En el ámbito de la construcción de túneles, es importante determinar las características físicas y las propiedades mecánicas de la roca circundante para asegurar la estabilidad de la obra durante las etapas de excavación. Dentro de estas características se pueden mencionar algunas de mayor importancia como, el Peso Unitario del Suelo, Modulo de Young del Suelo, Relación de Poisson del Suelo, Resistencia a la compresión no confinada del suelo y parámetros del modelo constitutivo de Hoek & Brown (2019). La evaluación de la calidad de la roca se obtiene con datos de sondeos exploratorios, ensayos de laboratorio, y también se pueden complementar con otros estudios adicionales y pruebas especializadas, todo esto nos ayudara recolectar información sobre las propiedades y capacidad de la roca para resistir las cargas generadas por la excavación y las condiciones geológicas.
Una vez determinada la calidad de la roca, el diseño del túnel será la siguiente etapa, en la cual el diseño del sostenimiento será primordial para garantizar la estabilidad y seguridad del túnel. La elección del método de diseño del túnel y su respectivo sostenimiento implica una evaluación completa de las condiciones geológicas y geotécnicas del lugar de construcción. La redistribución de fuerzas naturales y los cambios en los esfuerzos y cargas requieren considerar las características geotécnicas del terreno y el comportamiento de los materiales. Para esto se emplean diversos enfoques de diseño, como métodos empíricos, analíticos y numéricos, cada uno con sus ventajas y desafíos. La adaptación del sostenimiento a medida que las condiciones geológicas cambian representa un desafío adicional, exigiendo una evaluación constante basada en un sostenimiento adecuado para garantizar la estabilidad sin comprometer la seguridad y minimizar costos innecesarios.
Los métodos numéricos, como se mencionó anteriormente, son herramientas que simulan y analizan el comportamiento del terreno y de estructuras, como son los túneles, utilizando algoritmos y técnicas numéricas.
La modelación numérica de túneles permite comprender y prever el comportamiento del terreno donde se realizará la excavación, esto bajo diversas condiciones y escenarios. Una vez que se han recopilado los datos geotécnicos, los cuales se mencionaron anteriormente. Estos datos son esenciales para construir modelos matemáticos o computaciones que representen la realidad física de manera precisa.
La modelación numérica de túneles permite hacer una reproducción de las condiciones que se presentaran ya que es posible analizar diversos escenarios de excavación, evaluar el desempeño de diferentes sistemas de sostenimiento y prever la estabilidad del túnel bajo diferentes condiciones.
El propósito de la modelación numérica en los túneles es explorar cómo se puede mejorar la planificación, diseño y la ejecución de proyectos, ya que permite tomar decisiones informadas, al realizar la optimización de la geometría y del diseño del túnel lo que se reflejará en una reducción de riesgos y costos, así como lograr una construcción eficiente y sostenible en el tiempo de vida del túnel.
Como se ha mencionado el modelado numérico se ha vuelto una herramienta fundamental en el diseño y análisis de obras geotécnicas, una de ellas los túneles, para poder realizar la modelación existen diferentes programas de cómputo, un programa que podemos emplear es PLAXIS 2D es ampliamente utilizado en la industria de la ingeniería civil y geotécnica debido a su capacidad para simular el comportamiento de diferentes tipos de materiales bajo diversas condiciones de carga y flujo de agua.
Dentro del entorno de PLAXIS 2D, se dispone de una API (que significa “Application Programming Interface” en inglés) para consumir sus servicios mediante el lenguaje de programación Python, que se emplea frecuentemente en el campo científico. EL API de PLAXIS 2D permite, mediante Python la automatización de procesos, realizar cambios sistemáticos y realizar numerosos análisis de manera independiente mediante la ejecución de simulaciones con diferentes parámetros. Con ello se agiliza el análisis de diferentes casos de estudio con resultados precisos. Esta integración del API de PLAXIS 2D aumenta la funcionalidad y flexibilidad de las simulaciones para explorar las posibles afectaciones a las que se puede someter el diseño de un túnel u otros elementos geotécnicos que pueden ser modelados con PLAXIS 2D.
En nuestro caso, presentamos una simulación que utiliza el API PLAXIS 2D integrada en un script de Python para analizar las deformaciones que se generan en la construcción de un túnel. Esta demostración se centra en modelar operaciones específicas para el diseño de un túnel:
- Creación de la geometría
- Especificar el tipo de material
- Especificar el tipo de mallado
- Especificar las etapas de construcción
- Creación de gráficos que permiten observar las deformaciones que presenta el túnel.
Particularmente, mostraremos como las operaciones se pueden automatizar con una ejecución programada permitiendo un control detallado sobre cómo se pueden cambiar los valores relacionados con los factores relacionados con el diseño de un túnel.
Por lo tanto, nos centraremos en analizar la deformación de un túnel, bajo del método de convergencia – confinamiento. Este análisis breve tiene como objetivo explorar las capacidades y funcionalidades que el enfoque automatizado basado en Python aporta a la modelación eficiente en PLAXIS 2D. A continuación, se detallan algunos de los aspectos claves abordado en esta simulación:
1.- Método Automatizado con Python Scripting – PLAXIS
La automatización del modelado geotécnico permite abordar cuestiones críticas de forma metódica. La personalización de configuraciones para cumplir con requisitos particulares del diseño de modelos es una de las bondades del API de PLAXIS 2D. En el modelo geotécnico, por ejemplo, es posible definir elementos importantes como la geometría, las propiedades del material y las condiciones de carga mediante scripts en Python consumiendo los diferentes servicios proporcionados por el API de PLAXIS 2D, permitiendo la configuración y modificación de módulos que reflejen el comportamiento de los elementos a modelar tales como túneles. Así mismo, ayuda a recuperar y almacenar datos sobre componente cruciales del proyecto para su posterior análisis.
