Q DE BARTON

S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

7.1. Introducción 7.1. Introducción

Las clasificaciones geomecánicas constituyen actualmente un método fundamental para la caracterización geomecánica de los macizos rocosos ya que permiten obtener parámetros de resistencia y deformabilidad del macizo y estimar los sostenimientos de un túnel. Las clasificaciones geomecánicas más utilizadas en túneles son la RMR y la Q. Si bien ambas fueron desarrolladas para estimar sostenimientos, el parámetro RMR se ha ido consolidando como un índice geomecánico para la evaluación de las propiedades del macizo rocoso, usándose igualmente para la evaluación

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

7.2. Clasif icación Q 

Desarrollada por Barton, Lien y Lunde en 1974, a partir del estudio de un gran número de túneles, constituye un sistema de clasificación de macizos rocosos que permite estimar parámetros geotécnicos del macizo y diseñar sostenimientos para túneles y cavernas subterráneas. El índice Q está basado en una evaluación numérica de seis parámetros dados por la expresión: Q = RQD x Jr x Jw Jn Ja SRF Donde: Jn = índice de diaclasado d iaclasado que indica el grado de fracturación del macizo rocoso.

3

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

Jr = índice de rugosidad de las discontinuidades o juntas. Ja = índice que indica la alteración de las discontinuidades. Jw = coeficiente reductor por la presencia de agua. SRF (stress reduction factor) = coeficiente que tiene en cuenta la influencia del estado tensional del macizo rocoso. Los tres factores de la expresión representan: (RQD/Jn): el tamaño de los bloques (Jr/Ja) : la resistencia al corte entre los bloques (Jw/SRF): la influencia del estado tensional 4

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

El índice Q obtenido varía entre 0,001 y 1.000, con la siguiente clasificación del macizo rocoso: Entre 0,001 y 0,01: roca excepcionalmente mala 0,01 y 0,1: roca extremadamente mala 0,1 y 1: roca muy mala 1 y 4: roca mala 4 y 10: roca media 10 y 40: roca buena 40 y 100: roca muy buena 100 y 400: roca extremadamente buena 400 y 1.000: roca excepcionalmente buena EJEMPLO: Una cámara de chancadoras de 15 m de vano

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

(abertura) para una mina subterránea va a ser excavada en norita a una profundidad de 2,100 m debajo de la superficie. El macizo rocoso contiene dos familias de  juntas que controlan laestabilidad. Estas juntas son onduladas, rugosas y no están meteorizadas, presentando manchas de óxido de poca importancia en la superficie. Los valores RQD varían entre 85% y 95% y los ensayos de laboratorio sobre muestras de testigos de roca intacta arrojan una resistencia a la compresión simple promedio de 170 MPa. Las direcciones del esfuerzo principal son aproximadamente verticales horizontales y la magnitud del esfuerzo principal horizontal es de aproximadamente 1.5 veces la del esfuerzo principal vertical. El macizo rocoso está localmente húmedo pero no presenta evidencias de flujo de agua. 6

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

SOLUCIÓN: Para una profundidad por debajo de la superficie de 2100 m, el esfuerzo de sobrecarga será aproximadamente: σ

2

σ

1

= 2100 m * 2.7 ton/m 3 * (1 Mpa/100 ton/m 2) = 56.7 MPa (esfuerzo principal vertical) = 56.7 MPa * 1.5 = 85 MPa (esfuerzo principal horizontal)

La magnitud del esfuerzo principal horizontal es de aproximadamente 1.5 veces la de esfuerzo principal vertical. /

= (170 Mpa/85 Mpa) = 2

7

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

Z = 2100 m

σ

2 σ

1

Cámara de chancadora Esfuerzos principales: σ

2

σ

1 σ

1

> σ2 > σ3

σ

3 8

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Tabla 3.6 Clasificación de parámetros individuales utilizados en el Índice de Calidad de Excavación de Túneles Q (Según Barton et al.1974) DESCRIPCIÓN 1. ÍNDICE DE CALIDAD DE ROCA  A. Muy mala B. Mala C. Regular  D. Buena E. Excelente 2. NUMERO DE FAMILIAS DE JUNTAS  A. Masivo o con pocas juntas B. Una familia de juntas C. Una familia de juntas + una aislada D. Dos familias de juntas E. Dos familias de juntas + una aislada F. Tres familias de juntas G.Tres familias y algunas juntas aleatorias H. Cuatros familias, juntas aleatorias, roca muy fracturada, roca en terrones, etc. I. Roca triturada, terrosa.

