DISEÑO DE TUNELES Y OBRAS SUBTERRANEAS - Piura 2012

Mina Huanuni – Oruro - Bolivia

 Ing. CIP. CIP. CARLOS GARCIA – IESA SRL BOLIVIA

Túnel Misicuni – Cochabamba - Bolivia

 PIURA - PERU, NOVIEMBRE 2012

Diseño de Túneles y Obras Subterráneas

Diagrama conceptual mostrando las principales disciplinas que deben ser tomadas en cuenta para el diseño de cualquier obra subterránea y tunelería

Ingeniería In geniería de Rocas.

(Geología estructural, Mecánica de Rocas, Geomecánica)

Diseño de:

Diseño de Túneles y Obras Subterráneas

Diagrama conceptual mostrando las principales disciplinas que deben ser tomadas en cuenta para el diseño de cualquier obra subterránea y tunelería

Ingeniería In geniería de Rocas.

(Geología estructural, Mecánica de Rocas, Geomecánica)

Diseño de:

Diseño de Túneles y Obras Subterráneas

GEOMECANICA Definición: Es la ciencia de la ingeniería que estudia los suelos y los materiales rocosos, lo mismo que a los macizos rocosos. La Geomecánica contribuye a un numero de disciplinas tales como: Ingeniería de Minas, Civil, Geológica, Petrolera y de Gas Natural. Estas disciplinas se estudian el diseño y la construcción de algunos proyectos, tales como: Minas, túneles, fundaciones, estabilidad de taludes, piques, perforaciones en la búsqueda de petróleo y gas, etc. Objetivos: 1.- Para dimensionar y diseñar las diversas excavaciones subterráneas (túneles, galerías, chimeneas, etc.) 2.- Para seleccionar los diversos sistemas de sostenimiento que deben de usarse en las excavaciones subterráneas.

Diseño de Túneles y Obras Subterráneas

Importancia : Conociendo todas las propiedades de los especímenes de las diferentes rocas, como las irregularidades de estas deben ser sistemática y adecuadamente categorizadas. Las características mas importantes son: 1.- Características estructurales del macizo rocoso: Tipos de rocas, frecuencia de variación, límites geométricos de las diferentes estructuras. 2.- Discontinuidades del macizo rocoso: Planos de pandeo, planos de esquistosidad y clivaje, fracturas, fisuras, contactos, fallas, etc. 3.- La presión de la roca debido a la gravedad y/o esfuerzos tectónicos, incluyendo los procesos de excavación.

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CARACTERIZACION DEL MACIZO ROCOSO Nombre de la clasificación

Forma y tipo

The Terzaghi rock load Descriptive classification system behaviouristic functional type Lauffer s stand-up classification

Principales aplicaciones

and For design of steel support in Terzaghi, 1946 form tunnels

time Descriptive form general For input in tunnelling design type

The new Austrian tunnelling method (NATM)

Descriptive behaviouristic tunnelling concept

Referencias

Lauffer, 1958

and For excavation and design in Rabcewicz, Müller an form incompetent (overstressed) Pacher, 1958-64 ground

Rock classification for rock Descriptive form general For input in rock mechanics mechanical purposes type

Patching and Coates, 1968

The unified classification of Descriptive form general Based on particles and blocks for Deere et al., 1969 soils and rocks type communication The rock quality designation Numerical form general (RQD) type

Based on core logging; used in Deere et al., 1967 other classification systems

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Nombre de la clasificación

Forma y tipo

Principales aplicaciones

Referencias

The rock structure rating Numerical form functional type (RSR) classification

For design of (steel) support in Wickham et al., 1972 tunnels

The rock mass rating (RMR) Numerical form functional type classification

For use in tunnel, mine and Bieniawski, 1973 foundation design

The NGI Q classification Numerical form functional type system

For design of support underground excavations

The typological classification Descriptive form general type

For use in communication

Matula and Holzer, 1978

The unified classification system

For use in communication

Williamson, 1980

Usado en galerías.

