Tuneles en Cerro de Pasco.docx

Sostenimiento de túneles

UNAMBA

UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURÍMAC FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MINAS

SOSTENIMIENTO DE TÚNELES ASIGNATURA: TUNELERÍA CARRASCO KOLQUE HILARIO DOCENTE: ING. CARRASCO PRESENTADO POR: NAIVARES CENTENO, Danny PAUCAR ANCCO, Sheila Katheryn. MAYHUIRE ECCOÑA, John ORTÍZ LÓPEZ, LÓPEZ, Jaime Wilbert LLICAHUA HUANACO, Rosmel

ABANCAY – APURIMAC 2015

1


UNAMBA

ÍNDICE ÍNDICE ........................................................... .............................................................................................................................. .............................................................................. ........... 2 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ ....................................................................................................................... 4

SOSTENIMIENTO DE TÚNELES .......................................................... ........................................................................................... ................................. 6 1.

2.

3.

4.

ETAPAS EN EL DISEÑO DE SOSTENIMIENTO DE TÚNELES .............................. 6 1.1.

CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA RMR DE BIENIAWSKI (1989) .................. .................. 6

1.2.

SISTEMA Q (BARTON, LIEN Y LUNDE, 1974) ................................................... 8

1.3.

MECÁNICA DE ROCAS EN SOSTENIMIENTO. ................................................. 8

1.3.1. Roca

RQD - (Rock Quality Designation) Designación Designación de La Calidad de

1.3.2.

Parámetros Utilizados Para RMR y Q: ...................................................... 10

1.3.3.

Índice de la Calidad del Túnel - Q Index ................................................... 11

9

CLASIFICACIÓN DE LOS TÚNELES .......................................................................... 12 2.1.

.................................................................................................. 13 Según su servicio ...................................................................................................

2.2.

Según su localización ........................................................................................... 13

2.3.

Según entorno geológico ..................................................................................... .................................................................................... 13

ETAPAS DEL PROYECTO ............................................................................................ 13 3.1.

Estudios preliminares ........................................................................................... 14

3.2.

............................................................................... .................... 15 Estudio Geológico A Detalle ...........................................................

TIPOS DE SOSTENIMIENTO EN TUNELES .............................................................. ............................................................. 16 4.1.

SOSTENIMIENTO CON BULONES ..................................................................... 16

4.1.2.

Sistema De Anclaje ........................................................................................ 17

4.1.3.

Anclaje Por Adherencia ................................................................................ 18

4.1.4.

......................................................................... ...... 18 Anclajes A Base De Resina ...................................................................

4.1.5.

....................................................................... 18 Anclaje A Base De Cemento ........................................................................

4.1.6.

Anclaje Por Fricción ...................................................................................... 19

4.1.7.

Anclaje con baja presión de contacto ...................................................... 19

..................................................................................................................... ...................................................... 19 a) Split set ...............................................................

a.

Swellex ................................................................. ...................................................................................................................... ..................................................... 20

4.1.8. 4.2.

................................................ 21 Anclaje con elevada presión de contacto ................................................

Parámetros De Bulonaje ....................................................................................... ...................................................................................... 21

4.2.1.

.............................................................................. 22 Longitud de los bulones ...............................................................................

4.2.2.

Densidad del bulonaje .............................................................. .................................................................................. .................... 22

4.2.3.

......................................................................... 22 Orientación de los bulones ..........................................................................

2


UNAMBA

4.3.

Colocación de los bulones .................................................................................. 23

4.4.

...................................................................................................... 24 APLICACIONES .......................................................................................................

5.

SOSTENIMIENTO CON HORMIGON PROYECTADO ............................................. 24 5.1. COMPORTAMIENTO DEL HORMIGÓN PROYECTADO SOBRE CONTORNOS IRREGULARES DE TÚNELES .............................................................. 24 5.2.

6.

Morteros y Hormigones proyectados ............................................................... 25

5.2.1.

.............................................................................. 25 Sistema De Mezcla Seca ...............................................................................

5.2.2.

Sistema de mezcla semi-húmeda. ............................................................. 26

5.2.3.

Sistema de mezcla húmeda ......................................................................... 26

5.2.4.

Ventajas e inconvenientes de la vía seca y la vía húmeda ................. 26

SOSTENIMIENTO CON CERCHAS METÁLICAS..................................................... 27 6.1.

Características Características de la entibación metálica ........................................................ 28

6.2.

Formas típicas de entibación .............................................................................. .............................................................................. 28

6.2.1.

Sostenimiento Rígido De Acero ................................................................. 28

6.2.2.

Sostenimiento con arcos de acero ............................................................ 29

6.2.3.

Sostenimiento con anillos de acero .......................................................... 29

6.2.4.

Sostenimiento con vigas de acero ............................................................ 30

6.2.5.

Sostenimiento rígido con vigas de sección H ........................................ 30

6.3.

Campo de aplicación de los arcos rígidos ...................................................... 30

6.4.

.............................................................................................. ............................... 31 Cerchas Reticuladas...............................................................

6.5.

....................................................................................... 31 Ventajas de las cerchas ........................................................................................

7.

................................................................................................................ ...................................................... 31 TUNNEL LINER..........................................................

7.1.

......................................................................................................................... ..................................................... 32 USOS ....................................................................

7.2.

............................................................................................................... ...................................................... 32 VENTAJAS .........................................................

8.

SOSTENIMIENTO CON MALLAS ................................................................................ 33 8.1.

................................................................................................ ............................... 33 Malla de eslabones .................................................................

8.2.

............................................................................................ ............................... 34 Malla Electro Soldada.............................................................

8.2.1. 8.3. 9.

Controles en malla electro soldada ........................................................... ........................................................... 35

Malla Simple Torsión / Romboidal Y De Alta Resistencia ........................... 35

MÉTODO BERNOLD ........................................................... ...................................................................................................... ........................................... 38

10.

............................................................... 39 PARAGUAS DE PRE-SOSTENIMIENTO ................................................................

11.

EJERCICIOS APLICATIVOS DE SOSTENIMIENTO SOSTENIMIE NTO DE TÚNELES................. 39

CONCLUSIONES ..................................................................................................................... .................................................................................................................... 44 BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... 44 3


UNAMBA

INTRODUCCIÓN

Se entiende como sostenimiento el conjunto de elementos que se colocan en una excavación excavación subterránea para contribuir a su estabilización. Según esta definición el trabajo que debe realizar el sostenimiento está ligado al reajuste tensional que se produce en el terreno como consecuencia consecuencia de la realización realización de la excavación. Por ello, para comprender lo mejor posible el papel q juega el sostenimiento, lo cual es imprescindible para poderlo diseñar adecuadamente, es necesario tener muy claro cómo se desarrolla el reajuste tensional inmediatamente después de realizar una excavación subterránea. En el caso de los túneles, como en la mayoría de las excavaciones subterráneas destinadas a usos civil, se suele colocar un revestimiento que asegura que la calidad de acabado de la obra es adecuado al uso a que se destina la obra normalmente el revestimiento revestimi ento se coloca una sola vez q la excavación ya haya sido estabilizada por el sostenimiento por ello el revestimiento no suele cargar una vez colocado en esta situación la función estructural de revestimiento se limita un margen de seguridad adicional a la obra en el caso en que el terreno o el sostenimiento sostenimie nto se deteriore o para para hacer frente a fenómeno f enómenoss de carga diferidos en el tiempo. Para poder enmarcar adecuadamente los métodos actualmente empleados en el diseño de sostenimiento sostenimie nto de túneles se presentan resúmenes sobre la distribución de tenciones en torno a una excavación subterránea y sobre el comportamiento mecánico del terreno para, finalmente realizar una presentación sobre los métodos actualmente empleados en diseño de sostenimiento de túneles. El sostenimiento tiene como misión principal evitar que el terreno pierda propiedades por efecto del proceso constructivo del túnel, dándole cierto confinamiento. Sólo en segundo lugar se sitúa la capacidad resistente del sostenimiento, que es muy pequeña comparada con las grandes tensiones que pueden existir en el interior de los macizos rocosos. En el diseño de los sostenimientos primarios de los túneles, se han diferenciado diferenciado varias secciones, que abarcan desde los terrenos de mejor calidad, hasta los más débiles. la primera clasificación del terreno orientada a la construcción de túneles y obras subterráneas. Sus datos provenían de túneles sostenidos fundamentalmente por cerchas metálicas. A partir de los años 50 fue generalizándose la utilización del bulonado y el hormigón proyectado en la construcción de túneles para usos civiles. La clasificación de Lauffer de 1958 refleja perfectamente el uso combinado de cerchas, bulonado y hormigón proyectado en la construcción de túneles en roca. Esta clasificación está, por otra parte, muy vinculada al surgimiento del Nuevo Método 4


