Comprender la relación entre los suelos arcillosos y la plasticidad de la presión del suelo puede ser importante para mantener la estabilidad del túnel y predecir el comportamiento del suelo durante la construcción de túneles con escudo de equilibrio de presión del suelo (EPB), un método común de excavación subterránea. Investigadores del Instituto de Tecnología Shibaura han desarrollado experimentos con modelos a pequeña escala combinados con análisis de ingeniería asistido por computadora basados en simulación de partículas en movimiento que predicen de manera confiable la plasticidad del suelo y sus factores interrelacionados sin tener que lidiar con el costo y el tiempo del análisis de campo del suelo.
La infraestructura suele verse gravemente dañada por peligros geotécnicos, tanto naturales, como inundaciones o terremotos, como provocados por el hombre, como la construcción subterránea y la minería. Los campos de la ingeniería civil y la gestión del riesgo de desastres han estudiado ampliamente métodos para prevenir estos peligros y todavía están buscando formas más efectivas de evitar las deformaciones a gran escala asociadas con los peligros antes mencionados. La llegada de la simulación asistida por ordenador ha proporcionado a los investigadores métodos basados en partículas, como la simulación de partículas en movimiento (MPS), que son una herramienta valiosa para el análisis independiente de la deformación incluso en áreas grandes. Aunque los métodos han ganado popularidad en los últimos años, todavía no se han aplicado para predecir el comportamiento del suelo durante los trabajos de diseño o construcción.
Combinando experimentos con modelos a pequeña escala y análisis de ingeniería asistida por computadora (CAE) a través de MPS, un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología Shibaura dirigido por el profesor de la Facultad de Ingeniería Shinya Inazumi exploró algunos de los misterios que rodean el equilibrio de presión de la Tierra (EPB). Su reciente estudio reveló la existencia de túneles en forma de escudo. Túneles y tecnología espacial subterránea el 21 de agosto de 2024.
EPB es un método ampliamente utilizado de construcción de túneles que utiliza suelo arcilloso excavado para brindar soporte a la cara del túnel, plastificando el material excavado usando espuma, lodo u otros aditivos para garantizar que sea permeable al agua y fácilmente transportable.
El equipo reconoció que, a pesar de ser una técnica popular, se sabe poco sobre cómo la plasticidad del suelo excavado con aditivos plastificantes como la solución de bentonita afecta la presión de la tierra dentro de la cámara de excavación. Conocer estos factores no sólo puede aumentar significativamente las posibilidades de evitar la deformación del suelo, sino también garantizar una gestión eficiente de los sedimentos durante el proceso de construcción del túnel.
“Los centros urbanos se están volviendo cada vez más dependientes de la infraestructura subterránea, por lo que queríamos una herramienta de predicción que pudiera mejorar la resiliencia de la infraestructura urbana y 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 Prof. Añadió Inazumi, explicando la motivación detrás de la investigación. Resaltó además que dado que el laboratorio involucrado en la investigación se alinea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas, también han explorado la huella ambiental derivada del uso de grandes cantidades de material excavado y aditivos químicos como la bentonita en busca de formas de mejorar. Sostenibilidad de los proyectos de construcción.
La configuración experimental consistió en un tanque de suelo sellable que simulaba una cámara y las fases de descenso y ascenso de un modelo de pala móvil que se realizaron instalando un manómetro de doble par en una tuneladora de pendientes. Con los cálculos de un sistema de análisis asistido por computadora basado en una simulación de partículas en movimiento (MPS), el sistema pudo simular con precisión el proceso de construcción de túneles, que incluyó medir la variación de la presión del suelo en respuesta a cambios en la plasticidad debido al movimiento de suelo fangoso. .
Los investigadores han descubierto que la presión del suelo es un indicador fiable de la plasticidad del suelo y de la resistencia al corte en furgoneta y de los valores de asentamiento, que junto con factores relacionados afectan la estabilidad del túnel y el funcionamiento del equipo. Con el apoyo de MPS, el sistema de análisis CAE propuesto por el equipo refleja con precisión los datos experimentales, lo que confirma su idoneidad para evaluar y visualizar la plasticidad y fluidez de suelos fangosos durante la excavación de túneles.
La evaluación de los valores de tensión del suelo en condiciones reales de campo mediante el análisis del estado plástico de suelos fangosos en diferentes condiciones del suelo puede llevar mucho tiempo y ser una tarea costosa. Las pruebas de modelos a pequeña escala, cuando se combinan con el poder computacional demostrado en este estudio, pueden ser un recurso valioso para optimizar las operaciones de túneles de protección del EPB y mejorar las estrategias de gestión de sedimentos. Se abren así nuevas posibilidades de innovación técnica que pueden mejorar significativamente la seguridad y eficiencia de los trabajos de construcción civil subterránea, especialmente en entornos urbanos.
“Los resultados de esta investigación pueden impactar directamente los sistemas de metro, los servicios públicos subterráneos y la construcción de carreteras en áreas urbanas densas al permitir operaciones controladas que causen menos perturbaciones en el suelo circundante. Esperamos que nuestra estrategia propuesta se aplique para optimizar el impacto ambiental de la construcción de túneles. procesos y terremotos u otros eventos geológicos”. -La tecnología mejora los protocolos de seguridad en áreas propensas a peligros”, concluyó el profesor Inazumi.