“PREDICCIÓN EMPÍRICA DEL STRAINBURST Y SQUEEZING EN GALERÍAS PROFUNDAS” Manuel Arlandi Rodríguez (
[email protected]) Ingeniero de Minas GEOCONSULT España Ingenieros Consultores S.A Madrid (ESPAÑA) Alberto Bernardo Sánchez (
[email protected]) Ingeniero de Minas GEOCONSULT España Ingenieros Consultores S.A Madrid (ESPAÑA) Luis Jordá Bordehore (
[email protected]) Doctor Ingeniero de Minas GEOCONSULT España Ingenieros Consultores S.A Lima (PERÚ)
Introducción características geotécnicas especiales, que •Los Túneles y Galerías Profundas presentan unas características condicionan tanto tanto las técnicas de soporte s oporte como los métodos m étodos constructivos a emplear para su excavación. •Los comportamientos geotécnicos que los hacen singulares se derivan de los altos niveles
tensionales desarrollados en profundidad. •Cuando las litologías excavadas son rígidas y competentes suelen desarrollarse mecanismos
de rotura frágil, que se traduce en el desarrollo de lajado de la roca (spalling), y en los casos más severos provocan la aparición de fenómeno fenómenoss súbitos de estallido de roca (rockburst). (rockburst). •Cuando el terreno es de mala calidad (GSI < 40), unido a la aparición de determinada
mineralogía en las rocas (arcillas, micas, grafito, etc.), se pueden desarrollar mecanismos de rotura dúctil, con fuertes deformaciones y empujes, en un comportamiento geotécnico denominado internacionalmente squeezing
Rockburst
Squeezing
Modos de Rotura y Deformación en Galerías Profundas Mecanismo de Deformación y Rotura
Características
Requerimientos de Sostenimiento
•
Desarrollo súbito
•
Inesperado
•
Colocación inmediata tras la excavación
•
Empujes pequeños o moderados
•
•
Peligro potencial a personas y maquinaria
Desarrollo inmediato de su capacidad portante tras su colocación
•
Dependiente del tiempo
•
Alta capacidad resistente
Mecanismo
•
Fuertes empujes
•
Flexibles
Dúctil
•
Grandes deformaciones
•
Capaces de absorber
Mecanismo Frágil
deformaciones sin perder •
Daños potenciales al túnel
capacidad portante
Tabla 1: 1: Mecanismos de r otura en t úneles pro fundo s (Amberg, 2006) 2006)
Rockburst Según el mecanismo que desencadena la aparición del fenómeno, podemos clasificarlo en dos tipologías generales (Kaiser, (Kaiser, 1999): A. Sísmic Sísmicame ament ntee induci inducido: do: con consis siste te en en la proy proyecc ección ión de bloqu bloques es existentes, por efecto de algún evento sísmico remoto. B. Tens ension ional al (Str (Strain ainbur burst) st):: se origi origina na por por acumul acumulaci ación ón de ener energía gía deformacional en zonas con elevado nivel de tensión. El mecanismo es “autoiniciado”, ya que el fenómeno lo desencadena el reajuste tensional producido tras la excavación. Produce en la roca el citado efecto de lajado. Este mecanismo es el más habitual, y el que normalmente cita la literatura técnica. En esta ponencia hablaremos de este mecanismo.
Strainburst PROFUNDIDAD DEL LAJADO PROFUNDIDAD (Kaiser 2000):
df r
= 1,25
ε max
0,51 ± 0,1
σ c
Donde: df = Espesor de la roca lajada r = Radio del túnel εmax = Tensión circunferencial máxima σc = Resistencia a Compresión Uniaxial de la roca obtenida en laboratorio De acuerdo a la magnitud del lajado, puede valorase la severidad del fenómeno fenómeno,, de acuerdo a la siguiente tabulación: Severidad
Profundidad del lajado
Menor
< 0,25 m
Moderada
< 0,75 m
Intensa
< 1,5 m
Tabla 2: Severidad Severidad del Rockbur st, según la magnitud del lajado observado
Strainburst Para que un macizo rocoso pueda presentar este comportamiento, deben concurrir simultáneamente las siguientes circunstancias: A. Que la la roca roca sea sea capa capazz de acumu acumular lar sufi suficie cient ntee energ energía ía deformacional, lo cual generalmente implica que el macizo posea determinadas propiedades mecánicas m ecánicas B. Qu Quee el el niv nivel el ten tensi sion onal al se seaa elev elevado ado.. C. Que el el maciz macizo o roco rocoso so no se encue encuentr ntree muy fra fractu ctura rado do,, ya que la fracturación disipa las tensiones y reduce la acumulación de energía.
