Limit Support Pressure and Critical Cover-to-Diameter Ratio of Shallow-Buried Tunnel Faces in Sand-over- Clay Composite Ground

Resumen Técnico: Presión de Soporte Límite y Relación Crítica Cobertura-Diámetro de Frentes de Túneles Poco Profundos en Terrenos Compuestos de Arena sobre Arcilla

Planteamiento del Problema
Los túneles enterrados a poca profundidad en entornos urbanos encuentran cada vez más condiciones de terreno compuesto complejas, específicamente estratigrafía de arena sobre arcilla. A diferencia de los terrenos homogéneos, estos sistemas estratificados presentan características contrastantes de resistencia y deformación que influyen significamente en la estabilidad del frente del túnel. Mientras que la investigación existente ha abordado la estabilidad del frente de túnel en suelos arenosos o arcillosos homogéneos, y algunos estudios han examinado terrenos estratificados, persiste una laguna en la comprensión de los mecanismos de falla específicos, los patrones de liberación de presión de tierra y la transición de modos de falla global a local en terrenos compuestos de arena sobre arcilla. Específicamente, faltan comparaciones sistemáticas de las diferencias de deformación entre las capas de arena y arcilla, el proceso de falla progresiva relativo a la posición de la interfaz de las capas de suelo (centro frente a corona) y un criterio cuantitativo para la relación crítica cobertura-diámetro ($C/D$) bajo diversas resistencias al corte.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque multifacético combinando modelado físico y simulación numérica:

1. Ensayos de Modelado en Centrífuga: Realizados a 60g utilizando una centrífuga geotécnica TLJ-3. Se diseñaron cuatro casos de prueba con un diámetro de prototipo de túnel de 6 m. La interfaz de la capa de suelo se posicionó ya sea en el centro del frente del túnel o en la corona del túnel, con relaciones cobertura-diámetro ($C/D$) de 0.8 y 1.2.
2. Técnicas de Monitoreo: Se utilizó Velocimetría de Imágenes de Partículas (PIV) para analizar los campos de desplazamiento del suelo y la evolución de la zona de falla. Sensores de desplazamiento láser midieron la retracción del frente, y celdas de presión de tierra monitorearon la liberación de estrés en el frente del túnel y dentro del suelo delante del frente.
3. Análisis de Límite de Elementos Finitos de Límite Inferior Tridimensional: Se desarrolló un modelo numérico para determinar la presión de soporte mínima requerida para la estabilidad. Este método utilizó campos de estrés estáticamente admisibles que satisfacen el equilibrio, las condiciones de contorno y el criterio de fluencia de Mohr-Coulomb. Se utilizó para validar los resultados experimentales y realizar un análisis paramétrico sobre el ángulo de fricción interna ($\phi$) de la capa de arena superior.

Contribuciones Clave y Resultados

• Mecanismos de Falla e Interfaz de Posición:

  • Cuando la interfaz de la capa de suelo interceptaba el centro del frente del túnel, la inestabilidad estaba gobernada principalmente por la capa de arena superior. La zona de falla se propagó hacia arriba y hacia afuera, alcanzando eventualmente la superficie del terreno (falla global).
  • Cuando la interfaz se localizaba en la corona del túnel, la capa de arcilla subyacente restringía eficazmente la propagación ascendente de la zona de falla. En estos casos, la zona de falla permaneció confinada dentro de aproximadamente 1.5 diámetros de túnel por delante del frente, y no se formó una superficie de falla continua incluso con una retracción del frente de 30 mm.

• Etapas de Falla Progresiva:
  Se identificó que el proceso de retracción del frente ocurre en tres etapas distintas:

  1. Deformación Local: Concentrada cerca del frente.
  2. Falla Progresiva: Propagación ascendente y hacia afuera de la zona de desplazamiento con liberación continua de presión de tierra.
  3. Estabilidad Residual: Estabilización de la presión de soporte y formación de una banda de desplazamiento continua.
     Los casos D1 y D2 alcanzaron el estado límite en una retracción del frente de aproximadamente 10 mm.

• Liberación de Presión de Tierra y Presión de Soporte:

  • La liberación de presión de tierra en la capa de arena fue significativamente mayor que en la capa de arcilla. Por ejemplo, en el Caso D1, la relación de liberación de estrés alcanzó el 66% en la capa de arena frente al 56% en la capa de arcilla.
  • Las presiones de soporte límite para los casos de falla fueron 12.7 kPa (D1, $C/D=0.8$) y 13.4 kPa (D2, $C/D=1.2$). El aumento de $C/D$ de 0.8 a 1.2 resultó en solo un incremento del 5.5% en la presión de soporte límite, lo que sugiere una sensibilidad limitada a la profundidad de cobertura dentro de este rango específico para esta configuración de interfaz.
  • Los casos D3 y D4 (interfaz en la corona) no alcanzaron un estado límite dentro del rango de prueba, con relaciones de presión de soporte por encima de 0.85.

• Validación Numérica:
  El análisis de límite inferior tridimensional arrojó presiones de soporte límite con desviaciones menores al 10% en comparación con los resultados de los ensayos en centrífuga (−9.4% para D1 y −4.5% para D2). El modelo numérico reprodujo con éxito las características de falla y confirmó que la capa de arcilla proporciona un efecto estabilizador cuando se localiza debajo del frente del túnel.

• Relación Crítica Cobertura-Diámetro:
  El análisis paramétrico reveló una fuerte relación entre el ángulo de fricción interna ($\phi$) de la capa de arena superior y la relación $C/D$ crítica requerida para la transición de falla global a local.

  • A medida que $\phi$ aumentó de 15° a 35°, el $C/D$ crítico disminuyó de 2.20 a 1.10.
  • Una regresión lineal estableció la relación: $(C/D)_{crit} = 3.02 - 0.056\phi$, con un coeficiente de determinación $R^2 = 0.995$.
  • Una mayor resistencia al corte en la capa de arena potencia el efecto de arco del suelo, permitiendo que la zona de falla se cierre por delante del frente a profundidades de cobertura menores.

Significancia
Los autores afirman que estos hallazgos proporcionan una referencia para determinar los parámetros de soporte del frente del túnel y evaluar el riesgo de falla global en túneles poco profundos construidos en terrenos compuestos de arena sobre arcilla. El estudio destaca que la posición de la interfaz de la capa de suelo es un factor de control para los modos de falla y que la transición de falla global a local puede predecirse cuantitativamente basándose en el ángulo de fricción interna y la profundidad de cobertura. El método de análisis de límite inferior validado ofrece una herramienta confiable para identificar posibles zonas cedidas y modos de falla en condiciones de terreno complejo similares.