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SOSTENIMIENTO DE MINAS CUESTIONARIO
JUAN CAMILO TARAZONA CHINCHILLA 1180699
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA DE MINAS CUCUTA, 2016
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SOSTENIMIENTO DE MINAS CUESTIONARIO
Trabajo presentado por:
JUAN CAMILO TARAZONA CHINCHILLA 1180699
Trabajo presentado a:
INGENIERO JOHANNS RICARDO VALDES EUSE
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA DE MINAS CUCUTA, 2016
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CUESTIONARIO
1. HAGA UN ANALISIS DE LA CURVA DE ESFUERZO Vs DEFORMACION, ANALIZANDO LA CURVA CARACTERISTICA DEL TERRENO Y LA CURVA CARACTERISTICA DEL SOSTENIMIENTO, ANALICE LA TEORIA DE LAS CURVAS CARACTERISTICAS. Siempre que se pretenda realizar una excavación subterránea, tanto minera como civil, se debe tratar de diseñar y así efectuar un análisis simplificado de la interacción terreno-sostenimiento que permita determinar el mejor sistema de sostenimiento. Aunque el estudio es comparativamente fácil de realizar, se tienen en cuenta parámetros fundamentales del terreno (módulos elásticos, criterios de rotura, deformabilidad post-rotura) y del sostenimiento (rigidez y su última carga). Realizar este análisis, puede ser determinante en la elección del mejor método de mantener el espacio vacío bajo tierra y hacerlo de una forma económica y segura.
CURVA CARACTERISTICA DEL TERRENO: es un análisis que se realiza al terreno, para conocer cómo se va a comportar a través del tiempo conociendo sus características. La curva característica del terreno también conocida curva de convergencia es la relaciona entre la presión interna del terreno y la deformación en un túnel y solo depende de las propiedades del terreno en la que no se ha instalado sostenimiento.
IMAGEN 1. CURVA CARACTERÍSTICA DEL TERENO
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Su curvatura dependerá del comportamiento elástico-plástico del macizo rocoso, y así saber que sostenimiento instalar y el tiempo que será útil. Además teniendo en cuenta la gráfica se pueden concluir:
El progresivo alejamiento del frente supone la disminución virtual de la carga pi y por tanto un incremento de deformación radial. Se puede deducir que la presión interna aparente del terreno disminuye a medida que pasa el tiempo.
IMAGEN 2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL CÁLCULO DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DEL TÚNEL
CURVA CARACTERISTICA DEL SOSTENIMIENTO: Es también llamada curva característica de confinamiento, ya que el sostenimiento busca confinar el macizo para contrarrestar su deformación. La deformación del terreno es imposible evitarla, por tanto solo podemos controlarla instalando sostenimiento después de la zona elástica donde el terreno se ha relajado el punto de equilibrio esta dado cuando la curva de sostenimiento corta la curva del terreno este punto de equilibrio tiene ser menor que la capacidad máxima del terreno. Esta curva se realiza conociendo las características propias del sostenimiento a instalar como lo es su rigidez y su carga máxima de soporte.
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IMAGEN 3. CURVA CARACTERÍSTICA DEL TERENO Y DEL SOSTENIMINETO
Cuando se une la curva característica del terreno y la de confinamiento, encontramos un punto de equilibrio, la cual ayudara a calcular el factor de seguridad.
CURVA DEL PERFIL DE DESPLAZAMIENTO LONGITUDINAL: Es la representación tridimensional de la deformación del terreno, ayuda a determinar la distancia desde el frente instalar el sostenimiento y señala donde se presentaran la mayor convergencia.
