c 06 Sostenimiento y Revestimiento de Tuneles

CURSO CAPACITACION “TUNELERIA” SOSTENIMIENTO Y REVESTIMIENTO DE TUNELES

SOSTENIMIENTO Y REVESTIMIENTO DE TUNELES

Msc.Ing. VICTOR TOLENTINO YPARRAGUIRRE

INTRODUCCION • Debemos tener en cuenta que el sostenimiento de roca es un término usado para describir procedimientos y materiales aplicados para mejorar la estabilidad y mantener la capacidad portante de la roca circundante a la excavación. El objetivo principal de un elemento de sostenimiento es movilizar y conservar el esfuerzo o resistencia inherente a la masa rocosa para que se autosoporte. • El sostenimiento de roca generalmente combina los efectos de refuerzo con elementos tales como pernos de roca y soportes con la aplicación de hormigón proyectado, malla metálica y cimbras de acero, los cuales soportan cargas de bloques rocosos aislados por discontinuidades estructurales o zonas de roca suelta.

CICLO DE TRABAJO EN LA EXCAVACION

40% PERFORACION (0.00-0.40T)

33%

2%

LIMPIEZA (0.42-0.75T)

VOLADURA (0.40-0.42T)

10%

15%

SOSTENIMIENTO (0.75-0.90T)PERNOS

SOSTENIMIENTO (0.90-1.00T) SHOTCRETE

40%

PERFORACION (0.00-0. 00T)

PERFORACION Y VOLADURA RELACION CON EL SOSTENIMIENTO 9

10 6

95

1

23

5 4

12

37

8 110

2 36

7

3 11

PERFORACION Y VOLADURA Perforación y voladura forman un conjunto.

El hueco perforado correctamente no sirve de nada, si en la fase de voladura este se carga con explosivos de potencia y cantidad equivocadas. Lo mismo ocurre cuando la carga del explosivo es adecuada pero el taladro en su profundidad, paralelismo y densidad no es el correcto.

FACTORES PARA EFECTUAR LA VOLADURA

PLANEAMIENTO

NO

SI

GEOMECANICA

SI

METODOS DE TRABAJO

SI

NO

FACTOR DE ENERGIA

SI

VOLADURA

PARÁMETROS GEOMECÁNICOS PROPIEDADES DE INGENIERÍA

RESISTENCIA

DEFORMABILIDAD

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN MÓDULOS ELÁSTICOS:

RESISTENCIA A COMPRESIÓN UNIAXIAL: RCU

MÓDULO DE YOUNG = E MÓDULO DE POISSON = V

RESISTENCIA A COMPRESIÓN TRIAXIAL: COHESIÓN = C ANGULO DE FRICCIÓN = Ø

ENERGIA REQUERIDA DEL EXPLOSIVO

PERFORABILIDAD DE LA ROCA  La perforabilidad de las Rocas estarán en función a las propiedades físicas que influyen en los mecanismos de penetración y consecuentemente en la aleación del método de perforación.  Estas propiedades son: – Dureza – Resistencia a la Compresión – Elasticidad – Plasticidad – Abrasividad – Textura – Estructura – Características de rotura.

PERFORABILIDAD DE LA ROCA ESTRUCTURA Las propiedades estructurales de los macizos rocosos, tales como la esquistocidad, planos de estratificación, juntas, diaclasas y fallas así como el rumbo y el buzamiento de estas afectan a la linealidad de los barrenos, a los rendimientos de perforación y a la estabilidad de las paredes de los taladros.

VOLADURA EN ROCAS CON ESTRUCTURAS

PERFORABILIDAD DE LA ROCA ESTRUCTURAS

CALIDAD DE LA PERFORACION INFLUYE EN UN 75 % EN LA VOLADURA 5

HECHO UN DISEÑO DE PERFORACION, SE COMETE ALGUNOS ERRORES COMO:

4

3

1. Error de Replanteo. 2. Error de Inclinación y Dirección.

2

3. Error de Desviación. 1

4. Error de Profundidad. 5. Taladros Estrechos, Perdidos u Omitidos.

CALIDAD DE LA PERFORACION RESULTADOS DE UNA MALA CALIDAD DE PERFORACION

MALA FRAGMENTACIÓN. INADECUADO RENDIMIENTO DEL EXPLOSIVO.

SOBRE EXCAVACIONES. VOLADURA FALLADA. FORMACION DE CALLOS O PECHOS

VOLADURA SOBREDIMENSIONADA

ZONA DETERIORADA POR VOLADURAS MUY POTENTES

VOLADURA EN ROCAS CON ESTRUCTURAS

SOSTENIMIENTOS Y REFUERZOS EN EL MACIZO ROCOSO

SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO • Usualmente se denomina soporte de rocas a los procedimientos y materiales utilizados para mejorar la estabilidad y mantener la capacidad de resistir las cargas que producen las rocas cerca al perímetro de la excavación subterránea. Se puede clasificar a los diversos sistemas en dos grandes grupos:

LOS DE APOYO ACTIVO; que viene a ser el REFUERZO de la roca donde los elementos colocados pasan a ser parte integral del Macizo Rocoso. LOS DE APOYO PASIVO; donde los elementos colocados vienen a ser el SOSTENIMIENTO del Macizo Rocoso, son externos al Macizo y deben soportar cualquier movimiento interno de la roca que esta en contacto con el perímetro excavado.

