Geotechnical back-analysis of the Samarcanda granitic stock at the Santa Elena tunnel site -Tunel de Oriente Connection- Medellín

Análisis retrospectivo de parámetros geotécnicos en el stock de Samarcanda en el túnel Santa Elena, Conexión Túnel de Oriente, Medellín.

Geotechnical back-analysis in tunneling makes use of real-time construction data to refine design parameters, enhancing the understanding of geomechanical conditions and optimizing excavation procedures. This study demonstrates a relatively simple and effective back-analysis method using rock laboratory tests, rock mass surveys and displacement monitoring of the rock wall measured during construction of two parallel highway tunnels, in order to determine the best-fitting pair (optimization) of the stress ratio (k) and the rock mass elastic modulus (E) associated with real displacements on the tunnel boundary. The stress ratio (k) is defined as the horizontal-to-vertical induced stress components. In situ stress tests were not performed for the tunnel construction. The Santa Elena Tunnels is part of the Conexión Túnel Aburrá-Oriente, located between Medellín district and the José María Córdova international airport. Rock mass convergence was measured during construction in five different sections of both parallel tunnels at various times and distances using total stations. The measurement uncertainty is on the order of ±0.1 mm, due to the inherent error of the instrument. The deformation of Tunnel 1 was analyzed in response to the excavation progress of Tunnel 2.  The methodology is based on the Root Mean Square Error or RMSE, which tests various combinations of k and E modelled by numerical simulations, searching for absolute errors less than 1.5 mm between modelled and monitoring results. The method identified optimal parameters by matching recorded contour displacement data: an elastic rock mass modulus of 19 GPa and a horizontal to vertically induced stress ratio of 1.25. It was observed that the deformation of the tunnel rock mass is significantly more sensitive to the deformation modulus than the stress ratio. 

El análisis retrospectivo en geotecnia de túneles es una metodología que utiliza datos de monitoreo obtenidos durante la etapa constructiva con el fin de validar los parámetros de diseño, permitiendo mejor comprensión de las condiciones geomecánicas y así optimizar los procedimientos en obras subsecuentes. Este estudio demuestra un método de análisis relativamente simple y efectivo vinculando ensayos de laboratorio, levantamientos de campo y mediciones de desplazamientos de los contornos del macizo rocoso de dos túneles viales paralelos, con el objetivo de determinar el par de parámetros relación de esfuerzos (k) y módulo elástico del macizo (E) que demuestren mejor ajuste asociado a los desplazamientos medidos de los contornos de los túneles. La relación de esfuerzos horizontal a vertical (k) considera los esfuerzos inducidos por las excavaciones. Los túneles de Santa Elena pertenecen al proyecto Conexión Túnel Aburrá-Oriente, ubicados entre Medellín y el aeropuerto internacional José María Córdova.  Los datos de convergencia del macizo rocoso se midieron durante la etapa constructiva mediante estaciones totales en cinco secciones diferentes de ambos túneles, en tiempos y distancias variadas. La incertidumbre en las mediciones es del orden de ±0.1 mm, que obedece al error propio del equipo. La deformación del Túnel 1 se analizó en relación con el avance del Túnel 2. El método se basa en encontrar el Error Cuadrático Medio o ECM de desplazamientos medidos, modelando combinaciones de E y k en simulaciones numéricas con errores menores de 1.5 mm. El método propuesto proporciona un par óptimo de valores de módulo elástico del macizo rocoso de 19 GPa y una relación de tensiones horizontal a vertical de 1.25. Se observó que la deformación del macizo rocoso excavado es sensible en mayor medida al módulo elástico que a la relación de esfuerzos. En la construcción de los túneles no se midieron los esfuerzos en el sitio.