IMAGEN 4. CURVA CARACTERÍSTICA LONGITUDINAL DEL TERRENO
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2. EXPLIQUE LA TEORIA DEL SILO SEGÚN TERZAGHI, Y COMO DESARROLLO ESTA TEORIA. La teoría del silo fue estudiada de diferentes puntos de vista, como por ejemplo Janssen analiza que el material sobre el núcleo de avance se comporta como un silo que contiene material granular, al avanzar en el frente se crea un tipo de placa que se ubica en la ranura del silo de manera que la tensión aumenta a medida que se realiza dicho avance en el túnel, es decir, el material que se encuentra en el silo tratara de ocupar el espacio que se encuentra vacío. Terzaghi, considera que la altura del material que está presionando tiende a bajar a medida que avanza en el túnel, y tiene relación directa con el ancho del silo, es decir, no va hasta superficie. Además, analiza en su teoría, que la cohesión del material influye sobre la altura del material que se descarga. Desarrollada, evidentemente, a partir de experiencias en túneles de ferrocarril con cerchas de acero, y basada únicamente en el tipo de terreno, a partir de la anchura y la altura del túnel, proporciona la carga sobre las cerchas metálicas, permitiendo así un rápido dimensionamiento.
IMAGEN 5. TEORIA DEL SILO SEGÚN TERZAGHI
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3. ANALICE LAS TEORIAS CLASICAS PARA EL CALCULO DE PRESIONES EN UNA LABOR SUBTERRANEA, Y, CONCLUYA CUAL DE TODAS DEBERIA SER MAS CONFIABLE PARA DICHO CALCULO, POR QUE? TEORIA DE TERZAGHI: Contempla que al avanzar en un túnel crea bóveda donde la altura máxima de carga depende del ancho del túnel y de la cohesión del material contenido en la bóveda. El peso del material contenido en la bóveda (W1) ejerce presión contra el techo del túnel y las paredes. TEORIA EVERLING: Considera la carga como una función del ancho del túnel uniformemente distribuido de forma rectangular sobre el techo del túnel, y las caras de las paredes se calcula teniendo en cuenta la cara vertical o la del techo por un coeficiente que depende de la calidad de los respaldos. TEORIA DE PROTODYAKONOV: Mediante esta clasificación geomecánica se define la calidad del macizo rocoso, por medio de un parámetro “f”, que es el coeficiente de resistencia. Protodyakonov afirma en su teoría que la carga actúa en el techo de forma abovedada parabólica considerando variable como el ancho de la vía, dureza del material, pendiente de la resistencia a la compresión simple, distancia entre puertas y la densidad del terreno. Existen muchas más maneras de determinar la carga que recaerá sobre el techo y paredes de la excavación subterránea, entre todas a motivo personal la más fácil de utilizar sería la de Terzaghi, ya que solo necesita parámetros como RQD y ancho y alto de la excavación, aunque la más confiable debería ser la de Protodyakonov ya que para determinarla necesita más parámetros. 4. POR QUE LA LITERATURA, AFIRMA QUE LA METODOLOGIA PARA EL CALCULO DE PRESIONES EN UN TAJO SEGÚN SISKA, TIENE SU CAMPO DE APLICACIÓN MAS IDONEO EN TAJOS DE CAPAS CON POTENCIA MENOR A 2m. La mayoría de las teorías se desarrollaron en una base empírica, fueron deducidas prueba y error zonas con características determinadas, por tanto las formulas resultantes tienen su base en condiciones geológicas especificas teniendo en cuenta que llevan incluidos un factor de seguridad, que permiten ampliar el rango de aplicación. Las variables como el hundimiento, relleno, se hacen más fáciles de llevar a cabo en mantos no tan potentes. Se debe aclarar también que la mecánica de rocas es una ciencia relativamente nueva y aún incierta, además de que la teoría que se aplica en algunas partes del mundo no son aplicables a toda, por ende afirmar que la teoría de siska no es aplicable a mantos con grandes potencias, no
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es cien por ciento verdad. Solo que los estudios realizados por Siska fueron realizados en mantos con potencias inferiores a 2 metros. 5. DESDE EL PUNTO DE VISTA DE UN INGENIERO DE MINAS, ARGUMENTE EL POR QUE NO UTLIZARIA MADERA COMO ELEMENTO DE SOSTENIMIENTO Y FORMULE UNA SOLUCION DISTINTA, VIABLE, TECNICA Y SEGURA. Como Ingeniero de minas no utilizaría madera para sostenimiento, ya que no es un material al que se le conoce todo sus comportamientos, además con el simple hecho de que su resistencia depende de la forma de sus fibras, además que es un gran daño para el ambiente. No se conocen formulas exactas que me permitan determinar el diámetro más idóneo de la madera, la distancia entre puertas, la cantidad de humedad más óptima, con el simple hecho que su efectividad puede variar con la destreza de la persona que la instale, y de la forma en como la instale, lo que me lleva a decir que no es una ciencia exacta aun, y le falta mucha investigación para determinar dichos parámetros. Teniendo en cuenta que la madera es:
Es un material anisótropo Con defectos de deformación naturales Baja resistencia Poca duración Altamente combustible La resistencia depende de la estructura fibrosa. Higroscópico.