BARRA HELICOIDAL

ACTIVO

PERNOS CON ANCLAJE

(REFUERZO)

PERNOS CON RESINA

SWELLEX

ACTIVO

SPLIT SET

(REFUERZO)

CABLES

MALLA

PASIVO

CIMBRAS

(SOPORTE)

CINTAS METALICAS

SHOTCRETE

Cuadro recto

PASIVO (SOPORTE) CUADROS DE MADERA

Cuadro cónico

Cuadro cojo

SOSTENIMIENTO PERNOS DE ANCLAJE

Elementos de Sostenimiento

A - Perno con anclaje expansivo

B - Estabilizador de Fricción C - Perno Cementado

RESISTENCIA EN TRACCIÓN

La acción principal de todos de pernos para roca es el de resistir el movimiento o el disloque del terreno. En general en la roca dura este disloque es el resultado por las fallas y fracturas. Estas fracturas y estratos se abren con el tiempo debido a la presión vertical o horizontal, por el efecto de la gravedad en los bloques y con el efecto de las variaciones en la temperatura y humedad en la roca masiva.

PERNOS CON ANCLAJES DE EXPANSIÓN Un perno para roca con anclaje de expansión controla el movimiento o el desplazamiento de la masa rocosa induciendo la presión de la tensión de la barra entre el anclaje y la platina de apoyo. Este tipo de soporte produce una tensión de aproximadamente 3.5 Tn y tiene una resistencia en tracción (ROTURA) máxima de 12,5 Tn.

Utilizado generalmente en las estructuras de roca masiva con bloques o estratas.

ESTABILIZADORES DE FRICCIÓN “SPLIT SETS

Estabilizadores de fricción están constituidos por un trozo de tubo de acero más ancho que el diámetro de la perforación y que es partido a lo largo por el centro. La fricción ejercida por los costados del perno lo mantienen en su lugar creando fuerzas que se extiendan radicalmente. Este proceso provee la fuerza de fricción (1–1.5 Tn/pie) que actúa previniendo el movimiento o separación del terreno. Utilizado generalmente en roca severamente agrietada o fracturada sujeta a condiciones de baja tensión.

RESISTENCIA DURANTE LA INSTALACIÓN Verificar la resistencia del perno durante la instalación, el tiempo de instalación por un estabilizador de 2,1 metros (7 pies) debe ser 1 hasta 1,5 minutos.

La resistencia de un estabilizador de fricción se puede variar con ; 1. Diámetro del taladro 2. Tipo de roca

3. Fracturas, fallas

PERNOS CEMENTADOS ( LECHADA DE RESINA O CEMENTO) Los pernos fabricados de acero corrugado instalados en una lechada de resina o cemento resiste el movimiento del terreno debido a los puntos de contacto del enclavamiento mecánico del perno. La unión resina o lechada con la roca depende de las irregularidades encontradas dentro de la perforación y de la estructura de la roca (- + 10 Tn/pie). Se recomienda para todos tipos de estructuras para el sostenimiento de altra resistencia y a largo plazo.

PERNOS CEMENTADOS PERNOS DE BARRA DE CONSTRUCCION

DESCRIPCIÓN: Pernos de Barra de Construcción, barras laminadas en caliente con resaltes, con roscas cortadas en un extremo para aceptar una tuerca cuadrada. Las roscas conformen con 3/4” – 10 NC o 1” – 8 NC.

PERNOS CEMENTADOS BARRA HELICOIDAL

DESCRIPCIÓN: (BH)- Barras laminadas en caliente con resaltes en forma de rosca helicoidal de amplio paso. El diseño de hilo permite colocar una tuerca que puede rodar longitudinalmente por los resaltes a lo largo de la barra.

BLOQUE A SOPORTAR POR UN PERNO CEMENTADO

ZONA DE ANCLAJE

h s s

T = y x h x S2 T = Peso del bloque muerto y = Peso unitario de la roca ( 2.7 ton/m

3

)

h = Potencia de la zona inestable ( 1.5 m ) S = Espaciamiento entre pernos ( 1.2m x 1.2m )

BLOQUE A SOPORTAR POR UN ELEMENTO DE SOSTENIMIENTO

T= 2.7ton/m3 x 1.5m x 1.2m x 1.2m T= 5.83ton Peso de un bloque suspendido

LONGITUD DEL ELEMENTO DE SOSTENIMIENTO RESPECTO A LA ZONA ANCLAJE

L= profundidad de las capas (X) +Zona anclaje (Z)

LONGITUD DEL ELEMENTO DE SOSTENIMIENTO RESPECTO AL ANCHO DE LA ABERTURA L = 1,4 + ( 0.18 x W )

L = longitud del perno (m) W= ancho de la abertura (m)

Ejemplo: Galería de 3.5 metros (W) L = 1,4 + (0.18 x 3,5) = Longitud del perno 2.03m (L)

ESPACIAMIENTO DE LOS ELEMENTOS L \ E = 1.5 – 2.0 1.5 terreno regular

2.0 terreno malo L = longitud del perno, E = espaciamiento de los pernos Ejemplo: Perno de 2.25m (L)

2,25 \ E = 2.0 Espaciamiento de 1.1m (E)

CAPACIDAD DE SOPORTE DE UN PERNO CEMENTADO P = Rc x S =  x U x L S =  x d2 /4

U=xd  = 0.25 x Rc x d/L

Donde: P = Capacidad de apoyo del perno ( Kg) Rc = Resistencia a la tracción mínima del perno = 6330 Kg/cm2 S

= Área del perno (cm2)

d

= Diámetro del perno (cm)



