44 87
4. SOSTENIMIENTO DE TUNELES Y GALERIAS
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88
INTRODUCCION Se entiende por sostenimiento el conjunto de elementos que se colocan a la excavación subterránea (túneles y galerías) con el fin de contribuir a su estabilización.
Por lo tanto, el trabajo que debe realizar el sostenimiento, está relacionado con el ajuste tensional que se produce en el terreno como consecuencia de la excavación.
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45 89
INTRODUCCION Para lograr la estabilidad de un túnel o galería, la zona debe de redistribuir sus fuerzas, para ello es necesario apoyar inmediatamente con el refuerzo o el sostenimiento adecuado, considerando el tipo de rocas, fallas con relleno, fallas abiertas, etc. Para evaluar la estabilidad se usa el criterio del factor de seguridad FS, que se relaciona entre la presión de soporte (pi) y la presión hidrostática (po), o considerando el peso de la cuña W y la ecuación de Mohr-Coulomb:
pi Fs = po
FS =
c0 + σ n tan(φ ) W
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90
INTERACCION ENTRE EL SOSTENIMIENTO Y EL MACIZO ROCOSO pi = p0 Tensión inicial
A Presión del soporte radial pi
c : Deformación elástica
p cr : Presión crítica del soporte definida por el inicio de la rotura plástica a la vuelta de la abertura
B C
F
Carga - deformación en el techo de la abertura
E
Carga - deformación en los hastiales de la abertura
D
Deformación radial
r
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46 91
PRESION CRITICA EN EL SOSTENIMIENTO DE TUNELES Y GALERIAS .
La rotura del macizo rocos sucede cuando la presión de soporte pi es inferior a la presión crítica de soporte Pcr, en función de la resistencia a la compresión simple del macizo rocoso (σcm) y al factor k. La presión crítica es dada por:
p cr = σ cm =
2 p o − σ cm 1+ k
2C cos φ (1 − senφ )
k=
1 + senφ 1 − senφ
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92
EFECTO DEL FRENTE DE EXCAVACION EN EL SOSTENIMIENTO x p i = Presión radial p 0 = Presión de campo r 0 = Radio de la excavación s=
Presión de soporte
R
3R
>3R
x
Pi = p o
P
p
P i = Ps + 0.66 p o
pi
P i = Ps + 0.16 p o
pi
P i = Ps + 0.01
pi
P i = Ps
po
Corte x - x’
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47 93
ECUACION DE LA DEFORMACION ELASTICA EN TUNELES Y GALERIAS En la hipótesis que la presión de soporte (pi) sea mayor que la presión crítica, no se produce la ruptura, por lo tanto, el comportamiento del macizo es elástico y la deformación elástica radial µe se define por la expresión:
1+ v ( p o − p i ) E
µ e = ro
Donde ro es el radio de la abertura subterránea, v es el coeficiente de Poisson del macizo, E es el módulo de Young o de deformabilidad del macizo, po es la presión hidrostática in situ y pi es la presión de soporte. Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade
94
DEFORMACION PARA EL CASO DE UNA RUPTURA PLASTICA Para el caso de una ruptura plástica, la deformación convergente total del perímetro de la abertura subterránea se expresa por la ecuación:
rp r (1 + v) 2(1 − v )( p o − p cr ) µp = o E ro
2 − (1 − 2v)( p o − pi )
Hoek, E. (2000), deformación del túnel en el medio rocoso con soporte obtuvo las ecuaciones:
µp
p σ = 0.002 − 0.0025 i cm ro po po
2 .4
pi −2 po
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48 95
SOSTENIMIENTO PRIMARIO Y DEFINITIVO
σ r= 0
σ2= P
Concreto armado
(tradicional)
Hormigón proyectado (actual)
{
PROPORCIÓN DE MEZCLA Cemento: 15 – 20% Piedra picada: 30 – 40% Arena fina: 40 – 50% PROPORCIÓN AGUA/CEMENTO = 0,3 a 0,5
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96
TIPOS DE SOPORTE Activo • Es aquel que adhiere carga una vez instalado. Cables y pernos tensionados, segmentos de concretos. Pasivo • Desarrolla carga una vez que la roca deforma. Marcos de acero, madera, pernos y cables no tensionados.
