Túneles profundos y el estallido de rocas_Ing. Wiston Lewis

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“Tuneles profundos y el Fenomeno de Estallido de Rocas”

Preparado por: Ing. Winston Lewis Diaz

Lima Abril 2013

Prep. Por: Ing. Winston Lewis Diaz

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WINSTON LEWIS DIAZ INGENIERO CIVIL ESPECIALISTA EN OBRAS SUBTERRANEAS

RESUMEN

Obras subterráneas poco profundas puede variar en túneles urbanos, y cavernas subterráneas muy profundas construidas en las montañas altas. Los problemas encontrados en y entre estos dos extremos son totalmente diferentes y requieren de enfoques apropiados para el lugar de investigación, diseño y construcción. El establecimiento de estimaciones fiables financieras, programas de construcción y propuestas de contratos sólo puede hacerse una vez al modelo geológico realista que haya sido preparado y una comprensión clara del comportamiento probable de la masa rocosa y las condiciones hidrogeológicas subterránea que se haya establecido. El objetivo del presente artículo es difundir las experiencias vividas así como los análisis e investigaciones en forma resumida, de esta forma proporcionar información que sirva a los interesados. 1.0 INTRODUCCION

Los túneles se han construido durante cientos de años como parte de la infraestructura necesaria para el desarrollo de las sociedades, Hasta mediados del siglo pasado, estos túneles eran generalmente de pequeño tamaño y los constructores buscaron la geología y la topografía más favorable en la cual desarrollar su construcción. Con el aumento de la densidad de población y el creciente comercio internacional fue la necesidad de construir túneles más largos y a mayor profundidad, atravesando estos condiciones geológicas más complejas. Además, el desarrollo de proyectos subterráneos para la producción de energía hidroeléctrica, gas, productos del petróleo, instalaciones de almacenamiento en seco, así como instalaciones de defensa, ha creado una demanda de grandes proyectos subterráneos como túneles y grandes cavernas subterráneas, en algunos casos a gran profundidad bajo la superficie.. La presencia de la Cordillera de los Andes que cruza longitudinalmente parte del territorio sudamericano nos propone un reto a la ingeniería subterránea en lo que se refiere a la construcción de túneles con altas coberturas(tuneles profundos) como el caso del Túnel Trasandino Olmos en Perú que tiene coberturas entre 1.3 hasta 2 Km. En el cual se ha tenido manifestaciones del fenómeno de Estallido de Rocas (rock bursting, spalling, popin rock etc.) en sus diferentes formas de manifestación asi como en la magnitud de sus intensidades. En el presente artículo p resentamos específicamente las experiencias, investigaciones, y estudios realizados durante la construcción del Túnel Trasandino de Olmos, donde uno de las mayores dificultades que se encontró fue enfrentar la presencia del fenómeno de estallido de rocas (Rock Bursting) en sus diferentes formas de manifestación. y lo que ha generado que este túnel sea considerado como una estructura especial dentro de la ingeniería subterránea mundial.

2.0 CONCEPTOS GENERALES Al iniciar un proyecto subterráneo surge la primera incógnita:

¿CUAL ES EL ESCENARIO EN EL QUE SE DESARROLLAN LOS PROYECTOS SUBTERRANEOS? Los proyectos subterráneos se desarrolla básicamente en zonas donde una alternativa de solución en superficie no es posible, esto sucede especialmente cuando la topografía de la zona en estudio es accidentada con afloramientos de la corteza terrestre que requieren de una solución subterránea,


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2.2 CORDILLERA DE LOS ANDES. FORMACION DE LA CORDILLERA DE LOS ANDES 













La Cordillera de los Andes es parte integral de la historia Sudamericana y la mas imponente Sudamérica. Tiene una longitud de 7,500 K. Tiene picos elevados con alturas que sobrepasan los 8,000 m.s.n.m Es un accidente morfológico de 60 millones de años La formación de la Cordillera de los Andes está íntimamente ligada a los movimientos tectónicos,(Tectónica de Placas) que son desplazamientos de fragmentos rígidos de litosfera de hasta 100 km. De espesor, sin presentar deformación interna este movimiento se realiza sobre la astenosfera de la tierra. En los bordes de las placas se concentra actividad sísmica , volcánica y tectónica. La cordillera de los Andes en toda su longitud se encuentra dentro del área de influencia de las ondas sísmicas. Se considera a la cordillera de los Andes como un inmenso almacén de energía.

de

1: Corteza continental. 2: Océano.3: Manto superior. 4: Corteza oceánica

AREA PROYECTO OLMOS

T E O R l N e d E S N D A

CHICLAYO

R S U e l d E S N D A

MAPA DE LAS PRINCIPALES PLACAS TECTONICAS EN EL GLOBO TERRAQUEO

2.3 TIPOS DE TUNELES CON RESPECTO AL EJE LONGITUDINAL Según nuestras apreciaciones consideramos tres tipos de túneles de acuerdo con su posición con respecto al eje longitudinal de la Cordillera de los Andes esta apreciación creemos es importante anotarla ya que un factor importante en la presencia o no del fenómeno de estallido de rocas (Rockbursting) en sus diferentes formas de manifestación es la altura de masa rocosa sobre el perfil de excavación del túnel. En el esquema siguiente se grafica los tres tipos de túneles que predomina su construcción en la Cordillera de los Andes. CORTE TRANSVERSAL DE LA CORDILLERA DE LOS ANDES

| |

Son Túnelescuyo eje es paralelo o semi paralelo al eje longitudinal de la Cordillera de los Andes