2.- Conexión Remota entre Jupyter Notebook y la Api de PLAXIS:
La API de PLAXIS se puede utilizar en conjunción con Jupyter Notebooks, una aplicación web de código abierto esto permite generar documentos interactivos basados en código. Para realizar la conexión Jupyter Notebooks con Plaxis, es necesario activar y configurar el “remote scripting server” en el menú de experto de PLAXIS, tal como se muestra en la Figura 1.
Figura 1.- Panel de Configuración del Servidor Remoto de la API.
3.- Aspectos del Modelado Geotécnico Abordados:
A través del método automatizado con Python scripting – PLAXIS, se pueden explorar y gestionar diversos aspectos esenciales del modelado geotécnico. En el caso del modelado geotécnico de un túnel algunos de estos aspectos incluyen:
3.1. Configuración de Materiales:
En la Figura 2 se presenta el código de cómo se deben ingresar los valores de cada parámetro del modelo constitutivo del suelo estos son:
- gammaUnsat: Peso unitario del suelo.
- Erm: Modulo de Young del suelo.
- nu: Relación de Poisson del suelo.
- AbsSigmaCi: Resistencia a la compresión no confinada del suelo.
- mi: Parámetro del material de la roca intacta.
- GSI: Índice de resistencia geológica.
- Disturbance: Factor de Perturbación.
Estos parámetros son fundamentales para definir el comportamiento mecánico del suelo en el modelo geotécnico y determinar cómo responde a las cargas y condiciones aplicadas durante el análisis numérico.
Figura 2.- Ejemplo de código para generar las propiedades de los materiales
3.2 Definición de Tipo de Esfuerzos:
Como se observa en la Figura 3 se muestra el código, donde se definen los valores del campo de esfuerzos aplicados sobre el túnel, se han establecido valores de
−100.00 Kn/m2
para los tres ejes, lo que significa que se aplicarán fuerzas externas en las direcciones X, Y y Z.
Figura 3.- Ejemplo de código para definir el tipo de deformación, el campo de esfuerzos y condiciones de carga.
3.3. Revestimiento:
En la Figura 4 se muestra el código para asignar el revestimiento. En esta sección se asigna las propiedades del revestimiento.
Figura 4.- Ejemplo de código para generar las propiedades de los materiales
3.4. Análisis Iterativo:
Se pueden realizar análisis iterativos con variaciones paramétricas controladas a través del script, lo que facilita la exploración de múltiples escenarios y condiciones geotécnicas. Como se muestra en la Figura 5, se muestra un código que ejecuta un bucle tres veces, generando un valor aleatorio de GSI en cada iteración dentro de un rango, luego imprime un mensaje con el valor de GSI y llama a la función “generar_modelo:plaxis ()” con las variables del suelo, sostenimiento y dos listas.
Figura 5.- Ejemplo de código para generar un bucle
3.5. Visualización y Resultados:
El código puede automatizar la generación y visualización de resultados, ofreciendo una comprensión rápida y completa del comportamiento del modelo. Como ejemplo, para generar la gráfica N. Vlachopoulos y M. S. Diederichs (2014), los parámetros necesarios para realizarlos fueron obtenidos a partir de datos generados durante el análisis, considerando las variables y condiciones relevantes, por lo cual este código implemento diferentes funciones para calcular los parámetros requeridos para la gráfica, talos como ¨X¨ y ¨Y¨. Una vez calculados estos parámetros, se procedió a representar la gráfica de acuerdo con la metodología propuesta lo cual permitió visualizar y analizar de manera precisa los resultados y su relación (Figura 6).
Figura 6.- Ejemplo de código para generar resultados y grafica (Vlachoupulos y Diederichs)
El uso de Python con el consumo de la API-PLAXIS 2D representa un avance significativo en la eficiencia y precisión del modelado geotécnico. Se pueden afrontar proyectos subterráneos con más confianza, ya que la automatización de procesos clave, desde el modelado hasta la generación de informes, permite lograr importantes ahorros de tiempo y recursos para el análisis y visualización de las condiciones que se pueden encontrar en los procesos constructivos.
Además, la combinación de Python y PLAXIS 2D no solo aumenta la productividad, sino que también mejora la precisión y el control del modelado, facilitando una compresión de los complejos fenómenos geotécnicos. La toma de decisiones informadas durante el diseño del proyecto se ve facilitada por la capacidad de modificar parámetros y escenarios.
En un sentido amplio, esta simulación muestra como la automatización y la tecnología están fomentado la innovación en los campos de la ingeniería civil y geotécnica. El modelado avanzado esta allanando el camino para nuevas técnicas de mitigación de riesgos con el fin de ofrecer métodos de construcción seguros y eficientes para proyectos subterráneos. Además, incentiva y aumentar la efectividad operativa. Esta integración representa una evolución significativa en la forma en que nos acercamos y diseñamos proyectos subterráneos, impulsando desarrollos seguros en la construcción de túneles.
Referencias
Hoek, E., & Brown, E. R. (2019). The Hoek–Brown failure criterion and GSI – 2018 edition. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 11(3), 445–463. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2018.08.001
Vlachopoulos, N., & Diederichs, M. S. (2014). Appropriate Uses and Practical Limitations of 2D Numerical Analysis of Tunnels and Tunnel Support Response. Geotechnical and Geological Engineering, 32(2), 469–488. https://doi.org/10.1007/S10706-014-9727-X.
