45538_MATERIALDEESTUDIOPARTEIIDiap87-168

44 87

4. SOSTENIMIENTO DE TUNELES Y GALERIAS

Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade

88

INTRODUCCION Se entiende por sostenimiento el conjunto de elementos que se colocan a la excavación subterránea (túneles y galerías) con el fin de contribuir a su estabilización.

Por lo tanto, el trabajo que debe realizar el sostenimiento, está relacionado con el ajuste tensional que se produce en el terreno como consecuencia de la excavación.


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45 89

INTRODUCCION Para lograr la estabilidad de un túnel o galería, la zona debe de redistribuir sus fuerzas, para ello es necesario apoyar inmediatamente con el refuerzo o el sostenimiento adecuado, considerando el tipo de rocas, fallas con relleno, fallas abiertas, etc. Para evaluar la estabilidad se usa el criterio del factor de seguridad FS, que se relaciona entre la presión de soporte (pi) y la presión hidrostática (po), o considerando el peso de la cuña W y la ecuación de Mohr-Coulomb:

pi Fs = po

FS =

c0 + σ n tan(φ ) W


90

INTERACCION ENTRE EL SOSTENIMIENTO Y EL MACIZO ROCOSO pi = p0 Tensión inicial

A Presión del soporte radial pi

c : Deformación elástica

p cr : Presión crítica del soporte definida por el inicio de la rotura plástica a la vuelta de la abertura

B C

F

Carga - deformación en el techo de la abertura

E

Carga - deformación en los hastiales de la abertura

D

Deformación radial

r



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46 91

PRESION CRITICA EN EL SOSTENIMIENTO DE TUNELES Y GALERIAS .

La rotura del macizo rocos sucede cuando la presión de soporte pi es inferior a la presión crítica de soporte Pcr, en función de la resistencia a la compresión simple del macizo rocoso (σcm) y al factor k. La presión crítica es dada por:

p cr = σ cm =

2 p o − σ cm 1+ k

2C cos φ (1 − senφ )

k=

1 + senφ 1 − senφ


92

EFECTO DEL FRENTE DE EXCAVACION EN EL SOSTENIMIENTO x p i = Presión radial p 0 = Presión de campo r 0 = Radio de la excavación s=

Presión de soporte

R

3R

>3R

x

Pi = p o

P

p

P i = Ps + 0.66 p o

pi

P i = Ps + 0.16 p o

pi

P i = Ps + 0.01

pi

P i = Ps

po

Corte x - x’



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47 93

ECUACION DE LA DEFORMACION ELASTICA EN TUNELES Y GALERIAS En la hipótesis que la presión de soporte (pi) sea mayor que la presión crítica, no se produce la ruptura, por lo tanto, el comportamiento del macizo es elástico y la deformación elástica radial µe se define por la expresión:

1+ v  ( p o − p i )  E 

µ e = ro 

Donde ro es el radio de la abertura subterránea, v es el coeficiente de Poisson del macizo, E es el módulo de Young o de deformabilidad del macizo, po es la presión hidrostática in situ y pi es la presión de soporte. Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade

94

DEFORMACION PARA EL CASO DE UNA RUPTURA PLASTICA Para el caso de una ruptura plástica, la deformación convergente total del perímetro de la abertura subterránea se expresa por la ecuación:

 rp r (1 + v)  2(1 − v )( p o − p cr ) µp = o E   ro

2    − (1 − 2v)( p o − pi )  

Hoek, E. (2000), deformación del túnel en el medio rocoso con soporte obtuvo las ecuaciones:

µp

  p  σ  = 0.002 − 0.0025 i   cm  ro  po   po  

2 .4

pi −2 po



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48 95

SOSTENIMIENTO PRIMARIO Y DEFINITIVO

σ r= 0

σ2= P

Concreto armado

(tradicional)

Hormigón proyectado (actual)

{

PROPORCIÓN DE MEZCLA Cemento: 15 – 20% Piedra picada: 30 – 40% Arena fina: 40 – 50% PROPORCIÓN AGUA/CEMENTO = 0,3 a 0,5


96

TIPOS DE SOPORTE Activo • Es aquel que adhiere carga una vez instalado. Cables y pernos tensionados, segmentos de concretos. Pasivo • Desarrolla carga una vez que la roca deforma. Marcos de acero, madera, pernos y cables no tensionados.



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49 97

Barra Helicoidal SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO CABEZA FORJADA r

T

E H I

ACTIVO

Pernos con Anclaje

(Refuerzo)

Plástico exterior Catalizador Resina polyester Catalizador

Pernos con Resina

Plástico interior


98

Swellex

SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO

ACTIVO

Split Set

(Refuerzo)

Roca El tubo de respirador

Cable

Cables El tubo de lechada



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50 99

Malla

SISTEMA DE SOSTENIMIENTO

PASIVO

Cimbras

(Soporte)

CINTAS METALICAS STRAPS

Cinta Metalicas

1 METRO

1 METRO


100

SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO

Shotcrete

Cuadro recto

PASIVO (Soporte) Cuadros de Madera

Cuadro cónico Cuadro cojo



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51 101

HORMIGON PROYECTADO Conocido como shotcrete se basa en lanzar el cemento preparado al altas presión a las paredes y techos de la zona que se desea sostener.


