Reparación de fisuras y grietas en túneles

Ing. Alan Cosillo Curso Obras Subterráneas 1

Reparación de fisuras y grietas en túneles

Ing. Alan Cosillo, M. Sc., MARNMaestría en Ingeniería Geotécnica

Facultad de IngenieríaUSAC


Grietas y fisuras en túneles ITA report

Las grietas y fisuras en túneles especialmente con refuerzo de concreto fundido, y concreto lanzado son respuesta al los esfuerzos a que está sometida la roca alrededor del túnel.Las grietas y fisuras representa

fallas estructurales del concretoRelajación de esfuerzos en el refuerzo a lo largo de diaclasasZonas de alto drenaje


El daño provocado por el efecto del agua sobre

estructuras de túneles

Externos (alrededor de los túneles pero que no afecta la estructura)Estructurales (afectan la conformación adecuada del túnel)Funcionales (afectan la funcionalidad adecuada del túnel)


Problemas identificados en casos típicos


Otros problemas adicionales con agua congelada

Peligro por caída de carámbanos de hieloReducción de la sección provocada por los carámbanos de hieloReducción o taponamiento de tiros verticales y aberturas de ventilaciónCongelamiento de la rodadura en los caminos en túneles


Tipos de refuerzoTúneles de mampostería es sensitiva al agua, aunque el agua no sea muy reactiva

El agua puede afectar el mortero en especial aquellos ehcosde cal

Túneles de concreto colado in-situGeneralmente son no reforzadosLos daños en concreto son variados: concreto poroso, segregación, fracturas, fisuras debido a cambios de temperatura, perdida de cemento y agua (hace que el concreto sea menos resistente), descomposición de los agregados o del cementoEstos problemas se agravan si existe agua agresiva, debilitamiento de la masa, y o intradas


Tipos de refuerzoTúneles de segmentos de concreto

Son afectados por corrosión, problemas en evitar el agua de entrada al hotel. Perdida de la impermeabilizaciónLas diaclasas deben incluir un estudio de la meteorización

Túneles de hierro coladoal igual que en túneles de concreto los túneles blindados pueden tener pérdidas de impermeabilización, pueden se atacados por aguas ácidas contenido ácido sulfúrico producto de bacterias.


ReparaciónTúneles de mampostería

Si aún tiene resistencia estructural se retiran las filas de ladrillos dañados y se reemplaza por concreto lanzado o concreto colado

Túneles de concreto colado in-situSolo concreto muy poroso (30% de vacíos) puede ser reforzado con concreto lanzado. Si existen entradas de agua, las mismas son canalizadas para evitar daño al concretoSe reparan las fisuras y grietas

Los productos usados deben permanecer en la presencia de agua o en secoDebe tener adhesión al concreto antiguoLa resistencia al cortante de los productos usados deben resistir la presión del aguaElasticidad (especialmente si la junta se abre)


ReparaciónTúneles de segmentos de concreto

Se remueve el concreto dañadoSe puede inyectar resina en las fisuras para evitar la entrada de aguaEn algunos casos el agua infiltrada puede canalizarse hacia los drenajes del túnelSellamiento de grietas y fisuras con morteroInyección detrás del refuerzo existenteReemplazo del refuerzo con medidas formales que sean impermeables

Túneles con segmentos de hierro colado Las reparaciones son similares a las de concreto segmental


Criterios para la selección del reforzamiento

El reforzamiento debe ser capaz de resistir las cargas muertas y vivas en el túnel durante su vida útil

Consideraciones respecto al agua subterránea deben ser tomadas en el diseño respecto a la impermeabilización más apropiada, los criterios varía

Por ejemplo en Alemania se permiten flujos de 0.1 L/día/m2 para evitar congelamiento este es un estándar que no se pide en ningún otro paísRecordar que el concreto no es impermeable, el buen concreto tiene baja permeabilidad y los aditivos aún pueden reducirla más

Si hay presión hidrostática seguramente el agua gradualmente permeará el concretoLa evaporación sirve para concentrar sales disueltas las cuales pueden se benignas a agresivasFlujos pequeños de agua pueden con el tiempo acarrear materiales finos, creando cavidades en el terreno que pueden llevar a colapsar la estructura El tunél actúa como un drenaje, y con el tiempo puede llevar, en suelos cohesivos, a se consolidadazos por el cambio del contenido de agua y que puede afectar fundaciones y otras obras


