Por H. Castellvi, X. Torelló y A. Denia
La metodología permite una simulación simplificada de las juntas mediante la asignación de propiedades ortotrópicas a un elemento de placa. Se aplicó con éxito en el Lote S1S2 del HS2 para el diseño de dovelas especiales alrededor de las conexiones. Los datos de monitoreo y las observaciones en sitio confirmaron la exactitud de los cálculos y la solidez del diseño.
Las estructuras de los túneles son discontinuas por naturaleza, sobre todo en el caso de los revestimientos de dovelas, donde las juntas influyen de manera crítica en el comportamiento longitudinal y en la distribución de tensiones. Los modelos tradicionales de elementos finitos suelen ignorar estas juntas, bajo la suposición de respuestas estructurales continuas. Sin embargo, esta simplificación podría estar del lado de la inseguridad en escenarios complejos como galerías de enlace o pasos inferiores, donde la respuesta de la junta rige la redistribución de cargas y el desempeño estructural. Además, en dichas situaciones los desplazamientos tienden a acumularse como desplazamientos diferenciales entre dovelas, los cuales deben evaluarse durante el diseño para evitar fallos en la impermeabilización y daños estructurales.
Para abordar estos desafíos, se adoptó una metodología innovadora que simula con precisión las juntas transversales dentro de los modelos geotécnicos de elementos finitos gracias al software PLAXIS 3D de Seequent.
Enfoque de Propiedades de revestimiento reducidas (Castellvi et al., 2023): Las juntas transversales se simulan con elementos de placa caracterizados por una rigidez reducida a la flexión, al corte radial y a la torsión. Por simplicidad y robustez del modelo, las juntas longitudinales se han contabilizado mediante la inercia equivalente de Muir-Wood. Estas propiedades ortotrópicas se ajustan mediante los coeficientes de reducción RM, RQ y RT.
Figura 1: Geometría de las placas que simulan las juntas transversales y formulación para derivar los parámetros ortotrópicos de dichas placas. Fuente: Castellvi et al., 2023.
El subíndice «j» se refiere a la junta (
Este método preserva la elasticidad lineal y la simplicidad geométrica, al tiempo que permite un comportamiento realista de escalonamiento y rotación en las juntas transversales.
Caso de estudio: Aplicación de la metodología para el diseño de dovelas especiales en el proyecto High Speed Two
El High Speed 2 (HS2) es una nueva línea ferroviaria entre Londres y Birmingham que se encuentra en construcción. Los lotes S1 y S2 incluyen 22 km de túneles gemelos bajo Londres.
En este proyecto, las estructuras temporales típicas alrededor de las aperturas y los grandes cordones de las galerías de enlace fueron reemplazados por dovelas especiales innovadoras (Torelló et al., 2020). Esto mejoró la logística dentro del túnel y redujo las emisiones de carbono al disminuir las estructuras permanentes en las galerías de enlace. Los elementos de concreto reforzado contaban con marcos de acero integrados, varillas de pretensado y pasadores de corte, capaces de resistir altas tensiones circunferenciales sin necesidad de soportes internos temporales. Esta solución no solo optimizó la logística de construcción, sino que también recibió un reconocimiento en los premios NCE Tunnelling Awards.
Dichas dovelas innovadoras requirieron un diseño preciso, que incluyó modelos 3D de elementos finitos de interacción suelo-estructura en las aperturas.
Resumen de la metodología aplicada por TYPSA:
- 1) El enfoque de propiedades de revestimiento reducidas se utiliza para simular dos comportamientos extremos con PLAXIS 3D:
- – Modelo de tubería rígida: donde la placa delgada que simula la junta transversal se caracteriza con la fórmula anterior, donde RM=RQ=RT=1 (es decir, túnel continuo, sin efectos de junta).
- – Modelo de tubería articulada: donde RM=RQ=RT=10 000 (juntas transversales totalmente flexibles que permiten el movimiento independiente de los anillos). Si se observa una tracción relevante en una junta, el área que recibe la tracción debe desconectarse de forma manual y volver a ejecutar el modelo.
- 2) Estos modelos definen los límites superior e inferior para las fuerzas internas y los desplazamientos.
