ACI 533.5R Guía sobre aspectos principales del diseño, fabricación y construcción de segmentos de túneles de hormigón prefabricado

Por Mehdi Bakhshi y Verya Nasri

La excavación de túneles mecanizada por TBM ha sido el método de excavación más dominante en la última década en diversas condiciones del suelo, como suelo blando, roca débil y roca dura fracturada. Los segmentos de hormigón prefabricado se instalan detrás de una tuneladora para soportar la excavación, resistir las cargas permanentes del suelo y del agua subterránea y proporcionar impermeabilidad. Además, los segmentos prefabricados están diseñados para las cargas temporales de producción, transporte y construcción.

Hasta la publicación de la guía ACI 533, las autoridades locales o internacionales habían brindado muy poca orientación a los diseñadores y contratistas. La publicación de ACI 533.5R, dirigida por los autores de este artículo, como la primera guía en el mundo publicada por una agencia de códigos internacional, abordó esta necesidad y cubre todos los aspectos principales del diseño, la fabricación y la construcción de los segmentos juntos en una sola publicación. Esta guía proporciona los procedimientos necesarios para el concepto estructural y el diseño detallado, el diseño de juntas y juntas, el diseño de conexiones, el diseño de durabilidad y las tolerancias de asentamiento y control. Este documento fue redactado en base a la cooperación mundial, la experiencia en túneles y las recomendaciones nacionales e internacionales disponibles. Además de los aspectos generales de diseño, se presentan los desarrollos más recientes en diseño y las últimas tecnologías relacionadas con las tecnologías de revestimiento de túneles TBM.

Los segmentos de túneles prefabricados de hormigón deben diseñarse utilizando el método de diseño de factor de carga y resistencia (LRFD). La Tabla 1 presenta los casos de carga que rigen y las combinaciones de carga factorizadas para las cuales se diseñan los segmentos de túneles de hormigón prefabricado. Los factores de reducción de resistencia en ACI 318-19 y ACI 544.7R-16 son necesarios para el diseño de hormigón armado y hormigón reforzado con fibra (FRC), respectivamente.

Los requisitos de espacio interno en función del uso previsto del túnel y los requisitos del cliente determinan la dimensión del intradós del túnel. ACI 533.5R clasifica los túneles en cuatro categorías principales de túneles ferroviarios y subterráneos, de carreteras, de servicios públicos y de agua y aguas residuales. Los requisitos de espacio interno para cada categoría se explican en 'la Guía'. La Figura 1 presenta esquemáticamente un diseño típico de túneles de carretera. ACI 533.5R proporciona rangos de la relación del diámetro interno (ID) al espesor del revestimiento para diferentes tamaños de túnel. Esto incluye un rango de 15 a 25 pulgadas para túneles de 13 a 18 pies de DI y un rango de 18 a 25 pulgadas para túneles con más de 18 pies de DI. Para diámetros de túnel de 19 a 23 pies, se recomienda una longitud de anillo de 5 pies que aumenta a una longitud de anillo de 6,5 pies para túneles de más de 30 pies de diámetro.

Figura 1: Esquemas del espacio interior de los túneles de carretera: a) sección en la estación de bombeo de punto bajo, a) sección típica.

Los anillos paralelos, los anillos paralelos con anillos correctivos, los anillos cónicos a la derecha/izquierda y los sistemas de anillos universales (consulte la Figura 2) se encuentran entre los diferentes sistemas de anillos segmentados. Los anillos paralelos (Figura 2(a)) no son inherentemente adecuados para las curvas. En los anillos derecho/izquierdo (Figura 2(b)) generalmente una cara circunferencial de cada anillo se estrecha perpendicularmente al eje del túnel y la otra cara está inclinada al eje del túnel. La alternancia de anillos cónicos a la derecha y a la izquierda en una secuencia produce una transmisión recta. La impermeabilidad se puede garantizar con este tipo de anillo, pero la necesidad de diferentes tipos de conjuntos de encofrado es una desventaja. Actualmente, el sistema de anillos universales (Figura 2(c)) es el sistema más convencional, donde a menudo dos caras circunferenciales de cada anillo están inclinadas con respecto al eje del túnel, y la alineación se puede negociar a través de la rotación del anillo segmentado. La principal ventaja de este sistema es que solo se requiere un tipo de encofrado [3].

Figura 2: Diferentes sistemas de anillos, esquemas de negociación de curvas y estrechamiento: a) anillos paralelos, b) anillos derecho/izquierdo, c) anillos universales.

