aplicación de métodos estadísticos a la ingeniería de túneles y obras subterráneas tesis doctoral

379 Pages·2016·21.44 MB·Spanish

DEPARTAMENTO DE EXPLOTACIÓN DE RECURSOS MINERALES Y OBRAS SUBTERÁNEAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MINAS Y ENERGÍA
APLICACIÓN DE MÉTODOS
ESTADÍSTICOS A LA INGENIERÍA DE
TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS
TESIS DOCTORAL
JUAN LUIS HITA MARÍA
Ingeniero de Minas por la E.T.S.I
de Minas y Energía de Madrid (U.P.M)
DEPARTAMENTO DE EXPLOTACIÓN DE RECURSOS MINERALES Y OBRAS SUBTERÁNEAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MINAS Y ENERGÍA
APLICACIÓN DE MÉTODOS
ESTADÍSTICOS A LA INGENIERÍA DE
TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS
Autor:JUAN LUIS HITA MARÍA
Ingeniero de Minas por la E.T.S.I de Minas y Energía de Madrid (U.P.M)
Director: Juan Herrera Herbert
Doctor Ingeniero de Minas por la E.T.S.I. de Minas y Energía de Madrid (U.P.M.)
2015
TRIBUNAL
Tribunal nombrado por el Magfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica
de Madrid, el día X de Mayo de 2015
Presidente: Francisco Javier Elorza Tenreiro
Vocal: Fernando García Bastante
Vocal Alfonso Muñoz Martín
Vocal Martina Inmaculada Álvarez Fernández
Secretario: Ricardo Laín Huerta
Suplente: Celestino González Nicieza
Suplente: Paloma Gómez
Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el día XX de XXXX de 2015, en la
Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas y Energía de Madrid
CALIFICACIÓN:
EL PRESIDENTE LOS VOCALES
EL SECRETARIO
Para mis padres Carmen María y Andrés Leandro, por ayudarme siempre
Para toda mi familia, por el apoyo.
A Juan, porque sin él esto no estaría escrito.
Para los que no están pero estuvieron o estarán, “hoy es siempre todavía”
Aplicación de métodos estadísticos a la ingeniería de túneles y obras subterráneas 2015
AGRADECIMIENTOS
Si bien una tesis es un ejercicio donde la razón y lógica se deben imponer, en este punto
serán los sentimientos los que rijan lo que escribo.
Llegar al punto en que me encuentro ha sido un camino en el que muchas veces me he
parado a descansar. Quizás demasiado, y quizás demasiadas veces; sin embargo, al
volver la vista atrás te das cuenta que cada una de esas veces han aportado algo a este
escrito, que por fin ve la luz.
Que no me haya quedado parado en el camino se lo debo a muchas personas que se han
preocupado porque así no sea; en primer lugar mis padres, con su pregunta eterna “¿Y
qué pasa con tú tesis? ¡No lo dejes, seguro que en el futuro te da alegrías! Mil gracias, al
final no sé si me dará alegrías en el futuro, pero me ha aportado mucho en el presente.
En segundo lugar, mi director. La verdad es que no sé cómo no se ha dado por vencido
y me ha animado a que esto estuviera terminado; desde aquí mil gracias, esto no estaría
escrito sin esos ánimos.
Esta tesis tampoco sería lo que es sin Rafa, Javier y el resto del Departamento de
geotecnia de Eptisa Servicios de Ingeniería, donde me han criado como ingeniero
durante 8 años desde que deje la Escuela. Quizás no hubiera conocido a Rosenblueth si
no fuera por haber pasado por allí. Quizás esta tesis no fuera de lo que es.
Al resto de mi familia también les debo agradecimiento; han sido la voz de fondo
cuando mis padres tomaban un descanso en sus ánimos.
Por último, mis agradecimientos a mis amigos, por querer celebrarlo por lo más alto;
también al Departamento de geotecnia de AECOM, por aceptarme y permitir que usara
tiempo y medios en este escrito.
Gracias a todo aquel que, algún día, ha creído en mí.
“Hoy es siempre todavía”
Antonio Machado
I
Juan Luis Hita María 2015
RESUMEN
Con base a la habituación al uso y aplicación de los métodos estadísticos en la
ingeniería de túneles y obras subterráneas y en base a su experiencia profesional, en la
presente Tesis, el autor pretende proponer una metodología de análisis para la
aplicación de los métodos estadísticos a la ingeniería de túneles y obras subterráneas,
con un enfoque claro a la mecánica de rocas.
De esta manera, el objetivo de la presente Tesis es establecer las ventajas e
inconvenientes junto con unas reglas claras para el uso de los métodos estadísticos con
dicho propósito. De igual modo, se pretende proponer rangos de aplicabilidad de cada
método, intentando dar un punto de vista teórico-práctico basado en la experiencia en el
diseño y cálculo de diversas y variadas obras subterráneas del autor y en el estudio de
bibliografía existente.