UNAMBA

Austriaco (NATM) en Centroeuropa. Su utilización requiere, sin embargo, la experiencia directa en obra y es poco práctica en las fases de proyecto y anteproyecto. El sostenimiento primario que sigue, inmediatamente a la excavación y saneo del avance La finalidad de este sostenimiento no es la de impedir la deformación de la cavidad, lo que conduciría, en general, a soportar grandes empujes, sino a preservar y aumentar en lo necesario las propias características resistentes del macizo. De esta forma, la cavidad puede alcanzar un nuevo estado de equilibrio aprovechando la totalidad de sus propios recursos. En aquellos tramos donde la roca se presente intensamente fracturada y/o meteorizada o se excave en zonas poco cohesivas, será preciso plantear tratamientos especiales para favorecer la estabilidad del frente y del perímetro excavado (paraguas de micropilotes, pata de elefante, excavación a sección partida, gunitado del frente de excavación, etc)Para reducir y controlar las subsidencias sobre el terreno natural en superficie y evitar las afecciones a las construcciones sobre el túnel,se puede proveer un sostenimiento rígido, reforzado con paraguas de micropilotes y cerchas, en los tramos donde se presenta roca meteorizada. Un elemento inherente a la correcta aplicación de los métodos de sostenimiento en la excavación. La información proporcionada por los instrumentos, instalados inmediatamente al tiempo en el que se va ejecutando el sostenimiento, permite vigilar el comportamiento de la cavidad y corregir las deficiencias y excesos del sostenimiento empleado. Consecuentemente con lo anterior, los sostenimientos propuestos en la fase del proyecto deben ser continuamente ajustados, durante la etapa de construcción, a las condiciones reales del macizo rocoso. Ello permite, por una parte, optimizar la aplicación de los sostenimientos colocados, adaptando así las previsiones del proyecto a la realidad encontrada al excavar el túnel, y por otra, realizar el refuerzo del sostenimiento inicialmente colocado en los casos donde éste ha podido resultar insuficiente, con el fin de garantizar completamente la estabilidad y seguridad de la sección excavada.

5


UNAMBA

SOSTENIMIENTO DE TÚNELES 1. ETAPAS EN EL DISEÑO DE SOSTENIMIENTO DE TÚNELES Los cálculos de la distribución de tenciones que se produce al realizar una excavación y el de los desplazamientos consecuentes es una tarea compleja que, si se quiere que produzca unos resultados realistas debe basarse en un buen conocimiento del comportamiento mecánico del terreno y en la utilización de cálculos adecuados. Por otro lado hay que tener presente que el problema de sostenimiento de un túnel no tiene una solución única, ya a que además de poder utilizar elementos de sostenimientos variados y de resistencia diferente se pueden emplear métodos constructivos distintos en los que el proceso de excavación y sostenimiento también varía. Por esta misma razón varían las cargas sobre el sostenimiento y por lo tanto ,manteniendo constantes los coeficientes de seguridad cambiara también el dimensionado de sostenimiento al utilizar uno u otro método constructivo de esa forma se puede hablar de diseño del sostenimiento, entiendo por tal el proceso que debe conducir aun dimensionado del sostenimiento, sin que exista una solución única, de tal forma que la solución elegida sea económica y resulte efectiva para el uso que se requiera dar a la excavación. Para realizar una primera estimación de las necesidades de sostenimiento que presentará la excavación, se tiene que recurrir a métodos empíricos de diseño, como son las recomendaciones de Bieniawski y Barton, esta última, actualizada en el año 2000.

1.1. CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA RMR DE BIENIAWSKI (1989)

6


UNAMBA

7


1.2.

UNAMBA

SISTEMA Q (BARTON, LIEN Y LUNDE, 1974) El índice Q se obtiene mediante la siguiente expresión:

Donde, además del RQD, se introducen los parámetros siguientes: -

Jn: parámetro para describir el número de familias de discontinuidad Jr: parámetro para describir la rugosidad de las juntas Ja: parámetro para describir la alteración de las juntas Jw: factor asociado al agua en juntas SRF: factor asociado al estado tensional (zonas de corte, fluencia, expansividad, tensiones “in situ”)

La asociación de factores permite dar un sentido físico a cada uno de ellos: Aunque en el índice Q no se menciona explícitamente la orientación de las juntas, señalan sus autores que los valores de Jr y Ja se han de referir a la familia de juntas que con más probabilidad puedan permitir el inicio de la rotura.

1.3.

MECÁNICA DE ROCAS EN SOSTENIMIENTO. Clasificación Geomecánica de Roca Mediante el estudio de las condiciones geológicas subterráneas del área, se pueden establecer los planes a seguir para garantizar la instalación adecuada de las fortificaciones. Existen diferentes tipos de roca, cada una de las cuales tienen sus propias características y propiedades físicas. Existen también, diferentes situaciones que requieren el uso de fortificación adicional para consolidar los estratos de la roca, afirmar los bloques y prevenir la caída de roca. 8


UNAMBA

Si bien es cierto, previo a la construcción de una labor subterránea, se realiza un estudio preliminar de la geología del terreno mediante sondajes (muestras de perforación diamantina), mapeos geológicos y otros, es físicamente imposible detectar completamente las condiciones en que se encuentran los diversos elementos de un cuerpo tan complicado como es el macizo rocoso. En la mayoría de los casos, el macizo rocoso aparece como un conjunto ensamblado de bloques irregulares, separados por discontinuidades geológicas como fracturas o fallas y, por ello la Caracterización Geomecánica de los macizos rocosos es compleja; pues debe incluir tanto las propiedades de la matriz rocosa así como de las discontinuidades. En resumen, el diseño de una excavación subterránea, que es una estructura de gran complejidad, es en gran medida el diseño de los sistemas de fortificación. Por lo tanto, el objetivo principal del diseño de los sistemas de refuerzo para las excavaciones subterráneas, es de ayudar al macizo rocoso a soportarse, es decir, básicamente están orientados a controlar la “caída de rocas” que es el tipo de inestabilidad que se manifiesta de varias maneras.

Controlar los riesgos de accidentes a personas, equipos y pérdidas de materiales (producto de la inestabilidad que presenta una labor durante su abertura), constituye una preocupación primordial que debe ser considerada en la planificación de las labores mineras. El diseño de sostenimiento de terrenos es un campo especializado, y es fundamentalmente diferente del diseño de otras estructuras civiles. El procedimiento de diseño para el sostenimiento de terrenos por lo tanto tiene que ser adaptado a cada situación. Las razones son los hechos siguientes: 1. Los “materiales utilizados” es altamente va riable. 2. Hay limitaciones severas en lo que se puede proporcionar la información por medio de Investigaciones Geológicas. 3. Existen limitaciones en exactitud y la importancia de parámetros probados del material de la roca. 4. Existen limitaciones severas en el cálculo y los métodos para modelar el sistema de sostenimiento. 5. El comportamiento de aberturas es dependiente del tiempo, y también influenciado por los cambios en filtraciones de agua. 6. Incompatibilidad entre el tiempo necesario para las pruebas de los parámetros, para los cálculos y modelos, comparados al tiempo disponible. Los tres sistemas más conocidos para La Clasificación Geomecánica son: 1. RQD (Rock QualityDesignation) Designación de La Calidad de Roca, Deere et al, 1967) 2. RMR (Rock Mass Rating) Clasificación de la Masa Rocosa, Bieniawski (1973, 1989) 3. Q (TunnelQualityIndex) Índice de la Calidad del Túnel, Barton et al (1974) 1.3.1. RQD - (Rock Quality Designation) Designación de La Calidad de Roca

9


UNAMBA

Proceso que utiliza la calidad de las muestras de perforación (sondajes) diamantina (Deere et al, 1967) para determinar la calidad de la roca masiva in situ.

Normalmente muestras de 54,7 mm x 1,5 m, resultando en un porcentaje como el siguiente; 0 – 25 % Muy Malo 25 – 50 % Malo 50 – 75 % Regular 75 – 90 % Bueno 90 – 100 % Muy Bueno El valor de 10 cm = diámetro de la muestra x 2 Utilizando el sistema RQD tenemos una indicación de la calidad de la roca en el área de la muestra, la existencia de fallas, fracturas presentes y de las fuerzas presentes en la roca. Tipos de Terrenos

RMR – (Rock Mass Rating) Clasificación del Maciso Rocoso y Q (Tunnel Quality Index) Índice de la Calidad del Túnel.

