09 Guia Diseño Tapones

 

Curs Cu rsoode– Mina Tall Ta ller ery Evaluación de Diseño de Tapones Estabilidad de Pilares Corona Conceptos y Aplicaciones

GUIA PARA EL DISEÑO DE TAPONES Trevor Carter, Ph.D. Luiz Castro, Ph.D. Golder Associates Ltd diciembre 01 de diciemb re de 2006 2006

¿Por qué qué sellar sellar un túnel? túnel? • • •• • • • • •

Retornar Retornar los niveles niveles del agua agua subter subterránea ránea a sus sus condicio condiciones nes previas previas al minado. Saturar Saturar el el macizo macizo rocoso para reducir reducir el drenaj drenaje e ácido de roca. roca. Reduci Red ucirrr el flujo flujo d de elos des descar carga gahacia al m medi edio o ambien amb . amiento Reducir Reduci o regular re gular fflujos lujos la pla planta nta iente de de te. tratamie trat nto de agua. Rete Retene nerr el a agu gua, a, rrel elav aves es o rel relle leno no Evitar Evitar el iingr ngreso eso de mate materia riall de cubiert cubierta a (avalan (avalancha cha de de lodo) lodo) en las aberturas subterráneas Limitar Limitar el grado grado de inundación inundación de las labores labores mineras mineras durant durante e el cierre de una mina para evitar el drenaje ácido de roca Sellar Sellar las labor labores es abandonad abandonadas as y ev evitar itar el ing ingreso reso de agua agua a una una mina adyacente Sellar Sellar los tún túnele eless de der deriva ivació ción n de la pres presa a

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Aplicaciones de Tapones Permanentes de Túneles Diversion Tunnel

Aquifer 

Drenaje de Mina a Tajo  Abierto y Túneles de Exploración

Inundación de labores subterráneas para evitar el Drenaje Ácido de Mina

Sellado de una parte inundada de una mina

Tailings Pond

Prevenir el ingreso de agua del tajo a la mina subterránea

Taponeo del Túnel de Derivación ón alrededor de la Presa de Relaves

Ref.: TSS (1999) – Diseño y Construcción de Tapones Tapones de Túneles

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Mina Britanni Britanniaa – Medidas Medidas de Preven Prevención ción d dee Contamin Contaminación ación

Ref.: TSS (1999) – Diseño y Construcción de Tapones Tapones de Túneles

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Clasificación de Estructuras de Contención • Ni Nive vell de de car carga ga hidrá hidrául ulic ica a • Est Estruct ructuras uras tempor temporale aless o perm permanen anentes tes • Secc Seccion iones es de concret concreto o simp simple le (mo (monolít nolítico ico)) o múlti múltiple ple (núcleo hueco o compuesto) • Forma:  – indentados  – de lados paralelos  – cónicos  – de núcleo hueco

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Presión en Tapones 600 m 500 m 400 m 300 m

200 m 100 m Tapón del Túnel

0m

Grande Grand e Dixence Dam, La presa de concreto más alta del mundo, 285 m

Tapones de Túneles de Mina frecuentemente diseñados para alturas de 500 m. Algunos dis diseñados eñados sobre 1000m.

Ref.: TSS (1999) – Diseño y Construcción de Tapones Tapones de Túneles

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Carga Hidráulica Hidráulica vs Estructuras Temporales Temporales y Permanentes Permanente, C arg a Hidrául Hidráulica ica A lt lta a

Tapones Muros de Separación Cercos de relleno, Barricadas

Temporal, C arg a Hidráulica B aja

Presas Subterráneas

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Definición de Estructuras Estructuras de Contenció Contención n - Presas

• Pr Pre esas sas (Temporal)  – Usadas para almacenar agua para perforación, sumideros o para derivar agua  – Presión baja < 2 m

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4

 

Cercos de Relleno • Ce Cerco s o Ba Barri rricad cadas as10 (>10 m m)) 11

Estr Es truct uctur uras as de Cont Conten enci ción ón Pe Perm rmane anent ntes es - Ta Tapo pone ness • Tapo Tapones nes que p perma ermanec necen en de después spués del cie cierre rre d de e minas • Dis Diseñad eñados os con con al altos tos fact factores ores de seguri seguridad dad • Req Requie uieren ren un cont control rol de ccali alidad dad rrigu iguroso roso •  S ólo s e us ará el términ término o Tapón (como barrera  permanente o muro de separación para la contención de fluidos bajo presión) en este curso.

