Entre los años 2003 y 2005 se realizó la excavación de aproximadamente 6.200 m de túneles correspondientes a la Rampa de Exploración y al Túnel de Drenaje de la mina Chuquicamata. Se entrega en este trabajo la caracterización geotécnica-estructural y la definición de soporte de estos desarrollos subterráneos, ubicados en el área de influencia de los esfuerzos activos inducidos por la minería a rajo abierto. Sobre la base del levantamiento geotécnico de las labores subterráneas, aplicando el sistema de clasificación geotécnica mediante el índice Q de Barton (1974), se establecen en forma empírica los requerimientos de fortificación adecuada y suficiente para la estabilidad de los túneles. Las excavaciones subterráneas que se extienden en una franja Nor-Nor-Este de 2.400 m de largo por 600 m de ancho, se realizaron principalmente en el pórfido granodiorítico denominado Pórfido Este, huésped de la mineralización de cobre y molibdeno del yacimiento Chuquicamata. Subordinadamente también se excavaron rocas intrusivas estériles como las granodioritas Fortuna y Elena y una unidad de sedimentos mesozoicos afectadas por metamorfismo dinámico y de contacto. En el Pórfido Este se pueden distinguir unidades de alteración en franjas subverticales orientadas en dirección Nor-Este con predominio de clorita, feldespato potásico, sericita y de la asociación cuarzo-sericita. Las unidades litológicas y de alteración presentan características geotécnicas homogéneas (unidades geotécnicas) que han sido reconocidas en los desarrollos subterráneos. De igual manera, se distinguen áreas con patrones estructurales propios, en función de la influencia de las fallas principales del yacimiento, y de la condición de las familias de fallas y diaclasas (Dominios Estructurales). La calidad geotécnica del macizo rocoso en los túneles varia predominantemente de Buena a Regular con índice Q de Barton entre 2 y 30, RQD entre 60% y 90%, con una resistencia de la roca estimada entre 50 MPa y 120 MPa. Para estas condiciones, se determinó fortificar los desarrollos con pernos sistemáticos y malla tejida tanto en la bóveda como en la parte superior de las paredes. Para esta calidad de roca, solo puntualmente se requirió de la proyección de shotcrete en zonas con fracturamiento intenso y humedad. Aproximadamente el 3% de los desarrollos se realizaron en roca de Mala y Muy Mala calidad geotécnica asociada principalmente a zona de influencia de fallas importantes del yacimiento como las fallas Oeste y Americana, con Índice Q de Barton entre 0,06 y 0,8, RQD de 30% a 65% y una resistencia de la roca estimada entre 1 MPa y 80 MPa. Para los tramos de Mala calidad geotécnica se determinó un sostenimiento consistente en pernos sistemáticos, malla tejida y shotcrete con espesores de 10 cm a 15 cm, en tanto que para la zona de Muy Mala calidad geotécnica se determinó la instalación de marcos metálicos. Transcurridos entre 3 y 5 años desde la ejecución de estos desarrollos, se mantienen buenas condiciones de estabilidad, observándose solo puntualmente oxidación de los componentes metálicos de la fortificación, en zonas con afloramientos de aguas ácidas.