1.3.2. Parámetros Utilizados Para RMR y Q: a. Dureza de la roca. b. RQD- Rock Quality Designation (Designación de la Calidad de la Roca). c. Frecuencia y alteración de las fracturas. d. Fuerzas en la Masa Rocosa in Situ. e. Filtraciones de agua. 10


UNAMBA

Recomendaciones indicativas para la excavación y sostenimiento de túneles excavados en roca (RMR BIENIAWSKI-1989)

Predicción del tiempo de auto-sostenido de una labor con relación al RMR y el Ancho.

El tiempo de auto-sostenido de una abertura subterránea con relación del ancho y la calidad de la roca.

1.3.3. Índice de la Calidad del Túnel - Q Index Para el cálculo del Índice Q, se tiene en cuenta: dureza de la roca, RQD, fracturas (frecuencia y alteraciones), presencia de agua y las fuerzas in situ. El valor de ESR “Excavation Support Ratio”.

(Razón del Soporte de la Excavación), es vinculado con el uso final y la vida anticipada de la excavación.

11


UNAMBA

Dimensión Equivalente: ESR = 3 - 5 Labores temporales < 1 año ESR = 1.6 Excavaciones permanente, Galerías principales

Zona del Grafico Sostenimiento Recomendado (Modificado del Original) Zona “A” Sostenimiento no requerido Zona “B” Pernos puntuales a 1.5 - 3 m Zona “C” Pernos instalados sistemáticamente a 1.0 - 1.5 m Zona “D” Pernos y Shotcrete, Pernos a 1 m Zona “E” Pernos y Shotcrete con Fibras, Pernos a 0.5 - 1.0 m Zona “F” Arcos de Acero, Shotcrete con Fibras > 15 cm, Pernos 0.5 Zona “G” Arcos de Acero y Concreto

2. CLASIFICACIÓN DE LOS TÚNELES 12


2.1. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

2.2. 1. 2. 3.

2.3. 1. 2. 3.

UNAMBA

Según su servicio Minería Carreteros Ferroviarios Metro Acueductos y drenajes Cavernas Según su localización Urbanos Bajo el agua De montaña Según entorno geológico Túneles en roca Túneles en suelos Túneles con frentes mixtos

3. ETAPAS DEL PROYECTO 1. Levantamiento Topográfico 2. Estudios Geológico y Geofísico 3. Proyecto Geométrico 4. Integración Geotécnica 5. Análisis de Estabilidad de Taludes en los 6. Análisis, Definición de Fases de Excavación y Diseño de Sostenimientos 7. Análisis y Diseño Estructural del Revestimiento 8. Obras Complementarias 9. Proyecto de Iluminación y Ventilación 10. Especificaciones de Construcción 11. Catálogo de Conceptos

13


3.1. a. b. c. d. e.

UNAMBA

Estudios preliminares Levantamiento Topográfico ▪ Estudio Geológico ▪ Estudio Geofísico ▪ Sondeos Exploratorios Directos ▪ Definición del Modelo Geológico Integrado

Topografía 1. 2. 3. 4.

Levantamiento topográfico De detalle en los emboquilles Altura y geometría de taludes: Replanteo del lugar de emportalamiento. Condiciones topográficas del túnel (cobertura)

14


UNAMBA

Estudios Geológico y Geofísico. Métodos de Exploración Geológica a. Métodos Indirectos  Fotogeológicos  Métodos Geofísicos b. Métodos Directos  Levantamientos Geológicos  Pozos a cielo abierto y trincheras  Túneles y socavones  Sondeos exploratorios (perforaciones)

3.2.

Estudio Geológico A Detalle 1. Tipo de materiales: Litología y composición contactos litológicos, estratificación, estructuras sedimentarias. 2. Formaciones superficiales: Zonas de alteración, grado de meteorización; condiciones geomorfológicos, procesos y evolución morfológica del terreno. 3. Estructura geológica y contactos tectónicos: Grado de fracturamiento, discontinuidades sistemáticas (estratificación, diaclasas, foliación), discontinuidades singulares, (zonas de fallas y brechas), actividad tectónica y neotectónica. 4. Características de la roca matriz. 5. Descripción del macizo rocoso. 6. Descripción de las discontinuidades. 7. Propiedades del macizo rocoso. 8. Datos hidrogeológicos e hidrológicos. 9. Situación del nivel freático. 15


UNAMBA

10. Inspección de pozos y manantiales. 11. Localización de acuíferos, materiales permeables impermeables, zonas de encharcamiento. 12. Localización de zonas de recarga y drenaje. 13. Zonas de inestabilidad del terreno. 14. Indicios o señales de deslizamientos o desprendimientos. 15. Áreas de erosión. 16. Zonas afectadas por subsidencias, hundimientos y Cavidades.

4. TIPOS DE SOSTENIMIENTO EN TUNELES 4.1.

SOSTENIMIENTO CON BULONES

El bulonaje es una técnica de sostenimiento que, en esencia consiste en anclar en el interior de las rocas una barra de material resistente que aporta una resistencia a tracción y confinando el macizo rocoso permite aprovechar las características resistentes propias de las rocas facilitando así su sostenimiento. En la obra civil, una de las aplicaciones más antiguas del bulonaje puede encontrarse en la tribu primitiva de los Baigas (india) que tenía la costumbre de hincar cañas de bambú en el terreno para prevenir los deslizamientos. La primera aplicación documentada como técnica de sostenimiento en minería, se produjo a principios de siglo de los estados unidos de América. A finales de los años 50 se revoluciono el concepto de bulonaje con la aparición en Alemania de los bulones de anclaje repartido. En los primeros bulones el anclaje se conseguía en el extremo interior del bulón por medio de sistemas mecánicos que luego se describirán. En los bulones de anclaje repartido el bulón está en contacto total con la roca anclada, utilizándose para ello un elemento de fragua.desaparce así el sentido de suspensión de un estrato débil a uno fuerte y se crea el nuevo concepto de armar la roca. En la actualidad las aplicaciones del bulonaje en la obra civil son muy variadas, tanto en lo exterior como en subterráneo, y en los últimos años se han producido desarrollos muy importantes tanto como conceptuales como tecnológicos que han hecho del bulonaje una técnica indispensable para el sostenimiento de las excavaciones subterráneas.

4.1.1. Anclaje De Bloques El concepto de anclaje de bloques se deriva directamente del planteamiento inicial del bulonaje y se basa en que cada bulón debe de esta anclado a lo largo de una longitud suficiente para agotar la carga axial que la barra del bulón puede soportar y su densidad expresada por el número de bulones por cada m2 de superficie de roca a sostener debe ser suficiente para equilibrar el peso de la roca que debe ser suspendida.

16


UNAMBA

4.1.2. Sistema De Anclaje Tradicionalmente los bulones sean clasificados en función de que su anclaje del terreno se materializara en un extremo, anclaje puntual o a lo largo de toda la barra del bulón, anclaje repartido. Con la evolución tecnología se ha tenido lugar en los últimos 20 años parece más lógico clasificar los sistemas de anclaje según el mecanismo en el que se fundamentan: adherencia y fricción.

17


UNAMBA

4.1.3. Anclaje Por Adherencia En los bulones anclados por adherencia, el espacio anular que se crea entre la barra del bulón y las paredes del taladro en que se anclan, se rellenan con mortero que, al fraguar debe asegurar la adherencia suficiente para solidarizar la barra al terreno actualmente los morteros comercializados están fabricado con resina o cemento y en ambos casos se presentan en forma de cartucho con una longitud con unos 600 mm y un diámetro próximo a los 30 mm.