102

MEZCLAS TIPICAS DE CONCRETO PROYECTADO

University Illinois New Melones Represa Hecla Minig Co. Waterway Experimentation Illinois Institute on Shotcrete Henderson mine

55,0

Seca

III

13

17,9

29,9

52,2

Seca

I

9

18,4

41,4

Seca

II

19

18,8

38,2

Húm.

II

13

15,8

34,5

Húm

II

19

16,3

30,8

0,41,3 0,763,45

40,2 43,0 41,3

8,4 44,8

Húm.

III

13

16,7

27,9

48,7

Húm.

I

9

17,8

27,4

54,8

14,9

27,8

20,3

29,6

6,918,6 6,9

27,641,4 16,332,3 27,6

18,920,3

33,339,4

8,1 6,7

4,0 -7,1 6,215,9

13,623,4

28 días

31,5

3 - 8 días

13,5

16,332,3

1 día

13

6,918,6

Módulo de elasticidad (GPa) 6 – 7 horas

III

3,7 4,1 0,45,2 3,4510,7 4,966,37 3,74,1

28 días

Seca

3 – 8 horas

23,0

1 – 3 horas

Arena

16,6

Agregado

19

Tipo de

I

Agua

Agregado fino

38,7

Seca

Resistencia a compresión (MPa) 1 día

Illinois Institute on Shotcrete

21,7

Cemento (mm)

Vancouver Tunel

Mezcla (%)

cemento Tamaño máx. de agregado

Proyecto

Húmeda o seca

Materiales

18,821,3 21,450,3 17,223,9

17,823,1

19,727,5

22,327,0

23,835,9

57,7 01,17

1,175,59

12,328,0



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52 103

DISPOSICION TRIDIMENSIONAL DEL REFUERZO DE MALLA METALICA

4.00 m.

.45 m .45 m .45 m .45 m .45 m .45 m .45 m

6.00 m

DISPOSICION TRIDIMENSIONAL DEL REFUERZO METALICO

0

Fierro Nº 5 = 5/8” cada 0.45 m. Malla de alambre Nº8; con cocada de 10cm. x 10cm.

Escala :

1m

2m

1/100


104

PROCEDIMIENTOS PARA EL DISEÑO DEL SHOTCRETE REFORZADO Cálculo de las cargas aplicadas a las estructuras; • Carga uniformemente distribuida sobre el arco, W1 (0,98 t/m) • Peso propio de la losa, W2 (0,18 t/m) • Carga dinámica, W3 (~50% carga muerta) • Carga total de diseño, W=W1+W2+W3 (1,74 t/m) Análisis estructural del arco • Máxima fuerza cortante, Vu (4532 kg) • Máxima carga axial, Un (5232 kg) Cálculo de las dimensiones de la losa y del refuerzo metálico • Con Vu y Un se aplica la ecuación de ACI 3.18 considerando e=claro/35 (e=600/35cm=17cm) • Buscar el diámetro requerido de la malla de refuerzo (Varilla No.5 de 5/8 pulgadas de diámetro) Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade


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53 105

ESTIMACION DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE CON HORMIGON PROYECTADO

Espesor (mm) 1000 300 150 100 50 50 50

Tiempo (minutos) 28 28 28 28 28 3 0,5

Resistencia a compresión simple 35 35 35 35 35 11 6

pmax de soporte (MPa) y D** pmax =57,8D-0.92 pmax =19,1D-0.92 pmax =10,6D-0.97 pmax =7,3D-0.98 pmax =3,8D-0.99 pmax =1,1D-0.97 pmax =0,6D-1.0

** D: diámetro de abertura subterránea


106

COMPORTAMIENTO DE CARGA Y DESLIZAMIENTO la fase post-pico o postfractura

Presión hasta el colapso

1,0000 0,9000 0,8000

Load [Kg. cm 2 ]

0,7000

SFRC PLAN CONCRETE

fase de inicio de fractura

0,6000

0,4000 0,3000 0,2000

Concreto fibro reforzado

la fase pico

0,5000

La fase inicial

Concreto simple

0,1000 0,0000 0,00

1,00

1,00

3,00 Displacement (cm)

4,00

5,00

6,00



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54 107

PERNOS El empernado es un tipo de sostenimiento activo, los pernos simulan grapas haciendo que la roca fija se conecte a una roca suelta; Se instala aprovechando el tiempo de autosostenimiento El espaciamiento entre pernos varía según al volumen de bloques por sostener La dirección de los pernos se determina de acuerdo al rumbo de las estructuras, previo un plano estructural, dibujados en cortes ó secciones La longitud del perno debe sobrepasar “el campo” afectado por la voladura


108

ESQUEMA TIPICO DEL SOSTENIMIENTO CON PERNOS

L

Et

L: Longitud de los bulones Et : Esparcimiento D : Diámetro

Figura 5.14 Esquema típico de soporte con bulones



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55 109

ECUCIONES PARA DISEÑAR LA LONGITUD Y ESPACIAMIENTO ENTRE PERNOS

B L = 2 + 0.15 ESR

 0.6 P  E =   ρ B  

0 .5

Donde L es la longitud, E es el espaciamiento, B es el ancho del túnel o galería, ESR es el denominado excavation suport ratio que se determina con una tabla, P es la carga del suporte.