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49 97
Barra Helicoidal SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO CABEZA FORJADA r
T
E H I
ACTIVO
Pernos con Anclaje
(Refuerzo)
Plástico exterior Catalizador Resina polyester Catalizador
Pernos con Resina
Plástico interior
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98
Swellex
SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO
ACTIVO
Split Set
(Refuerzo)
Roca El tubo de respirador
Cable
Cables El tubo de lechada
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50 99
Malla
SISTEMA DE SOSTENIMIENTO
PASIVO
Cimbras
(Soporte)
CINTAS METALICAS STRAPS
Cinta Metalicas
1 METRO
1 METRO
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100
SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO
Shotcrete
Cuadro recto
PASIVO (Soporte) Cuadros de Madera
Cuadro cónico Cuadro cojo
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51 101
HORMIGON PROYECTADO Conocido como shotcrete se basa en lanzar el cemento preparado al altas presión a las paredes y techos de la zona que se desea sostener.
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102
MEZCLAS TIPICAS DE CONCRETO PROYECTADO
University Illinois New Melones Represa Hecla Minig Co. Waterway Experimentation Illinois Institute on Shotcrete Henderson mine
55,0
Seca
III
13
17,9
29,9
52,2
Seca
I
9
18,4
41,4
Seca
II
19
18,8
38,2
Húm.
II
13
15,8
34,5
Húm
II
19
16,3
30,8
0,41,3 0,763,45
40,2 43,0 41,3
8,4 44,8
Húm.
III
13
16,7
27,9
48,7
Húm.
I
9
17,8
27,4
54,8
14,9
27,8
20,3
29,6
6,918,6 6,9
27,641,4 16,332,3 27,6
18,920,3
33,339,4
8,1 6,7
4,0 -7,1 6,215,9
13,623,4
28 días
31,5
3 - 8 días
13,5
16,332,3
1 día
13
6,918,6
Módulo de elasticidad (GPa) 6 – 7 horas
III
3,7 4,1 0,45,2 3,4510,7 4,966,37 3,74,1
28 días
Seca
3 – 8 horas
23,0
1 – 3 horas
Arena
16,6
Agregado
19
Tipo de
I
Agua
Agregado fino
38,7
Seca
Resistencia a compresión (MPa) 1 día
Illinois Institute on Shotcrete
21,7
Cemento (mm)
Vancouver Tunel
Mezcla (%)
cemento Tamaño máx. de agregado
Proyecto
Húmeda o seca
Materiales
18,821,3 21,450,3 17,223,9
17,823,1
19,727,5
22,327,0
23,835,9
57,7 01,17
1,175,59
12,328,0
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52 103
DISPOSICION TRIDIMENSIONAL DEL REFUERZO DE MALLA METALICA
4.00 m.
.45 m .45 m .45 m .45 m .45 m .45 m .45 m
6.00 m
DISPOSICION TRIDIMENSIONAL DEL REFUERZO METALICO
0
Fierro Nº 5 = 5/8” cada 0.45 m. Malla de alambre Nº8; con cocada de 10cm. x 10cm.