4.1.4. Anclajes A Base De Resina Los anclajes a base de resina están fabricados con una resina de poliéster armada con fibra de vidrio embebida en un material inerte granular. Para que la resina inicie su fraguado es necesario ponerla en contacto con un catalizador que está incluido en el mismo cartucho que la resina pero en compartimiento separado. Para que se realice el proceso de fraguado hay que proceder de la siguiente forma: 1. Introducir los cartuchos de resina en el taladro en el que se va anclar el bulón. 2. Introducir el bulón en el taladro mediante un movimiento de rotación y avance. 3. Al llegar al final del taladro debe mantenerse la rotación, para asegurar la buena mezcla de la resina y el catalizador hasta que salga el mortero por la boca del taladro. El anclaje mediante a base de resina es eficaz en la mayor parte de las roca y no presenta problemas operativas solo hay que tener que utilizar los cartuchos suficientes para rellenar todo el espacio entre la barra y el taladro y asegurar el movimiento de rotación para mesclar la resina y el catalizador. El tiempo de fraguado puede regularse fácilmente, durante la fabricación de cartuchos y aunque lo normal es que sea menor de 2 min, pueden combinarse cargas de fraguado muy rápido, colocadas en el fondo del taladro, con otras de fraguado lento para poder poner en carga los pernos una vez clocados. Probablemente el aspecto más crítico para conseguir un buen anclaje con cartuchos de resina está constituido por la diferencia entre los diámetros del perno y los del taladro en que se va a colocar, que debe ser inferior a 10mm.si no se presenta este límite muy probablemente la calidad de anclaje no será buena ya que se dificultara notablemente la mezcla de la resina con el catalizador. La tensión de adherencia que se consigue actualmente con los cartuchos de resina comerciales está comprendida entre 4 y 6 MPa.

4.1.5. Anclaje A Base De Cemento

18


UNAMBA

Los anclajes a base de cemento se consiguen bien mediante una inyección clásica de lechada que se utiliza sobre todo cuando los pernos superan 6m mediante cartuchos, similares a las de resina pero con cemento como agente adherente a que se añaden aditivos para facilitar el proceso de hidratación del cemento. La colocación de un perno anclado mediante cartuchos de cemento se debe hacer de la forma siguiente: 1. Inmersión de los cartuchos de cemento en agua para iniciar su hidratación. 2. Introducción de los cartuchos de cemento en el taladro en el que va a anclarse el bulón. 3. Introducción de la barra del perno mediante percusión. El Anclaje mediante mortero de cemento es más seguro que se consigue con cartuchos de resina, ya que una vez sumergidos los cartuchos en agua el proceso de hidratación no depende del método operativo por otro lado en terrenos de mala calidad el hecho de introducir el pero a percusión hace que el anclaje de más calidad que el que se consigue con la resina. La tención de adherencia con los monteros de cemento es sensiblemente menor que lo que se logra con las de resina ya que está comprendida entre 0.5 y 3 MPa.

4.1.6. Anclaje Por Fricción Una característica común a los anclajes por adherencia ya sea con resina o cemento es que el bulón anclado tiene una rigidez muy superior a la del terreno circundante. Esto puede plantearse serios problemas, llegando a producirse la rotura de bulón si la excavación debe sufrir una clasificación importante como consecuencia de reajuste tensional, después de colocados los bulones. Anclajes por fricción también denominados mecánicos minimizan este problema, aunque también tiene inconvenientes, tal como se describen en los apartados siguientes.

4.1.7. Anclaje con baja presión de contacto Los anclajes de baja presión de contactos son una generalización de los anclajes mecánicos al anclaje repartido y en el momento actual están presentados por los bulones tipo Split set y swellex. Ambos tienen en común la particularidad de trabajar con fricción lo cual los permite mantener la carga máxima con unos desplazamientos muy importantes.

a) Split set

19


UNAMBA

Los bulones tipo Split set están constituidos por un tubo, de 2,3mm de espesor, que tiene una ranura longitudinal y un diámetro superior al del taladro en el que va ser anclado, tal como se ilustra a continuación.

El proceso de colocación de un Split set se ilustra en la figura es sumamente sencilla ya que basta con presentar el Split set en el taladro donde debe ser anclado e introducido a percusión. Los Split set consiguen un cierto efecto de puesta en carga inmediato y permiten un deslizamiento muy importante antes de la rotura. Como aspectos negativos hay que señalar su escasa capacidad de anclaje que en el mejor de los casos no sobre pasa las 11tn por bulón la gran sensibilidad del anclaje al diámetro de perforación y los problemas que plantea su durabilidad.

a. Swellex Los bulones Swellex desarrollado atlas copco están constituidos por un doble tubo de chapa que de infla con agua a presión, una vez introducido en el taladro para adaptarse a la superficie natural del terreno tal como se ilustra en la figura 15 20


UNAMBA

Los bulones Swellex se fabrican en dos tipos, el estándar Swellex con chapa de 2 mm de espesor y un diámetro antes de ser inflado de 25,5mm y el súper Swellex que tiene un grosor de chapa de 3mm y un diámetro antes de ser inflado de 36mm. El estándar Swellex debe colocarse en taladros cuyo diámetro este comprendido entre 32 y 43 mm, mientras que los súper Swellex estén preparados para ser colocados en taladros cuyo diámetro este comprendido entre 39 y 52 m.

4.1.8. Anclaje con elevada presión de contacto A este tipo pertenecen los primitivos bulones de anclaje puntual en el cual el anclaje, tal como se ilustra en la Fig. Se conseguía a base de expandir unas piezas metálicas que penetraban en el terreno.

4.2.

Parámetros De Bulonaje

En la actualidad el mejor método para cuantificar los parámetros de bulonaje: Longitud, densidad y orientación, es utilizar los métodos numéricos de análisis tenso-deformacional se presenta algunas reglas prácticas que pueden ser de gran 21


UNAMBA

utilidad para diseñar un sostenimiento mediante bulones, aunque sea a nivel anteproyecto.

4.2.1. Longitud de los bulones Como norma general la longitud de los bulones debe ser del orden de la tercera parte de la máxima anchura a excavar. En el caso de que el túnel presente una bifurcación es conveniente aumentar la longitud de bulones sin que estas sobrepasen la mitad del máximo anchura a excavar. En el caso de los terrenos que se comporten de forma totalmente elástica tras realizar la excavación la longitud de los bulones podrá disminuirse hasta un mínimo igual a la 5ta parte de la máxima anchura de excavación.

4.2.2. Densidad del bulonaje Normalmente en el sostenimiento de túneles el bulonaje está asociado al hormigón proyectado en estas condiciones la densidad de bulonaje suele estar comprendida entre 0.4 y 0.8 bulones por m2 de superficie de roca. En terrenos de muy buena calidad normalmente con RMR superior a 70, la densidad puede bajar hasta 0.25 bulones por m2 siempre que se haya comprobado que no haya bloques de roca potencialmente inestables que exijan una densidad mayor.

4.2.3. Orientación de los bulones Como regla general los bulones deben ser colocados radialmente dentro de la misma sección, escogiendo el centro de radiado de tal forma que la operación de peroración y colocación sea factible. Cuando el caso de terrenos competentes se prevea la formación sistemática de bloques de roca potencialmente inestables, la orientación de los bulones deberá dejar de ser radial, para adaptarse a la orientación más conveniente para el anclaje de los bloques de roca.

22


4.3.

UNAMBA

Colocación de los bulones

Hoy en día la colocación de los bulones puede hacerse en forma totalmente mecanizada utilizando bulonadoras que, incluso en ciertos casos permita pensar en una automatización total. Evidentemente es esa la solución que mejor garantiza la calidad del bulonaje que en la mayor parte de los casos es muy sensible a la presión de la perforación de los taladros en los que deben ser alojados los pernos,. Sin embargo en muchos túneles todavía se realiza la perforación de los taladros de bulonaje con el jumbo que debe realizar la perforación de la voladura del frente. Este situación plantea un problema importante ya que en este caso los diámetros de perforación pueden ser inferiores a 43 mm y de esta forma no es posible respetar la diferencia máxima de 10mm entre el diámetro del barreno y del bulón ya que los bulones normalmente utilizados tienen 25 mm de diámetro estos 8 mm que aparentemente no tienen importancia suponen que debe utilizarse bastantes más cartuchos de resina de los que teóricamente sería necesario y por ello el costo de bulonaje sube de forma importante. Las ventajas de los bulones son las siguientes 1. Rapidez de colocación, que permite al personal estar menos tiempo debajo de la zona de anclaje y situarse algo más alejados de la zona de desprendimientos, al utilizar para el inflado del bulón una lanza de 1,5 m de longitud. 2. Rapidez de actuación del bulón de expansión frente a otros sistemas de fraguado más lento que asegura que el bulón está actuando desde el mismo momento de su colocación. 3. Capacidad de actuación en terrenos de mala calidad, frente a los cartuchos de resina o cemento, evitando la necesidad de utilizar inyección. 4. Capacidad de absorber deformaciones hasta del 15% de elongación. Toda esta serie de ventajas se traduce en una mayor seguridad de colocación y un mayor rendimiento. 5. Fácil de instalar y fácil de montar. 6. Permite conseguir anclajes con diámetros mínimos. 7. Tesado y destensado sencillo a través de la cabeza roscada. 8. Posibilidad de montar anclajes temporales. 9. Posibilidad de montar anclajes desmontables. 10. Alta adherencia entre la barra y el mortero de cemento. 11. El sistema permite aplicar altas cargas con reducidos diámetros de perforación. 12. El sistema de barra con rosca continua permite fijar la longitud de la barra en obra, facilitando el pedido y almacenar con menor demanda. 13. Adaptación a planos de montaje oblicuos mediante utilización de placas de apoyo acuñadas. 14. Calidad garantizada mediante el control propio y externo de la producción. 23


4.4.