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Ejemplos de Tapones de Concreto Indentado

Tapón Cónico Tapón Cónico (monolítico)

Tapón de Lado Ladoss Paralelos Parale los (monolítico) (monolítico)

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Ej Ejem emplo ploss de Tap Tapone oness de C Conc oncre reto to de N Núcl úcleo eo Hu Hueco eco Tapón de lados paralelos con acceso acceso para para personal

Tapón de Núcl Tapón Núcleo eo Hueco Hueco (o compuesto) Sección Sec ción sólida sólida con muesca mue scass más Núcleo Núc leo húe húeco co Debajo Deb ajo de la ga galer lería ía del relleno 14

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Núcleo Núc leo Monolí Monolític tico o y Hueco Hueco • Ta Tapo pone ness de Co Conc ncre reto to M Mon onol olíítico tico  – Túnel de diámetro pequeño < 6 m  – Construido mediante vaciado simple o múltiple de concreto sin refuerzo de acero • Tap Tapone oness de Núc Núcle leo oH Hue ueco co  – Túneles con diámetros grandes > 6m  – Usados para facilitar relleno de contacto  – La galería puede quedar sin rellenarse en caso que el diámetro del tapón sea igual o mayor que 3 veces el ancho de la galería de relleno 15

Formaa del Tapón: Form Tapón: Núcleo Núcleo Hueco Hueco •

Diseño Diseño ccomú omún n para para los los túnele túneless de deri derivac vación ión de de presas hidroeléctricas (túnel de diámetro grande)

• • •

Consid Considera era la lal a aspere asp ereza za natur natural al del del túnel túnel para para la resistencia corte rellen relleno o de conta contacto cto alrede alrededor dor del túnel inyecc inyección ión de con concre creto to de de conta contacto cto y de consolidación desde la galería de inyección de concreto cont contie iene ne junt juntas as de co cons nstr truc ucció ción n

Sección cruzada

•

Sección Longitudinal Ref.: TSS (1999) – Diseño y Construcción de Tapones Tapones de Túneles

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Pasos para el Diseño de Tapones 1. Definir:  – Tipo, características y control de altura de presión del fluido a contenerse  – Área y perímetro de la sección del túnel  – Cargas dinámicas (impactos) potenciales potenciales

2. Colecc Colección ión de d datos atos geotécnic geotécnicos os e hidroge hidrogeológic ológicos os  – Material de cubierta y macizo rocoso rocoso

3. Eva Evalua luación ción de la est estabi abilid lidad ad 4. Mat Materi eriale aless y espe especif cifica icacio ciones nes de cons constru trucción cción 5. Con Contro troll de Cal Calida idad d y Monito Monitoreo reo 17

Ingeniero Calificado • • • •

•

Deberán Deberán realizarse realizarse estudios estudios geotéc geotécnicos nicos y estructu estructurales rales apropiados apropiados para determinar la estabilidad a largo plazo del tapón Estos estudios estudios deberán deberán ser rea realizad lizados os y ce certif rtificados icados por ingenie ingenieros ros estructurales y geotécnicos profesionales debidamente calificados Inge Ingeni nier ero o Cali Califi fica cado do

“Ingeniero o grupo de ingenieros con experiencia en el diseño diseño de tapones y desarrollo y aplicación de especificaciones para concreto, encofrado, refuerzo de acero y/o relleno.” También se requiere de personal experimentado para realizar la inspección geotécnica de la ubicación del tapón y para asegurar una construcción adecuada adecuada de lo loss tapones de túneles. Deberá contarse con la disponibilidad de un ingeniero calificado para toda la construcción de los tapones. Por lo general, esta persona se será rá contratada por el proponente co como mo contacto con el contratista, según solicitud específica.