Los anillos generalmente contienen una cantidad de segmentos que producen una relación de esbeltez de segmento de 8-13. La recomendación general para túneles con un diámetro de hasta 20 pies es dividir el anillo en 6 segmentos y usar configuraciones 5+1 o 4+2 (este último número representa el número de segmentos clave). Cuando el diámetro del túnel oscila entre 20 y 26 pies y entre 26 y 36 pies, se puede adoptar un anillo de 7 segmentos y un anillo de 8 segmentos, respectivamente. Para diámetros de túnel entre 36 y 46 pies, se puede adoptar un anillo de 9 segmentos. Finalmente, para túneles de más de 46 pies, la configuración 9+1 es la configuración más común.

Figura 3: Principales sistemas para geometría de segmentos: a) hexagonal, b) rectangular, c) trapezoidal, d) romboidal.

La geometría de los segmentos individuales, como se muestra en la Figura 3, se puede dividir en cuatro categorías o sistemas principales: hexagonal, rectangular, trapezoidal y romboidal. Debido a que los segmentos hexagonales (Figura 3(a)) impiden el uso efectivo de juntas, comprometen la estanqueidad del revestimiento y rara vez se usan en la actualidad. Con los sistemas rectangulares (Figura 3(b)), las juntas longitudinales escalonadas no siempre se pueden garantizar, y pueden presentarse juntas cruciformes que pueden causar fugas. En el sistema trapezoidal (Figura 3(c)), debido a las uniones longitudinales escalonadas, se elimina la posibilidad de crear uniones cruciformes, pero el proceso de instalación dificulta la colocación de varios segmentos clave entre los segmentos de la contraclave. El sistema romboidal (Figura 3(d)) es actualmente el sistema más común, ya que elimina las uniones cruciformes, tiene un buen rendimiento de sellado y permite la construcción continua de anillos. Otra gran ventaja es la junta de segmento en ángulo que evita el roce de las juntas durante la inserción del segmento y facilita el uso de pasadores de conexión rápida en juntas circunferenciales.

Después de la colada y el curado inicial, los segmentos se quitan del encofrado. El diseño debe considerar la resistencia requerida cuando los segmentos se desmontan (p. ej., 6 horas después de la colada) por su propio peso (w). El desmoldeo de los segmentos es seguido por el almacenamiento de los segmentos, donde los segmentos se apilan para obtener la resistencia requerida antes de transportarlos a la construcción. sitio. Generalmente, todos los segmentos que comprenden un anillo completo se apilan en una sola pila. El diseño considera el peso propio y la carga muerta de los segmentos colocados arriba con una excentricidad de e = 4 pulg. entre las ubicaciones del soporte de la pila y los soportes de los segmentos superiores.

La manipulación de segmentos se lleva a cabo mediante dispositivos de elevación especialmente diseñados, como abrazaderas mecánicas, elevadores por vacío y carretillas elevadoras. Para el manejo mediante pinzas mecánicas y elevadores de vacío se utiliza el procedimiento de diseño utilizado para el desmoldeo de segmentos y para el manejo mediante montacargas se adopta un esquema de carga y excentricidad similar al almacenamiento de segmentos.

Durante la fase de transporte de segmentos, los segmentos prefabricados se transportan al sitio de construcción y, en última instancia, al mecanismo de arrastre de la tuneladora. La mitad o todos los segmentos de cada anillo se transportan a la TBM en un carro. Generalmente se recomienda un procedimiento de diseño similar a la fase de almacenamiento y una excentricidad de 4 pulgadas para el diseño.

Además de los factores de carga presentados en la Tabla 1, se recomienda un factor de impacto dinámico de 2,0 para los casos de carga de manipulación y transporte. La figura 4 presenta los esquemas de carga y las condiciones de soporte de los casos de carga mencionados anteriormente.

Fig 4 a) Fuerzas que actúan sobre los segmentos durante el desmoldeo y manejo por elevadores, b y c) Fuerzas que actúan sobre los segmentos durante el almacenamiento, manejo por montacargas y transporte, d) esquema de manejo por montacargas

Las cargas sobre el revestimiento se generan durante el llenado del espacio anular entre el suelo y los segmentos con lechadas semilíquidas. Esto se modela aplicando presión radial, que varía linealmente desde la presión mínima de inyección en la corona hasta la presión máxima de inyección en el fondo del túnel. Para la combinación de carga de peso propio y presión de inyección, como se muestra en la Tabla 1, se recomienda un factor de carga de 1,25 para ambas cargas.

Figura 5: Caso de carga de las fuerzas de los gatos de la tuneladora: a) vista esquemática de los gatos de empuje que empujan las juntas circunferenciales, b) esquemas de las fuerzas de tracción de estallido y los parámetros correspondientes cuando se usan ecuaciones simplificadas de zonas de anclaje postensado en hormigón pretensado, c) Diagrama de Iyengar (1962) como método analítico común, d) resultados de FEA 3D.