UNAMBA

APLICACIONES

1. Refuerzo de suelos. 2. Estabilizar de taludes. 3. Estabilizar zanjas. 4. Sujetar tablestacas. 5. Construcción de túneles y galerías. 6. Minería. 7. Fijación de estructuras. 8. Estabilizar paredes de obra. 9. Refuerzo antisísmico en edificios o estructuras. 10. Estabilización de presas. 11. Interacción entre elementos de hormigón. 12. Refuerzo de cimentaciones (Ej. Rehabilitación de edificios históricos

5. SOSTENIMIENTO CON HORMIGON PROYECTADO El sostenimiento con hormigón proyectado Tiene dos efectos principales: •

•

Sellar la superficie de la roca, cerrando las juntas, evitando la descompresión y la alteración de la roca. El anillo de hormigón proyectado desarrolla una resistencia inicial que trabaja como lámina, resistiendo las cargas que le transmite la roca al deformarse.

Una vez terminadas las labores de desescombro y saneo, es conveniente aplicar, en el menor tiempo posible, una primera capa de sellado. Esta capa de sellado tiene como misión garantizar a corto plazo la estabilidad de la sección, evitando con ello los fenómenos de venteo y alteración que pudieran originar desprendimientos de fragmentos en la zona de trabajo. Una vez concluidos los trabajos de colocación del resto de elementos de sostenimiento, se procederá a proyectar por capas el resto del hormigón proyectado, hasta conseguir el espesor mínimo propuesto para cada tipo de sostenimiento. Se tendrá en cuenta que el espesor máximo de una capa de hormigón ejecutada en una sola fase no podrá exceder de 10 cm.

5.1. COMPORTAMIENTO DEL HORMIGÓN PROYECTADO SOBRE CONTORNOS IRREGULARES DE TÚNELES En las excavaciones con explosivos frecuentemente obtienen como resultado un perfil de excavación muy irregular. En estos casos, se hace muy difícil, para una capa de hormigón proyectado aplicada en la superficie del túnel desarrollar una acción de sostenimiento. En un caso reciente (túnel de Belate, Navarra) la rotura del sostenimiento de hormigón proyectado ha puesto de manifiesto la cuestión sobre el espesor necesario de hormigón proyectado para que efectivamente actúe como sostenimiento. La situación, en este caso, se complica por la presencia de una estratificación paralela en esas localizaciones, especialmente en capas muy delgadas de hormigón. Como parte de la investigación, el perfil del túnel y los 24


UNAMBA

espesores de hormigón fueron cuidadosamente medidos en algunas secciones particulares. Como resultado de estos estudios, se puede determinar la geometría de la superficie original de la excavación. El objetivo principal de esta Tesina es usar esta información para desarrollar un análisis del efecto del soporte de hormigón proyectado con diferentes espesores y refuerzos característicos para que efectivamente sostengan el túnel. Además hay que considerar la importancia del comportamiento de la estratificación de la roca y sus efectos en el macizo rocoso durante la excavación. Para determinar esto, se ha utilizado un programa de elementos finitos en 2-D, como Plaxis. La secuencia del análisis es:

5.2.

1. Selección y discretización de tres secciones de túnel: una teórica regular basada en el proyecto, una teórica irregular que consiste en una pequeña variación geométrica de la anterior, y finalmente una real que corresponde a la información disponible de Belate. 2. Con estos tres casos discretizados, estudio del comportamiento del macizo rocoso y del sostenimiento de hormigón proyectado bajo estas tres configuraciones 3. También se ha considerado la influencia de la estratificación. Para ello, se ha utilizado un modelo elastoplástico anisótropo. 4. Ya que no se conocen los parámetros principales de campo se han estudiado diferentes variaciones de los mismos. Morteros y Hormigones proyectados

En cuanto a los procedimientos de realización de sostenimiento y revestimiento estructural, el mortero y el hormigón proyectado forman parte importante de este proyectado forman parte importante de este método, en la actualidad se usan tres procesos distintos que son: Mezcla seca, mescla semi-humeda y mezcla húmeda, el primero resulta satisfactorio y es de uso más general.

5.2.1. Sistema De Mezcla Seca El sistema de mezcla seca consta de una serie de faces y requiere unos equipos especializados. 

 

El cemento y los áridos se mezclan adecuadamente hasta conseguir una perfecta homogeneidad en proporciones variables. Lo normal es usar cemento portland sin embargo a menudo se emplean cementos especiales junto con diferentes clases de áridos artificiales o naturales, para la facilitar el flujo diluido y la reducción de rebote se adiciona humo de silicio en una proporción de 4% de peso de cemento. La mezcla de cemento y áridos se introducen en un alimentador. La mezcla es transportada mediante aire a presión hasta una boquilla o pistola especial, esta boquilla va equipada con un distribuidor múltiple perforado, atreves del cual se pulveriza agua a presión con el conjunto cemento y árido.

25

Sostenimiento de túneles 

UNAMBA

La mezcla húmeda se proyecta desde la boquilla sobre la boquilla que debe guitarse.

5.2.2. Sistema de mezcla semi-húmeda. Este sistema, idéntico en las primera fase de la mezcla seca únicamente diferente de que aúna distancia de aproximadamente de 5m de la boquilla se efectúa la adición de agua por lo que se mejora las propiedades de la mezcla al llegar a la boquilla, de la que saldrá el mortero u o hormigón proyectado. Otra de las ventajas de este sistema es que evita el polvo resultante de la proyección así como la perdida de cemento en la mezcla al salir de la boquilla también se puede considerar que el agua añadida se incorpora perfectamente durante esos 5m a la mezcla asiéndole más homogénea y lo que es más impórtate agua y cemento sea adecuada.

5.2.3. Sistema de mezcla húmeda Mezcla húmeda se consigue morteros y hormigones de propiedades equivalentes con técnicas de dosificación y aditivos, las máquinas de mezcla húmeda producen morteros u hormigón para proyectar por dos procedimientos: Flujo diluido y flujo denso, con grandes rendimientos cubriendo de este modo las aplicaciones de máquina de mezcla seca. 





El cemento y el árido se mezclan adecuadamente hasta conseguir una perfecta homogeneidad en proporciones variables lo normal usar es usar cemento portland, sin embargo a e menudo se emplean cementos especiales junto con diferentes clases de áridos para facilitar el flujo denso y diluidos se suele adicionar humo de cilicio en una proporción de 4% del peso de cemento. La mezcla húmeda de cemento y áridos se introduce en un alimentador o mezclador, y la mezcla entra en la manguera mediante una rueda o distribuidor y donde los ascelerantes se adicionan en la boquilla sin son silicatos y a5m aproximadamente si son aluminatos y ascelerantes libres de álcalis para conseguir resistencias iníciales altas y favorecer la disminución de rebote. La mezcla se proyecta desde la boquilla sobre la superficie que debe gunitarse.

5.2.4. Ventajas e inconvenientes de la vía seca y la vía húmeda Ambos sistemas presenta ventajas e inconvenientes en su aplicación.