Para ello la tesis se divide en dos partes diferenciadas; la primera orientada a la
caracterización geotécnica y una segunda más orientada al cálculo y comprobación de
secciones de sostenimiento por medio de métodos extendidos como las líneas
características y el método de elementos finitos.
En base a los medios generalmente disponibles en la empresa –ya sean programas
informáticos, medios materiales, tiempo-coste, complejidad, etc.- se han establecido los
métodos que, a juicio del autor, resultan de mayor aplicación en el ámbito de la empresa
tanto para la caracterización geotécnica como para el cálculo.
Los métodos se han elegido por su sencillez y rapidez, hechos fundamentales en el
ámbito de la empresa, donde, cada vez más, se piden estudios rápidos y fiables, no sólo
para el diseño o solución de problemas, sino para el estudio detallado en fases de
licitación, que puede llegar a ser casi tan exhaustivo como en fase de proyecto
constructivo, pero, muchas veces, con un nivel de información mucho menor y, por
tanto, con una incertidumbre elevada no sólo sobre el diseño, sino sobre las ofertas
económicas presentadas.
De esta manera, se intenta lograr una integración de los métodos probabilísticos en dos
de las fases principales del proceso del estudio a realizar para una determinada obra
subterránea así como la integración de diferentes métodos usados en dichas fases,
II
Aplicación de métodos estadísticos a la ingeniería de túneles y obras subterráneas 2015
proporcionando una metodología flexible, rápida y clara que permita el análisis de
cualquier tipo de obra subterránea.
III
Juan Luis Hita María 2015
ABSTRACT
With base on the use and application of statistical methods to tunnel and underground
works engineering and with base on its own professional experience, in this Thesis the
author wants to propose a methodology for the application of statistical methods to the
tunnel and underground Works engineering with a special focus on rock mechanics.
So that, the main objective of this Thesis is to establish the advantages and
disadvantages of these methods together with some clear rules oriented to an easy
application of these methods. In addition, it is the author’s intention to propose ranges
of application of these methods, trying to propose a practical point of view of its
application based on his experience on designing various tunnels and underground
Works and with the support of existing bibliography
To deal with this question, the Thesis is divided into two parts; the first one oriented to
the geotechnical characterization and a second one oriented to support calculation by
using extended methods as characteristic lines and the finite element method.
So that, taking as a starting point the means generally available in the geotechnical
departments –computer programs, time-cost limitations, etc-, the author has established
the methods that, on his own judgement, resulted of a real application in the ambit of
the geotechnical department.
The methods have been chosen by its simplicity and quickness, two extremely
important facts in the business ambit, where, with increasing frequency, quick and
reliable calculations are required, not only in construction stages but in tender stages,
where information is scarce and the uncertainty is high, not only in the design but in the
economical bid presented.
This way, an integration of the probabilistic methods in two of the most important
phases of the design process and the integration of different methods used in these
phases is proposed in this Thesis, trying to provide a flexible, quick and clear
methodology that allows to analyze any kind of underground works.
IV
Aplicación de métodos estadísticos a la ingeniería de túneles y obras subterráneas 2015
ÍNDICE(cid:3)GENERAL(cid:3)
AGRADECIMIENTOS(cid:3)..................................................................................................................................(cid:3)I
RESUMEN(cid:3).......................................................................................................................................................(cid:3)II
ABSTRACT....................................................................................................................................................(cid:3)IV
1 INTRODUCCIÓN(cid:3).............................................................................................................................(cid:3)14
1.1 OBJETO DE LA TESIS .................................................................................................................... 17
1.2 ALCANCE DE LA TESIS .................................................................................................................. 20
2 APLICACIÓN(cid:3)DE(cid:3)LA(cid:3)ESTADÍSTICA(cid:3)(cid:4)(cid:3)LA(cid:3)INGENIERÍA(cid:3)DE(cid:3)TÚNELES(cid:3)(cid:28)(cid:3)OBRAS(cid:3)
SUBTERRÁNEAS(cid:3)............................................................................................................................(cid:3)22
2.1 LA INCERTIDUMBRE EN EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES ............................................ 22
2.1.1 FASE DE INVESTIGACIÓN Y CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA ............................................... 24
2.1.2 FASE DE DISEÑO DE LA OBRA SUBTERRÁNEA ...................................................................... 26
2.2 DETERMINISMO Y PROBABILIDAD EN EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES ....................... 27