TUNELESCORTICALES –

TUNELES INTER-ANDINOS.- Son

Túneles cuyo eje es transversal o semi transversal al eje longitudinalde la Cordillera de los Andes. Son Túnelesque conectan los valles Inter Andinos TUNELES TRASANDINOS.-

Son Túneles cuyo eje es transversal o semi transversal al eje longitudinal de la Cordillera de los Andes. Son Túneles que conectan la CUENCA ORIENTAL con la CUENCA OCCIDENTAL


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3.0 TUNEL TRASANDINO OLMOS El túnel Trasandino Olmos parte importante del Proyecto y ruta critica para el programa de construcción del Proyecto Trasvase Olmos, este túnel es considerado como uno de los pocos túneles profundos en la cordillera de los Andes La excavación del túnel empezó en el año de 1970 (método D&B) pero los trabajos fueron d etenidos en 1980 debido a la falta de financiamiento. El Túnel Trasandino Olmos es parte del Proyecto hidro energético Olmos, ubicado en la Región de Lambayeque al Norte de Perú distante 1,100 Km. De la ciudad de Lima- Perú. El Túnel Trasandino se considera como la estructura principal del referido proyecto, mediante la cual se trasvasara las aguas del rio Huancabamba y embalsadas en la presa Limón este túnel tiene una longitud de 20.1 Km. y una sección de diámetro hidráulico mínimo de 4.80 m. el cual cruza la Cordillera de los Andes en forma transversal, desde la Cuenca Oriental a la cuenca Occidental a una cota entre 1100 a 1200 m.s.n.m.

TUNEL TRASANDINO OLMOS (Tunel HidraulicoLong. 20.1 Km.) CUENCA OCCIDENTAL

CUENCA ORIENTAL

ProyectoTrasvase Olmos Lambayeque – Peru

TUNEL TRASANDINO OLMO S (CONSTRUC CION MECANIZADA 13.9 Km.)

4.0.- GEOLOGIA DEL T UNEL TRASANDINO OLMOS Los estudios realizados por una misión Rusa durante el periodo entre 1970 – 1980 dieron como pronostico que esta geología estaba conformada de dos grandes grupos formaciones geológicas Rocas volcánicas lavas, tobas, brechas con tobas de composición dacitica, andesitica y dacita lipartica. Complejo intrusivo cretáceo terciario inferior pórfidos cuarzosas y pórfidos liparticos Estas rocas según los análisis de propiedades fiscas realizados en el año 2004 al 2006 nos dieron resultados que indicaban que se trataba de rocas de mediana a alta dureza con una resistencia que variaba entre los 140 MPa – 160 MPa. Esta información, fue proporcionada al constructor por el cliente y que se puede apreciar en forma resumida en el perfil geológico que se muestra a continuación  

TUNEL TRASANDINO OLMOS PERFIL BASICO DE


5

El seguimiento en la ejecución del túnel ha mostrado a todo lo largo la siguiente configuración : Las principales unidades geológicas incluyen metamorfosis de la s bases de la roca (esquistos) de la era Paleozoica, flujos de roca intrusiva incluyendo andesitas y dacitas del Jurasico, Terciario y edad de Paleoceno, y rocas intrusivas incluyendo granodiorita y rocas de flujo volcánicas (tufos) de los Cretáceos y edad de Paleoceno. 







La interpretación original de la geología específica del alineamiento del túnel se basó en trazar un mapa detallado de la topografía directamente encima del túnel y sobre dos perforaciones exploratorias. Esta interpretación, publicado en 1982, fue realizada por la misión Rusa que realizo los estudios originales. La geológica en sección transversal (cross-section) fue reinterpretada por la Concesionaria Trasvase Olmos que también construyo un as – built geológico del cross- section. Las unidades geológicas encontradas son aquellas que fueron predichas por los geólogos rusos aunque la actual distribución de las unidades de roca varía de aquellas predichas. Podemos afirmar luego de haber realizado un acompañamiento a todo l o largo del túnel en su proceso de construcción, que se trata de un macizo altamente competente, que no requeriría de soporte adicional para contra restar los esfuerzos normales de excavación del túnel.

4.0 PLANEAMIENTO PARA LA CONSTRUCCION DEL TUNEL TRASANDINO OLMOS. Dentro de la planificación para la construcción del túnel se tomo en consideración los siguientes puntos:  

Método de ejecución a ser adoptado Selección de equipo a ser utilizado en la construcción del túnel.



Sistema de transporte y equipo de acarreo a material excavado. Sistema de ventilación y enfriamiento.



Sistema de suministro y abastecimiento de agua industrial necesaria.



  

Sistema de suministro de energía eléctrica. Sistema de comunicación a ser empleado. Diseño y planificación de plataforma de maniobras.



Sistema de apoyo logístico. Sistema de Seguridad a ser adoptado.



Sistema de Sostenimiento Utilizado



Por tratarse de un túnel largo (13.9 Km.) para ser construido por un solo frente de ataque sin posibilidades de apertura de ventanas intermedias se determino la ejecución utilizando el método mecanizado TBM, para tal efecto el contratista eligió una solida y potente tuneladora (TBM) de frente abierto tipo hard rock, equipada con un escudo corto de 4 m. con el fin de minimizar el peligro de atrapamiento por los escombros en caso de caída de roca .

El sistema de sostenimiento y apoyo para el transito interno es el, que se ilustra en la Figura siguiente se compone de un hormigón prefabricado invertido, con un canal de drenaje y los rieles de ferrocarril el sistema de sostenimiento espaciado a 1.20 m entre los espacios del sistema de concreto.