= Adherencia entre el perno y el cemento (Kg/cm2)

U = Circunferencia del perno (cm) L = Longitud del perno (cm)

CAPACIDAD DE SOPORTE DE UN PERNO CEMENTADO Datos:

Perno helicoidal de 7/8” x 1.80m ( d =2.2 cm, r = 1.1 cm, L = 180 cm)

 = 0.25 x Rc x d / L  = 0.25 ( 6330 Kg/cm2)( 2.2cm ) / (180cm)  = 19.34 Kg/cm2 = 1.89 MPa. S =  x r2 = 3.1415 ( 1.1 cm )

2

= 3.8 cm2

U =  x d = 3.1415 ( 2.2 cm ) =

6.91 cm

P =  x U x L = (19.34 Kg/cm2)(6.91 cm)(180cm )

P = 24060 Kg = 24 ton ( 234.6 KN )

CAPACIDAD DE SOPORTE DE UN PERNO CEMENTADO

TIPO DE PERNO

RESISTENCIA

Barra De Construcción 3/4” = 18 ton (176 KN) Barra Helicoidal 7/8”

= 24 ton (235 KN)

Barra De Construcción 1”

= 32 ton (313 KN)

FACTOR DE SEGURIDAD Perno de L = 1.8m,  = 3/4” capacidad con apoyo de 18 ton

FS = 17.9 ton /5.83 ton = 3.08

Perno de L = 1.8m,  = 7/8” capacidad de apoyo de 24 ton

FS = 24 ton /5.83 ton

= 4.12

Perno de L = 2.0m,  = 1”

capacidad de apoyo de 32 ton

FS = 32 ton /5.83 ton

= 5.49

CARTUCHOS DE RESINA

Fabricado y patentado por CASTEM E.I.R.L. como producto novedoso en su sistema de fabricación y empleo de los componentes.

Tiempo de fragua y dimensiones : Rapido

30 segundos

Lento

2 – 4 minutos

28mm x 305 mm 28mm x 305 mm

DIAMETRO DE LA PERFORACION Con cartuchos de cemento; Diámetro de la perforación =  de la barra + 10 a 20mm

Con cartuchos de resina; Diámetro de la perforación =  de la barra + 10 a 15mm

Con lechada de cemento; Diámetro de la perforación =  de la barra + 10 a 26mm

Instalación de los Elementos de Sostenimiento La colocación de la platina de un perno para roca mejorará la fortificación del terreno.

Los angulos de un perno con la superficie de la roca deben tener 90 grados o un máximo de inclinación de 10 grados (ejemplos B,D) y la planchuela debe colocarse pegado a la roca (ejemplos no aplicables A,C y E)

Instalación de los Elementos de Sostenimiento

El tipo de la superficie de la roca es significativo en la planificación del espaciamiento de los pernos por la existencia de bloques y de las fracturas (A) o la orientación de los estratos (B) requieren una flexibilidad en la colocación de los pernos.

ANGULO DE LA INSTALACIÓN

RESISTENCIA :

A - 90 GRADOS =

100%

B - 45 GRADOS = +- 70%

PROBADOR HIDRAULICO Probador con cilindro hidráulico

Bomba hidráulico

Un dispositivo de prueba hidráulico extensible es necesario para asegurar la función de los elementos de sostenimiento, éste permite determinar él limite elástico y la carga máxima de la barra y la resistencia máxima del anclaje.

DIAMETRO DE LA PERFORACION A - Reduciendo el diámetro de la perforación mediante la utilización de una broca de 32 mm para los pernos de 19.05 mm y 22 mm va a reducir el tiempo de perforación en un promedio de 20 – 30 % comparado a una broca de 38 mm.

B - La utilización de un diámetro de perforación inadecuado puede producir importantes variaciones en la rigidez del perno particularmente implica un gasto innecesario de mortero (cemento o resina) y la posibilidad de una mezclado de la resina inadecuada.

SOSTENIMIENTO CON SPLIT SET Los estabilizadores de fricción (split set) son constituidos por un tubo de acero tipo estructural seccionado en su longitud. La fricción ejercida por el split set al ser introducido en el taladro crea fuerzas que se extienden radialmente, previniendo el movimiento o separación del terreno.

DESCRIPCIÓN DE LOS SPLIT SET-ACCESORIOS

L: 4’ – 5’ – 6’ – 7’ (E) Diámetro externo : 39-9.5mm (B) Bisel : 70mm (D) Espesor acero : 2.3mm (C) Ranura : 14mm (A) Ahusado : 30-34mm Anillo: 6mm Ø

C: 40m B: 4.5 mm A: 15mm

FUNCIONAMIENTO DEL SPLIT SET

En el taladro el tubo ejerce presión radial contra la roca, su contacto es longitudinal y provee un inmediato soporte al macizo rocoso.

SOSTENIMIENTO CON MALLA ELECTROSOLDADA

La malla electrosoldada se usa en combinación con split set, tanto en labores temporales como en stopes. La malla consiste de una cuadricula de alambres de acero de 4.2 mm. de diámetro, soldadas en su punto de intersección cada 3”.

CONTROLES EN MALLA ELECTROSOLDADA

El control en este caso se realiza diariamente y en forma visual, teniéndose en cuenta lo siguiente: • La malla debe estar pegada a la roca. • El traslape debe ser de tres cocos y el perno debe de instalarse en el coco central. • La malla se debe de instalara 1.5 m. del piso.