Escala :
1m
2m
1/100
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104
PROCEDIMIENTOS PARA EL DISEÑO DEL SHOTCRETE REFORZADO Cálculo de las cargas aplicadas a las estructuras; • Carga uniformemente distribuida sobre el arco, W1 (0,98 t/m) • Peso propio de la losa, W2 (0,18 t/m) • Carga dinámica, W3 (~50% carga muerta) • Carga total de diseño, W=W1+W2+W3 (1,74 t/m) Análisis estructural del arco • Máxima fuerza cortante, Vu (4532 kg) • Máxima carga axial, Un (5232 kg) Cálculo de las dimensiones de la losa y del refuerzo metálico • Con Vu y Un se aplica la ecuación de ACI 3.18 considerando e=claro/35 (e=600/35cm=17cm) • Buscar el diámetro requerido de la malla de refuerzo (Varilla No.5 de 5/8 pulgadas de diámetro) Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade
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53 105
ESTIMACION DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE CON HORMIGON PROYECTADO
Espesor (mm) 1000 300 150 100 50 50 50
Tiempo (minutos) 28 28 28 28 28 3 0,5
Resistencia a compresión simple 35 35 35 35 35 11 6
pmax de soporte (MPa) y D** pmax =57,8D-0.92 pmax =19,1D-0.92 pmax =10,6D-0.97 pmax =7,3D-0.98 pmax =3,8D-0.99 pmax =1,1D-0.97 pmax =0,6D-1.0
** D: diámetro de abertura subterránea
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106
COMPORTAMIENTO DE CARGA Y DESLIZAMIENTO la fase post-pico o postfractura
Presión hasta el colapso
1,0000 0,9000 0,8000
Load [Kg. cm 2 ]
0,7000
SFRC PLAN CONCRETE
fase de inicio de fractura
0,6000
0,4000 0,3000 0,2000
Concreto fibro reforzado
la fase pico
0,5000
La fase inicial
Concreto simple
0,1000 0,0000 0,00
1,00
1,00
3,00 Displacement (cm)
4,00
5,00
6,00
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54 107
PERNOS El empernado es un tipo de sostenimiento activo, los pernos simulan grapas haciendo que la roca fija se conecte a una roca suelta; Se instala aprovechando el tiempo de autosostenimiento El espaciamiento entre pernos varía según al volumen de bloques por sostener La dirección de los pernos se determina de acuerdo al rumbo de las estructuras, previo un plano estructural, dibujados en cortes ó secciones La longitud del perno debe sobrepasar “el campo” afectado por la voladura
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108
ESQUEMA TIPICO DEL SOSTENIMIENTO CON PERNOS
L
Et
L: Longitud de los bulones Et : Esparcimiento D : Diámetro
Figura 5.14 Esquema típico de soporte con bulones
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55 109
ECUCIONES PARA DISEÑAR LA LONGITUD Y ESPACIAMIENTO ENTRE PERNOS
B L = 2 + 0.15 ESR
0.6 P E = ρ B
0 .5
Donde L es la longitud, E es el espaciamiento, B es el ancho del túnel o galería, ESR es el denominado excavation suport ratio que se determina con una tabla, P es la carga del suporte.
100 − RMR P = ρB 100 Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade
110
CAPACIDAD DE SOPORTE Y FUERZA DE ADHERENCIA DE LOS PERNOS En terrenos plastificados la fuerza axial Fa que un bulón de diámetro D y resistencia específica de acero σa, puede soportar se calcula a través de la ecuación:
πD 2 Fa = 4σ a La fuerza de adherencia fa de un bulón con una longitud de anclaje La y adherencia al terreno τ se calcula con la ecuación:
f a = πD.La .τ .Fa Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade
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56 111
Pernos
Excavación
Pernos
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112
PERNOS DE ANCLAJE ANCLAJE PUNTUAL
ANCLAJE REPARTIDO
ANCLAJE REPARTIDO POR ADHERENCIA
ANCLAJE REPARTIDO POR FRICCION
(Perno Pasivo)
(Perno Activo)
BARRA HELICOIDAL CON INYECCION DE CEMENTO O RESINA
SPLIT – SET SWELLEX
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57 113
SPLIT-SET Consiste en un largo tubo compresible de acero de alta resistencia, ranurado en toda su longitud. En un extremo es más delgado, para facilitar su introducción en el taladro. En el otro extremo tiene un anillo soldado para su instalación y retener la placa.
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114
PRINCIPIO FISICO MECANICO DEL FUNCIONAMIENTO El perno estabilizador es insertado en una perforación de diámetro menor. La compresión sobre el estabilizador genera fuerzas radiales de confinamiento que se extienden en toda la longitud de contacto con la roca que lo contiene.
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58 115
PERNO (a) INSTALACION
(b) EXPANSION
(c ) CONTRACCION
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116
PERNOS HELICOIDALES Consiste en una varilla de fierro acerado con rosca, a lo largo de toda la varilla con tuerca y una plancha de anclaje.