 100 − RMR  P = ρB   100   Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade

110

CAPACIDAD DE SOPORTE Y FUERZA DE ADHERENCIA DE LOS PERNOS En terrenos plastificados la fuerza axial Fa que un bulón de diámetro D y resistencia específica de acero σa, puede soportar se calcula a través de la ecuación:

πD 2 Fa = 4σ a La fuerza de adherencia fa de un bulón con una longitud de anclaje La y adherencia al terreno τ se calcula con la ecuación:

f a = πD.La .τ .Fa Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade


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56 111

Pernos

Excavación

Pernos


112

PERNOS DE ANCLAJE ANCLAJE PUNTUAL

ANCLAJE REPARTIDO

ANCLAJE REPARTIDO POR ADHERENCIA

ANCLAJE REPARTIDO POR FRICCION

(Perno Pasivo)

(Perno Activo)

BARRA HELICOIDAL CON INYECCION DE CEMENTO O RESINA

SPLIT – SET SWELLEX



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57 113

SPLIT-SET Consiste en un largo tubo compresible de acero de alta resistencia, ranurado en toda su longitud. En un extremo es más delgado, para facilitar su introducción en el taladro. En el otro extremo tiene un anillo soldado para su instalación y retener la placa.


114

PRINCIPIO FISICO MECANICO DEL FUNCIONAMIENTO El perno estabilizador es insertado en una perforación de diámetro menor. La compresión sobre el estabilizador genera fuerzas radiales de confinamiento que se extienden en toda la longitud de contacto con la roca que lo contiene.



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58 115

PERNO (a) INSTALACION

(b) EXPANSION

(c ) CONTRACCION


116

PERNOS HELICOIDALES Consiste en una varilla de fierro acerado con rosca, a lo largo de toda la varilla con tuerca y una plancha de anclaje.



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59 117

EJEMPLO DE PERNOS CON ANCLAJE MECANICO Diámetro 17.28 mm cone

Resistencia a la tracción 12.7 t • 2.25 t sin deformación • 4 mm a 4t • 25 mm a 8t • 35 mm a 9t

bail

breather tube shell

tape

grout injection tube

faceplate drilled for tubes

Se puede pre-tensionar


118

EJEMPLO DE PERNOS ANCLADOS CON RESINA Diámetro 32 mm Resistencia a la tracción 18t • 1.5 mm deformación elástica a 15t • 30 mm a 18t

Faceplate

Locking nut

Protegen al perno de corrosión si son completamente cubiertos

Fast-setting anchor cartridge Slow-setting ‘grout’ cartridges

Reinforcing bar

La resina se inserta mediante cartuchos que se mezclan cuando se gira el perno



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60 119

EJEMPLO DE CABLES ANCLADOS CON LECHADA Diámetro 20 mm • 15 t deformación elástica de 1.5 mm • Máxima resistencia 18t con 20 mm de deformación

Cement grout rebar

faceplate


120

EJEMPLO DE PERNOS SWELLEX Diámetro 26 mm 11.5 t con deformaciones de 10mm a 150mm Requiere bomba de agua (30 Mpa) Largo perforación = largo pernos

25 to 28 mm diameter folded tube

Expanded dowel 33 to 39 mm diameter hole



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61 121

EJEMPLO DE CABLES DE ANCLAJE air out direction of grout travel

100

16

80

Deformation modulus

60

12

40

8 Unixial compressive strength

4

20

0

0 0.25

0.35

0.45

0.55

0.65

Unidad compressive strength - Mpa

Deformation modulus - Gpa

20

direction of grout travel

0.75

hold cable in place during grouting. Noise that grout tube should be free in hole

Water/cement ratio hole collar plug

19 mm grout tube

9 mm bleed tube

19 mm grout tube grout in

grout in

air out


122

EJEMPLO DE CUÑAS INCLUYENDO ESFUERZOS Y FACTOR DE SEGURIDAD 8

FS 0.66 9.4 t

FS=1.36 7.8 t

6

FS=0.68 8.2 t

2 7

1

estable 48.22 t

Túnel ubicado a 500 m de profundidad Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade


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62 123

ESTIMACION DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE CON SISTEMA DE ANCLAJE

Tipo de anclaje

Ecuación de pmax de soporte (MPa) pmax =0,354/S2 pmax =0,267/S2 pmax =0,184/S2 pmax =0,10/S2 pmax =0,05/S2

Anclaje de 34 mm Anclaje de 25 mm Anclaje de 19 mm Anclaje de 17 mm SPLITSET SS39

Tipo de anclaje SWELLEX EXX B. Resina 20 mm F. de vidro 22 mm Cabo plano C. jaula de pájaro

pmax de soporte (MPa) y S** pmax =0,11/S2 pmax =0,17/S2 pmax =0,26/S2 pmax =0,15/S2 pmax =0,30/S2

** S: espaciamiento entre armazones


124

ADHERIR PATRON DE PERNOS ANCLADOS Se pueden incluir mallas de pernos o pernos individuales con algunas características

