q de Barton Word Velez

“Año del Diálogo y la Reconciliación Nacional”

UNIVERSIDAD NACIONAL NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA DE MINAS

EL SISTEMA Q DE BARTON PARA LA SELECCIÓN DEL SOSTENIMIENTO EN LA EXCAVACIÓN DE TÚNELES 

CURSO: TUNELES Y MOVIMIENTOS DE TIERRAS

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CICLO: VIII

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CICLO ACADEMICO: 2018 - 0

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ALUMNO: VELEZ REA MARTIN

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DOCENTE: DR. ING. BADAJOZ LOAYZA RAUL

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FECHA: LUNES 19 DE MARZO MARZO DEL 2018

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INDICE 1. INTRODUCCIÓN…………………………………………..……P ág. 03 2. EL SISTEMA Q DE BARTON DE DE CLASIFICACIÓN CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS………….……………………P ág. 04 3. EL CÁLCULO DEL ÍNDICE Q DE BARTON BARTON EN LA PRACTICA………………………………………………………P ág. 11 4. EL FACTOR FACTOR SRF SRF EN ROCAS DURAS…...…………………Pág. 16 5. INFLUENCIA DEL METODO DE EXCAVACIÓN EXCAVACIÓN……......…Pág. 20 6. RECOMENDACIONES DE SOSTENIMIENTO SEGÚN EL SISTEMA Q ACTUALIZADO……………………P ág. 21 7. APLICACIÓN DEL SISTEMA Q EN PROYECTOS DE EXCAVACIÓN DE TÚNELES MEDIANTE TBM……..…Pág. 29 8. CONCLUSIONES……………………….……………….………P ág. 33

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1. INTRODUCCIÓN Desde tiempos remotos, en el sector de la excavación de túneles se fundamenta en la experiencia acumulada durante años tanto por empresas, como por los encargados de prestar asesoramiento técnico a las empresas en procesos de investigación, diseño y preparación de ofertas para distintas obras subterráneas. La utilización del hormigón proyectado con fibras de acero aplicado por vía húmeda, así como la clasificación geomecánic geomecánica a cuantitativa de los macizos son dos características comunes a todos los proyectos de obras subterráneas, constituyendo los pilares básicos de lo que se ha dado en llamar como Método Q de Barton de Excavación de Túneles. La clasificación cuantitativa del macizo rocoso se basa en el denominado Sistema Q, que es un sistema de clasificación de las rocas basado en el índice Q, desarrollado por Barton en 1974, a partir de un conjunto de datos procedentes de distintos casos reales, en los que se contrastó la calidad de las rocas existentes y los sostenimientos aplicados en las distintas obras. El índice Q se popularizó rápidamente, llegando en la actualidad a constituir una referencia esencial, junto con el índice RMR de Bieniawski, en el diseño de toda obra subterránea. En 1994, 20 años después de su creación, se realiza la última actualización del Sistema Q, basada en las correlaciones empíricas entre el espesor de hormigón proyectado, el espaciamiento entre bulones y la calidad del macizo rocoso de un total de 1.050 nuevos casos registrados, procedentes en su mayoría de los principales túneles de carreteras construidos durante los últimos diez años.

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2. EL SISTEMA Q DE BARTON DE CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS Después de un extenso período de ensayos y tanteos ejecutados en el año 1973, se consideraron finalmente un total de seis parámetros y un conjunto de categorías dentro del Sistema Q. De acuerdo con este sistema de clasificación, la calidad del macizo rocoso puede definirse mediante la expresión: El rango de valores numéricos que puede tomar el índice Q de calidad de la

roca

oscila

entre

0,001

(excepcionalmente

mala)

y

1.000

(excepcionalmente buena). Los seis parámetros pueden estimarse a partir de la cartografía geológica de la zona y de la descripción de los testigos procedentes de los sondeos de investigación, pudiendo verificarse, o bien corregirse, posteriormente, durante la excavación. Los seis parámetros vienen definidos en la Tabla 1.