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59 117
EJEMPLO DE PERNOS CON ANCLAJE MECANICO Diámetro 17.28 mm cone
Resistencia a la tracción 12.7 t • 2.25 t sin deformación • 4 mm a 4t • 25 mm a 8t • 35 mm a 9t
bail
breather tube shell
tape
grout injection tube
faceplate drilled for tubes
Se puede pre-tensionar
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118
EJEMPLO DE PERNOS ANCLADOS CON RESINA Diámetro 32 mm Resistencia a la tracción 18t • 1.5 mm deformación elástica a 15t • 30 mm a 18t
Faceplate
Locking nut
Protegen al perno de corrosión si son completamente cubiertos
Fast-setting anchor cartridge Slow-setting ‘grout’ cartridges
Reinforcing bar
La resina se inserta mediante cartuchos que se mezclan cuando se gira el perno
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60 119
EJEMPLO DE CABLES ANCLADOS CON LECHADA Diámetro 20 mm • 15 t deformación elástica de 1.5 mm • Máxima resistencia 18t con 20 mm de deformación
Cement grout rebar
faceplate
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120
EJEMPLO DE PERNOS SWELLEX Diámetro 26 mm 11.5 t con deformaciones de 10mm a 150mm Requiere bomba de agua (30 Mpa) Largo perforación = largo pernos
25 to 28 mm diameter folded tube
Expanded dowel 33 to 39 mm diameter hole
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61 121
EJEMPLO DE CABLES DE ANCLAJE air out direction of grout travel
100
16
80
Deformation modulus
60
12
40
8 Unixial compressive strength
4
20
0
0 0.25
0.35
0.45
0.55
0.65
Unidad compressive strength - Mpa
Deformation modulus - Gpa
20
direction of grout travel
0.75
hold cable in place during grouting. Noise that grout tube should be free in hole
Water/cement ratio hole collar plug
19 mm grout tube
9 mm bleed tube
19 mm grout tube grout in
grout in
air out
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122
EJEMPLO DE CUÑAS INCLUYENDO ESFUERZOS Y FACTOR DE SEGURIDAD 8
FS 0.66 9.4 t
FS=1.36 7.8 t
6
FS=0.68 8.2 t
2 7
1
estable 48.22 t
Túnel ubicado a 500 m de profundidad Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade
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62 123
ESTIMACION DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE CON SISTEMA DE ANCLAJE
Tipo de anclaje
Ecuación de pmax de soporte (MPa) pmax =0,354/S2 pmax =0,267/S2 pmax =0,184/S2 pmax =0,10/S2 pmax =0,05/S2
Anclaje de 34 mm Anclaje de 25 mm Anclaje de 19 mm Anclaje de 17 mm SPLITSET SS39
Tipo de anclaje SWELLEX EXX B. Resina 20 mm F. de vidro 22 mm Cabo plano C. jaula de pájaro
pmax de soporte (MPa) y S** pmax =0,11/S2 pmax =0,17/S2 pmax =0,26/S2 pmax =0,15/S2 pmax =0,30/S2
** S: espaciamiento entre armazones
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124
ADHERIR PATRON DE PERNOS ANCLADOS Se pueden incluir mallas de pernos o pernos individuales con algunas características
8
6
2
7
1s 8 8 6 6 2 7
2
7
1s 1
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63 125
SOPORTE CON ESTRUCTURAS METALICAS Formas típicas 31 t/m
47 t/m
461 t/m
31 t/m
93 t/m
Dimensiones y propiedades de las estructuras metálicas Tamaño normal Altura de la sección (mm) Ancho de sección (mm) Masa de la sección (kg/m) Area de la sección (cm2) Ix (cm4) Iy(cm4) Rx (cm)*
89x89 88,9 88,9 19,35 2,.9 306,7 101,1 3,51
102x102 101,6 101,6 23,07 29,4 486,1 154,4 4,06
114x114 114,3 114,3 26,79 34,4 735,4 223,1 4,62
127x114 127,0 114,3 29,76 37,3 979,0 241,9 5,12
152x127 152,4 127,0 37,20 47,5 1818,0 378,8 6,20
Ry) (cm)* Ex (cm3)** Ey (cm3)**
2,01 82,7 38,03
2,29 113,4 50,70
2,54 151,2 65,63
2,55 180,9 70,85
2,82 278,6 99,85
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126
ESTIMACION DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE DE PERFILES DE ACERO Tipo de soporte Perfil (H) IPN