No autorizado por el autor para ser publicada a texto completo / El objetivo principal de este trabajo es estudiar los mecanismos de transporte turbulento de calor y masa en una cortina de aire, a fin de proveer antecedentes para la evaluación de cortinas de aire como objetos físicos capaces de confinar calor y/o masa en ambientes cerrados con geometrías tipo corredor, como túneles. El trabajo se enmarca en el proyecto FONDECYT Nº1085015, que apunta a la caracterización experimental y numérica de los fenómenos de transporte, a través de un dispositivo de cortinas de aire doble jet-doble flujo. El estudio se llevó a cabo en un túnel de laboratorio a escala 1:34, dotado de dos dispositivos generadores de cortinas de aire en configuración doble jet-doble flujo, y de un foco de calor constituido por una resistencia eléctrica. La función deseada de las cortinas es evitar la propagación de calor y momentum hacia zonas alejadas de la resistencia. Para analizar los mecanismos de transporte, se midieron los campos de temperatura y velocidad en dos dimensiones, en una de las cortinas de aire y su entorno inmediato. Los datos registrados se utilizaron para determinar términos asociados al transporte turbulento de calor y masa, puesto que las cortinas de aire se caracterizan por tener un régimen fluidodinámico turbulento. Las mediciones de temperatura y velocidad se llevaron a cabo con una termocupla fina de rápido tiempo de respuesta y un sistema de Anemometría Láser Doppler (LDA-2D), respectivamente. Se obtuvieron y analizaron resultados para cuatro casos, con diferentes potencias en la fuente de calor y diferentes velocidades en la salida de los jets. En cada caso, se analizó el comportamiento de los términos asociados al transporte turbulento de calor y momentum en la zona de la cortina y su entorno inmediato. Adicionalmente se estudió el efecto de la fuente de calor sobre la dinámica de la cortina, mediante el cálculo del número de Richardson y el análisis espectral de las señales de velocidad en ciertos puntos en las capas de mezcla de la cortina. Se concluye que existen zonas críticas de transporte turbulento de calor y momentum que es necesario contemplar en la evaluación de las cortinas de aire como dispositivo confinatorio. Para una mejor comprensión del fenómeno, sin embargo, es necesario realizar mediciones en un dominio más fino que el utilizado en este trabajo en el eje longitudinal; en particular, debe analizarse en mayor detalle la zona de impacto de la cortina con el suelo. Se observa, para la mayoría de los casos, un régimen de convección mixta en ciertos sectores de la cortina, verificándose la influencia térmica de la fuente de calor sobre la dinámica de la cortina; este hecho releva la importancia de estudiar configuraciones con potencias más altas que las utilizadas en este trabajo para la fuente de calor.

El objetivo de esta memoria, es conocer el estado en que se encuentran los túneles carreteros nacionales, en relación al riesgo que implica transitarlos y las medidas de seguridad con que cuentan, en pos de prevenir, o en su defecto, aminorar las consecuencias de un eventual incendio producto de un accidente. El estudio de esta materia es de suma importancia, pues la esfera de consecuencias que pueden darse por incendios en túneles es amplia: a parte de posibles víctimas humanas, los efectos de la temperatura y los humos, pueden provocar serios daños en la estructura misma o incluso su destrucción total. Esto trae aparejadas grandes pérdidas económicas, ya sea por el daño directo a la construcción, como por el prolongado cierre que implica su reparación. Para efecto de este trabajo se consideraron los túneles más importantes de nuestro país, ya sea por longitud, tráfico medio diario y/o ubicación; sometiéndolos a una completa evaluación. Para ello, se chequearon las instalaciones de las estructuras seleccionadas, mediante las actuales normativas europeas que detallan los requisitos mínimos de seguridad con que deben contar los túneles, clasificándolos posteriormente de acuerdo a las bases que utiliza el programa Eurotap; proyecto que evalúa periódicamente la seguridad en túneles carreteros europeos, siendo el más importante en su tipo a nivel mundial. Dentro de las conclusiones a las que este análisis conduce, los túneles mejores evaluados fueron el del cerro San Cristóbal y el de la autopista Costanera Norte, dado sus altos estándares de seguridad y garantías de protección a sus usuarios ante un incendio; mientras que el peor calificado, fue el túnel Cristo Redentor, presentando un alto potencial de riesgo y paupérrimas medidas de seguridad. Luego de ésta y otras conclusiones que se expondrán más adelante, es menester destacar que si se pretende mejorar las condiciones de seguridad en túneles, específicamente ante incendios, es de primera necesidad adoptar adecuadas medidas de protección y promover una política de formación que involucre a todos los agentes relacionados con la construcción, explotación y uso de estas estructuras. Para ello, sería recomendable contar con un departamento de túneles capaz de fiscalizar sobre la materia, estableciendo normativas propias y controlando que las estructuras nacionales cumplan con las exigencias de seguridad requeridas para su tipo.