Antes de terminar una solución distinta debemos entender que no todos los macizos son iguales, por lo tanto lo primero a realizar sería una caracterización Geomecanica del mismo, así poder determinar parámetros importantes. Uno de los métodos que recomendaría para elegir sería el de arcos de acero, pues considero que el acero es un material, con muy buenas características, además de que es técnico y presenta unos factores de seguridad altos, aunque lamentablemente no son muy económicos, pero es un sistema de sostenimiento que ya está siendo implementado en la región. Otro método será el de pernos, aunque a este aún le falta un poco más de estudio para determinar la distancia y longitud de los mismo.
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6. EN EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE SOSTENIMIENTO MEDIANTE EL EMPLEO DE PERNOS DE ANCLAJE, QUE VARIABLES DEBEN TENERSE EN CUENTA? Principios de diseño:
Efecto cuña: control y estabilidad de cuñas potencialmente inestables. Efecto viga: Para rocas estratificadas, subhorizontales, o rocas con sistemas dominantes de discontinuidades subhorizontales, cuyo objetivo es minimizar la deflexión del techo. Efecto columna: minimizar el pandeo o bloques tabulares. Efecto arco: en rocas fracturas o intensamente fracturadas, instaladas en forma radial cada perno crea un bulbo de resistencia.
Principios técnicos:
El número de pernos dependerá del tamaño de la roca o bloque a sostener. Se debe instalar perpendicularmente a la roca o a la familia de discontinuidad dominante. Se debe instalar buscando roca firme de donde anclarse. Funciona bajo principio mecánico de fijación.
Principios operacionales:
Se debe escoger una aleación que cumpla las exigencias de la zona. Preparar el barreno para su instalación Verificar las condiciones de seguridad. Verificar que las resinas no estén deterioradas( en caso de utilizarse) Taladrar el barreno según el diámetro, longitud y orientación del diseño. El personal para la instalación de los pernos debe estar capacitado.
Factores de diseño:
Sistema de discontinuidades. Propiedades del material. Tensiones in situ. Requerimientos al sostenimiento. Geometría de la excavación.
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7. POR QUE SE AFIRMA QUE EL SOSTENIMIENTO MEDIANTE PERNOS DE ANCLAJE SE CONSIDERA QUE ES UN SISTEMA INICIAL Y NO DEFINITIVO? Se afirma que el sostenimiento de pernos de anclaje se considera como un sistema inicial debido a que su efecto tensional va disminuyendo a medida que el tiempo, lo que provocaría una inestabilidad, por tal motivo se debe revisar posteriormente y periódicamente que los pernos se encuentren ajustados y realizando su labor, además de que dependiendo del material del que estén construidos, pueden durar en menor o mayor tiempo, pues se verán afectados por la corrosión. 8. EN LA INSTALACION DE ARCOS DE ACERO COMO ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO EN UNA LABOR INCLINADA, POR QUE SE RECOMIENDA LA INSTALACION DE TRESILLONES ENTRE ARCOS? Se recomienda la utilización e implementación de tresillones en las labores inclinadas porque estos evitarían que el arco se incline hacia adelante a favor del buzamiento en una forma tangencial de volcamiento, al generar un momento. Además también se utilizan para estabilizar las secciones, uniéndolos y formando una sola sección transversal a lo largo del inclinado.
IMAGEN 6. ARCOS DE ACERO CON TRESILLONES
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9. QUE PAPEL DESEMPEÑA EL SOSTENIMIETNO EN UN TUNEL CIRCULAR DONDE EL ESFUERZO APLICADO A LAS PAREDES DEL MISMO ES SUPERIOR A LA PRESION INTERNA DE SOPORTE?