2.2.1 SIGNIFICADO DEL CONCEPTO DETERMINISMO ................................................................... 27
2.2.2 SIGNIFICADO DEL CONCEPTO PROBABILIDAD ..................................................................... 28
2.3 ANÁLISIS DETERMINISTA EN EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES ..................................... 29
2.4 ANÁLISIS ESTADÍSTICO EN GEOTECNIA ....................................................................................... 30
2.5 APLICACIÓN DE LOS MÉTODOS ESTADÍSTICOS A LA CARACTERIZACIÓN DE PARÁMETROS
GEOTÉCNICOS ...................................................................................................................................... 32
2.5.1 PLANTEAMIENTO DE LA CAMPAÑA DE INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA ................................. 32
2.5.2 APLICACIÓN DE MÉTODOS ESTADÍSTICOS A LA CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA ................ 34
2.5.2.1 ANÁLISIS DE LAS VARIABLES ALEATORIAS. ................................................................. 36
2.5.3 ESTABLECIMIENTO DE LOS VALORES DE CÁLCULO .............................................................. 55
2.5.3.1 PARÁMETROS SEGÚN EL TIPO DE CÁLCULO ............................................................... 55
2.5.3.2 PARÁMETROS GEOTÉCNICOS A ESTUDIAR. ................................................................ 58
1
Juan Luis Hita María 2015
2.5.4 METODOLOGÍAS DE CARACTERIZACIÓN.............................................................................. 67
2.5.4.1 SELECCIÓN DE LA METODOLOGÍA. CRITERIOS. ........................................................... 67
2.5.4.2 RECOPILACIÓN DE METODOLOGÍAs DE CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA BASADAS EN
MÉTODOS ESTADÍSTICOS ........................................................................................... 68
2.5.5 METODOLOGÍA PROPUESTA POR EL AUTOR ....................................................................... 93
2.5.5.1 INTRODUCCIÓN A LA METODOLOGÍA PROPUESTA ..................................................... 93
2.5.5.2 PROPIEDADES GEOMÉTRICAS, LITOLÓGICAS Y MINERALÓGICAS DE LOS MATERIALES ...
................................................................................................................................. 94
2.5.5.3 PARÁMETROS INGENIERILES DE LOS MATERIALES ..................................................... 96
2.5.5.4 NIVEL PIEZOMÉTRICO Y SUS FLUCTUACIONES. ......................................................... 115
2.5.5.5 ESTADO TENSIONAL ................................................................................................ 116
2.5.5.6 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA METODOLOGÍA PROPUESTA ........................................ 118
2.5.5.7 COMPARATIVA DE LA METODOLOGÍA PROPuesTA CON METODOLOGÍAS CLÁSICAS . 122
2.6 APLICACIÓN DE LOS MÉTODOS ESTADÍSTICOS AL CÁLCULO DE TÚNELES .................................. 131
2.6.1 MÉTODOS DE CÁLCULO DE TÚNELES ................................................................................ 131
2.6.1.1 MÉTODO DE CONVERGENCIA CONFINAMIENTO ...................................................... 131
2.6.1.2 MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS .................................................................... 143
2.6.1.3 CÁLCULO DE LA DEFORMACIÓN PREVIA A LA INSTALACIÓN DEL SOSTENIMIENTO.... 147
2.6.1.4 APLICABILIDAD DE CADA MÉTODO DE CÁLCULO DE TÚNELES .................................. 154
2.6.2 APLICACIÓN DE LOS MÉTODOS ESTADÍSTICOS AL CÁLCULO DE TÚNELES .......................... 155
2.6.2.1 ANALISIS DE SENSIBILIDAD ...................................................................................... 155
2.6.2.2 ANALISIS DE SENSIBILIDAD BASADO EN LA VARIANZA. DESARROLLO MATEMÁTICO DEL
MÉTODO ................................................................................................................. 156
2.6.2.3 MÉTODO DE MONTECARLO Y DEL HIPERCUBO LATINO ............................................ 158
2.6.2.4 ESTIMACIÓN DE LA FIABILIDAD DEL DISEÑO ............................................................ 160
2.6.2.5 MÉTODOS DE ESTIMACIÓN PUNTUAL. MÉTODO DE ROSENBLUETH ......................... 165
2.6.3 RIESGO EN EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES ...................................................... 170
2.6.3.1 RIESGOS NORMALES ............................................................................................... 171
2.6.3.2 RIESGOS ANORMALES ............................................................................................. 173
2.6.3.3 RIESGOS ACEPTABLES .............................................................................................. 175
2.6.4 METODOLOGÍAS DE CÁLCULO .......................................................................................... 176
2.6.4.1 METODOLOGÍAS DE CÁLCULO PARA EL MÉTODO DE CONVERGENCIA CONFINAMIENTO
............................................................................................................................... 176
2.6.4.2 METODOLOGÍAS DE CÁLCULO PARA EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS ............... 184
2.6.5 METODOLOGÍA PROPUESTA POR EL AUTOR ..................................................................... 198
2.6.5.1 INTRODUCCIÓN A LA METODOLOGÍA PROPUESTA ................................................... 198
2