Ingeniería y Arquitectura Ingeniería de minas
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE TUNELES 1._ Aplicación de la clasificación geométrica 1._ Aplicación RMR (BIENIAWSKI) 2._heek – 2._heek – GSI GSI 3._Parámetro que utiliza BARTON
Ciclo: VI
Cajamarca 8 de octubre del 2013
Índice 1._ introducción………………………………………….…….…3 2._objetivos…………………………………………………..…...4 2._objetivos…………………………………………………..….. .4 3._Conceptos básicos………………………………...……….….4 5._ fundamento teórico………………………………………..….5 5.1_BIENIAWSKI……………………………………………......5 5.1_BIENIAWSKI……………………………………………..... .5 5.2_ resistencia de la roca…………………………….……......…5 roca…………………………….……......…5 5.3_ primer procedimiento………………………………….…....5 5.4_ segundo procedimiento………………………………....…...5 procedimiento………………………………....…...5 5.5_ tercer procedimiento……………………… procedimiento…………………………………...…... …………...…....5 .5 6._ RQD índice de calidad de de las rocas…………………..…… rocas…………………..……...6 ...6 7._ separación entre discontinuidades……………… discontinuidades………………………..…. ………..…..7 .7 8._estado de las discontinuidades………………………………. discontinuidades………………………………...8 ..8 8.1_ persistencia…………………………………………...….…..8 persistencia…………………………………………...….…..8 8.2_apertura…………………………………………………..…...8 8.2_apertura…………………………………………………..…. ..8 8.3_ rugosidad………………………………………………..…… rugosidad………………………………………………..……99 8.4_ relleno………………………………………………...….…...9 relleno………………………………………………...….…...9 9._presencia de agua………………………………………....……9 agua………………………………………....……9 10._ orientación de las discontinuidades…………… discontinuidades………………….….… …….….….11 .11 11._ Ebert Hoek (GSI)……………………………………....……11 (GSI)……………………………………....……11 12._ Índice de fuerza Geológica…………………………..….… Geológica…………………………..….…..12 ..12 13._ Estimación del factor de alteración del criterio de rotura de Hoek….......13 Hoek….......13 14._barton…………………………………………………..........14 14.1_parametros………………………………………………....14 14.2_(ÍNDICE DE CALIDAD DE LAS ROCAS)…………….. ROCAS)……………...14 .14 14.3_ NUMERO DE FAMILIAS DE JUNTAS………………..14 14.4_ rugosidad de juntas…………………….............. juntas……………………............................ ..............15 15 14.5_ meteorización de las juntas……………………..…….......16 juntas……………………..…….......16 14.6_agua en las juntas………………………………………......17 juntas………………………………………......17 14.7_ factor de reducción de esfuerzos……….…………….…...17 esfuerzos……….…………….…...17 15._ índice Q…………………………………………….…….... Q…………………………………………….…….....18 .18 15.1_ índice Qtbm……………………………………….……....18 Qtbm……………………………………….……....18 16._ velocidad de avance……………………………… avance……………………………….…..…...19 .…..…...19 17._recomendaciones…………………………………….….…..21 18._notas…………………………………………..……..….…..21
19._ bibliografía…………………………………….……...…....22
1. 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. 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 el 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, Las que podemos denominar clasificaciones modernas (Sistema RMR (Bieniawski) y Q (Barton)) intentan un mayor grado de objetividad. Se trata en los dos casos de combinar atributos del macizo rocoso (de tipo geológico, geométrico y tensional) en un número único relacionado con la calidad global de la roca. A su vez, este número permite, a través de la experiencia recogida en su utilización en casos reales, la definición de un sostenimiento del túnel y la estimación de otros parámetros o datos de interés (resistencia del macizo rocoso, tiempo de estabilidad de una excavación no sostenida, etc).
2. Objetivos
Estudio de la calidad del macizo rocoso y su resistencia. Señalar las necesidades de sostenimientos. Diagnosticar la estabilidad de las excavaciones. Ejecutar el diseño de estructuras en roca, proporcionando datos sin equivocaciones. Reconocer la competencia del macizo rocoso a partir de observaciones.
3. Conceptos básicos La implementación de un sistema de información geomecánica en las diferentes actividades mineras; para su aplicación en el diseño de labores mineras, comprenderá realizar los siguientes estudios:
Caracterización del macizo rocoso, a través de: Levantamiento litológico – estructural. Clasificación geomecánica del macizo rocoso. Zoneamiento de la masa rocosa. Caracterización del comportamiento mecánico de la masa rocosa y sus componentes; a través de:
1. Ensayos de laboratorio: Determinación de Propiedades Físicas y Propiedades Mecánicas de la roca y mineral. 2. Ensayos In-situ. Índice de la calidad de la roca: RQD.