DESCRIPTION

DIMENSIONS

Lenght

320m

Weight

1,100 Ton

Stroke CutterheadSp ead CutterheadPower

1.80 m. 0 a 10 rpm 2,205 kn.

Cutterhead Thrust

9,353 kn

C ut terh ea d To rq ue

1 ,9 44 ,0 00 N- m

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Las instalaciones exteriores donde se tomaron las previsiones de contar con todos los apoyos que la construcción del túnel requería como se muestra en la figura adjunta Se providencio instalaciones de apoyo como planta de tratamiento y reciclado de agua industrial, reservorio para abastecimiento de agua, subestación de energía eléctrica. Talleres de mantenimiento mecánico, eléctrico, reparación de discos de corte etc. Sistema de enfriamiento de aire. Patio de maniobras para redistribución de trenes. Sistema de volteo de vagones (Rota dum) Patio de prefabricado de segmentos de concreto tipo invert. Central para fabricación de concreto. Central maestranza fabricación de aros metálicos (cimbras, pernos de anclaje, rejillas etc. 



TALLERES DE

MANTENIMIENTO

SISTEMA

LOCOMOTORAS

 

DE ENFRIAMIENTO

SISTEMA

DE VENTILACION

 

POZA DECANDOR DE AGUA



LINEAS FERREAS



PARA MANIOBRA DE TRENES

4.1.- SISTEMA DE SOSTENIMIENTO UTILIZADO. Esquema de Funciones de elementos de sostenimiento (Kái ser 1996)

Reforzar.- Se emplearon elementos los siguientes elementos.



- Pernos de acero del tipo Rock Bolts L = 3.2 m. Diam 25 mm. con resina - Pernos del tipo Split Set de Longitud 1.80 m , 2.40 m. Diam 30 mm.


7



Soportar.- En este aspecto

se emplearon marcos de acero (cerchas) de perfiles: - Perfil H 4” x 4” de 32 Lbs./pie - Perfil U 6” de 10 Lbs./pie - Planchas tipo Bernold. - Malla de acero 3/8” esp. 0.20 x 0.20 m. Shotcrete (Concreto Lanzado) con/fibra de acero, sin/fibra de acero.

CONTENER

Mantener.- En este aspecto adapto a la



maquina los elementos necesarios para implementar el sistema de contención y/o retención de caída de rocas por efecto el estallido este sistema se denomina Mc. Nally, el cual cumplió su cometido con la presencia de spalling y popping mas con la presencia del rockbursting este sistema se convierte en una dificultad para el proceso de limpieza.



Control de probables Desprendimientos.-

En este sentido se em pleo el sistema de Spilling Bar y pernos

de anclaje colocados sistemáticamente.

Relleno del Macizo Rocoso.- Esta función ha sido realizada con el empleo de un proceso de inyección de



relleno y de consolidación, empleando presiones del orden de 2 a 4 bar.

5.0 FENOMENO DE ESTALLIDO DE ROCAS. El fenómeno de estallido de rocas – rockbursting es producto de liberación de energía hacia la cara libre de excavación, es un fenómeno impredecible, que genera muchas incógnitas de su comportamiento y difícilmente son predecibles eso nos provoca a hacernos la pregunta siguiente:

¿QUE EXISTE DELANTE DE LA CARA? El túnel trasandino Olmos ha sufrido en toda su longitud de excavación los efectos del fenómeno de estallido de rocas en sus diferentes manifestaciones, es importante diferenciar estas formas en las cuales se tiene un factor común que son producto de la liberación de energía contenida en el macizo rocoso, el seguimiento minucioso y las investigaciones realizadas a este efecto nos permite dar una definición de las diferentes formas de manifestación del fenómeno de estallido de rocas producido en el proceso de construcción del Tunel Trasandino Olmos que resumimos a continuación. - Spalling Astillado .- Es una ruptura local relativamente frágil de las fronteras de excavación en forma de escamas que a veces están acompañadas de sonidos ligeros y con una liberación de energía relativamente menor.

- Popping .- Se trata de la ruptura local también relativamente frágil con sonidos de pequeñas explosiones continuas y con una liberación de energía relativamente menor.

- Rockbursting Estallido de Rocas.- Es una ruptura repentina y violenta que causa daño en cualquier punto del perfil de una excavación específicamente en los puntos donde se generan esfuerzos a compresión mayores estos a la resistencia a la compresion del macizo y está íntimamente ligado con un “evento sísmico”. El fenómeno de “estallido de rocas” en sus diferentes manifestaciones en resumen tiene un factor común que son inducidos por los esfuerzos producidos por el stress in situ a que está sometido el macizo (concentración de Prep. Por: Ing. Winston Lewis Diaz

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energía cinética). Los estallidos que se producen en la bóveda y/o en el piso, indica que los esfuerzos (stress) horizontales son más altos que los esfuerzos verticales (stress), esta es una manifestación común en el Túnel Olmos la explosión en el frontón que ha sido uno de los tipos de estallido de mayor intensidad y de mayor impacto en la excavación de un túnel ocurren cuando el esfuerzo horizontal paralelo al eje del túnel es más alto que la tensión (stress) vertical, este tipo de manifestación se ha podido detectar en zonas por encima de los 700 a 800 m. de cobertura de masa rocosa sobre la bóveda del túnel. A partir de este dato es impredecible la magnitud del fenómeno, por lo tanto es difícil predecir el efecto y el daño que producirá. (Incertidumbre)

5.1.- DEFINICION CIENTIFICA DEL FENOMENO. 