Vía seca      

En la boquilla se tiene el control de agua de la consistencia de la mezcla. Permite mayor longitud en tubería o manguera de trabajo El equipo es menos voluminoso y más económico que la vía húmeda. Se adapta perfecta y rápidamente a las necesidades de la obra, sin necesidad de limitación por fraguado de la mezcla. El sistema produce más polvo que en la vía húmeda Los aditivos se añaden en la tolva o en la boquilla en polvo liquido respectivamente 26

Sostenimiento de túneles 

UNAMBA

Velocidad de proyección alta 80-100 m/s

Vía húmeda          

La adición de agua se controla perfectamente relación agua por cemento constante Menor necesidad de aire comprimido Menos polvo que en la vía seca El equipo es más voluminoso y más costoso que en l vía seca El aditivo ascelerantes solo puede incorporarse en la boquilla tanto en polvo como líquido. Se adapta perfectamente para la utilización de robots. Menor rebote Necesidad de coordinación de equipos y de obra debido a la limitación de fraguado de mezcla. Mayor producción como consecuencia del tamaño de los equipos 15-20 m3/h Velocidad de proyección inferior a la vía seca 60 -70 m/s

Como alternativa al hormigón proyectado reforzado con fibras, se puede plantear la utilización de mallazo convencional. En este caso, la distancia entre la malla de acero y la pared (terreno o capa de hormigón proyectado) deberá estar comprendida entre 2 y 7 cm. La última capa de mallazo del sostenimiento deberá estar recubierta con un espesor mínimo de 3 cm de hormigón proyectado. Para la colocación de mallazo electro soldado, se empleará una capa de mallazo para espesores de hormigón proyectado inferiores a 15 cm, y doble capa en sostenimientos con mayores espesores de hormigón proyectado. El tipo de mallazo a utilizar será 150x150x6 mm.

6. SOSTENIMIENTO CON CERCHAS METÁLICAS La entibación con elementos metálicos considerado un sistema clásico de sostenimiento pasivo en resultado ser probablemente uno de los más versátiles como dado el amplio rango de condiciones de terreno y tipo de túneles a los cuales asido aplicado la entibación con hierro fundido preformado fue sostenimiento de uso estándar. El sostenimiento con acero preformado como viguetas de acero laminado con secciones H,U entre otras, encuentran un amplio rango de aplicaciones como sistemas de sostenimiento temporal para túneles en roca de calidad pobre donde los bulones se consideran inaplicables o poco efectivos, o como sostenimiento principal. La entibación de acero ofrece la ventaja de ser resistente tanto a los esfuerzos de compresión como a los de tracción de este modo puede resistir elevados momentos de flexión poseyendo características favorables malla del límite elástico.

27


UNAMBA

El sostenimiento de acero es adaptable casi a cualquier forma de excavación subterránea, sea una deposición cerrada (impermeable) o abierta, ello es debido a su resistencia tanto a la tracción y a la comprensión y a la capacidad de la entibación de acero laminado, de acomodarse a cualquier forma de excavación. Las secciones más utilizadas en túneles y galerías con sostenimiento de acero son: Circular en forma de arco/herradura y rectangular/cuadrado. Las cerchas aportan rigidez al sostenimiento, colaborando con el hormigón proyectado. Tienen la ventaja de que su resistencia inicial es ya definitiva; siempre que se asegure el contacto entre el terreno y la cercha. Dependiendo de las necesidades portantes que se necesiten se utilizarán dos tipos de cerchas en los túneles: ligeras TH-21 y medias TH-29. En las secciones de sostenimiento en las que se ha previsto la instalación de cerchas, éstas deberán quedar arriostradas longitudinalmente mediante tresillones constituidos por redondos de acero de 20mm, soldados a las cerchas, o mediante perfiles laminados de pequeña sección. Los huecos existentes entre las cerchas y el terreno se deberán rellenar con hormigón proyectado. Asimismo, cuando no se emplee chapa Bernold, las cerchas deberán quedar recubiertas por un espesor mínimo de 3 cm de gunita.

6.1.

Características de la entibación metálica

El uso de acero en sus diversas formas de sostenimiento es aplicable a un amplio rango de condiciones del terreno tanto a campo de minería y como en la obra civil esto es debido a las siguientes razones.    

6.2.

Excelente propiedades mecánicas a los esfuerzos de tracción y compresión a los que se ve sometido. Elevado módulo de elasticidad y ductilidad Relativa facilidad para su fabricación y moldeado Es más homogéneo y de fácil control de calidad

Formas típicas de entibación

Los módulos de entibación están compuestos por elementos rectos o circulares y se usan de acuerdo a la sección del túnel.

6.2.1. Sostenimiento Rígido De Acero Se emplean en terrenos cuya expansión es de poca importancia y que no ejerza altas presiones. Su papel principal es el de sostenimiento de forma que evite la caída de bloques, los elementos de acero empleados en su construcción se aplican en las siguientes formas: -

Como vigas, para sostener el techo de una galería, apoyándose en muros de revestimiento o postes. Sistema limitado a techos bajos como es el caso de las galerías.

28


UNAMBA

-

Como arcos, compuesto de arco de segmento curvos de dos, tres, cuatro o más segmentos unidos por unas juntas y roblonados entre si y no llevan articulaciones. - Como anillos o arcos circulares, para aperturas en zona de altas presiones, compuestas de tres o más segmentos roblonados entre sí. 6.2.2. Sostenimiento con arcos de acero Los sostenimientos para arcos de sostenimiento están disponibles comercialmente como vigas y láminas de sección I O H. Estas vigas pueden ser conformadas para adaptarse al diseño del túnel y pueden estar divididos en segmentos para facilitar su transporte y manipulación para pequeños túneles, el arco se compone de dos segmentos que son empalmados en su ubicación y empernados en la corana formando el arco o armadura. Para grandes galerías los dos montantes reforzados de entibación se construyen en dos o más partes dando un total de 4 o más elementos que son empernados entre si formando el arco de sostenimiento. El arriostrado o apuntalado es realizado a lo largo del sostenimiento en situaciones donde las presiones laterales reducen la expansión o asentamiento del terreno. Es fabricado del mismo material del arco y se coloca dándole e suficiente espacio detrás de curvatura (parte convexa) para pasar implantes y tuberías de drenaje y otros servicios instalados en los muros del túnel otra forma de fijar al muro de los arcos contra los movimientos laterales es perforando un barreno al lado de cada uno e insertar un pedazo de tubo o parra de perforación (desechado) contra el cual se apoyara.

6.2.3. Sostenimiento con anillos de acero La entibación en anillo ofrece el sostenimiento más eficiente en terreno donde las altas precisiones tienden a desarrollarse mayormente alrededor de la periferia debido a estrechamientos o expansión de la excavación y en particular en galerías en piso poco firme y con tendencia a hincharse. Estos desarrollan su máxima eficiencia cuando las presiones resistentes se aplican

29


UNAMBA

uniformemente alrededor de la periferia, una condición que seda en terrenos homogéneos que se estrechan o expanden. Los anillos de acero requieren una sección de avance mayor así como más material siendo por ello más cara que los arcos metálicos abiertos en el piso son elaborados de vigas pesadas de sección I O H. cada circulo consiste de dos o más segmentos los cuales son unidas por unas bridas mediante pernos en lugar de sostenimiento.

6.2.4. Sostenimiento con vigas de acero El sostenimiento de túneles galerías con arcos o anillos se realiza actualmente de manera eficiente con vigas de acero laminado (VAL), teniendo gran aplicación en túneles excavados en roca. En general, este medio de sostenimiento es aplicado en los siguientes casos: en macizos rocosos fracturados o muy poco competentes donde lo bulones no son eficientes.  en el caso en que la roca presente potencialmente una extensa facturación y/o posible colapso como consecuencia de la excavación.  En condiciones de elevados esfuerzo in situ debido a las tensiones naturales de la roca. 

El sostenimiento con val se introdujo con túneles en roca para sustituir a los métodos de entibación como consecuencia de esta tenía muchos inconvenientes en su aplicación en roca.

6.2.5. Sostenimiento rígido con vigas de sección H La forma más común usada en viguetas de acero laminado (VAL) es la de sección rígida H, la cual es un cambio peculiar de las vigas de sección H o I están fundamentadas en el concepto estructural de ubicación de la masa de sección lo lejos de eje neutro, dentro de los límites de diseño, a fin d incrementar su resistencia a la fricción. Las principales características de las vigas de sección H que son utilizadas para el sostenimiento se muestran en la tabla 3. El resultado final es una resistencia en el plano x-x que es varias veces mayor que en la resistencia en el plano y-y, aunque el porcentaje cambia según los diferentes tipos de sección. Esta variación en los esfuerzos dirigidos en las vigas de sección H es expresada usualmente en términos del momento de inercia I x e Iy. Se nota el incremento del I x como consecuencia del aumento de la distancia de las alas de las vigas hacia el eje neutro X-X, mientras disminuye su resistencia a las fuerzas de vuelo divido a su relación de esbeltez.

6.3.