Ingeniero Civil / El 11 de marzo de 2011 un terremoto de 8,9 grados en la escala de Richter golpeó las costas de Japón. Tras el terremoto, un tsunami azotó las instalaciones de la central nuclear de Fukushima I, las olas del tsunami alcanzaron las casas de bombas de los sistemas de enfriamiento, dejando estas de funcionar, lo que llevo al colapso de los seis reactores, provocando la fusión parcial del núcleo de tres de ellos, emitiendo a la atmosfera partículas radioactivas. Tras esta catástrofe nuclear, las compañías de seguros advirtieron esta falencia en los sistemas de enfriamiento con agua de mar. Chile es un país sísmico, y por ende, también estamos expuestos a la ocurrencia de tsunamis en nuestras costas. Considerando que muchas de las centrales termoeléctricas construidas o actualmente en proyecto en Chile, cuentan con sistemas de enfriamiento con agua de mar, tendrían estos sistemas de enfriamiento riesgos similares de falla a los de la central nuclear de Fukushima I. En el marco de lo anterior, el presente trabajo de título tiene por finalidad proponer una solución anti-tsunami para los sistemas de agua de enfriamiento en centrales termoeléctricas a carbón. La solución propuesta consiste en separar en la casa de bombas, el foso de filtrado del foso de bombas, reubicando el foso de bombas/motores a una cota protegida ante una eventual inundación en caso de tsunami. Para conducir el agua de mar del foso de filtros a la nueva ubicación del foso de bombas, se propone construir un túnel de conducción de agua de mar bajo la cota del nivel mar. El presente estudio analiza la factibilidad técnica y estima los costos de la construcción de este túnel en dos tipos de suelo, el primero de ellos en un limo cementado y el segundo en roca, en ambos casos se considera un túnel de largo 200 metros. En el caso de un suelo del tipo limo cementado, se estudia la metodología constructiva tunnel liner y se concluye que es técnicamente factible utilizar este método y su costo total aproximado es de MMUS$ 11,7. Por otro lado, en el caso de un suelo del tipo roca, se estudia la metodología constructiva de perforación y voladura y se concluye que es técnicamente factible y su costo total aproximado es de MMUS$ 6,6.

Ingeniero Civil / Un sistema de detección basado en un tubo de PVC de diámetro 40 mm y largo 5 metros, instrumentado con fibra óptica que está conectada a un aparato Brillouin Optical Time Domain Reflectometer (BOTDR) se utiliza para monitorear deformaciones en túneles. El sensor denominado Tube Sensor (TS) está anclado a la roca en cuatro puntos y se espera que al momento de un desplazamiento del macizo rocoso a causa de la actividad minera, los soportes del TS se muevan generando una deformación en el tubo la cual es detectada por la fibra óptica. Se propone en el presente trabajo a través de resolver un problema inverso, un algoritmo iterativo que permita estimar el desplazamiento relativo de los apoyos del sensor TS para cada configuración de deformación axial detectada en el sensor usando teoría lineal-elástica de resistencia de materiales y designando diferentes condiciones de borde al problema. Para validar el modelo se utilizaron datos experimentales para luego pasar a datos de terreno, correspondientes a un periodo de tres meses. Los datos de terrenos corresponden a tres niveles, hundimiento, producción y ventilación de los cuales solo se utilizaron los datos de hundimiento ya que los de ventilación no presentaban lecturas y los datos de producción no mostraban lecturas confiables. Se detectó, gracias al algoritmo, una tendencia al hundimiento hacia la zona donde se encuentran las socavaciones, con un desplazamiento máximo de 3 centímetros. Los resultados entregados por el algoritmo en este trabajo indican que la solución en varios casos no es única y por tanto se debe usar el criterio del ingeniero para establecer el movimiento más probable de acuerdo a los antecedentes que se tienen, sin embargo a medida que la deformación detectada por la fibra es mayor, la solución tiende a ser única.