Los factores de carga que se muestran en la Tabla 1 (Caso de carga 8) se pueden usar para calcular la resistencia requerida. Entre otros métodos, este caso de carga se puede analizar mediante ecuaciones elásticas, modelos viga-resorte (Figura 6), FEM y método de elementos discretos (DEM).

Fig. 6 a) Modelo viga-resorte de doble aro con resortes radiales que simulan el suelo y resortes articulados que simulan juntas longitudinales y circunferenciales; y (b) esquema de unión anular

Las fuerzas circulares desarrolladas en el revestimiento se transfieren a través de un área de sección transversal reducida a lo largo de las juntas longitudinales donde están presentes las juntas y las ranuras de alivio de tensión. De manera similar al caso de carga de las fuerzas de empuje del gato de la tuneladora, los métodos de análisis incluyen ecuaciones de ruptura simplificadas [2, 4] (Figura 7), el método analítico del diagrama de Iyengar [5] y simulaciones FEM 2D/3D.

Figura 7: Transferencia de fuerza recomendada por DAUB [4] en juntas longitudinales usando el concepto de bloque de tensión simplificado.

La Guía ACI 533.5R [1] resume las pautas disponibles de las autoridades internacionales sobre la resistencia a la compresión recomendada de los segmentos de túneles de hormigón prefabricado. El refuerzo se clasifica en tres tipos diferentes: a) refuerzo transversal: el refuerzo principal se coloca perpendicular al eje del túnel, b) refuerzo longitudinal: se coloca paralelo al eje del túnel y, a menudo, se diseña como refuerzo de temperatura y retracción mínimas, c) refuerzo de unión: se coloca en la vecindad de las juntas para resistir los esfuerzos de estallido y desprendimiento. Los detalles de refuerzo más comunes se presentan en 'la Guía', incluido el tamaño de la barra de refuerzo y el recubrimiento de hormigón mínimo recomendado y el espacio entre las barras de refuerzo.

Las verificaciones de SLS en segmentos de túneles incluyen verificación de tensión, verificación de deformación y verificación de agrietamiento. Se presta especial atención al agrietamiento como uno de los principales contribuyentes a la reducción de la capacidad de servicio debido a la posible penetración de agua. El diseño debe asegurar que el ancho de la fisura por flexión no sea mayor que los anchos de fisura permitidos presentados en 'la Guía'.

En el revestimiento de dovelas de una sola pasada, la estanqueidad del túnel está garantizada por las dovelas y juntas que se colocan entre dovelas en juntas longitudinales y circunferenciales. En 'la Guía', se proporcionan procedimientos para seleccionar los materiales de las juntas, soluciones para diferentes presiones de agua, factores de seguridad apropiados teniendo en cuenta la relajación, el perfil de la junta teniendo en cuenta el tamaño del túnel, las tolerancias y el espacio/desplazamiento de construcción necesarios. Se presentan las pruebas de estanqueidad y carga-deflexión, así como los detalles del diseño de la ranura de la junta. Se explica el comportamiento de la junta a corto plazo y se discute el diseño de sistemas de conexión para la carga de la junta después de la relajación a corto plazo. Se introducen nuevos desarrollos en los sistemas de juntas, incluidas las juntas ancladas y la tecnología de anclaje de fibra desarrollada más recientemente para juntas; soluciones de esquinas blandas para eliminar la carga puntual utilizando cavidades basadas en pasadores; y nuevo método de reparación para el sellado posterior de la junta del segmento, basado en la perforación directa y la inyección a través del perfil de la junta.

Las conexiones entre segmentos dentro de un anillo y entre anillos se pueden dividir en tres categorías: pernos, pasadores y varillas guía. El perno (Figura 8(a)) generalmente se usa entre segmentos dentro de un anillo y entre anillos de sistemas rectangulares. Debido a la cinemática del proceso de ensamblaje, la clavija (Figura 8(b)) solo se usa entre los anillos en juntas circunferenciales. Las varillas de guía (Figura 8(c)) se pueden usar como un dispositivo de centrado que proporciona guía y centrado durante la instalación del segmento con función de bloqueo. Las varillas de guía se utilizan generalmente junto con pasadores. Los últimos desarrollos en dispositivos de conexión incluyen la integración de un enchufe atornillable en un lado de la espiga para reducir la tolerancia de instalación y proporcionar a los trabajadores un proceso de montaje más fluido. Los sistemas de fijación tradicionales son anclajes postinstalados con perforación que pueden dañar el hormigón, el refuerzo o las juntas de los segmentos con impactos negativos en el comportamiento estructural, el rendimiento del sellado, la protección contra la corrosión y la durabilidad a largo plazo. ACI 533.25 [1] presenta un nuevo sistema de fijación empotrado para segmentos como una solución duradera y sostenible.

