Evaluation of Tunnel Elastic and Elasto-Plastic Deformations with Approximations Obtained from 3D-FEM Simulations

Evaluación de las deformaciones elásticas y elastoplásticas en túneles usando aproximaciones obtenidas de simulaciones 3D-FEM

Hoy en día existen herramientas informáticas diseñadas para simular problemas de ingeniería. Las simulaciones numéricas en tres dimensiones (3D) son las que más se aproximan a la realidad, pero requieren un tiempo y una experiencia considerables. En este artículo, el objetivo es presentar fórmulas y gráficos obtenidos a partir de simulaciones numéricas mediante el método de los elementos finitos (MEF). Su aplicación disminuye el tiempo necesario para obtener las deformaciones en la periferia de las distintas secciones del túnel y sirve además para evaluarlas para distintas longitudes de excavación ante cambios geotécnicos inesperados durante la perforación. Utilizando el software RS2 y RS3, se realizaron análisis 3D según el modelo de Mohr-Coulomb (MC), considerando comportamientos elásticos y elasto-plásticos perfectos, así como condiciones isotrópicas y anisotrópicas. Los gráficos aquí presentados permiten obtener desplazamientos a partir de un modelo axisimétrico para inferir los desplazamientos 3D túneles de herradura, y las expresiones polinómicas ayudan a determinar los desplazamientos de una longitud de excavación establecida. Finalmente, se presentan comparaciones entre los desplazamientos reportados por otros autores y los obtenidos con las expresiones polinómicas como medio de validación de esta investigación.

INTRODUCCIÓN

La infraestructura de túneles es una parte fundamental de la vida moderna, ya que reduce el impacto en la superficie y mejora los tiempos de viaje. La investigación sobre el diseño y la construcción de túneles continúa, dada la gran cantidad de datos, conocimientos y experiencia que requieren estas obras civiles. En la práctica, se utilizan muchos métodos en la fase de diseño, como el análisis empírico, analítico y numérico. Los métodos empíricos han utilizado ecuaciones basadas en la experiencia (Khan et al., 2019; Rehman et al., 2018; Terzaghi, 1942), los métodos analíticos utilizan esquemas de rotura para emular el fallo del suelo o de la roca (Lu et al., 2020; Kong et al., 2019; Langford y Diederichs, 2013), y los métodos de análisis numérico se integran en software especializado y se aplican en la práctica y la investigación (Sadique et al., 2022; Zaid, 2021; Zaid y Shah, 2021; Equihua Anguiano et al., 2017; Vlachopoulos y Diederichs, 2014). El objetivo en todos los tipos de métodos es determinar las tensiones y deformaciones del medio, lo cual es decisivo en el comportamiento del túnel (Zhang et al., 2020; Qiu et al., 2017; Ngueyep et al., 2015). No obstante, cada método se aplica en condiciones específicas debido a la gran variabilidad del proceso de diseño. Todas las metodologías y teorías se complementan en la práctica mediante ensayos in situ y monitorización sobre el terreno (Ma et al., 2022; Du et al., 2020).