El amplio rango de valores que puede tomar el índice Q (seis órdenes de magnitud) constituye una característica muy importante del Sistema Q y refleja la variación en la calidad de la roca de manera probablemente más rápida que mediante la escala lineal del índice RMR. Debido a esta característica, se logra de manera más fácil la correlación con el resto de parámetros físicos de la roca.

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La calidad del macizo rocoso, Q, se correlaciona con el sostenimiento instalado, de forma que los resultados obtenidos con esta correlación se resumen en tablas detalladas, Tabla 2, o simplificadas, tal y como se muestra en la Fig. 7.

TABLA 2. Tablas de valores de los seis parámetros característicos del sistema Q (Barton, Grimstad; Actualización 1994).

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TABLA 2. CONTINUACIÓN

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3. EL CÁLCULO DEL ÍNDICE Q DE BARTON EN LA PRACTICA Una manera adecuada de registrar los parámetros que definen el índice Q cuando se realiza la toma de datos a pie de obra, por ejemplo, en un túnel, o cuando se evalúa el índice Q a partir del análisis de testigos de sondeos, es la que se muestra en la Fig. 3. Este gráfico de datos contiene los valores de los parámetros básicos descritos en la Tabla 2. Cuanto más a la derecha aparezcan los histogramas mejor será la calidad de la roca que representan, mientras que cuanto más a la izquierda se sitúan, peores son las condiciones. Este gráfico es muy práctico para resumir los datos obtenidos in situ. Las funciones de distribución estadísticas aparecen con bastante rapidez y confirman la elección particular del método de sostenimiento a aplicar en la excavación, es decir, el sistema basado en el Nuevo Método Austríaco de Túneles (NMAT), el sistema empleado en el Método Noruego de Túneles (MNT), u otro tipo de alternativas.

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Figura 3. Gráfico de registro de datos que refleja los resultados estadísticos de los parámetros del índice Q.

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La forma recomendada de aplicar el Sistema Q dentro del Método Noruego de Túneles (MNT) consiste en diseñar el sostenimiento en función del avance (design-as-you-drive), lo cual requiere un registro geológicoingenieril sobre las condiciones de excavación antes de aplicar el hormigón proyectado. En este caso, es conveniente utilizar un registro gráfico como el que se muestra en la Fig. 4. Se puede observar que las recomendaciones de sostenimiento permanente proporcionadas en la parte izquierda de la figura se componen de S(mr)+B. Estos datos son anteriores a 1980. El hormigón proyectado reforzado con fibras, S(fr), no fue comercializado en Noruega hasta 1978. Los dos túneles mostrados pertenecen a una galería de alimentación del Proyecto Hidroeléctrico de Ulla-Førre (izquierda), de 10 m × 16,7 m de sección, y al túnel submarino de desagüe de Bjerkås (derecha), de 4 m de anchura.

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4. EL FACTOR SRF EN ROCAS DURAS

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6. RECOMENDACIONES

DE

SOSTENIMIENTO

SEGÚN

EL

SISTEMA Q ACTUALIZADO El modelo inicial de recomendaciones de sostenimiento a partir del Sistema Q, que data de 1974, estaba dispuesto en forma de tablas, y el sostenimiento era seleccionado de entre 38 categorías de sostenimientos posibles, después de representar el índice Q y la anchura equivalente del túnel en un diagrama cartesiano Anchura-Índice Q. Las pequeñas variaciones en el sostenimiento que aparecían dentro de una categoría dada eran función de los factores condicionantes RQD/Jn (tamaño relativo de los bloques) y J (fuerzas de rozamiento entre bloques). Estos factores también merecen ser estudiados cuando se utilizan los gráficos de diseño del Sistema Q actualizado, Fig. 6

Figura 6. Actualización de 1986 del gráfico de diseño del Sistema Q para túneles y cavernas, basado en los principios de sostenimiento permanente del MNT (Grimstad et al., 1986).