Ingeniero Civil / Los métodos empíricos de clasificación geomecánica son ampliamente usados para la estimación de los requerimientos de soporte en túneles, particularmente en condiciones de rocas diaclasadas. En general, las metodologías empíricas se aplican en las primeras etapas del diseño, cuando no se dispone de suficiente información geotécnica-geológica o como una herramienta adicional para apoyar el juicio de ingeniería. El objetivo de esta investigación es asistir a ingenieros en la identificación de los principales parámetros de control asociados a estas clasificaciones y los respectivos indicadores de estabilidad proporcionados por estos métodos en comparación con los factores de seguridad obtenidos con modelos analíticos y numéricos. Esta memoria presenta los resultados de un estudio comparativo de los requerimientos de soporte para la excavación de una sección de túnel tipo herradura de 10mx10m (~90m2), obtenidos con diferentes métodos empíricos, métodos analíticos (estabilidad 3D de cuñas) y numéricos (método de elementos finitos). Los métodos empíricos considerados son RMR, Q y RMi, el método analítico de estabilidad de cuña usado es a través de Unwedge y el software de elementos finitos es Phase2D (Rocscience Inc.). Los escenarios consideran macizos rocosos diaclasados a muy diaclasados, condición seca, esfuerzos bajos a intermedios y mecanismos de falla controlados principalmente por las condiciones estructurales y gravitacionales. Los resultados indican que las metodologías empíricas son más sensibles a parámetros de volumen de bloque que a los de calidad de diaclasas, que el método Q propone menores requerimientos de soporte y que los factores de seguridad obtenidos con Unwedge aumentan drásticamente con el uso de shotcrete. Dado que la sección de túnel no se considera en el diagrama GSI, la definición de diaclasado y muy diaclasado no captura apropiadamente el comportamiento esperado de los modelos de elementos finitos según Phase2D.

Este proyecto consiste en el diseño geotécnico de 1 km de longitud del túnel del Metro de Lima Línea 2. El diseño contempla tres metodologías de excavación y sostenimiento, las cuales se analizarán y diseñarán a detalle: 1 Metodología NATM/SEM o también conocida como Nuevo Método Austriaco Modificada para túneles en suelos que comprende la excavación por métodos convencionales, dividido en una primera etapa de sostenimiento con una estructura metálica revestida de concreto proyectado y una segunda etapa de revestimiento con concreto armado; 2 Metodología Cut&Cover, la cual está diseñada para el tramo de la estación de pasajeros y comprende una serie de estructuras como muros, placas y losas de concreto armado excavados por etapas y finalmente 3 Metodología TBM, esta última es la excavación mecanizada por medio de un Hidroescudo (Tunnel Boring Machine de presión de lodos especializada para excavación en suelos) con colocación de un anillo prefabricado de dovelas de concreto armado como sostenimiento/revestimiento. Para el análisis del comportamiento del suelo con estas estructuras, se ha hecho uso del programa Plaxis 3D y 2D basándose en los datos obtenidos del Expediente de Factibilidad de la Red Básica del Metro de Lima y Callao Línea 2 realizado por PROINVERSION. Una vez completado el análisis de deformaciones y esfuerzos se culminó el proyecto detallando las estructuras finales y completando los planos. / Tesis

Ingeniero Civil / Esta memoria evalúa analítica y experimentalmente el uso de fibras de acero y/o polipropileno como reemplazo del refuerzo tradicional de mallas electrosoldadas en sostenimientos de hormigón proyectado para los túneles interestación del Metro de Santiago. El trabajo se divide en dos partes, interconectadas pero muy diferentes en esencia. \medskip La primera es una parte experimental de carácter exploratorio, en donde se realizaron (i) 8 ensayos sobre probetas de sección escalada (1:2) a flexión simple (a/d$\sim$ 5) con cargas axiales de 2\%$f^{'}_{c}$ y 7\%$f^{'}_{c}$ y diferentes refuerzos (doble malla, doble malla + marco, malla + marco + fibras de acero o polipropileno); (ii) 4 ensayos sobre probetas de sección escalada (1:2) a flexión simple (a/d$\sim$ 1.5) con cargas axiales de 2\%$f^{'}_{c}$ y 7\%$f^{'}_{c}$ y diferentes fibras (malla + marco + fibras de acero o polipropileno); y (iii) ensayos de caracterización uniaxial de los hormigones proyectados con/sin fibras (tracción directa e indirecta, flexotracción, compresión) y los aceros AT56-50H y A630S (tracción). Se utilizó instrumentación tradicional (LVDTs, celdas de carga) y fotogrametría mediante la técnica de correlación de imágenes digitales (DIC). Los resultados mostraron muy poca ductilidad en los aceros AT56-50H, algo de ductilidad en los aceros A630S, alta sobrerresistencia en los hormigones (aumentos del 70\% sobre el $f^{'}_{c}$ especificado), un aporte