8

6

2

7

1s 8 8 6 6 2 7

2

7

1s 1



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63 125

SOPORTE CON ESTRUCTURAS METALICAS Formas típicas 31 t/m

47 t/m

461 t/m

31 t/m

93 t/m

Dimensiones y propiedades de las estructuras metálicas Tamaño normal Altura de la sección (mm) Ancho de sección (mm) Masa de la sección (kg/m) Area de la sección (cm2) Ix (cm4) Iy(cm4) Rx (cm)*

89x89 88,9 88,9 19,35 2,.9 306,7 101,1 3,51

102x102 101,6 101,6 23,07 29,4 486,1 154,4 4,06

114x114 114,3 114,3 26,79 34,4 735,4 223,1 4,62

127x114 127,0 114,3 29,76 37,3 979,0 241,9 5,12

152x127 152,4 127,0 37,20 47,5 1818,0 378,8 6,20

Ry) (cm)* Ex (cm3)** Ey (cm3)**

2,01 82,7 38,03

2,29 113,4 50,70

2,54 151,2 65,63

2,55 180,9 70,85

2,82 278,6 99,85


126

ESTIMACION DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE DE PERFILES DE ACERO Tipo de soporte Perfil (H) IPN

Perfil (H) HEB Perfil (∪) TH

Ancho

Altura

305 203 150 203 152 171 124

305 203 150 254 203 138 108

Peso (kg/m) 97 67 32 82 52 38 21

pmax de soporte (MPa), D* y S** pmax =19,9D-1.23/S pmax =13,2D-1.3/S pmax =7,0D-1.4/S pmax =17,6D-1.29/S pmax =11,1D-1.33/S pmax =15,5D-1.24/S pmax =8,8D-1.27/S

* D: diámetro de abertura subterránea ** S: espaciamiento entre armazones



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64 127

DISEÑO DE SOSTENIMIENTO SEGUN “Q” DE BARTON CLASE DE ROCA G

F

EXCEPCIONALMENTE EXTREMADAMENTE MALA MALA

E

D

C

B

MUY MALA

MALA

MEDIA

BUENA

A MUY BUENA

EXTREM. BUENA

EXCEP. BUENA

CATEGORIAS DE SOSTENIMIENTO 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Sin sostenimiento Bulonado puntual, sb. Bulonado sistemático, B Bulonado sistenmático con hormigón proyectado. 40-100 mm, B+S Hormigón proyectado con fibras. 50-90 mm y bulonado S(fr)+B Hormigón proyectado con fibras 90-120 mm y bulonado S(fr) + B Hormigón proyectado con fibras 120-150 mm y bulonado S(fr) + B Hormigón proyectado con fibras >150 mm con bulonado y arcos armados reforzados con hormigón proyectado. S(fr)+RRS+B. Revestimiento de hormigón, CCA


128

5. RMR Y “Q” DE BARTON APLICADOS A TUNELES Y GALERIAS



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65 129

CLASIFICACIONES GEOMECANICAS PARA TUNELES RMR - Rock Mass Rating Clasificación de Bianiawski, 1973

“Q” de Barton Indice de calidad “Q” Barton, Lien y Lunde, 1974


130

RMR – ROCK MASS RATING Presentada por el Ingeniero Bieniawski en 1973 y modificada sucesivamente en 1976, 1979, 1984 y 1989. Permite hacer una clasificación de las rocas 'in situ' y estimar el tiempo de mantenimiento y longitud de un vano. Consta de un índice de calidad RMR (Rock Mass Ratting), independiente de la estructura, y de un factor de corrección.



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66 131

RMR – ROCK MASS RATING Parámetros a calificar: 1.

2. 3. 4. 5.

Resistencia de la Roca Intacta: A partir de valores de resistencia a la compresión simple (RCS) o de ensayos de carga puntual. Ptje máximo: 15. RQD. Ptje Máximo: 20. Espaciamiento de discontinuidades. Ptje. Máximo: 20. Condiciones de las discontinuidades. Ptje Máximo: 30. Condiciones de Agua Subterránea. Ptje Máximo: 15. RMR= (1)+(2)+(3)+(4)+(5).


132

RMR MODIFICADO MODIFICADO

BIENIAWAIG ORIGINAL

RMR CLASE

DENOMINACION

la

EXCELENTE

lb

MUY BUENA

100

90

MUY BUENA

l

BUENA

lI

MEDIA

lII

80 ll a 70 ll b 60 lll a 50 lll b 40 lV a 30

lV lV b

20 Va 10

V Vb



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67 133

RMR Y METODOLOGIA DE EXCAVACION DE TUNELES 1. La unidad para el pase es el metro (m) 2. El pase máximo es el límite teórico según BIENIAWSKI 3. EL pase recomendado se refiere a la excavación en calota/avance y en caso de que exista galería de avance a la excavación de ensanche (y no a la propia galería) 4. Las líneas continuas indican que el método es apropiado para el intervalo y se usa frecuentemente 5. Las líneas de trazas indican que el método es posible para el intervalo y se usa a veces