PERNOS MECANICOS CON ANCLAJE DE EXPANSIÓN CC 35

Grado - SAE 1045 Roscas Laminadas 9/16"

E

Diámetro nominal 5/8" (15.8 mm)

T1

Longitud de roscas 9/16" laminadas extremo tuerca

25 - 100 mm ( 1- 4 " )

T2

Longitud de roscas 9/16" laminadas extremo anclaje

140 mm ( 5.5" )

L

Longitud del perno en metros ±6.4 mm TUERCAGrado 2, roscas 9/16" NC. x 1 1/8" cuadrada LONGITUDES DISPONIBLES: 1.0m - 1.5m - 2.0m - 3.0m

PLATINA DE APOYO TIPO CUPULA: Acero A36, agujero 15/16" Espesor: 6.4 mm ( 1/4" ) Largo : 127mm-150mm ( 5" - 6" ) Ancho : 127mm-150 mm ( 5" - 6" )

PERNOS MECÁNICOS CON ANCLAJES DE EXPANSION La acción de girar la tuerca hace que la cuña roscada se mueva a lo largo de la porción extrema roscada del perno, además de forzar las hojas laterales del anclaje hasta ampliar su diámetro y entrar en contacto con la pared del taladro. Esto da lugar a una resistencia de fricción en el extremo del anclaje y tensión en el perno. Esta tensión es relativa a la cantidad de esfuerzo de torsión (torque) aplicado y del tipo de roca en que se apoyará el anclaje. Los pernos mecánicos con anclajes se utilizan generalmente en estructuras de roca masiva con bloques o estratificado. Se usa un adaptador con una caja de 28mm cuadrada (1 1/8") y un barreno hexagonal de 7/8" para la instalación del perno.

PARAMETROS A CONSIDERAR EN LA INSTALACION DE PERNOS MECÁNICOS CON ANCLAJES:

Diámetro de perforación: 36-38mm

36-38 mm.

TORQUE: 100-200 lb-pie

Tipo de Roca: masivo-estratificado, calidad II-IIIA (RMR>50)

ANGULO DE INSTALACIÓN Con una inclinación de 45 grados un perno puede perder hasta un 50% de su tensión final por cizallamiento. Ejemplo de un perno mecánico de 5/8” con cabeza forjada hecho en acero SAE 1045.

ANGULO TENSIÓN 0°

100%

10°

80%

35°

60%

45°

50%

ADAPTADOR ESTANDAR PARA LA INSTALACION DE PERNOS MECANICOS

Cortar el culatín del barreno a 7.5cm (3 pulg.) del collarín.

AL INSTALAR LOS PERNOS CON ANCLAJES, NO OLVIDE...

Camisa plástica

Alas de fricción

·Revisar el estado del perno,las roscas y el anclaje ·Asegurarse que los anclajes giren libremente ·Ajustar el anclaje al diámetro del taladro ·Sacar la camisa plástica del anclaje antes de insertarlo ·Se recomienda un torque y tensión adecuada para la instalación

“El arte de excavar túneles radica en ser capaz de colocar el sostenimiento adecuado, a la distancia del frente adecuada y en el tiempo adecuado”

SOSTENIMIENTO DE EXACAVACIONES SUBTERRANEAS CON HORMIGON LANZADO (SHOTCRETE)

HISTORIA DEL SHOTCRETE

PRIMERA MÁQUINA DE IMPULSIÓN 1907

HISTORIA DEL SHOTCRETE 1907 Carl Ethan Akeley. Museo de Ciencia Natural de Chicago. 1911 “Cement Gun” 1918 Se incorpora y propaga el procedimiento en Europa. 1930 Surge termino “Shotcrete” “American Railway Engineering Association”.

HISTORIA DEL SHOTCRETE 1935 Se hacen las primeras pruebas de shotcrete a flexion 1945 George Senn. Spribag Compañía (antecesora de ALIVA) desarrolla equipo de tornillo 1957 Desarrollo de máquina de rotor. Se implanta via húmeda.

HISTORIA DEL SHOTCRETE • 1945 vía húmeda, después de la segunda guerra mundial • 1954 Definición oficial por el Instituto Americano del Concreto (A.C.I.)

TIPOS DE APLICACIÓN

• SHOTCRETE VÍA SECA • SHOTCRETE VÍA HÚMEDA

SHOTCRETE = HORMIGON LANZADO MATERIAL QUE SE COLOCA Y COMPACTA MEDIANTE IMPULSIÓN NEUMÁTICA, PROYECTÁNDOSE A GRAN VELOCIDAD SOBRE UNA SUPERFICIE DETERMINADA.

SHOTCRETE CON ROBOTS (VIDEO)

CARACTERISTICAS DEL HORMIGON LANZADO Las principales características que indican al concreto lanzado como un elemento efectivo de sostenimiento son:  El concreto lanzado previene la caída de pequeños trozos de roca de la periferia de la excavación, evitando el futuro deterioro de la roca.  Mantiene el entrabe de las posibles cuñas o bloques sellando las discontinuidades o grietas producidas por la voladura.  La acción conjunta del concreto lanzado y la roca produce una fuerza tangencial en la interfase, que impide que la roca y el concreto lanzado se deformen independientemente.

PROPIEDADES DEL HORMIGON LANZADO 

Estructura interna consta de agregados más finos y mayor cuantía de cemento.



La proyección forma poros aislados que mejoran resistencia a congelamiento y deshielo.

PROPIEDADES DEL HORMIGON LANZADO 

Colocación por capas interrumpe continuidad de fisuras.