muy importante del marco reticulado en flexión (refuerzo interno principal) y un aporte visible aunque modesto de las fibras y mallas electrosoldadas en el comportamiento mecánico de los hormigones en tracción y compresión. \medskip La segunda parte contempla la modelación bidimensional por elementos finitos del sistema túnel-suelo mediante la plataforma OpenSees. Se modela el suelo con elementos cuadrilaterales bicuadráticos de 9 nodos y con la ley constitutiva PMDY02 \cite{yang2000numerical}, se modela el revestimiento mediante elementos viga-columna con secciones de fibras,y se modela la interacción entre el revestimiento y el suelo mediante el enfoque de Winkler sin tracción en la dirección normal al contacto y mediante varias hipótesis de adherencia en la dirección tangencial. El modelo es sometido a las cargas estáticas provenientes de la excavación, modeladas considerando la secuencia constructiva del túnel mediante el Método $\alpha$, y posteriormente a un análisis sísmico mediante el método de ovalamiento de ondas de corte. Los resultados muestran que los factores de seguridad implícitos en el diseño son altos (la estructura permanece elástica) y que el revestimiento se puede optimizar. El autor debe hacer notar, sin embargo, que la tunelería aún es un arte, por lo que el análisis no es categórico y se recomienda investigar las demandas producto de otros efectos (e.g., ondas de Rayleigh). \medskip

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Realiza los cálculos necesarios para seleccionar los equipos frigoríficos de 01 túnel de enfriamiento rápido, considerando que la capacidad del túnel de pre-frio es de 10 ton., esto implica la selección de evaporador, compresor y demás. Para poder realizar la correcta selección de los equipos de refrigeración se requiere determinar correctamente los siguientes parámetros: carga térmica, temperatura de evaporación, dimensiones del túnel de enfriamiento, etc.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo corresponde al estudio numérico de cortinas de aire Doble Jet-Doble Flujo (DJ-DF) como dispositivo de confinamiento de calor al interior de túneles, el cual se enmarca en el proyecto FONDECYT N°1085015. La modelación se realizó en base a una instalación experimental que representa un túnel vial a escala, el cual contiene dos cortinas DJ-DF y una fuente térmica entre éstas. Las simulaciones se realizaron en el software FLUENT implementando el modelo turbulento LES, utilizando cálculo en paralelo en 32 núcleos. Se llevaron a cabo simulaciones para 4 casos, los cuales se definieron en base a los experimentos realizados por Schneider [1], que corresponden a variaciones de velocidad de los jets que componen la cortina DJ-DF y variaciones de la potencia de la fuente térmica. Para la cortina más cercana a la fuente térmica se compararon los perfiles numéricos y experimentales de velocidad y temperatura, para distintos niveles horizontales, observándose resultados satisfactorios en cuanto a magnitud y forma. Mediante el estudio de cantidades turbulentas asociadas a velocidad y temperatura se logró observar un traspaso axial y transversal de calor y masa a través de mecanismos turbulentos, tanto entre el entorno y la cortina, como entre los mismos jets que la componen. El mayor traspaso turbulento de calor y masa se observó en los sectores medios de la cortina. En la zona de impacto se observó principalmente advección de temperatura desde el lado confinado hacia el protegido debido al impacto, inclinación de la cortina y generación de jets de pared. Además se identificaron estructuras turbulentas en capas de mezcla, las cuales están relacionadas directamente con la magnitud de la velocidad y contribuyen con el transporte de calor y masa. Mediante el análisis del espectro de frecuencias de la velocidad axial de la cortina fue posible observar frecuencias predominantes, además de observar pendientes de -5/3 y -3 asociadas a la presencia de estructuras en el subrango inercial y a la influencia de la fuente térmica en las estructuras del flujo, respectivamente. También se determinaron distribuciones espaciales de los momentos de tercer y cuarto orden, observando sectores con valores cercanos a -0,45 asociados a zonas de alto cizalle necesario para estirar y dividir vórtices; y sectores con valores cercanos a 3 asociados a zonas de turbulencia homogénea, concordante con la presencia de la pendiente -5/3 del análisis espectral. En base a los resultados obtenidos se concluye que la configuración DJ-DF con el jet rápido en el lado protegido entrega el confinamiento más efectivo dentro de las alternativas estudiadas, sin embargo, se recomienda continuar el estudio incorporando combustión al interior del túnel, para así determinar la concentración de humo o algún producto de combustión, como característica que indique la efectividad del confinamiento.