Williamson, 1980

The unified rock classification system

rock Descriptive form general type Forma descriptiva y tipo general

A nivel mundial existen diversos sistemas de caracterización del macizo rocoso, pero los mas usados son los siguientes: Rock Quality Designation (RQD-Index).



in Barton et al., 1974

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ROCK QUALITY DESIGNATION (RQD) El geólogo norteamericano D. Deere, que desarrollaba su trabajo profesional en el ámbito de la Mecánica de Rocas, postuló que la calidad estructural de un macizo rocoso puede ser estimada a partir de la información dada por la recuperación de testigos intactos, sobre esta base propone el índice cuantitativo RQD (Rock Quality Designation) el cual se define como el porcentaje de testigos recuperables, con una longitud mayor o igual a 10 cm.

 RQD 



 Longitud  total  de testigos



10cm.

 x100

 Longitud  total 

Basándose en los rangos de los valores del RQD, el macizo rocoso puede ser caracterizado según la valoración siguiente:

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RQD (%)

Calidad de la Roca

100 – 90 90 – 75 75 – 50 50 – 25 25 – 00

Muy buena Buena Mediana Mala Muy mala

En caso que no se cuente con testigos adecuados, el RQD puede ser calculado, definiendo un RQD superficial según la siguiente expresión matemática:

 RQD  115  3.3  x  J v (%) Donde: Jv = Numero de contactos por metro cúbico

Diseño de Túneles y Obras Subterráneas

 RQD  100e   

 N º discontinu idades m

0.1 1

0.1 

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ROCK MASS RATING SYSTEM (RMRs) El sistema de caracterización del macizo del macizo rocoso (RMRs) fue desarrollado por Bieniawski En 1973. Esta caracterización ingenieril de los macizos rocosos utiliza los siguientes 6 parámetros, todos los cuales son medibles en el campo; y también pueden ser obtenidos de la base de datos (laboratorios). 1. Resistencia compresiva uniaxial del macizo rocoso (Sc). Resist. a la Compresión Simple 2. Designación de calidad de roca (RQD). Indice de Calidad de Roca 3. Espaciamiento de las discontinuidades. Distancia entre diaclasas 4. Condición de las discontinuidades. Abertura de diaclacas, continuidad, estado, presencia de relleno, etc. 5. Condición de agua subterránea. Medir la influencia del flujo de las aguas subterráneas 6. Orientación de las discontinuidades. El valor del RMR se calcula de la siguiente manera: 1

2

3

4

5

6

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Las siguientes clases de los macizos rocosos son definidos por el valor RMR: RMR

Clase Nº

Clasificación

100 – 81 81 - 60 60 - 41 40 - 21 < 20

I II III IV V

Roca Muy buena Roca Buena Roca Regular Roca Pobre Roca Muy pobre

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CLASIFICACION GEOMECANICA RMR (BIENIAWSKI, 1989 – Parámetros de Clasificación)

1

   a    i    a    t    c   c    n   a    t    e    t    n    i    s    i    s   a    e   c    R   o    r

Ensayo de Carga Puntual

> 10

4 - 10

2-4

1-2

> 250

100 - 250

50 - 100

25 - 50

5 - 25

1-5

2

0.6 - 2

0.2 - 0.6

0.06 - 0.2

< 0.06

20

15

10

8

5

Muy rugosas, discontinuas, cerradas, bordes sanos y duros

Algo rugosas, separación < 1 mm, bordes duros

Algo rugosas, separación < 1 mm, bordes blandos

Espejos de falla, relleno < 5 mm, separación 1 - 5 mm, diaclasas continuas

Relleno blando > 5 mm, separación > 5 mm, diaclasas continuas

30

25

20

10

0

Caudal / 10m de túnel (l/min)

Nulo

< 10

10 - 25

25 - 125

> 125

Presión de agua

0

0 - 0.1

0.1 - 0.2

0.2 - 0.5

> 0.5

Estado general

Seco

Ligeramente húmedo

Húmedo

Goteando

Fluyendo

(Mpa) Compresión Simple (Mpa) Valoración RQD

2 3

4

Valoración

Separación entre diaclasas (m) Valoración

Estado de las diaclasas

Valoración

5

   a    c    i    t    á    e    r    f    a    u    g    A

Valores bajos, efectuar ensayos compresión uniaxial

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ORIENTACION DE LAS DIACLASAS: RUMBO PERPENDICULAR AL EJE DEL TÚNEL EXCAVACIÓN CON BUZAMIENTO