Excelente adherencia a soporte (limpio, y saturado con superficie seca.)



Baja permeabilidad y baja absorción.



Mayor contracción por secado en razón a la alta cuantía de cemento.

MATERIALES PARA EL HORMIGON LANZADO  Deben

cumplir las mismas normas que regulan el concreto convencional.

 Exige

gradaciones finas.

 Gradaciones

gruesas obstruyen equipos e incrementan el rebote.

 Gradaciones

muy Finas no generan mucha adherencia y también cae.

MATERIALES PARA EL HORMIGON LANZADO AGREGADOS : Calidad Misma calidad que los agregados de concreto normal, en especial :

• Limpios • Resistentes • Duros • Granulometría apropiada

Prestar atención a : Densidad y absorción Ya que son buenos índices de su calidad !

MATERIALES PARA EL HORMIGON LANZADO AGREGADOS :

Forma Deben preferirse agregados rodados ó redondeados a los de trituración ó chancados , ya que se reduce el Rebote.

Humedad La óptima está entre 3% a 6%; para vía seca.

GRANULOMETRIA IDEAL COMBINADA (NORMA ACI - 506 TAMIZ Mm

N°.1 9 mm

N°.2 12.5 mm

3/4"

N°.3 19 mm 100

1/2"

100

80-95

3/8"

100

90-100

70-90

N°.4

95-100

70-85

50-70

N°.8

80-100

50-70

35-55

N°.16

50-85

35-55

20-40

N°.30

25-60

20-35

10-30

N°.50

10-30

8-20

5-17

N°.100

2-10

2-10

2-10

MATERIALES PARA EL HORMIGON LANZADO Cemento : En general se puede usar : -Cemento Pórtland Tipo I y III -Cementos puzolanicos -Cementos siderúrgicos ó Adicionados

Resistencia a ataque químico : Cuando prevalezcan las consideraciones de durabilidad usar: -Cemento adicionado con microsílica -Cemento Tipo II y V -Aditivos reductores de agua . -Incorporadores de aire

MATERIALES PARA EL HORMIGON LANZADO

Agua : Debe cumplir con los requisitos de “Agua para el amasado de concreto” de acuerdo a la Norma NTP vigente ó se seguirá la recomendación ACI : Se considera apta para la elaboración de concreto toda agua sin color apreciable, ni olor desagradabe, se preferirá en general agua potable.


Fibras de Refuerzo : Debe cumplir con los requisitos de La norma ASTM A 820 – Tipo I, ya que este Tipo de Fibra es la única diseñada para reemplazar la malla eléctrosoldada. Debe poseer anclajes mecánicos en los extremos La relación Longitud /Diámetro debe ser igual ó mayor de 45. El Acero debe tener bajo contenido de Carbono.


Aditivos Acelerantes de Fraguado: •Aditivos Alcalinos (PROHIBIDO SU USO) •Aditivos Libre de Álcalis

RESISTENCIA – RELACION AGUA CEMENTO Resistencia en compresión vs Relación Agua/Cemento

Resistencia en compresión f´c en kg/cm2

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Relación Agua/cemento en peso

1

1.1

1.2

1.3

METODOS DE LANZADO

Clasificación : VIA HUMEDA

VIA SECA

METODO DE LANZADO POR VIA SECA

Lanzado vía seca ZONA DE PRESA

METODO DE LANZADO POR VIA SECA • PREPARACION DE MEZCLA SECA • MEZCLA SE CARGA EN MAQUINA IMPULSION • EQUIPO INTRODUCE MATERIAL HACIA MANGUERA • MATERIAL ES IMPULSADO POR AIRE COMPRIMIDO HACIA LA BOQUILLA • EN BOQUILLA SE INTRODUCE AGUA CON ADITIVO A TRAVES DE ANILLO PERFORADO QUE DISTRIBUYE HOMOGENEAMENTE • EL MATERIAL ES LANZADO A ALTA VELOCIDAD.

SHOTCRETE VIA SECA (DESDE 1907) Dosis de acelerante & relación A/C controlada por el operador

Mezcla seca Agregados, cemento ( fibras)

Mezcla seca + aire Aire

Bomba de dosaje de Acelerante separada

Acelerante Agua

Rendimiento : Menos de 1 m3/hr Rebote : Agregados - 30 to 50% Fibras de acero - 30 to 50%

DRY MIX

Agua+acelerante

Aire+Agregados+Cemento

METODO DE LANZADO POR VIA SECA VENTAJAS  Se facilitan ciertas condiciones de aplicación. (filtraciones).  Permite bajas relaciones A/C  Maquinaria más económica.  Mayor energía de compactación.  Mayor densidad de mezcla colocada.

METODO DE LANZADO POR VIA SECA DESVENTAJAS  Gran polución de polvo  Mezcla controlada por el Operador de manera empírica (Experiencia)  Dosificación irregular de la mezcla  Gran variación en sus resultados  Baja producción (< a 1 m3/hr)  Alto rebote (de 25% a 40%).  Condiciones de aplicación ambientalmente inconvenientes

ES POSIBLE OPTIMIZAR EL USO DEL SHOTCRETE VÍA SECA? • Controlando la dosificación de la mezcla • Controlando la dosificación del agua durante el lanzado  relación agua/cemento • Controlando la dosificación del aditivo acelerante durante el lanzado • Controlando la distancia de lanzado (1 – 2 m) • Realizando ensayos frecuentemente para optimizar y/o mejorar el diseño

DISEÑO DE MEZCLA La mezcla de concreto lanzado debe contener los siguientes componentes pero medidos por METRO CUBICO:

 Cemento

: 9 – 10 bolsas(42.5Kg.c/u)

 Agregado (max. 12.5 mm.)