Falta de mantenimiento

El deterioro por falta de mantenimiento puede provocar daños alarmantes en el refuerzo del túnel Chekka Tunnels en Líbano


Deformación lateral Líbano


Reparación de grietas y fisuras y colocación de una membrana impermebilizante


Importancia de una clasificación de roca para comunicación con otros geocientíficos y geotecnistas

(Nepal, Kumar et al. 2006)


Refuerzo (Nepal, Kumar et al. 2006)


El fracturamiento en el refuerzo como reflejo del estado tensional de la roca.


El grouting (lechada de inyección)

Tiene como propósito llenar los vacíos (fisuras y estructuras porosas), para incrementar la resistencia contra la deformación y para impermeabilizar Métodos

Lechada de permeaciónLechada de compactaciónLechada hidrofracturanteLechada de jetLechada compesada (se usa compactación permeación y hidrofracturación)

En túneles se utiliza la lechada de permeación


Tipos de lechadas de inyección


Cuidados al inyectarAl aplicar productos impermeabilizantes a presión se debe tener cuidado de no romper el refuerzo por la presión de la lechada inyectada.Equipo de lechadaBomba eléctrica o neumática con gran rango de lechadas para permitir diferentes tasas de inyección, y que sea de fácil mantenimientoTanques mezcladores de lechadaVálvulas, manómetros, líneas de lechada y accesorios.Mantener en bodega los suficientes materiales para realizar la inyección controlada


Materiales para inyección

Agua, cemento, un fluidificante con compensadores del encogimiento (agentes expansores). Arena, minerales de rellenoTodos las materias de inyección deberán ser aprobados por el ingeniero supervisor


Aguacapa Proyecto hidroeléctrico

Ubicación: municipios de Pueblo Nuevo Viñas y Guanagazapa Deptos de Santa Rosa y EscuintlaTúnel de 12.04 Km de longitud, 2.65 m de diámetro interno, accesos por las ventanas de Agua Caliente, El Jute, Jutillo, Pastoría y Cámara de válvulas. Tubería forzada de 3.65 KmLa Obra: Presa de derivación de concreto, desarenadores, embalse de equilibrio, túnel de presión de 12 Km, chimenea de equilibrio, casa de máquina y sub-estación eléctrica.Tres unidades Pelton de eje horizontal, con capacidad de 30 MW cada unaEl embalse de derivación tiene una capacidad de 300,000 m3, caída de diseño de 490.6 m y caudal de diseño de 7.33 m3/seg. Cota de elevación del embalse 707 msnm


Casa de máquinas Aguacapa


Embalse de Aguacapa


Metodologíaa) Se revisó la información de las reparaciones realizadas en elaño 2,007, con el propósito de determinar los alcances de reparaciones anteriores. b) Visitas preliminares y de inspecciónc) Cuantificación y evaluación de daños

Marcado de las áreas a reparar, se determinaron cuales grietas eran nuevas y cuales han sido reparadas anteriormente.Las grietas y fisuras fueron clasificadas según el grado de humedad (húmeda, goteo o flujo de agua) y por su apertura.En el caso del tramo de la ventana El Jute estación 429.710 a laestación 8+437 por ser la sección más extensa se dio prioridad atodas aquellas fisuras que presentaban un grado de humedad, goteaban, o bien existe flujo de aguaPara las grietas nuevas que goteaban y para aquellas fisuras queya habían sido tratadas y que goteaban se marcaron como sitios de inyección.