VALOR

NOTAS

RQD (%) 0-25 25-50 50-75 75-90 90-100

1. Cuando se obtienen valores del RQD inferiores o iguales a 10, se toma un valor de 10 para calcular el índice Q. 2. Los intervalos de 5 unidades para el RQD, es decir, 100, 95, 90 etc., tienen suficiente precisión.

Jn

NOTAS

0.5-1.0 2 3 4 6 9

1. En intersecciones de túneles se utiliza la expresión (3.0 x Jn) 2. En las bocaminas de los túneles se utiliza la expresión (2.0 x Jn)

12 15 20 9

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3. RUGOSIDAD DE LAS JUNTAS a) Contacto con las paredes b) Contacto con las paredes antes de un corte de 10 cm  A. Juntas sin contin uidad B. Rugosa e irregulares, onduladas C. Lisa, ondulantes D. Pulidas, ondulantes E. Rugosas o irregulares, planares F. Lisas, planares G. Pulidas, planares c) Sin contacto con roca después de corte de 10 cm H. Zonas que contienen minerales arcillosos, de espesor suficiente para impedir el contacto de paredes. I. Zona arenosa, gravosa o de roca triturada, de espesor suficiente para impedir el contacto de paredes. 4. ALTERACIÓN DE LAS JUNTAS a) Contacto con las paredes de roca  A. Relleno soldado, duro, inablandable, impermeable. B. Paredes de juntas inalteradas, sólo con manchas de oxidación. C. Paredes ligeramente alteradas, con recubrimiento de minerales inablandables, partículas arenosas, roca desintegradazo no arcillosa. D. Recubrimientos limosos o arenosoarcillosos, con una pequeña fracción de arcilla (inablandable). E. Recubrimientos ablandables o con arcilla de baja fricción o sea kaolinita o mica. También clorita, talco, yeso, grafito, etc., y pequeñas cantidades de arcillas expansivas (recubrimiento discontinuo de 1-2 mm de

Jr 

4 3 2 1.5 1.5 1.0 0.5

1. Las descripciones se refieren a caracterizaciones a pequeña escala y a escala intermedia, por este orden.

1. 1.0

2.

1.0 Ja

Si el espaciado de la principal familia de discontinuidades es superior a 3m, se debe aumentar el índe Jr, en una unidad. En el caso de diaclasas planas perfectament e lisas que presenten lineaciones, y que dichas lineaciones estén orientadas según la dirección de mínima resistencia, se puede utilizar el valor Jr=0,5..

1.0

grados aproximadamente 1. Los valores de φr , ángulo de fricción residual, dan una guía aproximada de las propiedades mineralógicas de los productos de alteración, si éstos están presentes. (25°-30°)

2.0

(25°-30°)

3.0

(20°-25°)

4.0

(8°-16°)

0.75

φr ,

10

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b) Contacto con las paredes antes de un corte de 10 cm

F. Partículas arenosas, roca desintegrada, sin arcilla, etc. G. Rellenos de minerales arcillosos muy sobreconsolidados e inablandables (continuos

G.Juntas abiertas sueltas, fisuración

2.5 13

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b) Roca competente, problemasde esfuerzos

 A. Esfuerzo bajo, cerca de la superficie. B. Esfuerzo medio C. Esfuerzo elevado, estructura muy cerrada, generalmente favorable para la estabilidad, puede ser desfavorable para la estabilidad de las paredes. D. Estallido de roca moderado (roca masiva) E. Estallido de roca intenso (roca masiva).

