AP LICACIÓN DE LA MECANICA DE ROCAS EN EL DISEÑO DE TUNELES SEGÚN SEGÚN BARTON Y BIENI AW SKI Ing. Victor Hugo Caceres V., U.T.O.-F.N.I.
INTRODUCCIÓN La estabilidad de túneles ha sido un tema de mucha importancia en la era de los ferrocarriles, tanto en la minería como en el transporte público, recobrando su relevancia en las modernas carreteras, en zonas de cordillera, zonas inaccesibles, cruce de ríos por debajo, e incluso creando túneles Falsos en las ciudades para aliviar el tráfico vehicular. También podemos mencionar a Galerías y Cavernas que no es otra cosa que túneles pequeños en secciones menores a 3 m de radio en la bóveda, que son utilizados mayormente en la Hidráulica o con fines exploratorios. Para el diseño de un Túnel primero se debe realizar un estudio Geológico – Geotécnico del sector donde se lo proyecta, en esto la mecánica de rocas juega un papel fundamental en la clasificación del macizo rocoso e incluso estableciendo un prediseño con los elementos necesarios para el sostenimiento del túnel en función a la altura de carga (zona de aflojamiento) después de la excavación, con estos datos ya se podría estimar el costo de la obra tunelera lo cual resulta muy útil para poder ver su viabilidad de esta alternativa. En los Túneles y Taludes rocosos, los mecanismos de inestabilidad son controlados por el grado de alteración y por las anisotropías existentes en el macizo, tales como la estratificación, juntas, fallas, cuya relación con los mecanismos de inestabilización es regida por los siguientes factores: • Distribución espacial de las discontinuidades, relación entre su posición (rumbo y buzamiento) con la dirección del túnel. Siendo este él más importante a considerarse en el trazo de entrada y salida del túnel • Presencia y naturaleza de los materiales de relleno de las discontinuidades • Irregularidades en las superficies de las discontinuidades. • Rotura y movimientos anteriores.
Existen muchos métodos útiles para poder clasificar un macizo rocoso, entre ellos se puede escoger algunos métodos elaborados por autores conocidos mundialmente en el campo de la mecánica de rocas que realiza análisis específicos para el diseño de túneles entre estos podemos mencionar a Barton y Bieniawski.
CLASI CLASI FI CACI CACI ÓN SEGÚN SEGÚN BARTON (Sistema–Q N.G. N.G.I.). Basándose en una gran cantidad de casos tipo de estabilidad en excavaciones subterráneas, el Norgerian Geotechnical Institute (N.G.I.), propuso un índice para determinar la calidad del macizo rocoso en túneles y taludes.
El valor numérico de éste índice Q se define por: Q = ( RQD / JN ) ( JR / JA ) ( Jw / SRF ) Esta clasificación utiliza seis parámetros para definir la clase de macizo: 1. RQD, índice de calidad de la roca. 2. Jn, índice del número de familias de fracturas 3. Jr, índice de rugosidades en las fracturas 4. Ja, índice de alteración de las paredes de las fracturas 5. Jw, índice del caudal afluente 6. SRF, índice del estado de tensión del macizo
Para explicar como llegaron a la ecuación para determinar el índice Q, los autores ofrecen los siguientes comentarios: El primer cociente (RQD/Jn), que representa la estructura del macizo es una medida rudimentaria del tamaño de los bloques o de las partículas con dos valores extremos (100/0.5 y 10/20) con un factor de diferencia de 400. Si se interpreta el cociente en unidades de centímetros, los tamaños de “partículas” de 200 cm a 0.5 cm. se puede apreciar como aproximaciones gruesas pero bastante realistas. Probablemente los bloques más grandes tendrían varias veces este tamaño y los fragmentos chicos menos de la mitad. El segundo cociente (Jr / Ja), representa la rugosidad y las características de la fricción de las paredes de las fisuras o de los materiales de relleno. Este cociente se inclina a favor de juntas rugosas e inalteradas que se encuentran en contacto directo se puede pensar que estas superficies están cerca de la resistencia optima, que tenderán a dilatarse fuertemente cuando estén sometidas a esfuerzos cortantes y por lo tanto serán muy favorables a la estabilidad de un túnel. Cuando las fisuras tienen recubrimientos y rellenos arcillosos delgados se reduce notablemente su resistencia, sin embargo, el contacto de las paredes después de un ligero desplazamiento por el esfuerzo cortante puede ser muy importante y salvar la excavación de un colapso. Donde no haya contacto de paredes, la situación para la estabilidad de un túnel se representa de manera muy desfavorable. El tercer cociente (Jw / SRF), consiste en dos parámetros de fuerzas, SRF es un valor de: 1) la carga que se disipa en el caso de una excavación dentro de una zona de fallas. Y de roca empacada en arcillas; 2) los esfuerzos en una roca competente, y 3) las cargas compresivas en rocas plásticas incompetentes. Se puede considerar como un parámetro total de esfuerzos. En cuanto al parámetro Jw se trata de una medición de la presión del agua que tiene un
efecto negativo en la resistencia al esfuerzo cortante de las fisuras debido a la reducción en el esfuerzo efectivo normal. El agua puede causar además, un ablandamiento de las arcillas e incluso posiblemente su lavado.