Criterio de la energía de deformación elástica Este criterio fue establecido por Kwasniewski (1994) y sus colaboradores en Polonia. Estos autores tabulan el riesgo de estallido de roca en base a energía potencial de deformación elástica, (Eq. 2) que denominan abreviadamente PES, y cuyo valor es:
Donde: PES = Energía Potencial de Deformación Elástica de la roca (kJ/m 3) σc = Resistencia a Compresión Uniaxial de la roca obtenida en laboratorio (MPa) Es = Módulo de Young de la roca obtenido en laboratorio (GPa)
Criterio de la energía de deformación elástica
Energía Potencial de Deformación Elástica (PES) PES ≥ 50 kJ/m3 100 ≥ PES > 50 150 ≥ PES > 100 200 ≥ PES > 150
PES > 200
Valoración del Riesgo de Estallido
Riesgo Muy Bajo Riesgo Bajo Riesgo Moderado Riesgo Alto Riesgo Muy Alto
Tabla 3: 3: Valoración del r iesgo de estallido sobr e la base de la estimación estimación de la Energía Potencial Elástica
Criterio de la tensión tangencial Este criterio, debido a Wang (1998), considera tanto el estado tensional del macizo rocoso como las propiedades mecánicas de las rocas, y constituye una evolución del Criterio de Hoek de 1980. Este autor calcula el valor Ts , expresado como:
Donde: σθ = Tensión tangencial en la roca ubicada en la periferia de la excavación σc = Resistencia a compresión uniaxial de la roca del macizo rocoso
Donde: γ = Peso Específico de la roca
Z = Cobertera de terreno
Criterio de la tensión tangencial
T s
< 0,3 0,3 – 0,5 0,5 – 0,7 > 0,7
Valoración del Riesgo de Estallido
No existe riesgo Riesgo de débil estall estallido ido Riesgo de estallid estallido o fuerte Riesgo de estallido violento
Tabla 4: Valoración Valoración d el riesgo de estallido sob re la base del del criterio de la tensión tangencial
Influencia de la fractur fracturación ación sobre el estallido de roca
RQD
RQD < 25 25 < RQD < 50 50 < RQD < 75 RQD > 75
Valoración del riesgo de estallido
No existe Riesgo Riesgo Bajo Riesgo Moderado Riesgo Alto
Tabla 5: 5: Valoración del r iesgo de estallido s obre la base del crit erio del RQD
Squeezing CRITERIO DE SINGH
Fig. 1: Criterio de Singh (19 (1992) 92) para la predicción del Squeezing
Squeezing CRITERIO DE GOEL Sin Squeezing: H < 275 · Q · 0,33 B – 0,1 Squeezing Ligero: 275 · Q · 0,33 · B – 0,1 < H < 450 · Q · 0,33 · B – 0,1 Squeezing Moderado: 450 · Q · 0,33 · B – 0,1 < H < 630 630 · Q · 0,33 · B – 0,1 Squeezing Severo: 630 · Q · 0,33 · B – 0,1 < H •
H = Recubrimiento de la galería Q = Indice de Barton B = Anchura de la galería
Fig. 2: Cobertera mínima para el desarrollo de fenómenos d e Squeezing, Squeezing,
Squeezing CRITERIO DE BARLA Este autor ha propuesto un criterio muy útil y sencillo de aplicar para la estimación de las condiciones de squeezing, que está basado en el cálculo del ratio: σcmass γ
z
Donde: σcmass = Resistencia a compresión del macizo rocoso γ = Peso específico de la roca suprayacente Z = Cobertera de terreno sobre el túnel
Grado de Squeezing
Sin Squeezing Squeezing ligero Squeezing moderado Squeezing alto
RATIO
> 1,0 0,4 – 1,0 0,2 – 0,4 < 0,2
Tabla 6: Grados de Squeez Squeezing ing s egún B arla (1995) (1995)
σ cmass γ
z
Squeezing CRITERIO DE HOEK & MARINOS Estos autores estiman el grado de squeezing mediante la obtención del ratio propuesto por Barla (1995):
σ cmass
p0
p0 = γz
donde: σcmass = Resistencia a compresión del macizo rocoso
p0 = Tensión in situ σc = Resistencia a compresión simple de la matriz rocosa mi = Constante del Criterio de Rotura de Hoek & Brown GSI = Geological Strength Index del macizo rocoso del túnel específ ico de la roca del recubrimiento del túnel γ = Peso específico Z = Recubrimiento del túnel