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Datos Generales • Com Composi posicio ciones nes q quími uímicas cas b bási ásicas cas d del el flfluid uido o  – pH, metales disueltos y sulfatos • Dat Datos os sobre sobre llas as condic condicion iones es de la la supe superfi rficie cie,, incluyendo:  – La topografía superficial cerca al área del futuro tapón, incluyendo carreteras, edificios, puntos de referencia y detalles de los estudios  – Presencia o ausencia de un cuerpo de agua  – Área superficial que sería afectada por la caída de un pilar corona  – Topografía de interfase del lecho de roca y material de cubierta 19

Colección de Datos Geotécnicos e Hidrogeológicos • Geo Geolog logía ía y geo geologí logía a est estruct ructura urall • Car Caract acterí erísti sticas cas d del el m mate ateria riall de ccubi ubierta erta  – geotécnicas  – hidrogeológicas • Car Caract acterí erísti sticas cas del mac macizo izo roco rocoso so  – geotécnicas  – hidrogeológicas • Esf Esfuer uerzo zo in in sit situ u de la la roc roca a que rode rodea a al ttapón apón • Ac Actitivi vida dad d sísm sísmic ica a 20

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Ubicación del tapón • El tapó tapón n de debe berá rá ub ubic icar arse se::  – Cuando la roca sea competente y esté libre de significativas características geológicas como rupturas, zonas de corte, etc…;  – En un área que no esté altamente comprimida y lejos de otras aberturas minadas  – Aguas abajo de cualquier filtración, todo el agua que ingresa es contenida  – En donde el esfuerzo in situ excede al aplicado por la altura altura del agua para evitar la abertura de fracturas  – Cuando la permeabilidad general de la roca circundante es baja  – A una distancia adecuada de cualquier tajeo, punto punto de extracción o de zonas mineras activas 21

Evaluación Evalu ación de la Estabili Estabilidad dad – Tipos de Inesta Inestabilid bilidad ad 1.

Rup Rupttura por cco ort rte e  –

 2.

 –

 3.

Ruptura por corte en el el concreto, a lo largo de dell contacto del cconcreto oncreto y ro roca ca o en el macizo rocoso

R uptur uptura a por flex flexió ión n de vig vi g a pr profun ofunda da

Generalmente ocurre como como ruptura confinada en el el mismo material del tapón

R uptur uptura a por levanta levantamiento miento hi hidráuli dráulico co  –

Ocurre a lo largo de la interfase concret concreto o y roca del tap tapón ón o en discontinuidades del concreto en la roca que rodea el tapón

4. R up upttura debid debida a a filt filtración ración e excesiva xcesiva  –

 5.

Falta de contacto contacto en la interfase, efectos de erosión bajo gradientes hidráulicos muy altos a lo largo del eje del tapón

R uptur uptura a fí físs ic a y quí químic mica a a la larr g o pl plazo azo del c onc oncreto reto

del tapón, inyecciones, o capas o inclusiones en la roca circundante. circundante.

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Criterios de Diseño para Tapones Permanentes Tipo de Caída Potencial

Criterios de diseño

por or Corte – 1) Dis eño p ruptura por corte a lo largo del contacto roca/concreto o en el macizo rocoso, o a lo largo de las discontinuidades de orientación adversa

Esfuerzo cortante permisible de acuerdo, por ejemplo, al criterio de ruptura de Hoek-Brown. Esfuerzo cortante permisible de acuerdo acuerdo a ACI (American Concrete Institute), CSA (Canadian Standard Association Association)) o el código equivalente aprobado en Perú.

uptura ura 2) R upt

por flexión de Vig a Pr ofunda

Esfuerzo de flexión permisible permisible según el código de ACI. F.S. > 3.0 condición normal F.S. > 1.5 condición de terremoto

3) Levantamiento

F.S. > 1.3 condición normal (análisis del esfuerzo total) F.S. > 1.1 condición de terremoto (análisis del esfuerzo total)

de la roca que

F.S. > 3.0 condición normal F.S. > 1.5 condición de terremotos y para la presión hidrostática total de lodo y relaves (con gravedad específica igual a 2) F.S. > 1.1 para la condición (impacto directo) de avalancha de lodo (dinámica)

rodea el tapón. Hidráulico 23

Cr Crititer erio ioss de Diseño Diseño par para a Ta Tapo pones nes Pe Perm rman anent entes es Tipo de caída potencial

Criteros Crite ros de Diseño

4) Gradiente

a) Gradiente hidráulica en base a los métodos empíricos de diseño

Hidráulica(oy Filtración Filtración excesiva) alrededor del tapón para evitar el socavamiento y erosión erosión de las paredes del túnel aguas abajo.