El macizo rocoso concentra energía cinética producto de la formación geológica. Así como la energía remanente de los movimientos telúricos.

Macizo Rocoso

Esfuerzos Tangenciales σH

Deformación de Perfil de Excavación 





Los estallidos básicamente son producto de la distención de esfuerzos ( σ ) del macizo que en el proceso de excavación se manifiestan en liberación de energía a la cara libre que le ofrece la excavación.

Deformación de Perfil de Excavación

σH

Esfuerzos tangenciales que actúan sobre el perfil de la excavación ( σh ) El efecto inmediato es la deformación de la sección excavada ( σ v )

σHºº

5.2 DEFINICION PRÁCTICA DEL FENOMENO DE ESTALLIDO DE ROCAS

LO DESCONOCIDO NO ES POSIBLE SER MEDIDO La explosión de roca es la liberación de la energía acumulada en la periferia de la sección excavada. De acuerdo a la intensidad de la explosión se pueden producir daños, que en el presente caso corresponden con la rotura del macizo rocoso, el daño a la estructura de soporte colocado en la zona ya excavada generando la formación de cavidades cayendo los mismos a la parte excavada interrumpiendo el proceso de excavación. El factor común, sin embargo, es que todas las ocurrencias de estallidos de roca, involucran la expulsión violenta de la roca desde el frente de excavación y de las paredes del túnel ya excavado. Otro de los factores que es necesario tomar en cuento es la condición geomorfológica que para el caso del túnel Olmos surge como respuesta a la pregunta siguiente:

¿Por qué después de haber atravesado la zona de máxima cobertura donde se esperaba tener los mayores desafíos, donde tuvimos los mejores ratios de producción para luego de empezar a descender a coberturas sobre los 1,400 a 1300 m. aparecieron los estallidos de mayor intensidad?


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La respuesta que encontramos es que la anitropia (Geomorfología) de la zona estaba teniendo una fuerte influencia, a la presencia del fenómeno de estallidos, ya que entre las progresivas 7+750 a la progresiva 9+950 en superficie se verifico en esta zona la existencia de un desequilibrio de masas por influencia de la presencia del cerro Lutia en el flanco izquierdo con referencia al eje del túnel .

5.3 MANIFESTACIONES DE DAÑO PRODUCIDOS POR EL FE NOMENO DE ESTALLIDO DE ROCAS EN EL PROCESO DE COSTRUCCION DEL TUNEL OLMOS. El efecto que produce este fenómeno podemos presentarlos en las siguientes situaciones. 

 







Paralización del proceso de excavación provocando ratios muy bajos de avance de hasta el 20% de los ratios medios programados para la ejecución del túnel afectando significativamente el cronograma de la obra. Trabamientos de la cabeza de corte por efecto del exceso de material producto del estallido Generación de grandes cavernas especialmente en la bóveda del túnel consecuentemente el trabajo de recuperación del perfil de excavación. Daños al equipo (TBM) principalmente en lo referente a inutilización de cilindros hidráulicos afectando no solo al avance físico de la excavación sino incrementando el costo de mantenimiento en hasta 25%. Efecto psicológico en el personal de labor directa para lo cual se tuvo que implementar procedimientos de seguridad de no permanencia de personal en zonas de riesgo, lo que afectaba directamente al proceso continuo de excavación que es el factor más importante de una excavación subterránea. Todas estas situaciones en su conjunto impactan directamente en los costos de operación provocando sobre costos que en la etapa de planeamiento y presupuestos de oferta son muy difíciles de cuantificar.

En la secuencia fotográfica que se muestra a continuación mostraremos estos tipos de daño provocados al proceso de construcción del túnel trasandino Olmos.


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11

LO DESCONOCIDO NO ES POSIBLE SER MEDIDO 







Las tensiones producto de la liberación de energía cinética generan en el perfil de excavación zonas en compresión. Cuando estas tensiones superan la resistencia a la compresión del macizo rocoso provocan la deformación del perfil manifestado por la rotura violenta del mismo. De acuerdo con la intensidad de la explosión se producirá el daño que en el presente caso corresponde con la rotura del macizo rocoso y por consecuencia formación de cavidades cayendo este material a las zonas ya excavadas. Basando nuestros análisis en estas premisas y utilizando los criterios de varios estudiosos del tema especialmente el Dr. Evert Hoek podemos dar respuesta en forma aproximada de la magnitud de las tensiones que se producen después de sucedido el evento. Creemos que si profundizamos este análisis podríamos calificar los eventos para efectos contractuales y de esta forma evitar reclamos y controversias entre cliente y contratista.

Ejemplo: Para una relación d f /a de 0.64 se tiene una relación de σ max / σ c = 0.825 Considerando este método grafico adjuntamos algunos ejemplos donde se muestra las tensiones aproximadas que actuaron en las excavaciones del túnel Olmos

σ max =

140 a 160 MPa σ max =

110 a 120 MPa σ max =

Prep. Por : Ing. W.LewisD.


80 a 100 MPa

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CONTROL DE LA PRESENCIA DEL FENOMENO DE ESTALLIDO DE ROCAS EN EL PROCESO DE COSTRUCCION DEL TUNEL OLMOS. En el proceso de construcción del túnel Olmos se ha tenido aproximadamente 16,100 estallidos registrados en sus diferentes manifestaciones descritas líneas arriba del total de este fenómeno tenemos una distribución que mostramos en la figura adjunta, donde se muestra que la zona con mayor concentración de estallidos es la Zona I. MAPA DE DISTRIBUCION DE ESTALLIDOS REGISTRADOS EN EL PROCESO DE CONSTRUCCION DEL TUNEL OLMOS

75%

10%

7%

12,112

1,643

1,100

6%

2%

900

345

Prep‐ por Ing. W.LewisD

Así mismo podemos considerar desde el punto vista de seguridad para el personal que la Zona I es de alto riesgo frente a la presencia del fenómeno de estallido de rocas y a la vez se determino la siguiente distribución que se muestra en la tabla adjunta.