IMAGEN 7. DIAGRAMA DE LAS PRESIONES DEL TERRENO Y DEL MACIZO
Po: Presión ejercida por el macizo Pi: Presión interna del terreno. Pi = Po El terreno está en estado estable además no presenta desplazamiento. Pi < Po El terreno se encuentra en estado inestable, existe desplazamiento, se necesita sostenimiento. Para la pregunta se presenta el segundo caso, en el que la presión ejercida por macizo es mayor que la presión interna de la excavación, entonces el sostenimiento busca impedir desprendimientos de las rocas, proporcionar estabilidad, contrarrestar, controlar deformación y rotura del macizo rocoso y así garantizar estabilidad a la excavación.
10. SI DESEO SOSTENER UN TUNEL EL CUAL SE ENCUENTRA UBICADO EN UN MACIZO ROCOSO CLASE 4 SEGÚN LA CLASIFICACION DE RMR, QUE METODOS DE SOSTENIMIENTO PODRIA SUGERIR USTED COMO INGENIERO DE MINAS? Como ingeniero me puedo ayudar con programas como geotable para tratar de encontrar el más idóneo.
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IMAGEN 8. REPORTE PRESENTADO POR EL PROGRAMA GEOTABLE SOBRE EL MACIZO ROCOSO CLASE IV Además también se pueden utilizar tablas prediseñadas que utilizan la clasificación de RMR:
IMAGEN 9. TABLAS DE REFERENCIA PARA LA ELECCION DEL METODO DE SOSTENIMINETO TENIENDO ENCUENTA RMR
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Con la ayuda de estos programas y tablas como ingeniero podría elegir sostenimiento de pernos sistemático con una longitud de 4 a 5 metros, con separación de 1 a 1,5 metros, recubierto con malla electro soldada. 11. PARA EL SOSTENIMIENTO DE UN TAJO MEDIANTE MAMPOSTAS RIGIDAS, QUE CUIDADO SE DEBE TENER EN EL CASO DE UN TECHO BLANDO? Se debe tener en cuenta la utilización de bastidores para poder tener un contacto el cual permita distribuir la carga de soporte de la mamposta y así evitar que se entierre en el terreno, debido a que este es blando, ya que este trata de conseguir que la presión ejercida por la mamposta sobre el terreno sea menor que la carga de rotura del mismo. Esto se logra aumentando la superficie de apoyo de la mamposta contra el muro.
IMAGEN 10. MAMPOSTAS CON BASTIDORES
En caso de tener piso suave se debe instalar una placa base especial para evitar el hundimiento. 12. PARA EL SOSTENIMIENTO CON ARCOS DE ACERO, QUE TIPOS DE ARCOS SON MAS ADECUADOS SI, EL TERRENO QUE RODEA A LA EXCAVACION PRESENTA UNA CONVERGENCIA SIGNIFICATIVA. POR QUE? En caso de encontrar un terreno con una convergencia significativa, el tipo de arco más idóneo es el arco sedente. Este tipo de arcos se utilizan con el fin de poder tener deformaciones controladas; pues al deslizarse y converger los elementos, permiten la deformación del terreno, pero hasta un punto establecido en el diseño.
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Además los perfiles rígidos se dañan primero que los deslizantes, por su incapacidad de cedencia, lo que hace que se carguen inmediatamente y los esfuerzos actuantes se incrementen rápidamente, mientras que en los cedentes la deformación hace que los esfuerzos se aminoren. 13. PARA LA EVALUACION DE LA EFICIENCIA DE UN SISTEMA DE SOSTENIMEINTO POR PERNOS DE ANCLAJE INYECTADOS, CUALES SON LAS POSIBLES FORMAS DE FALLA DE LOS MISMOS, EXPLIQUE? Los anclajes inyectados pueden fallar por lo general por:
Ruptura de la barra o torones de acero: se presenta cuando la carga admisible del perno supera su límite elástico sobre su factor de seguridad, por tal motivo se presenta una ruptura de la barra. Ta=carga admisible Te= Limite elástico
Fa=factor de seguridad
Ruptura en el contacto terreno – lechada de cemento: se presenta en los casos en los que en el contacto entre la lechada y el terreno se presenta una ruptura, perdiendo su fijación y por ende el perno falla.