RUMBO PARALELO AL EJE DEL

TÚNEL

EXCAVACIÓN CONTRA BUZAMIENTO

BUZAMIENTO 0° - 20° CUALQUIER DIRECCIÓN

buzamiento 45° - 90°

buzamiento 20° - 45°

buzamiento 45° - 90°

buzamiento 20° - 45°

buzamiento 45° - 90°

buzamiento 20° - 45°

Muy favorable

Favorable

Media

Desfavorable

Muy desfavorable

Media

Desfavorable

CORRECCION POR ORIENTACION DE LAS DIACLASAS: Relación rumbo diaclasa/eje túnel

Valoración

Muy favorable

Favorable

Media

Desfavorable

Muy Desfavorable

Túneles

0

-2

-5

-10

-12

Cimentaciones

0

-2

-7

-15

-25

Taludes

0

-5

-25

-50

-60

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CLASIFICACION: CLASE

I

II

III

IV

V

CALIDAD

Muy buena

Buena

Regular

Mala

Muy mala

VALORACIÓN

100 - 81

80 - 61

60 - 41

40 - 21

< 20

CARACTERISTICAS: CLASE

I

II

III

IV

V

10 años con 5m de vano

6 meses con 4m de vano

1 semana con 3m de vano

10 horas con 1.5m de vano

10 minutos con 0.5m de vano

COHESIÓN (KPa)

> 400

300 - 400

200 - 300

100 - 200

< 100

ÁNGULO FRICCIÓN

> 45°

35° 45°

25° 35°

15° -. 25°

15°

TIEMPO DE SOSTENIMIENTO  Y LONGITUD

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CLASES DE MACIZOS ROCOSOS EN FUNCIÓN DEL INDICE TOTAL (RMR)

RATING 100 - 81 80 - 61 CLASE I II TIPO DE ROCA MUY BUENA BUENA

60 - 41 III REGULAR

COHESION (Kpa) > 300

200 - 300

150 - 200

100 - 150

40 - 45

35 - 40

30 - 35

ANGULO DE FRICCIÓN INTERNA (°)

> 45°

40 - 21 IV MALA

< 20 V MUY MALA < 100 < 30

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ABERTURAS MAXIMAS DE LAS EXCAVACIONES Se pueden determinar mediante los valores de Q y RMRS según las siguientes correlaciones matemáticas: Máxima abertura sin sostenimiento = 2 (ESR) Q0.4 RMRS sin sostenimiento = 22 ln DE + 25 Máxima abertura sin sostenimiento de la excavación = ESR* exp((RMR – 25)/22) CATEGORIA DE LA EXCAVACION a) Labores Mineras Temporales. b) Labores Mineras Permanentes, Túneles para Agua de Centrales Hidroeléctricas, Túneles Pilotos, Accesos a Grandes Excavaciones. c) Depósitos Subterráneos, Plantas de Tratamiento de Agua, Túneles Ferrocarriles Menores, Túneles Carreteros Menores y Túneles de Acceso. d) Casas de Fuerza, Túneles Carreteros y Ferrocarrileros Mayores Subterráneos de Defensa Civil, Intercepciones de Galerías

ESR 3-5 1.6 1.3 1.0

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DE es la dimensión equivalente, definida como:



 DE  

 Ancho o altura de la excavaciòn  ESR

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DIAGRAMA PARA DISEÑO EMPIRICO DE SOPORTES EN TUNELES USANDO EL SISTEMA Q

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NGI SISTEMA DE CLASIFICACION DE BARTON Q Llamado también Índice de Calidad Tunelera. Este sistema es uno de los mas usados en nuestro medio, debido a la interrelación con el sistema de clasificación de Bienawski (RMR S). Primero se calcula el RMRs y luego se determina el valor de Q. El sistema propuesto por el Dr. N. Barton, considera seis parámetros para definir la calidad de un macizo rocoso, que son los siguientes: RQD : Parámetro definido por Deere (1964) Jn : Número de contactos. Jr : Numero de rugosidades. Ja : Numero de alteraciones Jw : Condición de agua subterránea SRF : Factor de reducción del esfuerzo.