LONGITUD DE PASE (m) RMR

CLASE

100

9.5

60

6.0

50

4.0

40

2.5

30

1.75

5

4’6

3/4

ROZADORA

70

TBM ABIERTO

16.0

VOLADURAS

5 80

CALOTA Y DESTROZA

SECCION COMPLETA

>5 90

0,5/0,75

Vb

0,5

ESCARIFICACIONPALA

Va 10

FRESADO

1.0

ESCUDO

1

IVb 20

CONTRABOVEEDA

GALERIA DE AVANCE

½

GALERIAS MULTIPLES

2/3


134

RECOMENDACIONES PARA EL SOSTENIMIENTO DE TUNELES BULANADO

RMR

HORMIGON PROYECTADO

ARMADURA

CERCHAS

CLASE L(m)

b/m2

s’(m)

c(cm)

CAPAS

Ib

2/3

0.10

Ocasional

2

II a

3

0.10/0.25

Ocasional

5

1

II b

3

0.25/0.44 2x1.2/1.5x15

6-10

½

III a

3/4

0.44/0.66 1.5x1.5/1x15

8-15

2/3

III b

4

0.66/1

1x1.5/1x1

12.20

2/3

IV a

4/4.5

0.80/1

1x1.25/1x1

16.24

3

1x1

20.30

3

30-40

3/4

SELLADO

MALLAZO FIBRAS

TIPO

S’(m)

METODO S ESPECIALES

100 Ia 90 No

80

70

60

50

40

30

IV b

4.5/5

1

20 Va 10 Vb

SISTEMAS ESPECIALES



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68 135

RMR Y DISEÑO DE LOS TIPOS DE SOSTENIMIENTO RMR

Excavación

81 - 100

3 m de avance

61 - 80

1 a 1,5 m de avance Soporte a 20 m del frente

41 - 60

21 - 40

<20

Realce y banco, 1,5 a 3 m de avance. Soporte a 10 m del frente Realce y banco, 1 a 1,5 m de avance. Soporte a menos de 10 m de frente

Soporte Bulones Hormigón Estructuras de (φ=20 mm) proyectado metal Generalmente no requieren soporte y solo ocasionalmente bulones Longitud: 3 m 50 mm en la Et: 2.5 m No corona en caso Malla: ocasional sea necesario Local: corona Longitud: 4 m 50 a 100 mm en Et: 1,5 a 2 m No la corona, 30 mm Malla: em corona en los hastiales Local: corona - hastiales 100 a 150 mm en Ligero en los Longitud: 4 a 5 m la corona, hastiales, Et: 1 a 1,5 m 100mm en los espaciados a Malla: corona- hastiales hastiales 1,5 m

Varias galerías, 0,5 a 1,5 m de avance. Soporte contínuo.

Longitud: 5 a 6 m Et: 1 a 1,5 m Malla: corona -hastiales

150 a 200 mm en la corona, 150 mm en los hastiales y 50mm en el frente.

Medio en los hastiales y en la corona, espaciados 0,75 m


136

CALCULO DE LA PRESION DE SOSTENIMIENTO (PV) Através do valor de RMR pode ser estimada a carga instalada nos suportes através da siguiente expressao: Pv ( Mpa) =

100 - RMR

x

100

x B = x ht

Onde Pv é pressao vertical instalada no suportes, γ o peso volúmico da rocha em kg/m3, B a largura da obra, em metros, e h, é altura do maciço equivalente a carga. Goel e Jetwa (1991), a través da conparaçao de pressores nos suportes medidas e estimadas pela expressao, concluiram que esta nao seria aplicável para tuneis em maciços rochosos com tecto em arco. Assim, a partir do estudo de 30 túneis instrumentados, apresentaram a seguinte expressao para a determinaçao da pressao nos suportes, no caso de escavaçao feita com explisivos e utilizando costelas metálicas como suporte: Pv ( Mpa) =

0,75 B 0,1 H

0,5

- RMR

2. RMR

Onde H é profundidade do túnel em metros (>50) Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade


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69 137

RMR – LONGITUD DE PASE Y TIEMPO DE ESTABILIDAD SIN SOPORTE 1

30

10

1

2

3 4 5 7 10 15 20 1

2

3 45

1

2

3 45

10

90 80

24 18

70 COLAPSO INMEDIATO

60

12

50

8 LONGITUD DE PASE (m)

I II

40

30

III

3

80

20

2.4

70

IV

60

1.8

50 40

1.2

RM R ICE IND

30

V

NO REQUIERE SOPORTE

20 0.6

0.3

10

30

10

MIN

10 2

103

10 4

10 5

HORAS TIEMPO DE PERMANENCIA ESTABLE SIN SOPORTE


138

EJEMPLO DE RELACION DEL RMR CON EL TIPO DE SOSTENIMIENTO Esp. – Malla del espaciamiento en metros L - Longitud del Perno en metros W - Ancho en metros

RMR – CLASIFICACIONES DESCRIPCION RMR I MUY BUENA II BUENA III NORMAL IV MALO V MUY MALO L=3+(0.18xW)

81-100 61-80 41-60 21-40 <20

Sin sostenimiento, Pernos putnuales L=1.4+(0.18xW) Puntuales L = 1.4 + (0.18 x W) Pernos – Esp. 1.5, L = 1.8 + (0.18 x W), Shotcrete 50mm Shotcrete 100mm, Pernos – Esp. 1m, L=2 + (0.18 x W) Arcos, Shotcrete 150 mm, Pernos-Esp. 1m,



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70 139

“Q” DE BARTON

Definido por Barton et al. (1974) como el Indice de Calidad de Rocas para Túneles; También conocida como la clasificación NGI, por la afiliación de los autores (Norwegian Geotechnical Institute); Determina la calidad del macizo y se aplica en definición de requerimientos de sostenimiento en excavaciones subterráneas; Valores en escala logarítmica, de 0,001 a 1000; Definida a partir de 6 parámetros.