ZONA

DESCRIPCION

NIVEL DE RIESGO

ZONA I

DE 0 – 4 m. CABEZA DE CORTE ‐ ESCUDO

ALTO RIESGO

ZONA II

DE 4 ‐ 8 m FINAL ESCUDO – PERFORADORAS

RIESGO MODERADO

ZONA III

DE 8 – 14 m AREA DE PERFORADORAS ‐ GRIPPERS

RIESGO MODERADO

ZONAS Iva ‐IVb

DE 14 – 45 m DE GRIPPERS A INICIO DECK 1

BAJO RIESGO

Este control también nos permitió establecer que mayor cantidad de estallidos ( Rocbursting) se presentaron en la Zona I (75%) y que estos se manifestaron en el proceso de corte lo que indica que el mecanismo de falla fue“por aplastamiento de fronton” este tipo de falla tiene las siguientes características: 



Este tipo de mecánica de falla se produce generalmente en el proceso de corte de la TBM o en el proceso de perforación en el método de D&B Se produce como reacción a la presión aplicada por el proceso de corte (TBM) y/o perforación (D&B) provocando la liberación de energía del frontón hacia la zona libre ya excavada Creemos importante anotar la influencia que tuvo la presencia de este fenómeno en los ratios de avance de la construcción del túnel trasandino de Olmos así mismo por sus intensidades la distribución de los mismos de acuerdo con el daño causado al proceso de construcción.


MECANISMO DE APLASTAMIENTO ‐ FRONTON

A

.

Prep.por: Ing. W.Lewis D

SECCION – A ‐ A

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5.5 CONTROL ESTADISTICO DE LA PRESENCIA DEL FENOMENO DE ESTALLIDO DE ROCAS EN EL PROCESO DE COSTRUCCION DEL TUNEL OLMOS. Numero de Estallidos Vs. Avance m/año 6000

Dencidad 0.06Est./m

Dencidad 0.96 Est./m

Dencidad 3.42Est./m

Dencidad 4.80Est./m

Dencidad 1.70 Est./m

DistribucionPorcentual de Cantidad deEstallidos por Intensidades

5000

16.66%

0.36%

4000

49.09% 3000

2000

4 9 4 3

6 2 7 4

9 3 9 4

0 4 9 4

1000

5 4 4 1

0 1 2

4 8 3 3

0 4 8 2 1 9 5

9 9 9 1

34.25%

0

2007

2008

2009

No. Estallidos ( Un d/ Añ o

TOTAL ESTALLIDOS 16 ,100

2010

2011

A va nc eAño (m/año)

EXCAVACION TOTAL CON TBM 12,4 80 m.

CUADRO DE INTENCIDADES

Baja

Media

Alta

Muy Alta

6.0 IMPACTOS DEL FENOMENO DE ESTALLIDO DE ROCAS EN LA CONSTRUCCION DEL TUNEL TRASANDINO OLMOS. 6.1 ESQUEMA RESUMEN.- En el siguiente cuadro mostramos una secuencia del desarrollo de la construcción del túnel trasandino Olmos en lo que se refiere a excavación mecanizada TBM, el cual se inicio en la Prog. 17+792 en el año 2007 y concluye en la progresiva 5+382 en el año 2011 lo que indica que fueron 12.41 Km. Excavados del túnel trasvase Olmos por el método mecanizado TBM.


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6.2 RATIOS DE AVANCE MENSUAL Vs. PRESENCIA FENOMENO DE ESTALLIDO DE ROCAS Ratio Avances (m/mes) 800

ZONA TBM Z ‐ 1 700

0 2 6 600

1 3 5 500

9 1 4 400

3 0 3

300

9 2 3

0 2 3

200

ZONA TBM Z ‐ 2

ZONA TBM Z ‐ 3

) 8 0 0 2 S A I V U 5 L 0 L 5 ( S E L A R U T A 8 N 2 6 4 S 3 1 1 3 3 O T C 8 E 8 4 F 3 2 E 2 1 0 2

3 4 1

) 9 0 0 2 6 S 6 5 A I V 0 U 0 L 5 L ( S E L 6 A 0 4 R U T 8 A 4 N 3 S 4 O 7 T 2 C E F E

2 1 1

ZONA TBM Z ‐ 5

9 3 4 2

6 2

5 1

0 2 1 2 9 8 6 9 8 2 3

5 9 4 1 2 5 5 5 5 3

8 8 2

2 7 2

9 2 2

4 4 9 9 1 1

1 8 8 5 5 5 1 3 4 3

100

0

ZONA TBM Z ‐ 4

5 7 1 6 5 8 6 2 6

3 0 2 1 5 1 1 1 1 6 6 7 6

1 2 1

4 1 2 9 5 1

8

0 0 0

7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 1 . 1 . 1 . 1 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 1 . 1 . 1 . 1 . 1 . 1 . 1 . 1 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 1 . 1 . 1 . 1 . 1 . 1 . 1 . 1 . 0 . 0 . 0 . 1 . 1 . 0 . 0 . 1 . 1 . L O T T L O T T E B R R Y N L O T T V C E B R R Y B R R Y N L O T T V C E B R R Y B R R Y N L O T T V C V C V C I E I E E C O I N E A B A N E C O I N E A B A N E C O I U U G E C O D U U G E C O D U N E A B A N E A B A N E A B A U J U J D E F D E F D S O S O S O S O S O J J G J J G J J G E F M A M U E F M A M U E F M A M U A N A N A N A N A N M A M J M A M J