4. Fundamento teórico A) (R.M.R) de Bieniawski: El sistema de clasificación de la masa rocosa o sistema RMR fue desarrollado por Z.T. Bieniawski durante los años 1972- 73, y ha sido modificado en 1976 y 1979, en base a más de 300 casos reales de túneles, cavernas, taludes y cimentaciones. Actualmente se usa la edición de 1989, que coincide sustancialmente la con de 1979. Para determinar el índice RMR de calidad de la roca se hace uso de los seis parámetros del terreno siguientes:
La resistencia a compresión simple del material. (roca intacta) El RQD (Rock Quality Designation) = (Denominación de Calidad de roca) El espaciamiento de las discontinuidades. La condición de las discontinuidades. La presencia hidrológica La orientación de las discontinuidades.
A.a). Resistencia de la roca. Si la roca intacta es dura o resistente y las discontinuidades tienen propiedades favorables, la masa rocosa será competente y presentara condiciones favorables cuando sea excavada. La resistencia compresiva “dc” de una roca se puede determinar por tres Procedimientos:
Primer Procedimiento
Estimación de la resistencia compresiva mediante el martillo Schmidt de dureza.
Segundo Procedimiento
Determinación de la resistencia compresiva mediante el ensayo de carga puntual
Tercer procedimiento
Determinación de la resistencia compresiva mediante el ensayo de compresión simple.
A.b) RQD.- (índice de calidad de las rocas)
Se basa en la recuperación modificada de un testigo (El porcentaje de la recuperación del testigo de un sondeo) Depende indirectamente del número de fracturas y del grado de la alteración del macizo rocoso.
Se cuenta solamente fragmentos iguales o superiores a 10 cm de longitud. El diámetro del testigo tiene que ser igual o superior a 57.4 mm y tiene que ser perforado con un doble tubo de extracción de testigo.
A.c) Separación entre discontinuidades.
El parámetro considerado es la separación en metros entre juntas de la familia principal de diaclasas la de roca.
Debemos tomar en campo la distancia entre las discontinuidades de la familia más representativa. Estas pueden presentarse en todo tipo de juntas (fallas), en planos de estratificación (diaclasas), zonas de contactos etc. Sus características dependiendo de la orientación y en número (cantidades) Distancias entre discontinuidades. Con un diagrama de estadístico señalando las frecuencias relativas de las discontinuidades se puede determinar estas discontinuidades. (diagrama de rosas (rosetas), o proyección estereográfica.
Separación entre discontinuidades
A.d) Estado de las discontinuidades.Es el parámetro que más influye, Pueden aplicarse los criterios generales, en la que el estado de las diaclasas se descompone en otros cinco parámetros: persistencia, apertura, rugosidad, relleno y alteración de la junta.
Persistencia
Es la extensión en área o tamaño de una discontinuidad. Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa será más estable y cuanto mayor sea ésta, será menos estable.
Persistencia
Apertura
Es la separación entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de abierto que ésta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa rocosa serán mejores y a mayor apertura, las condiciones serán más desfavorables.
Rugosidad
Grado de calidad de las superficies mecanizadas. La rugosidad superficial es el conjunto de irregularidades de la superficie real, definidas convencionalmente en una sección donde los errores de forma y las ondulaciones han sido eliminados.
Relleno
Son los materiales que se encuentran dentro de la discontinuidad. Cuando los materiales son suaves, la masa rocosa es menos competente y cuando éstos son más duros, ésta es más competente.
Presencia de agua.
Ofrece tres posibles criterios de valoración: estado general, caudal cada 10 metros de túnel, relación entre la presión del agua y la tensión principal mayor en la roca. Las filtraciones de agua a través de fisuras y grietas, junto con las oquedades, desconchones y las eflorescencias por degradación del hormigón, constituyen una de las patologías más frecuentes en túneles. Tanto en la etapa de construcción como en la de mantenimiento, durante su vida útil operativa, se realizan actuaciones y se toman medidas en zonas con abundante presencia de agua, mediante inyecciones de mortero, drenaje, obturación de vías de agua con morteros hidráulicos de fraguado instantáneo, inyecciones de resinas acuorreactivas, etc.
Orientación de las discontinuidades.