Ruptura en la interface acero – lechada de cemento: muy parecida al fallo anterior, pero esta vez entre el perno y el cemento. La longitud de anclaje Ls requerida para evitar la falla en la interface acero-inyección, se determina considerando que el esfuerzo tangencial de adhesión se caracteriza por una distribución uniforme, que depende de las rugosidades de la barra o torones de acero. Teniendo en cuenta que es el diámetro del perno.
Ls= 60 (Roca meteorizada) Ls= 40 (Roca fisurada) Ls= 30 (Roca sana)
Ruptura de la masa de terreno: Se considera que en el momento de la falla un cono
invertido se desprende de la masa adyacente al anclaje. Litlejohn y Bruce sugieren un ángulo central del cono de 60 a 90º, dependiendo de la naturaleza de la roca, especificando un ángulo de 60º para roca blanda altamente meteorizada y fisurada.
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IMAGEN 11. CONO INVERTIDO POR FALLA DE LA MASA DEL TERRENO El ángulo central del cono invertido se encuentra al final del anclaje para pernos puntuales y en mitad de la zona del bulbo cuando la carga es transferida por adherencia.
Dónde: PL: Fuerza necesaria para arrancar el cono. Debe ser menor que la fuerza que actúa sobre el anclaje. H1: Profundidad de anclaje para una fuerza F, para que no se desarrolle la rotura de la masa rocosa. 14. EL USO DE SHOTCRETE CON MALLA DE ACERO, A PESAR DE SER MUY USADO, TIENE UNA SERIE DE INCONVENIENTES EN CUANTO A LA PREPARACION Y COLOCACION DE LA ARMADURA DE MALLAZO, CUALES SON Y EXPLIQUE? El concreto lanzado con malla, ha sido muy usada, pero tanto en la construcción de galerías como en la estabilización de taludes, la preparación y colocación de la armadura de mallazo es
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una operación cara, peligrosa, lenta, insegura y en ocasiones de dudosa calidad. Se instala antes de la proyección del concreto, es una malla electro soldada de 4,6 mm a 8 mm de diámetro. El mayor complique es la instalación en la galería, ya que debe ser instalada por completo. 15. CUALES SON LAS CARACTERISTICAS DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE INYECCIONES EN EL TERRENO, PARA QUE TIPOS DE TERRENOS ES RECOMENDABLE? Las características de diseño para un sistema de inyección en el terreno debe tener en cuenta los siguientes parámetros del terreno:
Presión de inyección Tiempo de reacción del material Temperatura del terreno y del material a inyectar. Viscosidad del material a inyectar (para elegir la máquina de inyección) Tipo de terreno
Además debemos tener en cuenta que no a todos los terrenos se les puede hacer inyección, ni que todos los terrenos se les pueden inyectar el mismo tipo de material. Tipo de terreno:
Arcilla Limo Arena Grava Cantos
16. DETERMINE LA DENSIDAD DE SOSTENIMIENTO Y CANTIDAD DE PALANCAS Y ACCESORIOS NECESARIOS PARA SOSTENER UN TAJO DE 250m DE ANCHO CON MAMPOSTAS TEDESA DFHI, COBERTURA DE 500m, DENSIDAD DE MR 2,7 Ton/m³, CARGA NOMINAL POR PALANCA 42Ton; EFICIENCIA DE CARGA 65%, SE TRABAJARA CON 3 CALLES, EL CONTROL DE ALMACEN RECOMIENDA UN STOCK DE 9%, POTENCIA 1,9m. SI CADA PALANCA VALE EN EL MERCADO 125 DOLARES, BASTIDORES A 125 DOLARES, ACCESORIOS 50 DOLARES POR PALANCA, CUANTO VALE IMPLEMENTAR ESTE TAJO?