PROMEDIO= 12.03 m/dia

Avances (m/mes) PROMEDIO = 4.07m/dia



PROMEDIO 7.00 m/dia

PROMEDIO GENERAL RATIO AVANCE DIARIO = 8.32 m/dia PROMEDIO= 314 m/mes

PROMEDIO= 411m/mes

PROMEDIO= 113m/mes

PROMEDIO= 49 m/mes

PROMEDIO= 158 m/mes

TUNEL TRASANDINO OLMOS - ZONAS DE ALTA CONCENTRACION DE ENERGIA

2 9 7 + 7 1

3 9 2 + 9 1

3 1 9 + 9

3 6 6 + 4 1

4 2 7 + 9

Zona E T N E D I C C O E T N E R F

Zona TBM Z

‐ 1

D&B

Zona TBM

Z

‐ 2

9 7 2 + 8

8 8 6 + 7

2 9 9 + 4

2 8 3 + 6

1 6 9 + 2

0 0 0 + 0

Zona

Zona

Zona

Zona

Zona

Zona

TBM

TBM

TBM

D&B

D&B

D&B

Z 3

Z 4

Z 5

3E

2E

1E

‐

1W

3250

9 5 6 + 7

‐

‐

3250 3000

3000 2750

2750

2500

Zona

2500

2250

TBM

2250

2000

2000

Z

‐ 4

1750

1750

1500 1250

1500 1250

1000

1000

F R E N T E O R I E N T E

750

750

0 2 . m K

9 1 . m K

8 1 . m K

7 1 . m K

6 1 . m K

5 1 . m K

4 1 . m K

3 1 . m K

2 1 . m K

1 1 . m K

0 1 . m K

9 . m K

8 . m K

7 . m K

6 . m K

5 . m K

4 . m K

3 . m K

2 . m K

1 . m K

0 . m K

ZONA DE INFLUENCIA CERRO “LUTIA”

6.4 CARACTERISTICAS LITOLOGICAS DEL MACIZO ROCOSO ATRAVESADO POR LA EXCAVACION TBM

DESCRIPCION

Und

RESISTENCIA A LA COMPRESION UCS

Mpa

DENSIDAD DE LA ROCA

Ton/m

LITOLOGIA

3

Zona D&B 1W

Zona TBM Z - 1

Zona TBM Z - 2

Zona TBM Z - 3

Zona TBM Z - 4

50 - 70

80 - 90

100 - 130

120 - 130

100 - 130

100 - 130

100 - 130

100 - 130

1.80 - 1.90

2.00 - 2.20

2.40 - 2.60

2.60 - 2.80

2.80 - 3.00

2.40 - 2.60

2.40 - 2.60

2.40 - 2.60

Andesita Brechosa, riolitas, dacitas Porfidos



Dacitas afanitica silificada porfidos graniticos

Dacita afanitica Dacita silificada afanitica cristalizada, silificada porfidos graniticos

Dacitas afanitica silificada

Dacitas afanitica silificada


Zona TBM Zona D&B Z - 5

2E

Zona D&B 1E

15

6.5 ESTADISTICA DE CONSUMO DE MATERIALES PARA SOSTENIMIENTO POR EFETO DEL FENOMENO DE ESTALLIDO DE ROCAS. En lo que se refiere a consumo de materiales tenemos que el túnel trasandino Olmos por efecto de la presencia del fenómeno de estallido de rocas en sus diferentes formas de manifestación ha reportado a su conclusión índices de consumo de materiales de sostenimiento y revestimiento por metro lineal de túnel excavado entre 30% a 35% más altos que en túneles sin la presencia de este fenómeno. Indice - Materiales - Sostenimiento

ZONA TBM

ZONA TBM

ZONA TBM

ZONA TBM

ZONA TBM

Z -1

Z -2

Z -3

Z -4

Z -5

7.06 Und/m

6.40 Und/m

8.67 Und/m

10.08 Und/m

7.05 Und/m

7.85 Und/m

7.82 m2/m

5.88 m2/m

9.10 m2/m

12.30 m2/m

8.13 m2/m

8.65 m2/m

0.45 Ton/m

0.65 Ton/m

1.04 Ton/m

1.23 Ton/m

0.93 Ton/m

0.86 Ton/m

2.01 m3/m

2.22 m3/m

5.38 m3/m

6.49 m3/m

3.39 m3/m

3.90 m3/m

0.40 Ton/m

0.35 Ton/m

1.25 Ton/m

2.25 Ton/m

0.60 Ton/m

0.97 Ton/m

Perno de Ro ca 2.4 0 mts Perno de Ro ca 3.0 0 mts Split Set 1.50 mts Split Set 1.80 mts Split Set 2.20 mts Mal la 3 x3 6m m DE 1 .37 X 2.4 2 (22 Kg) Mal las 4" X 4" 4 mm de 1 .37x2 .42 (19 Kg ) Rejilla Mcn ally Cimbra H 4" x 13.50 lbs Cimbra U 6" x 10.50 lbs Cimbras Segments U 6"x8.2 lbs Shotcrete S/F Shotcrete C/F Cemento para Inyecciones

PROMEDIO

6.6 IMPACTO ECONOMICO EN LOS COSTOS DE OPERACION. La presencia del fenómeno de estallido de rocas afecto los costos directos de operación por metro de túnel excavado especialmente en las zonas Z – 3 y Z – 4 donde las incidencias de este fenómeno fueron mayores de una manera significativa como se muestra en el cuadro que a continuación mostramos En la zona Z-I la relación que muestra es de 1.03



11.00 10.00 2 7 . 0 1

9.00

En la zona Z -2 la relación obtenida es de 0.69



8.00 7.00 6.00

En la zona Z -3 se obtuvo una relación en los costos directos de operación de 4.60.



