La infraestructura a menudo sufre graves daños debido tanto a peligros geotécnicos naturales, como inundaciones o terremotos, como a peligros provocados por el hombre, como trabajos de construcción subterránea y excavaciones.

Los ingenieros civiles y los equipos de gestión del riesgo de desastres han estudiado ampliamente métodos para prevenir estos riesgos y todavía están buscando formas más efectivas de evitar deformaciones a gran escala asociadas con estos peligros.

La llegada de las simulaciones asistidas por computadora ha proporcionado a los investigadores métodos basados ​​en partículas, como la simulación de partículas en movimiento (MPS), que es una herramienta valiosa para el análisis independiente de la deformación incluso en regiones más grandes.Si bien el método ha ganado popularidad en los últimos años, aún no se ha aplicado para predecir el comportamiento del suelo durante los trabajos de diseño o construcción.

Al combinar la experimentación con modelos a pequeña escala y un análisis de ingeniería asistida por computadora (CAE) a través de MPS, un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología Shibaura dirigido por el profesor Shinya Inazumi de la Facultad de Ingeniería ha investigado algunos misterios en torno al equilibrio de la presión terrestre (EPB) escudotunelización.

Su estudio reciente fuepublicadoenTecnología de túneles y espacio subterráneoel 21 de agosto de 2024.

EPB es un método ampliamente utilizado para crear túneles que utiliza el barro excavado.suelopara proporcionar soporte a la cara del túnel, lo que se realiza mediante el uso de espuma, lodo u otros aditivos para plastificar el material excavado para garantizar que sea impermeable al agua y fácilmente transportable.

El equipo reconoció que, a pesar de ser una técnica popular, no se sabe mucho sobre cómo la plasticidad del suelo fangoso, ajustada mezclando suelo excavado con aditivos plastificantes como una solución de bentonita, afecta la presión de la tierra dentro de una cámara de túnel.Conocer estos factores no sólo puede aumentar significativamente las posibilidades de evitar deformaciones del suelo, sino también garantizar una gestión eficiente de los sedimentos durante el proceso de construcción de túneles.

"Los centros urbanos dependen cada vez más de infraestructuras subterráneas, por lo que queríamos una herramienta de predicción que pudiera mejorar la resiliencia de la infraestructura urbana y al mismo tiempo reducir los costos asociados con retrasos y daños estructurales debido a operaciones inestables de túneles al garantizar una gestión eficiente de la plasticidad del suelo", dijo el profesorafirma Inazumi.

Resaltó además que como el laboratorio de investigación asociado al estudio se alinea con los objetivos de desarrollo sostenible de la ONU, también exploraron la huella ambiental derivada de grandes volúmenes de material excavado y el uso de aditivos químicos como la bentonita en busca de formas de mejorar lasostenibilidad de los proyectos de construcción.

Elconfiguración experimentalconsistió en un tanque de suelo sellable que simulaba una cámara y etapas de descenso y ascenso de un modelo de pala agitadora que se logró instalando un manómetro de tierra de doble par en una tuneladora de escudo.

Este sistema, junto con los cálculos realizados por un sistema de análisis asistido por computadora basado en una simulación de partículas en movimiento (MPS), fue capaz de simular con precisión el proceso de construcción de túneles, que incluyó la medición de las variaciones en la presión del suelo en respuesta a la variación de plasticidad inducida por la agitación del lodo.suelo.

Los investigadores encontraron que la presión del suelo es un indicador confiable y confiable para analizar la plasticidad del suelo y factores correlacionados como la resistencia al corte de las paletas y el valor de asentamiento, que en conjunto impactan la estabilidad del túnel y el funcionamiento de la maquinaria.

Respaldado por MPS, el sistema de análisis CAE propuesto por el equipo refleja con precisión ladatos experimentales, lo que confirma su idoneidad para evaluar y visualizar la plasticidad y fluidez del suelo fangoso durante la construcción de túneles.

Evaluar el valor de la presión del suelo en condiciones reales de campo mediante el análisis del estado de plasticidad del suelo fangoso en diferentes condiciones del suelo puede llevar mucho tiempo y ser un asunto costoso.El experimento del modelo a pequeña escala, cuando se combina con el poder de cálculo demostrado en este estudio, puede ser un activo valioso para optimizar las operaciones de túneles de protección del EPB y mejorar las estrategias de gestión de sedimentos.

La tecnología abre nuevas posibilidades para estrategias innovadoras que pueden mejorar significativamente la seguridad y eficiencia de las obras de construcción civil subterránea, especialmente en entornos urbanos.

"Los resultados de este estudio pueden influir directamente en la construcción de sistemas de metro, servicios públicos subterráneos y carreteras en áreas urbanas densamente pobladas al permitir operaciones controladas que causen menos perturbaciones en el terreno circundante.

"También esperamos que nuestra estrategia propuesta se aplique para optimizar el impacto ambiental del proceso de construcción de túneles y mejorar los protocolos de seguridad en áreas propensas a terremotos u otros peligros geotécnicos", concluye el profesor Inazumi.

Más información:Evaluación de la plasticidad del suelo fangoso para la construcción de túneles con escudo de equilibrio de presión de tierra.Tecnología de túneles y espacio subterráneo(2024).DOI: 10.1016/j.tust.2024.106044