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IMAGEN 12. ESQUEMA DEL AVANCE DEL EJERCICIO Procedemos a calcular el espesor del techo inmediato según siska:
Luego calculamos la carga que va a recaer sobre el sostenimiento:
Luego calculamos la carga que resiste el sostenimiento teniendo en cuenta la eficiencia:
Calculamos el número de palancas:
La densidad de palancas se calcula:
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Se calcula el stock para el almacén del 9%., como no se especifica entonces se calcula el stock para todos los elementos de sostenimiento. 1537 palancas
Luego calculamos precios: 1537 palancas x $50 US = $76850 US 2050 bastidores x $125 US = $256250 US 470 accesorios x $125 US = $58750 US El costo total del tajo es de $391850 US
17. QUE IMPORTANCIA TIENE CONOCER LA GEOMECANICA ANTES DEL DISEÑO DE UN SISTEMA DE SOSTENIMIENTO? Antes de realizar cualquier acción en una excavación se debe conocer su caracterización Geomecanica, para esto contamos con muchos métodos como RMR, Q de barton, GSI, entre otros; gracias a esta caracterización se puede seleccionar los sistemas de sostenimientos más idóneos (como la imagen 9), pues podemos determinar los esfuerzos que recaerán sobre la excavación, además permite conocer el terreno en profundidad y poder predecir su comportamiento. Con el RMR se puede correlacionar y calcular los módulos de elasticidad, Poisson, ángulo de fricción interna, cohesión Existen muchos software de uso libre que nos pueden ayudar a clasificar el macizo, tales como el geotable, que me permite clasificar por RMR entre otros
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IMAGEN 12. SOFTWARE GEOTABLE 18. POR QUE ES IMPORTANTE DETERMINAR LA DISTANCIA MINIMA QUE DEBE EXISTIR ENTRE DOS EXCAVACIONES CONTINUAS, Y QUE INFLUENCIA TIENE ESTO EN EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE SOSTENIMIENTO? Es importante determinar la distancia mínima entre dos excavaciones, para que ninguna de las dos afecte a la otra. Además de poder determinar las zonas con mayor concentración de esfuerzos. Según Hoek el radio de influencia de la excavación circular es de r=3 a donde “a” es el radio de la excavación. Aunque muchos autores mencionan que en general, la interacción será insignificante si los centros de las excavaciones se encuentran a una distancia mayor a 6 veces el radio mayor de las dos excavaciones
IMAGEN 13. INTERACCION DE DOS EXCAVACIONES POR FUERA DE SU RADIO DE INFLUENCIA
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IMAGEN 14. INTERACCION DE DOS EXCAVACIONES DE DIFERENTE RADIO
19. QUE TIPO DE SOSTENIMIENTO RECOMENDARIA USTED PARA UN TUNEL EN ROCA UBICADO EN UN MR CUYO RMR DETERMINO QUE ERA CLASE 5? Como se respondió en la pregunta 10, existen tablas que nos ayudan a determinar el sostenimiento más idóneo, conociendo la clasificación Geomecanica del macizo rocoso. En este caso los macizos clase V, son clasificados como muy malos, para este tipo de terreno recomendaría pernos de anclaje sistemático de 5 a 6 metros de longitud, espaciados de 1 a 1,5 metros, en el techo y las paredes e incluso en el piso, con malla electro soldada, en caso de tener muchas fracturas. Incluso se podría aplicar concreto lanzado de 15 a 20 cm en el techo, de 15 cm en las paredes. 20. EXISTIRA POSIBILIDAD DE SOSTENER UN TUNEL SOLO CON MADERA, POR QUE? Lo primero que se debe realizar para saber y conocer el macizo en profundidad, es la clasificación Geomecanica de terreno, para poder determinar las presiones y esfuerzos que van a recaer sobre el sostenimiento. Para saber si existe la posibilidad de sostener un túnel solo con madera debemos saber si se trata de túnel minero o túnel vial. Los túneles mineros desde la antigüedad han utilizado como elementos de sostenimiento la madera, en algunos casos como único sistema de sostenimiento. Es bien sabido que en Norte de Santander es muy utilizado por su economía. Pero debido a las características de la madera es un elemento que para mi manera de ver es muy inseguro.
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IMAGEN 15. TUNEL MINERO, CON SOSTENIMINETO DE MADERA Si se tratase de un túnel vial, sería casi imposible sostenerlo únicamente con madera, primero por las dimensiones de un túnel de esta clase, no se encontraría madera de esas dimensiones, además de que se deberá realizar un mantenimiento exhaustivo casi diario, no se cuenta con parámetros científicos para la utilización de este tipo de sostenimiento, la madera un elemento muy impreciso por sus características propias.