140

“Q” DE BARTON

Q=

RQD Jn

x

Jr Ja

x

Jw SRF

R.Q.D: (Rock Quality Designation) - Índice de recuperación. Jn: Número de familias de diaclasas. Jr: Grado de rugosidad de las diaclasas. Ja: Grado de alteración de las diaclasas. Jw: Presencia del Agua. SRF: Estado tensional del macizo rocoso



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71 141

“Q” DE BARTON – REPRESENTACION DEL TAMAÑO DE BLOQUES

Q=

RQD Jn

x

Jr

x

Ja

Jw SRF

Representa crudamente el “tamaño” de los bloques presentes


142

“Q” DE BARTON – REPRESENTACION DE LA RUGOSIDAD Y RESISTENCIA DE DIACLASAS

Q=

RQD Jn

x

Jr Ja

x

Jw SRF

Representa rugosidad y características de resistencia al corte de las diaclasas (paredes y/o relleno)



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72 143

“Q” DE BARTON – REPRESENTACION DE TENSIONAES ACTIVAS

Q=

RQD Jn

x

Jr Ja

x

Jw SRF

Representa las tensiones activas Presión de agua y estado tensional para distintos tipos de macizos encontrados durante la excavación.


144

INDICE DE DIACLASADO Jn

Indice de Diaclasado Jn Roca Masiva Una familia de diaclasas Una familia de diaclasas, con otras diaclasa ocasionales Dos familias de diaclasas

Valor 0,5 - 1 2 3 4 6 9 12 15 20



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73 145

INDICE DE RUGOSIDAD Jr E INDICE DE ALTERACION Ja Indice de Rugosidad Jr Diaclasas rellenas Diaclasas limpias Discontinuas Onduladas rugosas Onduladas lisas Planas rugosas Planas lisas Lisos o espejos de falla Ondulados Planos

Valor 1 4 3 2 1,5 1 1,5 0,5

Indice de Alteración Ja

Valor

Diaclasas de paredes sanas Ligera alteración Alteraciones arcillosas Con detritos arenosos Con detritos arcillosos preconsolidados Con detritos arcillosos poco consolidados Con detritos arcillosos expansivos Milonita de roca y arcilla Milonita de arcilla limosa Milonita de arcilla gruesa

0,75 - 1 2 4 4 6 8 8 - 12 6 - 12 5 10 - 20


146

COEFICIENTE REDUCTOR POR LA PRESENCIA DE AGUA Jw

Coeficiente reductor por presencia de agua Jw

Presión de agua [Kg/cm2]

Valor

Excavaciones secas a con <5 l/min localmente Afluencia media con lavado de algunas diaclasas Afluencia importante por diaclasas limpias Afluencia importante por diaclasas limpias con lavado Afluencia excepcional inicial, decreciente con el tiempo Afluencia excepcional inicial, constante con el tiempo

<1 1- 2,5

1 0,66

2,5 - 10 2,5 - 10

0,5 0,33 0,2 - 0,1

> 10

0,1 - 0,05



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74 147

“Q” DE BARTON – VALORES DEL FACTOR REDUCTOR DE TENSIONES Parametro S.R.F. (Stress Reduction Factor) (Factor de reducción de tensiones)

Zonas débiles Multitud de zonas débiles o milonitas Zonas débiles aisladas, con arcilla o roca descompuesta (cobertura > 50m) Zonas débiles aisladas, con arcilla o roca descompuesta con cobertura > 50m Abundantes zonas débiles en roca competente Zonas débiles aisladas en roca competente (cobertura > 50 m) Idem con cobertura > 50 m Terreno en bloques muy fracturado Roca competente Pequeño cobertura Cobertura media Gran cobertura Terreno fluyente Con bajas presiones Con altas presiones Terreno expansivo Con presión de hinchamiento moderada Con presión de hinchamiento alta

Valor 10 5 2,5 7,5 5 2,5 5 2,5 1 0,5 - 2,0 5 - 10 10 - 20 5 - 10 10 - 15


148

CLASIFICACION EN BASE A “Q” DE BARTON

TABLA DE CLASIFICACION FINAL Excepcionalmente malo Extremandamente malo Muy malo Malo Medio Bueno Muy bueno Extremadamente bueno Excepcionalmente bueno

(Q) < 0,01 0,01 - 0,1 0,1 - 1 1-4 4 - 10 10 - 40 40 - 100 100 - 400 > 400



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75 149

DIAMETRO EQUIVALENTE Y MAXIMA ABERTURA SIN SOPORTE Barton et al. (1974) defined: An additional parameter which they called the Equivalent Dimension, Dc of the excavation. This dimension is obtained by dividing the span, diameter or wall height of the exacavation by a quantity called the Exacavation Support Ratio, ESR.