: 1 m³

 Relación agua/cemento: - Mezcla seca - Mezcla húmeda

: 0.3 - 0.5 : 0.4 - 0.6

 Acelerante

: 3.5 – 3.7 Galones/m³

EQUIPOS VIA SECA RED LOVA

HORMIGÓN PROYECTADO POR VIA HUMEDA

Hormigón Proyectado vía Húmeda

SHOTCRETE VIA HÚMEDA (DESDE 1970) Control de dosaje del acelerante y volumen de aire en la bomba

Mezcla húmeda agregados, cemento, agua aditivos

MEZCLA HÚMEDA BOMBEADA Acelerante

Bomba de dosaje de acelerante integrada

Aire Comprimido

Acelerante

Rendimiento : 4 to 5 m3/hr Rebote: Agregados - 2 to 10% Fibras de acero – 2% to 10%

METODO DE LANZADO POR VIA HUMEDA El concreto se transporta con toda el agua de

amasado, el aditivo se

coloca en la boquilla

METODO DE LANZADO POR VIA HUMEDA VIA HUMEDA (Ventajas) Mayor control sobre relación A/C.

Permite uso de súper plastificantes. Mejor distribución del agua en la mezcla. Menor rebote que en vía seca. Mayor rendimiento de colocación. Mayor homogeneidad entre capas Permite uso de equipos “convencionales” de bombeo de concreto normal (Flujo Denso).

METODO DE LANZADO POR VIA HUMEDA VIA HUMEDA (Desventajas)  Equipos más costosos con mantenimiento más exigente.  Mayor logística y coordinación entre planta de mezcla y obra  Menor calidad en la compactación que en la vía seca.  No es muy eficaz donde hay filtraciones de agua.  Equipos grandes y limitados para labores pequeñas.

METODO DE LANZADO POR VIA SECA FLUJO DILUIDO

FLUJO DENSO

•Equipo especial (rotor)

•Bomba de concreto

•No requiere bombeabilidad.

•Mezcla debe ser bombeable.

•Mayores requerimientos de aire.

•Inferiores volúmenes de aire requeridos.

•Mejor calidad en compactación

•Mayor requerimiento de acelerante.

•Apto para vía seca.

•No apto para vía seca.

FLUJO DILUIDO • No exige concreto bombeable • Se prepara una mezcla normal apta para ser lanzada (10 cm asentamiento se puede hasta con 5 cm)

aliva AL 262

• Se introduce el material en la tolva de la máquina.

• Aire a gran caudal transporta la mezcla a la boquilla. • El aditivo se introduce en la boquilla o antes de, mediante un aditamento de inyección.

FLUJO DENSO • Se prepara un mezcla de concreto bombeable • El material se introduce en tolva alimentadora de equipo de impulsión (bomba) • Equipo introduce el material hacia la manguera

• Material es impulsado por accionamiento mecánico a la boquilla • En la boquilla se introduce aire a presión junto con el aditivo liquido y se mezcla • El material es lanzado a alta velocidad hacia la superficie

EQUIPOS VIA HUMEDA

VIA HUMEDA Equipo

aliva AL 500 VIA HUMEDA

VIA HUMEDA

Equipo aliva para minería

USO EQUIPOS MECANIZADO VIA HUMEDA • Primeras aplicaciones posteriores a la segunda guerra mundial • Mayor desarrollo tecnológico a partir de 1971 • Entre 1971 y 1980 Noruega migró de 100% vía seca a 100 % vía húmeda • Aplicación de manual a robótica

EQUIPOS ROBOTS

EQUIPOS VIA HUMEDA

COMPARACION REBOTE TIPICO (Con aditivo) VIA HUMEDA Y VIA SECA SUPERFICIE

VIA SECA

Soleras

2% a 7%

0% a 5%

Verticales

5% a 10%

2% a 7%

10% a 20%

5% a 15%

Sobre cabeza

VIA HUMEDA

COMPARACION ENTRE CONCRETO LANZADO SECO Y HUMEDO

FACTORES

MEZCLA SECA

MEZCLA HUMEDA - Ratio agua-cemento, es alto.

CALIDAD

- Alta resistencia debido al ratio bajo entre agua-cemento. - La mezcla depende de la adición del agua que es regulada por el operador manualmente.

VELOCIDAD DE IMPACTO

- Alta, buena adhesión y fácil de aplicar en bóvedas.

- Adecuado para el trabajo en minería.

ADITIVOS

- En polvo para agregar a la mezcla seca. - Generalmente líquido, se mezcla con el agua.

POLVO

- Alta producción de polvo, puede ser - Muy poco polvo y mejor visibilidad. reducida teniendo el agregado con una humedad promedio de 5 a 6%. - Da buenos resultados en zonas con - En zonas con agua no pega la mezcla. poca agua.

- Mezcla homogènea.

COMPARACION ENTRE CONCRETO LANZADO SECO Y HUMEDO FACTORES

MEZCLA SECA

MEZCLA HUMEDA

EQUIPO

- Bajos costos de inversión - Mantenimiento simple y poco frecuente - Difícil de limpiar. - Equipo compacto y adaptable en túneles con espacios limitados

- Mayor costo de inversión - Rinde mayor producción. - Más fácil de limpiar. - Consume 60% menos de aire comprimido

- La dosificación de la mezcla es más precisa dado que el agua forma parte de esta.