En función del buzamiento de la familia de diaclasas y de su rumbo, en relación con el eje del túnel (paralelo o perpendicular), se establece una clasificación de la discontinuidad en cinco tipos: desde muy favorable hasta muy desfavorable.
Rumbo
Buzamiento
Bieniawski a propuesto la siguiente clasificación:
B) Ebert Hoek (GSI) Ebert Hoek nació en Zimbabwe, se graduó en ingeniería mecánica de la Universidad de Ciudad del Cabo y se involucró en la joven ciencia de la mecánica de rocas en 1958, cuando comenzó a trabajar en la investigación sobre los problemas de rotura frágil asociadas a estallidos de rocas en minas muy profundas en el sur África.
B.a) Índice de fuerza Geológica (GSI) Del sistema, propuesto en 1995, es ahora ampliamente utilizado para la estimación de la resistencia del macizo rocoso y el macizo rocoso deformación de parámetros. El sistema GSI se concentra en la descripción de dos factores, estructura de la roca y las condiciones de la superficie del bloque. Las directrices dadas por el sistema de GSI son para la estimación de los parámetros de resistencia pico de masas de roca unidas. No existe una guía propuesta por el GSI, o por cualquier otro sistema, para la estimación de la fuerza residual de la masa rocosa "que los resultados consistentes de rendimiento. Donde GSI (Índice de fuerza Geológica) es una clasificación geomecánica es un factor que depende sobre todo del grado de alteración al que ha sido sometido el macizo rocoso por los efectos de las excavaciones (mecánicas o por voladuras) o por la relajación de esfuerzos.
D
El criterio de rotura de Hoek su versión original fue introducida en el 1980 desde entonces su uso se ha generalizado en el ámbito de la mecánica de rocas, traspasando los límites para los que fue propuesto (cálculo de la estabilidad en taludes y estados tensionales en el entorno de un túnel, para macizos rocosos duros). Debido a esto, y con el fin de mejorarlo, el criterio ha sufrido varias modificaciones así como la introducción de nuevos parámetros para definir el estado del material, y nuevas propuestas para obtener la caracterización del macizo, la última en 2002. Se trata de un criterio no lineal, puramente empírico, que permite valorar, de manera sencilla, la rotura de un medio rocoso mediante la introducción de las principales características geológicas y geotécnicas.
El criterio original, es un criterio empírico para el estudio de macizos rocosos duros. Su expresión es
Dónde: • ' 1 σ y 3 σ ' son las tensiones principales mayor y menor en el momento de rotura • Ci σ es la resistencia a compresión uniaxial del material intacto • m y s son constantes del material, que dependen de las propiedades de la roca y del grado de fracturación de la roca antes de someterla a las tensiones de rotura. El parámetro s es la medida de disminución de la resistencia a compresión simple de la roca debido a la fracturación. Por su parte, m influye en la resistencia al corte del material. Ambos parámetros se pueden obtener a partir de la clasificación geomecánica Rock Mas Rating (RMR), introducida por Bieniawski, 1976. El uso del criterio no solo en macizos rocosos duros, sino también en macizos de rocas débiles, ha supuesto una reformulación del criterio, así como la introducción de nuevos parámetros.
B.b) Estimación del factor de alteración del criterio de rotura de Hoek. Es un factor que depende principalmente del grado de alteración al que ha sido sometido el macizo. Alteraciones debidas a la relajación de esfuerzos, causados por excavaciones por voladura, mecánicas, o por otras causas. El factor fue introducido en la última versión del criterio de rotura de Hoek, porque se detectó que para el caso de macizos de rocas no alteradas ( D=0), el criterio daba parámetros resistentes demasiado optimistas. El factor adopta valores desde 0 para la roca no alterada en condiciones in situ, hasta el valor de 1 para la roca muy alterada.
C) Barton El Sistema-Q o Clasificación de Barton Fue desarrollado en Noruega en 1974 por Barton, Lien y Lunde, del Instituto Geotécnico Noruego '3'. Se basó su desarrollo en el análisis de cientos de casos de túneles construidos principalmente en Escandinavia. Actualmente se denomina Nuevo Método Noruego de túneles al diseño de las excavaciones basándose directamente en los trabajos de Barton. La Clasificación de Barton asigna a cada terreno un índice de calidad Q, tanto mayor cuanto mejor es la calidad de la roca. Su variación no es lineal como la del RMR, sino exponencial, y oscila entre Q=0.001 para terrenos muy malos y Q=1000 para terrenos muy buenos.
(Parámetros) Basado en los seis parámetros siguientes:
R.Q.D.
