación
• Voladura
• Anclaje
• Hormigón proyectado
• Paraguas
• Inyecciones
• Colocación de cerchas
• Instalación del sellado
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Resultado intermedio
La excavación moderna con escudos cumple los requisitosnecesarios para la implementación de un Control de Procesos en tiempo real.
Estos prerequisitos no se pueden satisfacer en la excavacióntradicional debido a los numerosos procesos parcialmentemecanizados.
El escudo, con todos sus dispositivos de medida, se puede considerarcomo una sonda que registra la interacción escudo-terreno.
En el actual estado de la técnica todos los datos de funcionamiento sonregistrados digitalmente y pueden ser procesados por ordenador.
Maidl + MaidlConsulting Engineers
B-10
C/ Arbeca
C/ Sant Adrià
Presiones en la cámara en clave y solera
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
976
978
980
982
984
986
988
990
992
994
996
998
1000
1002
1005
1007
1009
1011
1014
1016
1018
1020
1022
1024
1026
1028
1030
1032
1034
1036
1038
1040
1041
1043
1045
1047
1049
1051
1053
1055
1057
1059
1061
1063
1065
1067
1069
1071
1073
Núm. anillo
[bar
]
Presión de tierra 01 Presión de tierra 02Presión de tierra 03 Presión de tierra 07Presión de tierra 10 Presión de tierra 11
Maidl + Maidl - Consulting EngineersEMPRESA PÚBLICA DE LA GENERALITAT DE CATALUNYA
HN L'Arbeca HN SanetMuro B-10 P.K. 3+080Pilas
centralesB-10
Asiento >100 mm
12 345
67
8911 10
METRO DE BARCELONA LÍNIA 9 - TUNELADORA UTE GORG
Comparación valor objetivo vs. real
Determinación del valorobjetivo (cálculo numérico)
Comparación valores objetivo-realAnálisis de datos (desfase temporal)
Metro de Barcelona Línia 9
Velocidad de avance vs. Par de la cabeza de corte vs. Empuje total
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
976
978
980
982
984
986
988
990
992
994
996
998
1000
1002
1005
1007
1009
1011
1014
1016
1018
1020
1022
1024
1026
1028
1030
1032
1034
1036
1038
1040
1041
1043
1045
1047
1049
1051
1053
1055
1057
1059
1061
1063
1065
1067
1069
1071
1073
Núm. anillo
[mm
/min
] - [M
Nm
] .
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
[kN
]
Velocidad de avance Momento de torsión rueda de corte Fuerza de propulsión
Maidl + Maidl - Consulting Engineers
METRO DE BARCELONA LÍNIA 9 - TUNELADORA UTE GORG
EMPRESA PÚBLICA DE LA GENERALITAT DE CATALUNYA
HN L'Arbeca HN SanetMuro B-10 P.K. 3+080Pilas
centralesB-10
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Los métodos en tiempo real para la toma de decisiones sonimplementables, tanto técnica como económicamente, en el circuito de control
Toma de decisiones
Registro
Archivo
Análisis
Resultados
Toma de decisiones
Tiempo real
Expertos
Objetivo vs. real
Desfase temporal (manual)
Simulaciónnumérica
Pronóstico
Retrasado en el tiempo
Red neuronal
Pronóstico
Controlador de fuzzy logic
Instrucción
Datos de auscultación geotécnica, geodésica y de máquina
Sistema de gestión de la base de datos
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Las elevadas capacidades de cálculo posibilitarán la simulaciónnumérica a corto plazo para el pronóstico o para el análisis de sensibilidad
Simulación numérica
Presión escudo p2
Revestimiento dovelas E DV
Presión de sostenimiento p1
Presión de inyección p3
Mortero E MR
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Evaluación de la interacción terreno-tuneladora
Simulación numérica
Frente
Escudos delantero y medio
Escudo de cola
Inyección de mortero
Dovelas
Maidl + MaidlConsulting Engineers
La red neuronal “aprende” de los datos de máquina y puederealizar pronósticos propios tras una “fase de entrenamiento”
Proceso(excavación)
Red neuronal
Aprendizajea través de los datos de
entrenamiento
Redes neuronales
Volumen de morteroPresión de morteroInclinación escudoÁngulo de posiciónVelocidad de avanceFuerza de empujeTiempos de parada
Pronósticode asientos
Anomalíasgeológicas
Análisis de sensibilidad
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Los parámetros de pronóstico pueden definirse por el usuarioEjemplo: Diferencia de volúmenes de flujo Delta V
Caso particular de red neuronal
Maidl + MaidlConsulting Engineers
El Control de Procesos debe considerarse como una actividad de gestión conjunta e independiente en todas las fases del proyecto
Reconocimientopreventivo de errores y situaciones críticas
Ejecución pronta de contramedidas
Aumento del grado de aprovechamiento
Optimización de herramientas y material
Principios
Objetivos
Análisis de los procesos parciales desde el punto de vista técnico, de plazo y de costes
Aumento del porcentaje de procesos deterministas
Asesor de excavacióncon tuneladora
Elementos
Gestión de obra
Dirección de Obra
Gestión de datosControl de Procesos
independiente
Anticipación de los procesos de reconocimiento
Implementación
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Conclusiones
Resumen
La construcción de túneles debe aspirar a ser más segura, económicay rápida.
La construcción de túneles - particularmente en cascos urbanos - requiere un método activo de gestión de riesgos en todas las fases de proyecto.
Las ventajas del NATM son la alta flexibilidad y los bajos costes de inversión. Normativas en los sistemas de gestión de calidad pueden reducir los riesgos considerablemente.
Una tuneladora con escudo, se adapta en particular para avance en suelos y túneles largos. La gestión de datos y un sistema de control de procesos asistido por ordenador ayudarán a alcanzar el objetivo final:
- Una construcción industrial de alta calidad -
Maidl + MaidlConsulting Engineers
Muchas gracias por su atención
Maidl + Maidl Consulting EngineersBochum (D) - Ouddorp (NL)
www.imm-bochum.de