Campo de aplicación de los arcos rígidos

El sostenimiento con perfiles de sección H son empleados en obras de túneles en roca como sostenimiento previo, para posteriormente ser, recubierto de hormigón encofrado, ello después de un corto periodo de tiempo en el cual las

30


UNAMBA

deformaciones asociadas con excavación se han producido y aplicado en la entibación de acero. En operaciones mineras es común emplear el sostenimiento de sección H en caso de los cuales el macizo rocoso está sometido a una extensa y progresiva fracturación y desprendimiento por las cargas in situ, además de los esfuerzos inducidos por la explotación; todo lo cual causa en la corona de la excavación masas de roca suelta que requieren ser sostenidas, o también extensos movimientos de terrenos debido a tensiones de campo no hidrostáticas (p.e tensiones tectónicas.

6.4.

Cerchas Reticuladas

Están formadas por una retícula de barras de acero soldadas entre sí de forma que estas cerchas consiguen grandes inercias con poco peso. El solape entre arcos se efectúa mediante tornillos con lo que presentan el mismo inconveniente que las cerchas HEB.

6.5. Ventajas de las cerchas Su resistencia inicial es la definitiva, esto es trabajan desde el primer instante de su colocación Definen claramente la geometría del túnel, lo que ayuda a conseguir los espesores adecuados de hormigón proyectado y a evitar sobre excavaciones o zonas dentro del gálibo. •

•

7. TUNNEL LINER El sistema Tunnel Liner para la construcción de túneles en suelos blandos, consiste en la excavación y ensamblaje interior progresivo y simultáneo de placas de acero, las cuales pueden ser galvanizadas o con recubrimiento epóxido, con o sin revestimiento interior en concreto o como formaleta perdida, dependiendo de las características particulares y necesidades de la obra. La Tuteadora o Escudo es un equipo de construcción que funciona como una estructura de protección para excavar túneles en suelos demasiados blandos o fluidos que no alcanzan a permanecer estables durante el tiempo que toma revestir la excavación con las láminas Tunnel Liner. En efecto la Tuteadora funciona como una 31


UNAMBA

estructura de soporte temporal mientras que el túnel es excavado, para proteger a los trabajadores que realizan las operaciones de excavación, avance mismo del Escudo e instalación del revestimiento. A lo largo de varias décadas y cientos de kilómetros instalados de obras subterráneas, se han realizado proyectos exitosos en la mayoría de los tipos de suelo y con variadas condiciones de uso. TunnelLiner permite construir redes de alcantarillado, cruces viales, atraviesos ferroviarios y piques, además de servi¬cios públicos como redes de gas y electricidad. Durante la última década TunnelLiner se ha transformado en la mejor solución para complejos proyectos en minería tales como: túneles de ventilación, chimeneas y piques de traspaso, entre otros.

7.1. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

7.2.

USOS Revestimientos de estructuras de hormigón dañadas. Revestimiento de túneles carreteros y ferroviarios. Revestimiento de piques y pozos. Pozos de acceso para minas. Conductos o entubamientos para protección de tuberías interiores. Conductos tubulares debajo de carreteras, calles y ferrocarriles. Túneles para correas transportadoras. Pasos inferiores para peatones, ganado, transporte de materiales y redes de servicios públicos. Colectores de aguas servidas. VENTAJAS

1. La construcción de túneles con planchas de acero para revestimientos implica menos excavación y relleno. 2. Evita la construcción bajo zanja abierta, reduciendo los costos. 3. Las planchas de acero galvanizado poseen excelente durabilidad en ambientes agresivos y bajos niveles de mantención. Los Tunnel Liner se fabrican en una gran variedad de tamaños y formas, según las necesidades del proyecto. 32


UNAMBA

Formas geométricas

Estas pueden ser: Circulares, Abovedadas y Pasos inferiores. Diámetro mínimo disponible: 1.200 mm Diámetro máximo: Según requerimientos del proyecto. Las planchas Tunnel Liner se arman anillo por anillo para soportar el suelo que queda expuesto a medida que avanza la excavación. El apernado de dichas planchas se realiza totalmente desde el interior del túnel. Para esto, los pernos de la unión longitudinal tienen cuello de forma cuadrada al igual que el agujero de la plancha en dicha unión, lo que permite apretar la tuerca desde el interior sin que la cabeza del perno.

Tunnel Liner provee la vida útil requerida para cada proyecto específico, para ello se cuenta con recubrimientos y soluciones especiales para cada necesidad, entre los que se destacan: Galvanizado: Las planchas de Tunnel Liner poseen un revestimiento galvanizado por inmersión en caliente (según norma ASTM A-123), lo que le otorga gran resistencia a la corrosión aumentando la vida útil de la estructura.

8. SOSTENIMIENTO CON MALLAS 8.1.

Malla de eslabones

Se trata de tipo de malla que se utiliza para cercas y consiste en un tejido de alambre. El alambre puede ser galvanizado para protegerlo de la corrosión, y por la misma forma de tejerse es bastante flexible y resistente. Pequeñas piedras que 33


UNAMBA

se sueltan del techo se quedan atrapadas en la malla la que puede llegar a soportar cargas considerables de roca suelta dependiendo del espaciamiento entre los puntos del espaciamiento entre los puntos de f ijación. La malla de eslabones no se presta para servir de esfuerzo al concreto lanzado, por la dificultad que hay en hacer pasar el concreto por las mallas.

8.2.

Malla Electro Soldada

La malla soldada es la que se utiliza para reforzar el concreto lanzado y consiste en una cuadricula de alambres de acero que están soldados en sus puntos de intersección. Una malla soldada típica para usarse en excavaciones, tiene alambres de 4.2 mm colocados en cuadros de 100 mm (se llama malla de 100*100*4.2) y se entrega en secciones que pueden ser manejadas por uno o dos hombres. Generalmente la malla soldada se fija a la roca mediante una segunda placa de reten y tuerca o arandelas colocadas sobre los anclajes ya instaladas. El anclaje intermedio lo aseguran anclas cortas cementadas por anclas con casquillos expansor. Se necesita una cantidad suficiente de anclas intermedias para que la malla sea colocada pegada a la superficie de la roca.

34


UNAMBA

La malla electro soldada se usa en combinación con Split set, tanto en labores temporales como en stopes .La malla consiste de una cuadricula de alambres de acero de 4,2mm de diámetro, soldadas en su punto de intersección de cada 3¨.

8.2.1. Controles en malla electro soldada El control en este caso se realiza diariamente y en forma visual, teniéndose en cuenta lo siguiente: -

8.3.

La malla debe estar pegada a la roca. El traslape debe ser de tres cocos y el perno debe de instalarse en el coco central. La malla se debe de instalar a 1.5m del piso.

Malla Simple Torsión / Romboidal Y De Alta Resistencia

La malla romboidal / simple torsión TECCO® es hecha de alambre de acero de alta resistencia con diámetro de 4 mm y con alto límite elástico del acero de 1770 35


UNAMBA

MPa =N/mm2 en mínimo. Este alambre de acero de alto rendimiento tiene una resistencia excelente tanto a corte como a impactos. La apertura de la malla tiene forma romboidal y al lo largo de los bordes laterales del rollo, los alambres son doblados y doblemente torsionados de manera que esta conexión es tan fuerte como la malla misma (véase Figura 1 (a) abajo). La malla es fabricada en rollos y puede ser manufacturada en anchos hasta 5 m y en longitudes hechas a medida (véase Figura 1 (b) abajo). Por el uso de alambre de alto límite elástico, la malla es muy liviana en relación con su resistencia. Para la protección contra la corrosión, el alambre tiene una capa especial de aleación de aluminio y zinc, lo que tiene una resistencia superior contra corrosión comparado a galvanización estándar en caliente.