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La Fig. 6 es una introducción muy adecuada al Sistema Q de diseño del sostenimiento, proporcionando la distribución aproximada de los métodos de sostenimiento final en función de la anchura equivalente del túnel y la calidad de la roca. El parámetro ESR (que modifica el valor de la anchura real de la excavación) constituye un método para la modificación o integración del nivel de seguridad requerido en la obra, de forma que cuando se exija un mayor nivel de seguridad, se tomará un menor valor del factor ESR, esto es, se sobredimensionará el sostenimiento recomendado originalmente. Una galería de alimentación de una central hidroeléctrica lejana puede admitir caídas ocasionales de piedras (se utilizará por tanto un factor ESR. 1,6 - 2,0), así como en el caso de galerías y pozos mineros de carácter temporal (se utiliza un factor ESR. 2 - 5). Por otra parte, en excavaciones más importantes como puedan ser túneles ferroviarios o de carreteras principales, o el caso de las propias centrales hidroeléctricas, se requerirán garantías absolutas para evitar la caída de piedras (se utiliza un factor ESR. 0,9 - 1,1). Ocasionalmente, se pueden utilizar valores aún más bajos para este factor, por ejemplo, ESR = 0,8 en el caso de pabellones deportivos públicos, o ESR = 0,5 en el caso de túneles submarinos para tuberías de gas, que aporta un porcentaje significativo o del P.I.B. de Noruega. Los valores inferiores a ESR = 1,0 pueden considerarse como muy conservadores y provocan un significativo, y a menudo innecesario, aumento de los costes.

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El gráfico de la Fig. 7 constituye la actualización más reciente del Sistema Q, y muestra las recomendaciones de sostenimiento final, tras realizar la síntesis de más de 1.050 registros de nuevos casos procedentes de los principales túneles de carretera excavados últimamente en Noruega. Cabe resaltar la especificación precisa del espesor de hormigón proyectado, el espaciamiento entre bulones y la longitud de los mismos, que se basa en abundantes datos procedentes de distintos casos registrados y la experiencia ingenieril adquirida.

6.1. Espaciamiento entre bulones Se observará que el espaciamiento entre bulones es entre un 20 % y un 40 % mayor cuando se utiliza el hormigón proyectado que cuando se utilizan exclusivamente los bulones para roca. El efecto arco del hormigón proyectado, particularmente cuando está reforzado con fibras, es obvio.

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Figura 7. Actualización de 1993 del gráfico de diseño del Sistema Q para túneles y cavernas, basado en los principios de sostenimiento permanente del MNT (Grimstad y Barton, 1993).

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Figura 8. Arcos armados reforzados con hormigón proyectado (RRS).

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6.4. Revestimiento de hormigón encofrado En rocas excepcionalmente malas (condiciones de fluencia o hinchamiento) y en excavaciones amplias será necesario utilizar múltiples galerías temporales, paraguas, preinyecciones y medidas de drenaje, y complementar el sostenimiento temporal RRS (o su equivalente) con un revestimiento de hormigón en masa a sección completa (Cast Concrete  Arches, CCA), encofrándolo mediante planchas de acero. Dependiendo de la cantidad de sobreexcavación que ha tenido lugar previamente a la colocación del sostenimiento temporal formado por B+S(fr), el espesor del CCA varía por término medio desde 30 cm hasta 1 m o más en zonas muy localizadas. Una contrabóveda rígida, preferiblemente con forma convexa, será esencial en este tipo de terrenos propensos a la fluencia o al hinchamiento. La vigilancia y control del sostenimiento temporal B+S(fr) ó RRS antes de la colocación del encofrado del revestimiento final es esencial.

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6.5. Sostenimiento de los hastiales  Aunque el gráfico del Sistema Q se desarrolló específicamente para el sostenimiento de la bóveda (y a partir de registros de estas características), también puede utilizarse como orientación para el sostenimiento temporal aplicable y el sostenimiento de los hastiales, tal y como puede comprobarse en la Tabla 5.

TABLA 5. Métodos para la selección del sostenimiento temporal aproximado y el sostenimiento de los hastiales en cavernas utilizando los valores registrados del índice Q (Barton et al., 1977).