/

/

σt σ1

SRF

>

13

2.5

13-0.66

1.0

σc σ1

200

>

200-10 10-5

0.66-0.33 0.5-2

5-2.5

0.33-0.16 5-10

2.5

<

0.16

<

c) Roca compresiva, flujo plástico de roca incompetente bajo la influencia de presiones altas de roca.

 A. Presión moderadade roca extrusiva o B. Presión alta de roca extrusiva

2. Para un campo de tensionesmuy anisotrópico (si es medido): cuando 5Uσ1/σ3U10, reducir σc a 0.8σc y σt a 0.8 σt donde: σc resistencia a la compresión sin confinar  σt =resistencia a la tracción (carga puntual) σ1 y σ3 = esfuerzos principalesmayor y menor.

10-20 NOTAS

5-10 10-20 3.

d) Roca expansiva, acción química expansiva,dependiendo de la  presencia de agua

 A. Presión moderadade roca expansiva B. Presión alta de roca expansiva.

NOTAS

Hay pocos registros de casos donde la profundidaddel techo debajo de la superficie sea menor que el ancho. Se sugiere que se i ncremente el SRF de 2.5 a 5 para esos casos (ver H).

5-10 10-15

14

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

La Tabla 3.6.6 muestra que, para roca competente con problemas de esfuerzo, se puede esperar que este valor de σc/σ1 produzca fuertes condiciones de estallido de la roca y que el valor SRF debe estar entre 10 y 20. Para este cálculo se asumirá un valor de SRF = 15. Utilizando estos valores se tiene: Q = RQD * Jr * Jw = 90 * 3 * 1 = 4.5 Jn Ja SRF 4 1 15

7.3. Sostenimientos a par tirr del índice Q Para la estimación de los sostenimientos a partir de Q, se definen los siguientes parámetros: 15

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

a) Diámetro equivalente del túnel (De) Para relacionar el valor del índice Q a la estabilidad y requerimiento de sostenimiento de excavaciones subterráneas, Barton et al (1974) definió un parámetro adicional al que se denominó la Dimensión Equivalente “De”  de la excavación. Esta dimensión se obtiene dividiendo el vano, diámetro o la altura de la pared de la excavación entre una cantidad llamada la Relación de Sostenimiento ESR. Entonces: De = vano, diámetro o altura de la excavación (m) ESR b) Relación de sostenimiento de excavación (ESR) 16

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

La estación de chancado yace dentro de la categoría de excavaciones mineras permanentes (Tabla 1) y se le asigna una relación de sostenimiento de excavación ESR = 1.6. En consecuencia, para un vano de excavación de 15 m, la dimensión equivalente es: De = 15/1.6 = 9.4 La “De” es utilizada para definir una serie de categorías de sostenimiento mediante un gráfico publicado en texto original preparado por Barton et al (1974). Este gráfico ha sido actualizado por Grimstad y Barton (1993) para reflejar el uso progresivo del shotcrete reforzado con fibra de acero en el sostenimiento en el sostenimie nto 17

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

De la Figura 1, un valor de “De”  de 9.4 y un valor de Q de 4.5 coloca a esta excavación para la chancadora dentro de la categoría (4) la cual requiere de un patrón de pernos de roca (espaciados 2.3 m) y 40 a 50 mm de shotcrete no armado. Tabla 1 Categoría de excavación CATEGOR A DE EXCAVACI N ESR  A Excavación mineras temporales 3-5 B Excavaciones mineras permanentes, túneles de conducción de agua para proyectos 1.6 hidroeléctricos (excluyendo tuberías forzadas de alta presión), galerías, túneles piloto y galerías de avance. C Cámaras de almacenamiento, plantas de tratamiento de agua, túneles menores para 1.3 carreteras o vías férreas, cámaras de equilibrio, túneles de acceso. D Estaciones de energía, túneles grandes para carreteras y vías férreas, refugios de defensa 1.0 civiles, intersecciones de portales. E Estaciones de energía nuclear subterráneas, estaciones ferroviarias, instalaciones 0.8 deportivas y públicas, fábricas. 18