La geometría de dicha malla fue diseñada de manera que tenga una resistencia altísima a cargas de rotura y una característica de baja deformación, evitando así tanto tasas inadmisibles de deformación o de desplazamiento como de enredarse después de un impacto de “rockburst”. Las propiedades de resis tencia de la malla fueron determinadas en varias series de pruebas en laboratorio por Torres (2002) en la Universidad de Cantabria en Santander, España. Las propiedades de la malla TECCO® G80/4 con diámetro de alambre de 4 mm son resumidas en Tabla1:

36


Instalación de malla romboidal en túneles

UNAMBA

simple torsión de alta resistencia

La diferencia en la instalación de una malla electro-soldada y de una malla simple torsión es la rigidez de los productos. La malla electro-soldada es relativamente rígida y es suministrada y aplicada en láminas. La malla simple torsión solamente es rígida en una dirección pero permite rollarla en otra dirección. Por esto, aquella es suministrada en rollos (Figura 1) y tiene que ser instalada de manera diferente Comparada a la malla electro-soldada. Muchas veces, se realiza una instalación manual de malla simple torsión mediante plataformas móviles de tijeras elevadoras o mediante carretas elevadoras armadas con cestos, pero esto requiere una labor intensiva. Por esta razón, se ha concebido una nueva manera, consistiendo en un equipo sujetador de malla para desenrollarla y sujetara en la superficie del túnel mientras que sea anclada al macizo rocoso con el segundo brazo del “jumbo”. Los

objetivos principales fueron la rapidez y la seguridad de la instalación con el fin de cumplir con ambos requerimientos en minería moderna.

Instalación manual de la malla simple torsión Para instalar malla simple torsión, hay que desenrollarla alrededor del perfil del túnel, y sujetarla a los anclajes. Muchas veces, durante la instalación manual, los anclajes son puestos antes de la malla que es después sujetada a los mismos. Para este propósito, han sido utilizadas plataformas móviles de tijeras elevadoras o carretas elevadoras armadas con cestos (Figura 5)

Estos métodos tienen la desventaja de ser bastante lentos y requieren una labor Intensiva. Además, es difícil llegar a la tensión óptima de la malla, lo que sería importante para minimizar mantenimiento y costos. Adicionalmente, los trabajadores tienen que instalar la malla en un ambiente todavía no sostenido (falta de “over head protection”) lo que no cumple con los últimos estándares de seguridad.

Instalación totalmente mecanizada con equipo sujetador de malla Un equipo sujetador automatizado para rollos de malla romboidal / simple torsión de acero de alta resistencia fue desarrollado y probado exitosamente en Australia para la utilización en trabajos de sostenimiento subterráneo. Este brazo, compatible con cualquier “jumbo” de perforación de brazos múltiples, sirve para colocar la malla enrollada en un sistema de bobina. Dicho equipo sujetador de la malla es ensamblado 37


UNAMBA

a un brazo del jumbo, mientras que la perforadora (“drill -rig”) o “split -set” para los anclajes es ensamblada en otro brazo del “jumbo”. La colocación de malla y la implementación mecanizada de “split -sets” o perno (“bolts”) se realiza al mismo

tiempo. El primer brazo con el equipo sujetador de malla (Figura 6) puede sujetar el rollo de malla, y desenrollarlo a lo largo de la superficie del túnel (transversal al eje del túnel). Para ajustar la malla entre los anclajes, el brazo es armado con un sistema para tensionar y soltar la malla por rotación de la bobina hacia delante y hacia atrás en ambas direcciones. Mientras tanto, el segundo brazo puede anclar la malla al macizo rocoso. Esto es ejecutado paso a paso con el fin de tensionar la malla tanto como sea posible y así tenerla sujetada de manera correcta a la superficie del túnel.

9. MÉTODO BERNOLD El método BERNOLD integral (con cerchas de montaje, chapas continuas solapadas y relleno de hormigón) sigue siendo una opción válida para macizos de calidad mala o muy mala. Sin embargo su utilización ha decaído en España debido a la popularización del Nuevo Método Austríaco. En todo caso la combinación de cerchas HEB con chapas BERNOLD, apoyadas sobre las alas de las cerchas, y con relleno de hormigón bombeado o proyectado, constituye un método muy adecuado para construir sostenimientos rígidos, pesados y continuos. Su empleo es recomendable en las zonas de boquillas y en el cruce de fallas y/o zonas tectonizadas.

38


UNAMBA

10. PARAGUAS DE PRE-SOSTENIMIENTO Con valores del RMR inferiores a 30 es normal utilizar paraguas de bulones de 5 a 6m de longitud, localmente o en la parte superior de la sección. Su necesidad depende de las condiciones de estabilidad del frente en clave y hastiales, y del buzamiento de las capas. Para valores del RMR inferiores a 20 (y para atravesar zonas de hundimiento) es buena práctica la construcción de paraguas de micropilotes, que suelen inyectarse con la técnica de los tubos-manguito. Se trata de un procedimiento lento y costoso pero que puede resultar imprescindible en ciertos casos.

11. EJERCICIOS APLICATIVOS DE SOSTENIMIENTO DE TÚNELES EJEMPLO N° 01: En el túnel LA SHEILITA, se ha realizado sostenimiento con Split set de 15 pies de longitud y con mallas electrosoldadas de cocadas de 10*10 cm y 2 m de ancho y longitud de 20 m, en donde las mallas electrosoldados son colocados a 1m de altura del piso de la labor y los traslapes entre mallas es de 0.20 m. se ha utilizado 6 mallas de 120 cocadas en forma longitudinal cada una y los Split set se ha colocado a distancia de 1.20 m entre sí. La sección del túnel es 10m*8m. a) Calcular la sección de la labor, así como se muestra en la figura b) Calcular el área a sostener c) Calcular número de taladros a sostener

39


UNAMBA

S2

H

S1

A=D

Se muestra el diseño de la labor a calcular la sección. Solución:

a)

Calcular la sección de la labor

S2 = D2 ×  / 8

S1 = D × (H - D / 2) Sección Total = S1 + S2 A = 10m H =8m

S2 = D2 ×  / 8 = 100 *3.1416/8 = 39.27 m 2

R=5m

8m

En la Fig. Se muestra el diseño de la labor a calcular la sección. 40


í   =  *r

UNAMBA

= 3.1416*5m = 15.71m

S1 = A × ( H - A / 2 ) = 10*(8 – 10/2) = 30 m2 Sección Total = S1 + S2 = 39.27 m2 + 30 m2 = 69.27 m2

b) Calcular el área a sostener. Calculando longitud de la labor a sostener = 2 m*6 mallas – 5(0.2) = 11 m de longitud Longitud de la malla = 20 m Área a sostener = 20 m * 11 m = 220 m2

c) Calcular número de taladros a sostener.   

2202

Nº tal =    = 1.2∗1.2 = 152.77 tal (igual a 153 pernos Split set) Nº tal = 153 taladros.

EJEMPLO N° 02: En el proyecto de excavación de túneles CONDEBAMBA – CURAHUASI para ferrocarril de sección de la labor es de 5 m de ancho y 6 m de altura, se requiere hacer un sostenimiento de 21 m de longitud. El sostenimiento se realiza con mallas electrosoldadas de 2 m de ancho, 10*10 cm de cocadas que serán colocadas a 1 m de altura del piso de la labor y con Split set de 7 pies de longitud que se colocan a 1.50 m entre sí. En vista de que la roca tiene 50 de RMR de 3-B de calidad “B” con techo y paredes mojados a ligeros goteos, en donde los traslapes entre mallas es de 0.20 m. sabiendo que el tiempo de perforación del taladro más el tiempo de colocación de Split set en promedio es de 4 minutos el ciclo por taladro y el operador demora 1 minutos en colocar la malla hacia el techo de la labor, así como se muestra en la figura cuyo radio es de 2.5 m. a) Calcular el área sostenida b) Calcular el número de taladros para Split set c) Calcular el número de cocadas de cada malla de sección longitudinal. d) Calcular el tiempo total de sostenimiento

41


UNAMBA

S2

H

S1

A

En la fig. Se muestra el diseño de la labor.

Solución: a) Calculando perímetro del semicírculo de radio 2.5 m

p = *r = 3.1416*2.5 m = 7.85 m

En la fig. Se muestra el diseño de la labor. Perímetro total a un metro de altura del piso de la labor Pt = 7.85 m + 2(2.50) = 12.85 m 42


UNAMBA

Área a sostener = 21 m * 12.85 m = 269.85 m2 = 270 m2 Área a sostener = 270 m2

b) Calcular el número de taladros para Split Set 270 2

Nº tal = 1.5∗1.52 = 120 tal c) Calcular el número de cocadas de cada malla de sección longitudinal Nº coc =

 

12.85 

0.10

0.10

=

= 128.5 = 129 cocadas

d) Calcular el tiempo total de sostenimiento Ts = Nº tal (tiempo/tal) + Nº mallas (tiempo/malla) Nº de mallas =

21  2

= 10.5 = 11 mallas

Ts = 120 *4 + 11 * 1 = 491 min = 8.18 hr

43

Tuneles en Cerro de Pasco.docx

Recommend Documents