- 3) Un modelo estructural que utiliza un software como SAP2000©, con conectores no lineales y análisis por etapas, se calibra dentro de estos límites para garantizar un comportamiento realista de las dovelas especiales. Este proceso permite una calibración precisa del modelo estructural. En el modelo estructural, si se requiere y a discreción del diseñador, se puede desarrollar una representación más detallada de la forma específica de las dovelas.
- 4) Verificación de los elementos estructurales en ELU (Estado Límite Último) y ELS (Estado Límite de Servicio). Se observa que limitar el escalonamiento entre segmentos adyacentes a la distorsión máxima de la junta puede ser una de las condiciones más exigentes.
Cabe señalar que para este diseño se utilizó una metodología de límites superior e inferior, pero pueden elegirse valores intermedios para cada uno de los factores si se dispone de ensayos o en modelos de análisis retrospectivo.
Figura 2: Calibración del modelo estructural basado en los límites superior e inferior definidos por los resultados de los modelos geotécnicos. Fuente: Castellvi et al., 2023.
Tanto el diseño de las dovelas especiales como la metodología de diseño de vanguardia se aplicaron con éxito en diversas condiciones desafiantes de este proyecto, tales como conexiones de ventilación cenital de gran tamaño de hasta 28 m² (Hoerrle et al., 2024) o en una gran conexión lateral en caverna (Torelló et al., 2025). No obstante, su aplicación cobra especial relevancia en 20 galerías de enlace, donde se empleó la congelación del terreno para la estabilización del suelo, lo que introdujo presiones significativas inducidas por la escarcha en los revestimientos del túnel.
A fin de evaluar las presiones críticas por formación de hielo durante el proceso de congelación, se empleó una combinación de pruebas de laboratorio, simulaciones digitales y seguimiento en terreno. Para obtener más información, consulte en Torelló et al., 2025.
Los datos de monitoreo confirmaron el alto nivel de precisión de las modelizaciones por elementos finitos, validando las hipótesis del modelado. Los resultados del modelo fueron coherentes con los desplazamientos observados, incluso en el caso de la congelación, donde el desplazamiento máximo registrado (37 mm en las dovelas especiales de la galería de enlace 31) se mantuvo dentro de los límites de diseño.
Figura 3: Desplazamientos monitoreados en la CP31 tras la congelación (en negro) y perfil deformado del túnel según los modelos geotécnicos. El perfil deformado es la envolvente de los resultados del modelo de tubería rígida (línea verde) y los resultados del modelo de tubería articulada (línea púrpura).
Anillo de apertura (izquierda), anillo adyacente a la apertura (centro), tercer anillo desde la apertura (derecha). Fuente: Torelló et al., 2025.
Conclusión
La metodología presentada mediante el uso de PLAXIS 3D resultó fundamental para lograr un diseño de dovelas sólido y preciso en condiciones de conexión complejas. La metodología proporcionó predicciones exactas, diseños estructurales optimizados y una mayor seguridad durante la construcción. Estos casos reales sirven como referencia valiosa para futuros proyectos de túneles bajo condiciones de carga complejas, y destaca el poder del modelado innovador para superar los desafíos de la ingeniería subterránea.
Agradecimientos
Los autores desean expresar su gratitud al equipo de Züblin, que lideró el diseño de estas dovelas especiales.
Este caso de éxito se publica con la autorización de HS2 Ltd. Los autores desean agradecer a la empresa conjunta Skanska-Costain-STRABAG (SCS) por otorgar el permiso para publicar la información que figura en este caso de éxito.
Fuentes
Este caso de éxito se centra en la metodología utilizada para simular las juntas en las conexiones de los túneles. Toma como base extractos de dos artículos, a los que se puede acceder aquí:
Torelló et al., 2020: https://learninglegacy.hs2.org.uk/document/special-segment-design-for-cross-passages-and-shaft-passages/
Castellvi et al., 2023: https://www.issmge.org/uploads/publications/51/119/NUMGE2023-202.pdf
Torelló et al., 2025: https://www.taylorfrancis.com/reader/download/806b4474-408a-498b-93aa-39bc375aebed/chapter/pdf?context=ubx
Para obtener más información, puede consultar los siguientes artículos:
Hoerrle, D.; Acosta, F.; Neher, H. & Torelló, X., 2024. «High Speed 2: Innovative dauerhafte Querschlagabfangung mit Tübbingen».