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Para calcular el índice Q se usa la siguiente expresión matemática:

  RQD     J r       J w   Q    J    x   J    x n       a     SRF   El valor de Q puede variar aproximadamente entre 0,001 a 1000, dentro de este rango se definen nueve calidades de roca, tal como se muestra en la tabla siguiente: CALIDAD DE ROCA Excepcionalmente mala Extremadamente mala Muy mala Mala Regular Buena Muy buena

Q 0.001 – 0.01 0.01 – 0.1 0.1 – 1.0 1.0 – 4.0 4.0 – 10.0 10.0 – 40.0 40.0 - 100.0

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Índice de la Calidad del Túnel Vs. Dimensión Equivalente

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Zona del Grafico Sostenimiento Recomendado (Modificado del Original, 1989) Zona “A”  Sostenimiento no requerido Zona “B” Pernos puntuales a 1.5 -3m 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 – 1.0 m Zona “G”  Arcos de Acero y Concreto

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Zona del Grafico Sostenimiento Recomendado (Modificado del Original, 1993)

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DISEÑO DE UN TÚNEL

Diseño de Túneles y Obras Subterráneas

DISEÑO DE UN TÚNEL I

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ESTRATIG RAFIA CUATERN ARIO Qa Qc Qd

Depósit os aluviales Depósitos coluviales Depósitos de deslizamientos (artificial)

 CRETÁCICO K1

Unidad K1

PÉRMICO P3 P2

P1

Unidad P3 Unidad P2

Unidad P1

CAR BÓNICO C8 C7

C6

C5

C4 C3 C2 C1

Unidad C8 Unidad C7

Unidad C6 Unidad C5

Unidad C4 Unidad C3 Unidad C2 Unidad C1

S I M B O L O S G E O L O G IC O S

S I M B O L O S T O P O G R A F I CO S

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TI PO DEEXC.

P1

C8

P2

C7 C6 P3 C5

K1

C4 C3 C2

REFERENCIAS       O       C       I       C        Á       T       E       R       C

      O       C       I       M       R        É       P

LONGITUD(m)

%

1 165 13.8 2 256 21.3 3 348 29.0 4 272 22.7 5 19 1.6 6 60 5.0 7 40 3.3 8 40 3.3 Nota:estas longitudes sone stimacionesy puedenvariar durante al ejecucionde laexcavacion

      O       R       E       F        Í       N       O       B       R       A       C

Diseño de Túneles y Obras Subterráneas

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Sección 4 Lutitas de Color Marrón Malla de Elementos Finitos pseudo-tridimensionales Elaboración en 3 etapas: 1º Etapa: Contorno de Esfuerzos Primarios 2º Etapa: Excavación de calota y primera etapa de colocación de elementos de soporte (shotcrete, anclajes) 3º Etapa Excavación de destroza y segunda etapa de colocación de elementos de soporte (shotcrete, anclajes)

Lutitas de Color Marrón Peso Específico Módulo de Young`s Razón de Poisson Criterio de Falla Esfuerzo de Tensión Cohesión Cohesión Residual Ángulo de Fricción Efectivo

= 0.024 MN/m3 = 1581 MPa = 0.30 Mohr – Coulomb = 0.018 MPa = 0.309 MPa = 0.309 MPa = 33º

Shotcrete Módulo de Young`s Razón de Poisson Pernos de Anclajes f Módulo de Young`s Carga de Diseño Carga Residual Separación sobre el eje del tunel

= 0.40 m = 15000 MPa = 0.18 = 38 mm = 200000 MPa = 0.10 MN = 0.01 MN =1m

Diseño de Túneles y Obras Subterráneas

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SOFTWARES APLICABLES A MECANICA DE ROCAS Y GEOMECANICA En la actualidad los doctores Bawden, Hoek y Kaiser han desarrollado algunos softwares muy didácticos para ser aplicados en la caracterización del macizo rocoso, entre los cuales se tiene: DIPS •

Phases

•

Rocklab

•

Rockscince

•

Unwedge, etc., etc.

•

Cada uno de estos softwares tienen sus ventajas, desventajas y limitaciones. Por otro lado, se debe tener en cuenta que dichos softwares han sido diseñados y elaborados para otras realidades (macizos rocosos). Por lo tanto, la aplicación de estos softwares en las diversas operaciones mineras y tuneleras, deben ser tomadas como una guía, por que pueden darse algunos casos

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RECOMENDACIONES DE TIPOS DE SECCION Para tener mejores condiciones de estabilidad de las labores mineras, se deberán evitar las formas cuadradas o rectangulares de las excavaciones y en general las formas esquinadas. Los techos en forma de arco de las labores de avance y de los tajeos, significan condiciones de estabilidad favorables.