5.00 4.00 3.00 2.00

En la zona Z – 4 siendo la más crítica frente al impacto económico de la presencia de los estallidos se tiene una relación de 17.87.



La zona Z – 5 se obtuvo una relación de 3.25



5 4 . 6

9 . 4 5 0 . 6 3 . 3

1.00

0 5 . 6

7 3 . 3 4 . 1

0.00

ZONATBM1

ZONA TBM2

ZONA TBM3

COSTO OPERACION

6 . 0

ZONATBM4

0 . 2

ZONA TBM5

AVANCE

7.0 LECCIONES APRENDIDAS Antes de iniciar nuestros comentarios queremos anotar la siguiente reflexión: “El daño que produce el fenómeno de estallido de rocas (rockbursting) a una excavación subterránea que ocurre de una manera repentina y/o violenta es asociada con un acontecimiento sísmico por lo tanto debe ser tratada como tal” Así mismo podemos sostener que la “Cordillera de los Andes es: “Un gran almacén de energía cinética

concentrada Producto del os movimientos tectónicos a que esta sometida la corteza terrestre y estas se acumulan probablemente a profundidades mayores de 500 m.”


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7.1.- La ingeniería subterránea tiene grandes retos en la detección de las zonas donde está concentrada esta energía, asi mismo el poder encontrar la forma de medir y cuantificar las tensiones que se producen por efecto de la liberación de esta energía en el proceso de excavación. - Una referencia que se tiene es el mapa mundial de stress (Heidbach, 2008) que muestra que las tensiones horizontales son aproximadamente paralelas al eje longitudinal del túnel Olmos en su trazo original , lo que confirma que la mayor cantidad de estallidos se hayan producido delante del frontón de excavación, sin embargo este mapa solo nos da direcciones de los esfuerzos mas no nos proporciona magnitudes las cuales son muy difíciles de establecer a estas profundidades. - En consecuencia, en este momento medir in situ los esfuerzos que se producen en el macizo rocoso circundante a la superficie de excavación en úneles profundos no es posible directamente, y esto hace muy difícil predecir con exactitud la presencia de spallin, squissing, popping, rockburst (Estallido de rocas) lo que imposibilita generar planes para lidiar con estos problemas cuando se presentan 7.2.- De acuerdo con la clasificación de túneles por su ubicación con respectoal eje longitudinal de la cordillera de los Andes podemos considerar lo siguiente: TIPOS DE TUNELES POR SU UBICACIÓN EN LA CORDILLERA DE LOS ANDES TUNELES CORTICALES TUNELES INTERANDINOS

PROBABILIDAD DE PRESENCIA DEL FENOMENO DE ESTALLIDO DE ROCAS NINGUNA PROBABILIDAD

TUNELES TRASSANDINOS

PROBABILIDADA MEDIANA a BAJA ALTA PROBABILIDAD

Prep Por: Ing. W.Lewis D

7.3.- Es más probable la presencia del fenómeno de estallidos, en macizos que tienen las condiciones relacionadas a continuación. Altas coberturas: Por encima de los 500 m.  

Litología del Macizo rocoso: Referido a rocas , rígidas,

muy duras, de configuración molecular afanitica, densidades altas, alto grado de mineralización y cristalización 

Formación geológica: Rocas volcánicas y/o intrusivas, arquitectura geológica con juntas muy cerradas, poco

vacio molecular, sin fracturas, no existencia de agua subterránea 

Geomorfología: Un relieve transversal al eje del túnel

muy irregular con depresiones, y elevaciones que producen desequilibrio de masas sobre el eje del túnel. 7.4.- En la planificación de la excavación del túnel Olmos y la elección de la máquina ( TBM) que se determino fue acertado ya que eligió una sólida y potente tuneladora de frente abierto del tipo hard rock, equipada con un escudo corto(4 m.) con el fin de minimizar el peligro de quedar atrapada por los escombros producidos al momento de producirse el estallido (rockburst). El sistema de apoyo, de tipo invert con canaleta de drenaje incorporada, utilizado como base para línea férrea fue diseñada para cumplir con la función de evacuar por gravedad el agua utilizada y/o encontrada en el proceso de excavación, a su vez permitió tener una línea férrea en forma paralela, alineada y nivelada, por la cual no se tuvo inconvenientes para el suministro de materiales y el transporte del personal al frente de trabajo necesarios. Prep. Por: Ing. Winston Lewis Diaz