Figura 8: Dispositivos de conexión de segmentos: a) sistemas de pernos en juntas longitudinales, b) sistemas de pasadores en juntas circunferenciales, c) varillas guía en juntas longitudinales

Las tolerancias son desviaciones permitidas de las dimensiones reales de los segmentos, ya sea como componentes individuales o como un sistema de sus dimensiones de diseño. En la Guía ACI 533.5R [1], las tolerancias se explican en dos categorías principales de tolerancias de producción y construcción. Se presentan las tolerancias del segmento de producción especificadas por las directrices y normas, y se analizan los diferentes programas de medición y sus deficiencias. La medición láser 3D mediante interferómetro y sistema de seguimiento se presenta como la mejor práctica. El anillo de prueba se explica como un método de control de tolerancia del sistema, y ​​la ovalización y la desalineación de juntas como dos tolerancias de construcción principales.

Los túneles suelen estar diseñados para una vida útil de 100 a 125 años. En túneles perforados, la durabilidad del túnel está directamente relacionada con la durabilidad de los segmentos. Los mecanismos de degradación más frecuentes se analizan en 'la Guía'. Esto incluye la corrosión del refuerzo por ataque de cloruros y carbonatación, ataques de sulfatos y ácidos, reacciones de agregados alcalinos, ataques de heladas y daños por congelación y descongelación. Se explica la corrosión inducida por corrientes parásitas como un importante problema de durabilidad específico de los túneles ferroviarios/subterráneos. También se presentan métodos de mitigación para diferentes factores de durabilidad. Se presenta el método de mitigación de la corrosión por corrientes vagabundas, incluido el uso de segmentos FRC, y se explica la durabilidad de los segmentos bajo los efectos de acoplamiento de las corrientes vagabundas con otros factores de degradación convencionales. Se introducen enfoques prescriptivos para el diseño de durabilidad considerando diferentes clases de exposición ambiental como los principales insumos. Se explican las recomendaciones para garantizar la vida útil típica de los túneles, incluida la resistencia del hormigón, la relación máxima agua-cemento (a/c), el contenido mínimo de cemento y el contenido mínimo de aire.

La Guía ACI 533.5R [1] consolida los desarrollos más recientes, las mejores prácticas internacionales y la información más avanzada sobre todos los aspectos del diseño y la construcción de segmentos prefabricados, y se puede utilizar como una guía general para revestimientos de túneles segmentados. Además de las reglas de diseño estructural, esta guía aborda los detalles de la geometría, las formas, la configuración y los sistemas de los anillos segmentados, y las consideraciones detalladas de diseño de concreto. Se analizan el diseño de las juntas, los dispositivos de conexión, las tolerancias, las medidas, el control dimensional y la durabilidad. La 'Guía' preparada es el estado de la práctica en el momento actual en un campo tecnológico en continua evolución.

[1] ACI 533.5R: Guía para segmentos de túneles de hormigón prefabricado. Instituto Americano del Concreto (ACI), 2020.[2] ACI 318: Requisitos del código de construcción para hormigón estructural y comentarios. Instituto Americano del Concreto (ACI), 2019.[3] ÖVBB: Directriz para sistemas de revestimiento de segmentos de hormigón. Sociedad Austriaca de Tecnología del Hormigón y la Construcción (ÖVBB), 2011.[4] DAUB: Diseño de Segmentos de Revestimiento: Recomendaciones para el Diseño, Producción e Instalación de Anillos Segmentales. Comité Alemán de Construcción de Túneles (DAUB), 2013.[5] Iyengar, KT: Teorías bidimensionales de las tensiones de la zona de anclaje en vigas postensadas. ACI 59 (1962), núm. 10, págs. 1443–1466.

Mehdi Bakhshi, AVP- Ingeniero jefe de túneles | AECOM El Dr. Bakhshi tiene un doctorado en Ingeniería Civil de la Universidad Estatal de Arizona. Tiene más de 18 años de experiencia en ingeniería civil, de estructuras, de túneles, subterránea y geotécnica en proyectos nacionales e internacionales como ingeniero líder de túneles e ingeniero de túneles senior. Mehdi ha publicado más de 75 artículos en revistas y congresos revisados ​​por pares relacionados con túneles y estructuras de hormigón.

Verya Nasri, VP- Ingeniero Jefe de Túneles | AECOM El Dr. Nasri tiene un doctorado en Ingeniería Geotécnica y Estructural de la École Centrale Paris. Tiene más de 30 años de experiencia como ingeniero jefe de túneles para importantes proyectos de túneles en el área metropolitana de la ciudad de Nueva York y en toda América del Norte, Europa, Asia, África y Oriente Medio. El Dr. Nasri tiene más de 200 artículos en revistas y conferencias sobre el diseño y la construcción de túneles y estructuras subterráneas.