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

Excepcionalmente Extremadamente Mala Mala

Mala

Muy Mala

Regular

100 2.3m 2.1m 50

1.5m

m

Ext. Buena

Muy Buena

Buena

Exc. Buena

20

2.5m

=

1 R

1.7m

S

10

ar

E

1.3m 1.2m n e

7

a

5

m

p

1.0m ar

20

ut l R

o

E

A S

o

(9)

(8)

(6)

(7)

(5)

(4)

(3)

(2) 4.0 m

10 h c n

n e

(1) s nr

o

3

p

e

3.0 m A D

= e

5

s ol

2.4

2.0 m

d

e d

1.5 m 2

ut i 1.5

1.3 m 1.0 m

1 0.004

0.01

0.04

0.1

0.4

1

Calidad del Macizo Rocoso Q =

4

10

40

100

400

1000

RQD  J r  J w  x x  J n  J a SRF 

Figura 1 Categorías de sostenimiento estimadas en base al índice 19 Q (Según Grimstad y Barton 1993)

L

o

n

g

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

CATEGORÍAS DE REFUERZO: 1) Sin sostenimiento. 2) Empernado puntual. 3) Empernado sistemático. 4) Empernado sistemático con 40-100 mm de shotcrete sin refuerzo. 5) Shotcrete reforzado con fibra, de 50-90 mm, y empernado. 6) Shotcrete reforzado con fibra, de 90-120 mm y empernado. 7) Shotcrete reforzado con fibra, de 120-150 mm, y empernado. 8) Shotcrete reforzado con fibras, >150 mm, con cerchas reforzadas de shotcrete y empernado. 9) Revestimiento de concreto moldeado. 20

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

Figura 1 Sostenimiento según el índice Q (Barton, 2000) 21

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

Loset (1992) sugiere que, para rocas con 4 < Q < 30, los daños por voladura producirán, la creación de nuevas "juntas" con una consiguiente reducción local en el valor de “Q”  para la roca que circunda la excavación. Se sugiere que esto puede justificarse reduciendo el valor de RQD para la zona dañada por la voladura.  Asumiendo que el valor de RQD para la roca descomprimida alrededor de la cámara de chancadoras baja al 50 %, el valor resultante de Q es: Q = RQD * Jr * Jw = 50 * 3 * 1 = 2.5 Jn Ja SRF 4 1 15 De la Figura 1, este valor de Q, para una dimensión equivalente “De”  de 9.4, pone a la excavación  justo 22

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

roca, espaciados aproximadamente 2 m, y una capa gruesa de 50 mm de shotcrete reforzado con fibra de acero. c) Longitud de pernos (L) Barton et al (1980) proporciona información adicional acerca de la longitud de los pernos, la longitud “L” de los pernos de roca pueden estimarse a partir del ancho de excavación “B”  y la Relación de Sostenimiento de la Excavación ESR : L = 2 + 0.15B ESR d) Máximo vano sin sostener (longitud pase)

23

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

El ancho de luz máxima sin sostenimiento puede estimarse a partir de:  Ancho o luz máxima (sin sostenimiento)=2 ESR Q 0.4 (m) e) Carga de roca sobre el techo (Pr) (kp/cm 2) En base a los análisis de los registros de casos, Grimstad y Barton (1993) sugirieron que la relación entre el valor de “Q”  y la presión de sostenimiento permanente del techo “Pr” es estimada a partir de:

Pr = 2 Jn Q-1/3 3 Jr Pr = 2 Q-1/3 Jr

Para macizos con menos de tres familias de discontinuidades

Para macizos con tres o más familias de discontinuidades 24

7.2. Clasificación Q S  S A  A CI    C I N  N C  C E  E M  M O  O E  E G  G S  S E  E N  N OI    O I C  C A  A CI    C I FI    F I S  S A  A L  L C  C :  : 7  7 ol    o l u  u t í t   p  p a  a C  C

f) Carga de roca en hastiales (Ph) (kp/cm 2) Para Q >10 Para 0.1 < Q Para Q < 0.1

<

10

Ph = 5Q Ph = 2.5Q Ph = Q

25