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7.5.- En el caso del proyecto Olmos y similares túneles profundos, el problema de determinar los esfuerzos en el terreno es difícil de resolver. Existen algunos ejemplos de túneles donde los esfuerzos y tensiones in situ han causado problemas importantes para la construcción de los mismos, donde en la mayoría de los casos, el estrés en el terreno no había sido predicho con exactitud ni el peligro de desprendimientos producto de la presencia del fenómeno de estallido de rocas, (fenómeno no muy conocido en el mundo) antes del inicio de la construcción ya que este fenómeno es un problema complejo y de esta forma se ha convertido en uno de los retos mas difíciles a resolver por la ingeniería subterránea en los próximos años y solo podrá tener una solución en cuanto se tenga datos y resúmenes de obras similares que permitan dar coberturas en los contratos y lineamientos de base confiables tanto para el cliente como el contratista y esto solo será posible con proyectos y diseños que traten de dar los datos más reales posibles a este tipo de obras. Se espera que la presentación de casos como el del túnel Olmos- Perú sirvan como una alerta a propietarios, administradores de contratos y las compañías de seguros y de la misma forma demostrar que puede ser superado por lógica los procedimientos contractuales. 7.6.- Los costos directos de operación son impactados por la presencia del fenómeno de Estallido de rocas, mayormente a los siguientes Items. Reducción drástica de los ratios de avance debido a la implementación de procedimientos de seguridad de esta forma dar a los trabajadores confianza para desarrollar sus trabajos. Colocación de mayor cantidad de refuerzo para sostenimiento. Recuperación del perfil de excavación dañado por la acción de la explosión de rocas, (Reconstrucción del túnel en sus tramos dañados por este evento sísmico) Mayor consumo de cemento para inyecciones utilizado en la consolidación del material suelto acumulado sobre la estructura de sostenimiento. Reconstrucción de la estructura de sostenimiento dañada por efecto del rockburst (re- trabajo) Reparación del equipo dañado debido a la acción de los grandes esfuerzos a que fue sometido. Excesivos tiempos de paralización del proceso de construcción para realizar limpieza y liberación de la cabeza de corte atrapada por los escombros producto del estallido de rocas. Aplicación de programas psicológicos a los trabajadores con el fin de mitigar los temores propios de la continuidad de la presencia del fenómeno de estallidos. 7.7.- Una de los aspectos más importantes que se tiene que rescatar del método mecanizado empleado en la construcción del túnel Trasandino Olmos es en el aspecto de seguridad para el personal de trabajo directo, ya que la maquina tuneladora se ha comportado como un escudo de protección frente a la presencia del fenómeno de estallidos, ahora podemos afirmar que de haber enfrentado la excavación de este túnel con el método convencional (D&B) la exposición del personal hubiese sido mucho mayor y las consecuencias serian mayores que las experimentadas. 7.8.- Consideramos que el Túnel Trasandino Olmos debe ser considerado como un túnel atípico en relación a todos los túneles construidos en la cordillera de los Andes y en los futuros proyectos creemos importante anotar que estos deberán dentro de los estudios básicos descartar la posibilidad de la presencia del fenómeno de estallido de rocas como una parte fundamental de los estudios básicos para de esta forma surjan estudios mas acordes con la realidad, y su conclusión sea satisfactoria para todas las partes que intervienen en el proceso, o sea Cliente, Proyectista, Supervisor, Constructor y sociedad beneficiaria. 7.9.- En este tipo de proyectos es indispensable que exista una interrelación entre los actores directos del proyecto marcada por el compromiso entre estos. Tratamos de mostrar en el grafico que una de las formas ideales de cómo debería ser la actuación de cada uno de los actores de un proyecto subterráneo especialmente aquellos que están expuestos a tener en el proceso de construcción la presencia del fenómeno de estallido de rocas, como en el caso del túnel Trasandino Olmos. 

 



  




18

AGRADECIMIENTO El reconocimiento a todo el personal obreros, técnicos ingenieros nacionales y extranjeros de Odebrecht Peru Ingeniería y Construcción, que participaron en la construcción del túnel trasandino de Olmos en Perú, que sin su participación no hubiese sido posible obtener esta valiosa experiencia e información muy útil para futuros proyectos similares. Al Dr. Evert Hoek por su valiosa información, asesoramiento, enseñanzas, que nos presto en todo momento. A todos los que de una u otra forma han aportado y alentado la preparación de esta información.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 

A.Z. Toper & R.D. Stewart: develop and implement preconditioning techniques to face ejection rockbursting



Dr. Evert Hoeek: Notes on visit to Olmos tunnel, Perú Nov. 2009



Kaizer, Diedericchs: underground works in hard rock tunnelling and mining. 2000 – Australia

 







Kaizer : Rock mechanics considerations for construction of deep tunnels in britle rock. Nov. 2006 W. Lewis D: Construcccion de Tuneles Trasandinos en la Cordillera de Los Andes Articulo Tecnico Taller Internacional de Tuneles y Obras Subterraneas CAF Bogota. Colombia Setiembre 2009 Sostenimiento de Excavaciones Subterráneas en Roca Dura E. Hoek Vancouver B.C. Canada, P.K. Kaiser Geomechanics Research center, Laurentian Universty, Sudbury, Ontario; Canada, W.F.Bawden Departament of mining engineering, Queen´s University, Kingston, Ontario , Canada. Alternative ground control strategies in underground construction (Keynote address to be presented by Evert Hoek at an International Symposium on at "PRACTICES AND TRENDS FOR FINANCING AND CONTRACTING TUNNELS AND UNDERGROUND WORKS" to be held in Athens, Greece, on 22-23 March 2012 Excavations in overstressed rock Dr. Evert Hoek Keynote address, 7 th South American Conference On Rock Mechanics, Lima, Peru. December 2010

Ing. Winston Lewis Diaz Ingeniero Civil CIP. 17474


Túneles profundos y el estallido de rocas_Ing. Wiston Lewis

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