Este criterio propone una expresión para estimar la convergencia ε(%) generada en el túnel, como porcentaje del diámetro total del mismo: 2
= 0,2
ε
σ cmass
p0
Squeezing CRITERIO DE HOEK & MARINOS
Clase
Convergencia (%)
A
<1%
B
1 % – 2.5 %
C
2.5 % – 5 %
D
5 % – 10 %
E
> 10 %
Grado de Squeezing No se desarrolla squeezing. Squeezing ligero: problemas de soporte resolubles con
gunita, arcos metálicos ligeros y pernos. Squeezing moderado: problemas resolubles con hormigón proyectado y cerchas pesadas. Squeezing severo: soporte muy pesado, problemas de
estabilidad del frente, enfilajes y paraguas. Squeezing extremo: soportes especiales, graves problemas
de estabilidad del frente Tabla 7: Grados de Squeezing (Hoek y Marinos, 2000)
APLICACIÓN MINA EL TENIENTE (CHILE) DESCRIPCIÓN DEL TÚNEL Parámetros
CMET
Riolita y Dacita
Diorita y Tonalita
Brecha Braden
ROCA INTACTA
Es (GPa) Módulo Young γ (Ton/m3)
Peso específico
60
30
45
25
2,8
2,62
2,73
2,61
120
110
140
90
9,1
20,2
9,2
11,6
σc (MPa)
Resistencia Compresión Uniaxial mi
MACIZO ROCOSO
GSI σcmass (MPa)
70 - 85
75 - 90
70 - 90
85 – 100
Resistencia Compresión RQD (%)
49
60
42
50
20 - 80
60 - 90
20 - 80
> 75
Tabla 8: 8: Parámetros Geomecánicos Promedi o El Teniente
APLICACIÓN MINA EL TENIENTE (CHILE) DESCRIPCIÓN DEL TÚNEL P.K
Longitud Tramo (m)
Cobertera Máxima Z(m)
Roca
0+000 – 0+460
460
250
Brecha Farallones
0+460 – 1+826 1+826 – 1+876 1+876 – 2+211 2+211 – 2+291
1.366 50 335 80
400 250 390 430
2+291 – 3+242
951
595
3+242 – 3+895
653
605
3+895 – 4+514
619
625
4+514 – 7+747
3.233
935
Riolita Farallones Falla Riolita Farallones Falla Zona alteración hidrotermal Doirita Sewell Diorita Sewell con cuarzo Diorita Sewell
7+747 – 8+506
759
1.080
CMET
8+506 – 8+883
377
1.100
Brecha Braden
Tabla 9: 9: Tramificació n Túnel El Teniente
APLICACIÓN MINA EL TENIENTE (CHILE) RIESGO DE STRAINBURST EN EL TÚNEL DE ACCESO Z P.K
Roca (m)
) 3 S m E / P J K (
l a o o n i o m i t i x a s á R n e M T
) % ( D Q R
n ó i c o a g u s e l i a v R E
0+000 – 0+460
250
Brecha Farallones
202
0,09
60 - 90
No probable
0+460 – 1+826
400
Riolita Farallones
202
0,14
60 - 90
No probable
1+826 – 1+876
250
Falla
-
-
-
-
1+876 – 2+211
390
Riolita Farallones
202
0,14
60 - 90
No probable
2+211 – 2+291
430
Falla
-
-
-
-
2+291 – 3+242
595
Zona alteración hidrotermal
-
-
-
-
3+242 – 3+895
605
Doirita Sewell
218
0,18
20 - 80
No probable
3+895 – 4+514
625
Diorita Sewell con cuarzo
218
0,18
20 - 80
No probable
4+514 – 7+747
935
Diorita Sewell
218
0,27
20 - 80
Posible en alguna zona
7+747 – 8+506
1.080
CMET
120
0,38
20 - 80
Posible
8+506 – 8+883
1.100
Brecha Braden
162
0,48
>75
Muy Posible
Tabla 10: Tramificación del Riesgo de Strainbu rst
APLICACIÓN MINA EL TENIENTE (CHILE) RIESGO DE SQUEEZING Z P.K
Roca (m)
o k i r e e t o i r H C
o a i r l r e t i r a C B
n ó i c o a g u s e l i a v R E
0+000 – 0+460
250
Brecha Farallones
<1%
9,35
No Squeezing
0+460 – 1+826
400
Riolita Farallones
<1%
5,84
No Squeezing
1+826 – 1+876
250
Falla
-
-
-
1+876 – 2+211
390
Riolita Farallones
<1%
5,99
No Squeezing
2+211 – 2+291
430
Falla
-
-
-
2+291 – 3+242
595
Zona alteración hidrotermal
-
-
-
3+242 – 3+895
605
Doirita Sewell
<1%
2,59
No Squeezing
3+895 – 4+514
625
Diorita Sewell con cuarzo
<1%
2,51
No Squeezing
4+514 – 7+747
935
Diorita Sewell
<1%
1,68
No Squeezing
7+747 – 8+506
1.080
CMET
<1%
1,65
No Squeezing
8+506 – 8+883
1.100
Brecha Braden
<1%
1,78
No Squeezing
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