(ÍNDICE DE CALIDAD DE LAS ROCAS)
Jn: Número de familias de juntas
Índice de Calidad tunelera Se Utiliza el índice de calidad Q de Barton para estimar el sostenimiento de un túnel, hay que calcular el valor de la dimensión equivalente, que se define como el cociente entre el diámetro, anchura o altura del túnel y el parámetro ESR. Este parámetro figura en las tablas de la clasificación y depende de la naturaleza de la obra. Según los valores de Q y de la dimensión equivalente, se proponen 38 tipos distintos de sostenimiento.
Nueva versión del conocido índice Q para caracterizar los macizos rocosos cuando se trata de predecir la velocidad neta de avance de una máquina TBM, denominado QTBM expresado por:
Dónde:
RQD: primer parámetro del índice de Barton . (1974) pero medido en orientación paralela a la dirección del túnel Jn: segundo parámetro de la clasificación de Barton . (1974) que depende del número de familias de discontinuidades. Jr.: tercer parámetro de la clasificación de Barton . (1974) que depende de la rugosidad de las discontinuidades que más influyen en el arranque. Ja: cuarto parámetro de la clasificación de Barton . (1974) que depende del grado de alteración de las discontinuidades que más influyen en el arranque. Jw: quinto parámetro de la clasificación de Barton (1974) que depende de la presión y caudal de agua en el túnel. SRF: sexto parámetro relacionado con las tensiones que soporta el macizo rocoso y su resistencia, con el que se trata de tener en cuenta los casos de: fluencia, expansividad y estallidos de roca. Fn: fuerza media por cortador SIGMA: factor dependiente de la resistencia de la roca
Factor de corrección por abrasión Depende del CLI (índice de cortada de vida), que es función del SJ (perforabilidad) y del AVS (valor
de abrasión de acero).
Factor de corrección por contenido en cuarzo Depende del contenido en % de cuarzo
Factor de corrección por tensiones en el frente: Depende tensión biaxial en el frente
Definida por Barton mediante la expresión:
Dónde: PR (tasa de penetración): velocidad de penetración o avance expresado en m/h. Qtbm: índice para caracterizar el avance de las tuneladoras en roca.
LOS DIVERSOS MÉTODOS PARA VALORAR LOS MACIZOS ROCOSOS ESTÁN EN PROGRAMAS DE COMPUTADORA
*el sistema Q y el RMR Ambos incorporan parámetros geométricos, geológicos, y se obtiene un “VALOR” de la calidad del macizo rocoso. Se necesitaran testigos del macizo rocoso para aplicar los diferentes sistemas *De acuerdo al macizo rocoso se clasifica en: Roca buena por (RMR), Roca muy buena por (Q Barton), Bloques muy buenos por (GSI del terreno) El Sistema Q ayuda al sostenimiento en labores subterráneas y el RMR nos da un tiempo de auto sostenimiento exacto. La aplicación minera de los sistemas Q y RMR han propendido a simplificar los sistemas de clasificación solamente hacia aquellos factores que dependientes del macizo rocoso La clasificación del macizo rocoso es una de las únicas estrategias para estimar las propiedades de grandes macizos El gráfico Q para el sostenimiento, puede dar como resultado serios errores.
Para la obtención del índice debemos tomar las muestras en lo posible en toda nuestra área de trabajo
Debemos tener bien en claro la construcción que se va realizar ya que esto Varía mucho en nuestro RMR recogido, el sistema GSI y el índice de calidad tunelera
(1) Rc: Resistencia a compresión simple, Rt: Resistencia a tracción. (2) 03: Tensión principal mayor del macizo (de compresión). (3) Considerar SRF un 25-50% si las zonas débiles influyen, pero no intersectan la excavación. (4) Para campos tensionales anisótropos, reducir 0,8 Rc y 0,8 R t para 5 I (5) SRT=2.5-5 si la cobertera es menor que la anchura del túnel.
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Wikipedia
Encarta
Libro de mecánica de rocas tomo I
Bieniawski, ZT: "Ingeniería Clasificaciones Misa Rock", John Wiley & Sons, Inc., 1989.
N. Barton, Lien y Lunde R. J.: "Ingeniería de Clasificación de macizos rocosos para el Diseño de túnel de apoyo”. Mecánica de Rocas, Springer Verlag, vol. 6, 1974.
Hoek & Brown: "Underground excavaciones en roca", institución de Metalurgia, 1980.
Barton, N. et al: "Método de Noruega de la construcción de túneles". Mundial de Túneles