b) Para las condiciones estáticas, debe usarse un factor de seguridad mínimo de 2.5 para asegurar la l a gradiente de presión en el muro de separación, usando el enfoque de Sudáfrica (i.e., Garrett & Campbe Garre Campbell-Pitt, ll-Pitt, 1958 and and 1961 1961). ). c) Para condiciones (dinámicas) de avalancha de lodo, se debe adoptar un factor de seguridad de 1.5.  Además, para los tapones construidos construidos para retener el drenaje ácido de roca deberá verificarse los siguientes ccriterios riterios de “Rendimiento”  Rendimiento” :: d) Reducción de la conductividad hidráulica del contacto y macizo rocoso que inmediatamente rodea al tapón al menos a 10-7 m/s con inyección inyección de concreto (si fuera necesario). e) Limitar filtración a gotas ocasionales en el tapón y menores a 1 L/s medidas a 20 m debajo del tapón.

5) Desintegración

> 30 MPa MPa resistencia a la co compresión. mpresión. Mezcla de concreto a diseñarse con los mejores estándares posibles para su resistencia al ataque de acidez, sulfato, y reactividad a agregados de alcalis.

del concreto concr eto a larg larg o pla plazo zo

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Di Dise seño ño po porr Co Cort rte e Fue Fuerza rza Resisten Resistente te = τPL

h1 Fuerza Desestab Fuerza Desestabilizante ilizante = Aγ g(h g(h2+h1)/2

h2

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• •

Di Dise seño ño po porr Co Cort rte e - Conc Concre reto to (a) Verificar la Resistencia al Corte del Concreto El esfu esfuer erzzo ccor orta tant nte ep per ermi misi sibl ble e (f (fss ) para el concreto no reforzado es determinado por ACI (1972):  

• • •

 f   s  ' = 166   .1

f  c '

está tá en M MPa Pa y fs fs es En donde: fc  es determinado por kPa Para el concreto 25 MPa - fs = 830 830 kPa y par para a 30 MPa, fs = 910 kPa  

 

 

 

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13

 

Di Dise seño ño po porr Co Cort rte e - Conc Concre reto to •

Es Está tánda ndares res Bri Britá táni nico cos, s, para para la es estitima mació ción n de dell esfuerzo cortante permisible para el concreto reforzado (Audi, 1983) Direct Bending compression Compression or bearing,

Type of Stress

CP114:1969value †

Grade (characteristic strength, f cu, MPa)

25 30 35 40 45 50 55

Pc (MPa) f cu/2.73

Pb (MPa) 0.75f cu/2.73

9.16 10.99 12.82 14.65 16.48 18.32 20.15

6.87 8.24 9.62 10.99 12.36 13.74 15.11

Concrete to Beam shear  rock interface Beam shear  (Manning, 1961) bearing*, (MPa) Pbc (=3.75Ppe) 0.1Pc (MPa) (MPa) 0.75f cu/4 (f cu/50)+0.27 Max.=0.90 4.69 5.63 6.56 7.5 8.44 9.48 10.31

0.77 0.87 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90

Concrete to Punching shear  rock interface (Manning, 1961) punching shear*, Ppe Pp(=0.2Pc) (MPa) (MPa) 0.75f cu/4

0.92 1.10 1.28 1.47 1.65 1.83 2.02

1.84 2.2 2.56 2.94 3.3 3.66 4.04

1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75

* Based on a factor of safety = 4 † British Standards Institution (1969) 27

Resistencia al Corte del Macizo Macizo Rocoso • Crit Criterio erio de Resi Resistenci stenciaa por Hoek & Brown  – Basado en la clasificación del macizo rocoso rocoso  – Índice de Roclab Resistencia Geológica Geológica (GSI) )  – Estimación Puede usar del el programa (www.rocscience.com) www.rocscience.com  – Considera un confinamiento de 0 MPa para tapones no inyectados y de 0.5 MPa para tapones inyectados inyectados a presión.  – Se debe aplicar al menos un factor de seguridad de 3

• Criterio Empírico  – Benson (1989) – Práctica de ingeniería civil • Ya incluy incluye eu un n ffactor actor de se segurid guridad ad > 3 • Considera Considera tapones tapones n no o iinyect nyectados ados

 – Garrett & Campbell (1961) – Práctica minera en Sudáfrica 28

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Diseño Diseñ o de Resistencia Resistencia al Corte Corte y Gradie Gradientes ntes Hidráulica Hidráulicass (según Benson, 1989)

Condición General de la Roca RMR – Clasificación del Macizo Rocoso

Roca Muy Buena Masiva, dura, con pocas discontinuidades 81