Dc =

Excavation span, diameter or height (m) Excavation Support Ratio ESR

The value of ERS: It is related to the intended use of the excavation and to the degree of security which is dmanded of the support system intalled to maintain the stability of the excavation. Barton et al. (1974) suggest the following values:

Maximum span (unsupported) = 2ESR Q 0,4 Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade

150

DISEÑO DE SOSTENIMIENTO CON “Q” CLASE DE ROCA G

F

EXCEPCIONALMENTE EXTREMADAMENTE MALA MALA

E

D

C

B

MUY MALA

MALA

MEDIA

BUENA

A MUY BUENA

EXTREM. BUENA

EXCEP. BUENA

CATEGORIAS DE SOSTENIMIENTO 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Sin sostenimiento Bulonado puntual, sb. Bulonado sistemático, B Bulonado sistenmático con hormigón proyectado. 40-100 mm, B+S Hormigón proyectado con fibras. 50-90 mm y bulonado S(fr)+B Hormigón proyectado con fibras 90-120 mm y bulonado S(fr) + B Hormigón proyectado con fibras 120-150 mm y bulonado S(fr) + B Hormigón proyectado con fibras >150 mm con bulonado y arcos armados reforzados con hormigón proyectado. S(fr)+RRS+B. Revestimiento de hormigón, CCA



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76 151

EXCAVATION SUPPORT RATIO ESR DE BARTON

Categoría de la excavación

ESR

A. Excavaciones mineras de carácter temporal

2-5

B. Galerías mineras permanentes, túneles de centrales hidroeléctricas, túnel piloto, galerías de avance en grandes excavaciones, cámaras de compensación hidroeléctrica

1,6 - 2

C. Cámaras de almacenamiento, planta tratamiento de agua, túneles de carreteras y ferrocarriles, acceso a túneles.

1,3 – 1,6

D. Centrales eléctricas subterráneas, túneles de carreteras y ferrocarriles primarios, cámaras para defensa civil, acceso e intersección de túneles.

0,9 -1,2

E. Centrales de energía nuclear subterráneas, estaciones de ferrocarril, instalaciones públicas y deportivas, fábricas, túneles para tuberías principales de gas.

0,5 – 0,8


152

PRESION DE SOPORTE EN TECHO (PROOF) Y HASTIALES (PWALL) Proof =

2 J n (Q) -1/3

Pwall =

kg/cm 2

3J r

2 J n (Q w ) -1/3 3J r

Qw = 5.Q

Q >10

Qw = 2.5 Q

0,1 < Q < 10

Qw= Q

Q < 0,1



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77 153

CORRELACIONES ENTRE RMR Y “Q” La correlación entre RMR y Q:

RMR=9 In Q + 44 Otras correlaciones: CORRELACION

FUENTE

COMENTARIO


154

RMR Y “Q” EN RELACION A LOS TIPOS DE SOPORTE RESISTENCIA A LA COMPRENSION SIMPLE DE LA ROCA INTACTA

MAXIMOS ESFUERZOS DE COMPRENSION EN TECHOS O HASTIALES

INDICE DE CALIDAD Q 0.001

1.0

0.1

0.01

10

4

40 100 400 1000 0

0 GENERALMENTE SOPORTE NO REQUIERE SOPORTE LIGERO SOPORTE INTERMEDIO

0.1 SOPORTE MUY DENSO

0.2 0.3

0.2 0.3 0.4

0.4

0.5

0.5

PUNTO DE MAYOR CONCENTRACION DE ESFUERZOS

0.6 0.7

0.7 NO ES PRACTICO MANTENER LA EXCAVACION ESTABLE

0.8

0.8 0.9

0.9 1.0

0.1

1.0 0

10 MUY MALO

20

30 MALO

40

50 MEDIO

60

70 BUENO

80

90

100

MUY BUENO

RMR



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78 155

MODULO DE DEFORMACION EN RELACION CON RMR Y “Q” 0.01

Tunnel Quality Index Q 4.0 10 1.0

0.04

100

40

400

In situ modulus of deformation Em- GPa

90 80

Em= 10

Case histories:

URMR - 10y40

Serafim and Pereira (1983)

70

Bieniawski (1978)

60 50

Em= 2 RMR - 100

40 30 Em = 25 Log10 Q

20 10 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Geomechanics Rock Mass Rating RMR


156

RMR Y “Q”- COMENTARIOS RMR y Q son los sistemas mas ampliamente usados; Ambos

incorporan

parámetros

“ingenieriles”

geométricos, geológicos, y se obtiene un “VALOR” de la calidad del macizo rocoso; Muchos de los parámetros son subjetivos y requieren experiencia para juzgarlos; En lo posible usar mas de un sistema de clasificación y compararlos. Existen correlaciones ej. RMR = 9 log Q + 44



