Comparativa entre midas GTS NX y otro software comercial para el análisis de un túnel construido en suelos sometidos a hundimiento regional

Autor: Diego Forero /MI. en ingeniería civil con énfasis en geotecnia. Experto midas GTS NX Conoce más de Diego aquí

Enero 13 del 2022

Tiempo aproximado de lectura: 26 minutos

En este documento se muestra la comparación de los resultados de esfuerzos sobre el revestimiento de un túnel construido con máquina tuneladora obtenidos con el software midas GTS NX y el software Plaxis 2D.

Para este análisis comparativo se consideró que el túnel se construye en la zona lacustre de la ciudad de México, por lo tanto, el túnel se encuentra inmerso en suelos blandos sometidos al proceso de hundimiento regional.

Los túneles construidos en estas condiciones se componen de dos revestimientos, uno primario, conformado por anillos de dovelas, el cual se encarga de recibir las solicitaciones a corto plazo y otro secundario, construido monolíticamente con ayuda de una cimbra deslizante y el cual se encarga de recibir las solicitaciones a largo plazo debidas al hundimiento regional.

Teniendo en cuenta los lineamientos establecidos en el manual de túneles y obras subterráneas de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), se consideraron las siguientes etapas constructivas para ambos modelos:
Etapa (E0). Estado inicial de esfuerzos: En esta etapa se calculan los esfuerzos en el terreno previos a la construcción del túnel.
Etapa (E1). Excavación y descompresión del terreno: En esta etapa se simula el paso del escudo de la máquina tuneladora y se permite la descompresión del terreno debida al desplazamiento del terreno desde la cabeza de corte y el revestimiento primario.
Etapa (E2). Interacción terreno-revestimiento, temporal: Se produce la interacción entre el terreno y el revestimiento, se redistribuyen los esfuerzos en el terreno
Etapa (E3). Construcción revestimiento secundario y abatimiento de la presión de poro al 20%: Se instala el revestimiento secundario y se procede a reducir la presión de poro en un 20%, con lo cual se induce un incremento del esfuerzo efectivo y se inicia el proceso de consolidación. Se obtienen los incrementos de esfuerzo en el túnel debidos a este proceso.
Etapa (E4). Abatimiento de la presión de poro al 40%
Etapa (E5). Abatimiento de la presión de poro al 60%
Etapa (E_6). Abatimiento de la presión de poro al 80%
Etapa (E_7). Abatimiento de la presión de poro al 100%
Las dimensiones del túnel y su ubicación en el terreno se describen en la siguiente tabla:

Datos generales

La estratigrafía considerada es típica de la zona lacustre de la ciudad de México, la cual se compone de una costra superficial, seguida de las series arcillosas superiores, posteriormente una capa dura, luego la serie arcillosa inferior y finalmente los depósitos profundos. Las propiedades utilizadas para definir los materiales fueron las siguientes:

Las propiedades de los revestimientos se describen en la siguiente tabla

El valor de α corresponde a un coeficiente de reducción de la rigidez del revestimiento primario, el cual toma en cuenta las juntas entre las dovelas.
Para simular los materiales correspondientes al terreno se utilizaron los modelos constitutivos Mohr Coulomb para los suelos rígidos y Soft Soil para los suelos blandos, por su parte para el revestimiento se utilizó el modelo Elástico tal como se muestra en la figura siguiente:

La piezometría del terreno presenta un abatimiento importante, especialmente hacia los 25m de profundidad, esto se debe a la extracción del agua de los estratos profundos:

Las mallas de elemento finito elaborada en el programa midas se muestra en la siguiente figura:

Considerando las etapas de análisis descritas al inicio, en midas GTS NX se obtienen los resultados de esfuerzos en X, en Y y los esfuerzos cortantes XY, luego se transforman a coordenadas polares obtenido los resultados de esfuerzo radial y cortante, los cuales se pueden comparar con los resultados obtenidos de la interfaz del túnel obtenidos en Plaxis 2D.

A continuación, se muestra una comparativa de cada una de las etapas enunciadas anteriormente:

Etapa (E0). Estado inicial de esfuerzos

Etapa (E1). Excavación y descompresión del terreno

Etapa (E2). Interacción terreno-revestimiento, temporal

Etapa (E3). Construcción revestimiento secundario y abatimiento de la presión de poro al 20%

Etapa (E4). Abatimiento de la presión de poro al 40%

Etapa (E5). Abatimiento de la presión de poro al 60%

Etapa (E6). Abatimiento de la presión de poro al 80%

Etapa (E7). Abatimiento de la presión de poro al 100%

Como se puede observar de los resultados, conforme el abatimiento de la presión de poro aumenta, también lo hacen los esfuerzos radiales y cortantes, los esfuerzos radiales aumentan principalmente en la clave y la cubera del túnel, mientras que los radiales a 45°, 135°, 225° y 315°
También se puede observar que los resultados obtenidos con los dos programas son consistentes ya que no presentan variaciones significativas.

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