CLASIFI CACIÓN SEGÚN BIENI AW SKI Es una clasificación que a sido utilizada en África del Sur y fue desarrollada principalmente a partir de excavaciones subterráneas mineras. La evaluación de calidad de macizos rocosos Rock Mass Ratting (RMR) es realizada mediante la atribución de valores a los 5 parámetros que intervienen: 1. Resistencia a la compresión a la roca alterada, Bieniawski emplea la clasificación de la resistencia a la compresión uniaxial de la roca que proponen, Deere y Millar, como alternativa se podrá utilizar la “Clasificación de carga de punta”, para cualquier tipo de roca, excepto la muy frágil. 2. RQD, índice de calidad de la roca según Deere y Miller. 3. Espaciamiento de las discontinuidades, es decir de las fallas, planos de estratificación y otros planos de debilidad. 4. Condiciones físicas y geométricas de las discontinuidades, este parámetro toma en cuenta la separación o abertura de las fisuras, su continuidad, la rugosidad de su superficie, el estado de las paredes (duras o blandas), y la presencia de relleno en las discontinuidades. 5. Presencia de agua subterránea, se intenta medir la influencia del flujo de las aguas subterráneas sobre la estabilidad de las excavaciones en función del caudal que penetra en la excavación, y de la relación entre la presión del agua en las discontinuidades y el esfuerzo principal.
Bieniawski reconoció que cada parámetro no contribuye necesariamente de igual manera al comportamiento del macizo. Por ejemplo un RQD de 90 y una resistencia a la compresión uniaxial de 2000 Kg/cm2 parecerían indicar una roca de calidad excelente, pero una infiltración grande en esa misma roca puede cambiar radicalmente esta opinión.
Valorización de los parámetros RM R (según Deere y Miller)
COMP ARACION DE AMBOS METODOS La clasificación del macizo rocoso según Bieniawski y Barton, son de un interés muy especial, ya que incluyen un número suficiente de datos para poder evaluar correctamente todos los factores que tienen influencia en la estabilidad de una excavación tanto en túnel como en corte de taludes en roca. Bieniaswki da mas importancia a la orientación y a la inclinación de los accidentes estructurales de la roca y no da ninguna a los esfuerzos en la roca. Barton no incluye en factor de la orientación de las fisuras pero si considera las propiedades de los sistemas de fisuras más desfavorables al evaluar la rugosidad de las fisuras y su grado de alteración, ambos representan la resistencia al esfuerzo cortante del macizo rocoso. Estos dos sistemas señalan que la orientación e inclinación de las estructuras son de menos importancia y que la diferencia entre favorable y desfavorable es adecuada para los casos prácticos, esto se puede aceptar para la mayoría de los casos que se encuentran en el campo. Existen algunos materiales como la pizarra que tiene características estructurales tan importantes que tienden a dominar el comportamiento de los macizos. En otros casos, grandes bloques quedan aislados por discontinuidades y causan problemas de inestabilidad durante la excavación, para estos casos los sistemas de clasificación descritos serán quizás no adecuados y se necesitaran consideraciones especiales para la relación entre la geometría del macizo y la excavación. Cuando de trata de rocas de muy mala calidad que implican rocas comprimidas, expansivas ó grandes flujos de agua, se comprobó que la clasificación de Bieniaswki es poco aplicable, esto se entiende ya que se ideó originalmente para túneles de poca profundidad y taludes en roca dura fracturada. Por tanto, en este tipo de rocas extremadamente malas se recurre al sistema de Barton. La relación que existe entre ambos métodos, está expresado como: RMR = 9 ln Q + 44
SOSTENIMI ENTO DEL TUNEL SEGUN BARTON En función al tipo de roca, y la dimensión del túnel, Barton presenta un método “empírico” para estimar los soportes en un túnel, que varía desde anclajes ocasionales, hormigón proyectado con y sin malla metálica hasta hormigón moldeado con acero de refuerzo, para este fin utilizamos el siguiente ábaco:
ALTURA DE CARGA a) Método de Barton Para el cálculo de la carga actuante sobre el túnel si tiene las siguientes consideraciones: •
1º Valor del índice Q (varía entre 0.001 a 1000)
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2º Diámetro equivalente de la excavación (De) De = luz libre (ancho o alto del túnel) / ESR
donde:
ESR está valorado para diferentes tipos de excavación: - Excavación temporal para minería ESR = 3 a 5 - Excavación minera permanente, túneles de aducción de agua (excepto túnel a presión), túnel piloto ESR = 1.6 - Túneles menores para camino o ferrocarril, túnel de acceso ESR = 1.3 - Central hidroeléctrica, túneles importantes para carretera o ferrocarril ESR = 1.0 - Central nuclear subterránea, estación de ferrocarril, fábricas ESR = 0.8 •
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•
3º Longitud de los clavos: L = (2 + 0.15 b) / ESR (m) donde: b es el ancho de la excavación (m) 4º Longitud máxima sin soporte: CLARO = 2 ESR Q0.4 (m) 5º Carga de roca en el techo: PV = (2/3) JN1/2 Q-1/3 JR-1 (kg/cm2)
b) Método de Bieniawski Para el cálculo de la carga actuante sobre el túnel, recomienda usar la siguiente fórmula: Altura de la carga de roca en el techo: Hp = ((100 - RMR) / 100) b Carga equivalente sobre el techo: PV = Hp g donde: b = ancho del túnel (m) g = peso específico de la roca (ton/m3)
PH = 0 (para RMR > 60) PH = HP g / 2 (para RMR<50)