Anteriores reparacionesEn el año de 1981 se realizó un proceso de reparación de fisuras

El túnel fallo durante las pruebas de presión en Enero de 1980, se detectaron problemas en el revestimientoSe produjeron grietas en el 70% de la longitud del túnel tanto en longitud desde mm hasta 5 mmLa cantidad de grietas sumó 27090 m se hicieron inyecciones de contacto y muestreo sistemático de mecánica de rocasSe colocó Sikadur para el tratamiento de grietas y Thorospan como recubrimiento flexible, que al parecer el flujo del agua en el túnel lo arrancoEn las reparaciones se agregó 5403 m de bilidaje, 813 m de gunita armada y 5467 m de grietatas longitudinales y transversales


Anteriores reparacionesEn el año de 2007 se realizó otro proceso de reparación a cargo de Rodio-Swissboring y la firma Lombardi, S.A. Ingeneering Limited, se hicieron reparaciones de válvulas y otros trabajos accesorios además de reparaciones de grietas y fisuras

Tratamiento de fisuras antiguas ya tratadas 485 mTratamiento de fisuras nuevas 694 m (148 con humedad y 448 m confiltración y goteo)De los trabajos de 1981 el material se había degradado y estaba garantizado para un periodo de 5 a 6 años y las reparaciones se hicieron 27 años después de la reparación inicialLos materiales utilizados fueron Sikatop 32 (tratamiento previo): imprimante y puente de adherencia; Sikadur 122 (dos componentes): Mortero de componente sólido y líquido, recubre, rellena y protege el producto anterior. (Rodio-Swissboring, 2007). En las inyecciones se utilizó Sikagrout: Mortero expansivo, autonivelante, para rellenos y nivelación; Sikaset plug: aditivo líquido acelerante del fraguado y de resistencia del concreto; y Sikatop armatec. Puente de adherencia y recubrimiento anticorrosivo. (Rodio-Swissboring, 2007).


Nivel piezométrico

500

600

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1000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000

Distancia

Altu

ras

TopografíaTúnel llenoTúnelVaciadoVacío


Interacción del nivel freatico con el nivel piezométrico de carga del túnel

S-15

15.40

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15.80

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22/0

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S-15

VaciadoLleno Túnel vacío

S-15

1818.218.418.618.8

1919.219.419.619.8

20

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Altu

ra [m

snm

]

Lleno Vaciado Vacío Llenado


Ejemplo en la estación 2+230.5 Antigua fisura reparada en 1981 el Thorospan fue removido aún se observa el Sikadur aunque fisurado


Ejemplo en la estación 2+280 una grieta reparada en 1981 y otra en 2007


Ejemplo de una fisura longitudinal en la pared estación 1+698


Ejemplo de influjo de agua en la estación 5+960


Influjo de agua y concreciones de calcita estación 6+050.8


Tratamiento de fisuras

Fisuras húmedas o goteandoSikaset plug que retiene el aguaSikatop 32 que da tratamiento previo, es un imprimante y puente de adherencia Sikadur 122 Mortero de dos componentes sólido y liquido que recubre la abertura tallada en la roca, rellena y protege al producto anterior.Sikatop Seal 107 que es un recubrimiento impermeabilizante aplicado en una capa de 1.5 mm sobre el Sikadur 122.


Tratamiento de fisuras

Fisuras secasSikatop 32 que da tratamiento previo, es un imprimante y puente de adherencia Sikadur 122 Mortero de dos componentes sólido y liquido que recubre la abertura tallada en la roca, rellena y protege al producto anterior.Sikatop Seal 107 que es un recubrimiento impermeabilizante aplicado en una capa de 1.5 mm sobre el Sikadur 122.


Se estima que la mayor parte del trayecto de túnel a presión la presión hidrostática de la carga del túnel es mayor a la presión hidrostática del nivel freático, tal y como lo evidenciaron los pozos de monitoreo


Ejemplo de un área de gunita fallada


ITA report, 1991: Report on the Damagin effects of water ontunnels during their working life. ITA working Group onMaintenance and repair of Underground Structures. Tunnellingand underground Space Tech. Vol. 6. No. 1 pp11-76. GreatBritain.Kazemian, S. & Huat, Bujang. BK., 2009: Assesment andcomparison of grouting and inyección methods in geotechnialengineering. European Journal of Scit. Res. Pp. 234-247.Kumar D, S., P. Chandra Adhikary y J. Man Tamrakar, 2006: Enginering geological and geotecnical characteristics of theKankai hydro-power tunnel in soft rock, Nepal. IAEG2006 paperNo. 752. pp 1-11.USACE, 2008: Unified facilities guide specificacition.

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