MEZCLA

- Se hace frecuentemente en el sitio de trabajo o se lleva la mezcla seca preparada. - No hay buen control de la relación agua-cemento. - La mezcla puede ser transportada grandes distancias.

RENDIMIENTO - En promedio 5m3/hora.

REBOTE

- Mejor control de la relación agua-cemento. - En largas distancias la mezcla puede fraguar.

- En promedio de 2 a 10 m3/hora, con manipulador mecánico puede alcanzar 20 m3/hora.

- Puede ser entre 15-40% en paredes - Generalmente es 10% en promedio, o menos. verticales y entre 20-40% en la bóveda. El rebote forma vacíos en los hastiales. - Alta pérdida de agregados y cemento. - Poca pérdida de materiales.

PROCEDIMIENTOS EJECUTIVOS PARA LA APLICACIÓN DE HORMIGON LANZADO O SHOTCRETE (SUGERENCIAS DE OPERACIÓN)

ANTES DE SU APLICACIÓN Preparar la superficie de aplicación con un buen desatado, de ser posible perfilando la superficie. Eliminar

Eliminar

ANTES DE SU APLICACIÓN  Lavado de la superficie para quitar el polvo, puede ser con agua o aire comprimido.  Colocación de calibradores (1 Unid/2m²) para el control del espesor.

Calibradores

SUGERENCIAS DE OPERACION  Calidad depende de la destreza del lanzador.  El flujo de concreto debe ser continuo. Podrían presentarse sobredosificaciones o deficiencias de aditivo o agua cuando se bombea en vacío.  La distancia de la boquilla al sitio debe estar entre 0,5 mts a 1,5 mts (vía seca) y hasta 2.0 mts en vía húmeda.  La colocación se inicia de abajo hacia arriba.

SUGERENCIAS DE OPERACION  Cuando la estructura es reforzada se acercará más la boquilla para evitar sombras tras la armadura.  La inclinación de la boquilla debe ser perpendicular o levemente inclinada (máximo 10 grados).  Cuando se lanza por capas se retirará el rebote y se dejará superficie rugosa.

SHOTCRETEADO ELEMENTO CON ARMADURA

POSICIÓN PARA LANZAR

Correcta Posición para lanzar

Posición para lanzar

Angulo o Posición del Lanzado vs. Rebote

MAXIMO REBOTE ALTO REBOTE

BAJO REBOTE

Movimiento de la boquilla (ambos casos)

CONTROL DE CALIDAD DEL HORMIGON LANZADO

PROCESO DE APLICACIÓN Y CONTROL DE CALIDAD DOSIFICACIÓN Y MEZCLADO

VERIFICACIÓN

TRASIEGO

CONTROL DE CALIDAD MUESTREO

ENSAYO

LANZADO

CONTROL DE CALIDAD HORMIGON LANZADO Tomar panel de prueba a diario o cada 40 metros cúbicos. ASTM C1140.  Para determinar la resistencia a la compresión del Shotcrete se extraerán testigos diamantinos cilíndricos ó cubos tallados. Para determinar los Índices de Tenacidad del Shotcrete reforzado con fibras de Acero se tallaran vigas.

CONTROL DE CALIDAD HORMIGON LANZADO

Llenado de los Paneles para Ensayos

PASO 1

PASO 2

PASO 3

PASO 4

CONTROL DE CALIDAD HOTIGON LANZADO


Extractora Diamantina para obtener Testigos Cilíndricos y Máquina de corte para Tallados.


Testigos Diamantinos Cilíndricos


Máquina para determinar la Resistencia a la Compresión del Concreto


VIGAS TALLADAS (PARA ENSAYO DE TENACIDAD)


Ensayo de Flexo tracción para determinar los Índices de Tenacidad


ENSAYOS LABORATORIO CALIZA

ENSAYOS LABORATORIO CALIZA

HORMIGON LANZADO CON FIBRA La fibra se mezcla como si fuera un agregado adicional. La proporción de esta fibra la recomienda el proveedor, pero es bueno realizar pruebas hasta obtener la óptima. Una de las desventajas del concreto lanzado normal, es su baja resistencia a la tensión, y muchas veces se ve agrietado por los movimientos de la roca después de fraguado el concreto, por lo que es conveniente usar fibra.

VENTAJAS DE USAR FIBRA Mejoran sus propiedades mecánicas del concreto, haciendo que disminuya su fragilidad,en combinación con pernos de anclaje aumenta su capacidad portante. Aumenta la ductilidad del concreto después de su fisuración. Aumenta la resistencia a la rotura y la capacidad de absorción de energía. Aumenta la resistencia a la tracción. Aumenta la resistencia a la aparición y propagación de grietas por contracción. Aumenta la resistencia al impacto y a la cizalladura. Mejora el comportamiento a la flexo tracción. Aumenta la durabilidad del concreto.

FIBRAS METALICAS

FIBRA SISTENTICA

MALLA METALICA

OTROS CAMPOS DE APLICACION

TUNELES Y CAVERNAS 

  

Impermeabilización de obras con filtraciones durante su excavación Regularización de superficies en excavaciones Como revestimiento definitivo o provisional. Ideal en túneles por sus altas resistencias iniciales.

PISCINAS Y RESERVORIOS DE AGUA

PISCINAS (Santa Clara)

Losas de cáscara Fácil elaboración de cúpulas, bóvedas, depositos cilindricos, chimeneas.