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79 157

EJEMPLO DE SOSTENIMIENTO DE GALERIAS EN FUNCION DEL RMR (MINA COBRIZA)


158

6. INSTRUMENTACION



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80 159

INTRODUCCION La etapa de instrumentación y monitoreo es considerada básica antes, durante y después de los trabajos Mineros de desarrollo, túneles y galerías. Los instrumentos permiten predecir la condición de riesgo. La instrumentación se utiliza para cuantificar con precisión ciertos parámetros de comportamiento estructural y supervisar los posibles cambios. Se puede monitorizar la estabilización del túnel y galería o, en el caso de cambios, deducir la posibilidad de fallo. La comparación de los valores medidos con los valores de diseño permite la supervisión de la estabilidad del túnel y la posibilidad de aplicar medidas correctoras en el momento oportuno. Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade

160

METODOLOGIAS DE INSTRUMENTACION EN TUNELES Y AGLERIAS 1

1

Extensómetros de barra

2

Células de ancoragem

2 3

Extensómetros embebidos

4

betao Células de pressao

5

Acelerómetro

6

Piezómetros electrónicos

7

Convergendómetro

4 3

7 2

3

4

5 1

6



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81 161

LOS OBJETIVOS DE LOS INSTRUMENTOS

El control por instrumentos se efectúa por los siguientes motivos, ya sea antes, durante o después de la construcción de excavaciones: Antes de la construcción: para recabar la información que se necesita para el diseño de las excavaciones. Esta información incluye el módulo de deformación de la roca, la resistencia de la roca in situ y el estado de los esfuerzos in situ.


162

Durante la construcción: para confirmar la idoneidad del diseño y para proporcionar las bases necesarias para su cambio. Además, el control de los desplazamientos tiene um papel importante en la información que se necesita para aumentar la seguridad de las obras. Después de la construcción: para controlar el comportamiento general de la excavación durante la operación y para medir la reación de un túnel o galería a otra excavación adyacente.



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82 163

TIPOS DE MEDICION Los tipos de medida y la ubicación de los instrumentos deberán adaptarse a las condiciones geológicas y ambientales existentes, así como a los métodos de construcción. Sin embargo, hay ciertas pautas generales a seguir para la selección de la instrumentación, basados en la construcción de túneles. Tres criterios principales deben orientar la selección del instrumento: La fiabilidad de las mediciones obtenidas (resolución, precisión y deriva). La longevidad de los instrumentos refrendados por numerosas referencias. La facilidad de la automatización, esencial para la recopilación de datos eficiente y la interpretación. Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade

164

IMPLEMENTACION Implantación del sistema de control, premisas: Diferenciar claramente que hemos de controlar (afecciones a edificios, estructuras,…). Qué parámetros hemos de tener en cuenta (asientos, movimientos horizontales, variaciones en nivel de agua,…). Magnitudes que hemos de vigilar (umbrales de control). Distribución de los dispositivos. Frecuencia de seguimiento de la variación de las magnitudes en los parámetros seleccionados. Metodología en la transmisión de la información hacia los entes involucrados.



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83 165

DEFINICION DE LA ZONA DE AFECCION Parámetros

Dispositivo

Desplazamientos (mm)

Regleta, clavos, hitos de nivelación

Giros (º ó mm)

Clinómetros y/o bases clinométricas

Control de movimientos tridimensionales, en parámetros verticales y superficie. Convergencias.


Prismas y/o Miniprismas

Control de movimientos horizontales en profundidad


Tubería inclinométrica

Control de movimientos verticales en profundidad


Extensómetros de varillas y/o sistemas incrementales

Control de niveles de agua o presión intersticial

Metros de columna de agua (mm o kg/cm 2 )

Piezómetros abiertos y/o cerrados (cuerda vibrante)

Tipo de control Control de movimientos verticales, en parámetros verticales y superficie. Control de movimientos bidimensionales, en parámetros verticales.


166

CONTROL DE LAS DEFORMACIONES DE UN TUNEL Para poder evaluar o medir estas deformaciones se utiliza un tipo de instrumentación específica. Los más sencillos son los extensómetros destinados a medir deformaciones verticales o laterales de la bóveda o de los hastiales de la galería. En el sector de deformaciones o expansión donde se encuentra la galería aparecen unas tensiones que dan lugar a la convergencia.



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84 167

AUSCULTACION DE UN TUNEL Se realiza durante y después de la excavación y revestimiento en su caso. Precisa de los siguientes estudios: 1.

2.

3.

Medidas de convergencia: se determinan las variaciones de longitud de cuerdas entre puntos de los hastiales y la bóveda y el movimiento vertical absoluto de un punto situado en la bóveda o clave. Las medidas se realizan con instrumentos de muy alta precisión. Medidas de extensiometría: son una medida puramente geotécnica y se realizan con extensómetros colocados en diferentes posiciones, midiendo distancias entre diferentes puntos de un perfil. Medidas de las presiones: se realizan en cavidades perforadas en distintos puntos del frente e introduciendo sensores de presión denominados flatjacks.


168

AUSCULTACION DE UN TUNEL

Argolla para colocación de medidores de convergencia

Flat-jack para medición de presiones



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