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7. APLICACIÓN

DEL

SISTEMA

Q

EN

PROYECTOS

DE

EXCAVACIÓN DE TÚNELES MEDIANTE TBM En los túneles excavados con TBM, la sobreexcavación se produce cuando, por ejemplo, Jn es demasiado elevado (con multitud de familias de diaclasas) o cuando la relación J es demasiado baja (con un grado de rozamiento muy pequeño), o cuando la presión creada por la presencia de agua actúa conjuntamente con estos factores. Esto es lo que ocurría normalmente en el Túnel del Canal de La Mancha, excavado sobre margas cretáceas, en ciertos tramos de los primeros kilómetros excavados desde el extremo británico. Por supuesto, si se puede controlar la sobreexcavación (mediante la instalación de pernos por medio de bulonadoras de cola, inmediatamente detrás de las TBM, o mediante anillos prefabricados de hormigón dispuestos en el interior del back -up del escudo) entonces, un delgado revestimiento circular, ya sea de hormigón proyectado o bien de elementos prefabricados de hormigón, puede ser capaz de soportar grandes presiones. Los recientes desarrollos de los topos abiertos o TBM para rocas duras, con instalaciones para el bulonado y la proyección de hormigón situadas en dos o más emplazamientos por detrás de la cabeza de corte, hacen que el uso de los métodos de clasificación de rocas y la perforación de sondeos de reconocimiento sean extremadamente reveladores a la hora de optimizar el sostenimiento del túnel. En algunos de los túneles más profundos situados bajo los Alpes, que fueron excavados con TBM, no se pueden realizar las funciones de sostenimiento mediante la colocación de elementos prefabricados de hormigón debido a la falta de uniformidad y a la innecesaria alta concentración de presiones que ejercen los citados elementos en la roca circundante al túnel. Las rocas con solicitaciones muy grandes pueden exigir una redistribución de las cargas a mayor distancia del perfil del túnel mediante el control de la deformación y un exhaustivo bulonado de la roca.

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En estos casos, la realización de sondeos de reconocimiento y la colocación de sondas de velocidad sísmica, tal y como ilustra la Fig. 15, pueden resultar un método alternativo para predecir las calidades de la roca ( y, por supuesto, problemas relacionados con la presencia de agua) 100 m o más por delante de las máquinas de excavación (es decir, se perforarán estos barrenos durante el turno de mantenimiento). La medición de la distribución de las velocidades sísmicas después de las debidas correcciones a realizar a causa de los efectos de profundidad/tensiones pueden ayudar a realizar una división en clases a través del valor del índice Q, como se muestra en la Fig. 13.

El método propuesto de aplicación del diseño del sistema de excavación basándose en los principios del MNT y la relación V - Q, se ilustra en la Fig. 16. En varias excavaciones de grandes dimensiones, se dispone de máquinas para rocas duras con estaciones para el bulonado y la aplicación de hormigón proyectado. En el ejemplo mostrado, se ha supuesto una roca de Clase 4 (es decir, Q = 0,1 - 0,4). La recomendación de q sostenimiento según el MNT modificado para excavación mediante TBM es S(fr) = 120

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mm y bulonado B = 1,5 m c/c (representando c/c el espaciamiento entre bulones) para rocas pertenecientes a la Clase 4. Esto se ha obtenido tomando los menores valores del rango de recomendaciones generales de sostenimiento para la Clase 4, consistente en S(fr) (120 - 150 mm) y B (1,3 - 1,5 m c/c) , en un rango se diámetros del túnel que oscila entre 0,1 - 0,4 m hasta 10 m. Se ha tomado el sostenimiento más ligero teniendo en cuenta las características fundamentalmente positivas que ofrece el perfil circular obtenido mediante la excavación de túneles con TBM.

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Figura 16. Estimación del sostenimiento en el diseño de la excavación mediante TBM para rocas duras, basada en los ensayos de Vp, la estimación de Q, el sostenimiento del MNT y el control de la convergencia producida. El sostenimiento final recomendado se aplica en etapas adecuadas teniendo en consideración el número de barrenos que pueden perforarse durante cada recorrido de la TBM y la prioridad de aplicar hormigón proyectado, si es posible, por detrás de la cabeza perforadora, es decir, en la estación B. El control de la convergencia está indicado para confirmar la clase de roca, o para sugerir posibles correcciones hacia las clases de roca adyacentes, con la consiguiente aplicación de mayor (o menor) sostenimiento en la siguiente estación de B+S(fr), que correspondería a la estación C.

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