Estabilización de taludes rocosos

Revestimiento de taludes

TALUDES (Antamina)

Pantallas

Reparación estructuras

REPARACIÓN DE ESTRUCTURAS

REPARACIÓN DE ESTRUCTURAS 

Recuperación de secciones en elementos sometidos a ambientes agresivos o deterioro por agentes físicos ó químicos (incendios, corrosión, etc.)

Eurotúnel

ESTRUCTURAS ESPECIALES (Iglesia en Playa Asia)

SOSTENIMIENTO CON CIMBRAS METALICAS

CIMBRAS METALICAS Este típico sostenimiento pasivo o soporte es utilizado generalmente para el sostenimiento permanente de labores de avance, en condiciones de masa rocosa intensamente fracturada y/o muy débil que le confieren calidad mala a muy mala, sometida a condiciones de altos esfuerzos.

CIMBRAS METALICAS Para lograr un control efectivo de la estabilidad en tales condiciones de terreno, las cimbras son utilizadas debido a su excelente resistencia mecánica y sus propiedades de deformación, lo cual contrarresta el cierre de la excavación y evita su ruptura prematura. La ventaja es que este sistema continúa proporcionando soporte después que hayan ocurrido deformaciones importantes.

CIMBRAS METALICAS Las cimbras son construidas con perfiles de acero, según los requerimientos de la forma de la sección de la excavación, es decir, en forma de baúl, herradura o incluso circulares, siendo recomendable que éstos sean de alma llena.

CIMBRAS METALICAS Hay dos tipos de cimbras, las denominadas “rígidas” y las“deslizantes o fluyentes”. • Las primeras usan comúnmente perfiles como la W, H, e I, conformadas por dos o tres segmentos que son unidos por platinas y pernos con tuerca. • Las segundas usan perfiles como las V y U, conformadas usualmente por tres segmentos que se deslizan entre sí, sujetados y ajustados con uniones de tornillo.

CIMBRAS RÍGIDAS

CIMBRA EN FORMA Q

CIMBRAS EN FORMA Q • Los accesorios en este sistema de sostenimiento son los tirantes de conexión de las cimbras, el encostillado y los elementos de bloqueo. • Los tirantes pueden consistir de varillas de fierro corrugado o liso generalmente de 1” de diámetro u otro elemento estructural. • El encostillado puede ser realizado con planchas metálicas acanaladas y en algunos casos en las minas se utilizan tablones de madera. • Los elementos de bloqueo pueden ser la madera o los bolsacretos, estos últimos son sacos conteniendo agregados con cemento

USO DE BOLSACRETOS COMO BLOQUEO

ACCESORIOS DE CONEXIÓN

CIMBRAS METALICAS • Para el rango de los tamaños de las excavaciones de las minas peruanas, las cimbras rígidas comúnmente utilizadas son las 4W13 (perfiles W de 4” de ancho x 4” de profundidad y 13 lb/pie) o equivalentes, espaciadas de 0.75 a 2 m, las mismas que corresponden a cimbras ligeras para excavaciones de hasta 4 m de abierto.

CIMBRAS METALICAS • En los casos que las cimbras indicadas no fueran suficientes para excavaciones de hasta 4 m de abierto, por las altas presiones de la roca, pueden utilizarse cimbras medianas como las del tipo 6W20 o equivalentes o alternativamente cimbras deslizantes. Las cimbras 6W20 también son comúnmente utilizadas para excavaciones con abiertos de hasta 6 m.

CIMBRAS METALICAS Procedimientos de Instalación • Es preferible que el soporte se instale lo antes posible, pues cualquier retraso ya sea en tiempo o en distancia al frente se traduce en aumentos de la presión sobre el techo, si prevalecen las cargas de descompresión o roca suelta. • Se debe proceder a asegurar el techo, lo cual se podrá realizar mediante la colocación de shotcrete temporal o marchavantes de ser necesario.

CIMBRAS METALICAS • Todas las cimbras deben estar correctamente apoyadas y sujetas al piso mediante dados de concreto, debiéndose mantener su verticalidad. • El bloqueo de la cimbra contra las paredes rocosas es esencial para que pueda haber una transferencia uniforme de las cargas rocosas sobre las cimbras. Si no se realiza un buen bloqueo las cimbras no serán efectivas.

CIMBRAS METALICAS Es muy importante que la instalación sea cimbra por cimbra y no varias cimbras a la vez, es decir, completar la instalación de una cimbra para comenzar con la siguiente. •

Para que este tipo de sostenimiento funcione bien, deben cumplirse las siguientes condiciones:

 Riguroso paralelismo de los elementos.  Adecuada adaptación a las paredes, caso contrario los elementos flexionarán hacia el exterior.

 Resistencia conveniente del conjunto, que depende de las uniones, instalación y control.  Estrecho o apretado contacto entre la cimbra y el contorno de la roca a la cual soporta en todo su perímetro, a fin de desarrollar tempranamente su capacidad de sostenimiento, antes de que ocurran deformaciones significativas hacia el interior de la excavación.  La supervisión de la mina no aprobará ninguna cimbra que esté mal cimentada, no conserve su verticalidad ni su alineamiento; asimismo, si éstas no se encuentran correctamente topeadas a la superficie de la roca.

INSTALACIÓN DE CIMBRAS UTILIZANDO MARCHAVANTES

MUCHAS GRACIAS

Msc.Ing. Victor Tolentino Yparraguirre

c 06 Sostenimiento y Revestimiento de Tuneles

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