Perfil (H) HEB Perfil (∪) TH
Ancho
Altura
305 203 150 203 152 171 124
305 203 150 254 203 138 108
Peso (kg/m) 97 67 32 82 52 38 21
pmax de soporte (MPa), D* y S** pmax =19,9D-1.23/S pmax =13,2D-1.3/S pmax =7,0D-1.4/S pmax =17,6D-1.29/S pmax =11,1D-1.33/S pmax =15,5D-1.24/S pmax =8,8D-1.27/S
* D: diámetro de abertura subterránea ** S: espaciamiento entre armazones
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64 127
DISEÑO DE SOSTENIMIENTO SEGUN “Q” DE BARTON CLASE DE ROCA G
F
EXCEPCIONALMENTE EXTREMADAMENTE MALA MALA
E
D
C
B
MUY MALA
MALA
MEDIA
BUENA
A MUY BUENA
EXTREM. BUENA
EXCEP. BUENA
CATEGORIAS DE SOSTENIMIENTO 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Sin sostenimiento Bulonado puntual, sb. Bulonado sistemático, B Bulonado sistenmático con hormigón proyectado. 40-100 mm, B+S Hormigón proyectado con fibras. 50-90 mm y bulonado S(fr)+B Hormigón proyectado con fibras 90-120 mm y bulonado S(fr) + B Hormigón proyectado con fibras 120-150 mm y bulonado S(fr) + B Hormigón proyectado con fibras >150 mm con bulonado y arcos armados reforzados con hormigón proyectado. S(fr)+RRS+B. Revestimiento de hormigón, CCA
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128
5. RMR Y “Q” DE BARTON APLICADOS A TUNELES Y GALERIAS
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65 129
CLASIFICACIONES GEOMECANICAS PARA TUNELES RMR - Rock Mass Rating Clasificación de Bianiawski, 1973
“Q” de Barton Indice de calidad “Q” Barton, Lien y Lunde, 1974
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130
RMR – ROCK MASS RATING Presentada por el Ingeniero Bieniawski en 1973 y modificada sucesivamente en 1976, 1979, 1984 y 1989. Permite hacer una clasificación de las rocas 'in situ' y estimar el tiempo de mantenimiento y longitud de un vano. Consta de un índice de calidad RMR (Rock Mass Ratting), independiente de la estructura, y de un factor de corrección.
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66 131
RMR – ROCK MASS RATING Parámetros a calificar: 1.
2. 3. 4. 5.
Resistencia de la Roca Intacta: A partir de valores de resistencia a la compresión simple (RCS) o de ensayos de carga puntual. Ptje máximo: 15. RQD. Ptje Máximo: 20. Espaciamiento de discontinuidades. Ptje. Máximo: 20. Condiciones de las discontinuidades. Ptje Máximo: 30. Condiciones de Agua Subterránea. Ptje Máximo: 15. RMR= (1)+(2)+(3)+(4)+(5).
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132
RMR MODIFICADO MODIFICADO
BIENIAWAIG ORIGINAL
RMR CLASE
DENOMINACION
la
EXCELENTE
lb
MUY BUENA
100
90
MUY BUENA
l
BUENA
lI
MEDIA
lII
80 ll a 70 ll b 60 lll a 50 lll b 40 lV a 30
lV lV b
20 Va 10
V Vb
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67 133
RMR Y METODOLOGIA DE EXCAVACION DE TUNELES 1. La unidad para el pase es el metro (m) 2. El pase máximo es el límite teórico según BIENIAWSKI 3. EL pase recomendado se refiere a la excavación en calota/avance y en caso de que exista galería de avance a la excavación de ensanche (y no a la propia galería) 4. Las líneas continuas indican que el método es apropiado para el intervalo y se usa frecuentemente 5. Las líneas de trazas indican que el método es posible para el intervalo y se usa a veces
LONGITUD DE PASE (m) RMR
CLASE
100
9.5
60
6.0
50
4.0
40
2.5
30
1.75
5
4’6
3/4
ROZADORA
70
TBM ABIERTO
16.0
VOLADURAS
5 80
CALOTA Y DESTROZA
SECCION COMPLETA
>5 90
0,5/0,75
Vb
0,5
ESCARIFICACIONPALA
Va 10
FRESADO
1.0
ESCUDO
1
IVb 20
CONTRABOVEEDA
GALERIA DE AVANCE
½
GALERIAS MULTIPLES
2/3
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134
RECOMENDACIONES PARA EL SOSTENIMIENTO DE TUNELES BULANADO
RMR
HORMIGON PROYECTADO
ARMADURA
CERCHAS
CLASE L(m)
b/m2
s’(m)
c(cm)
CAPAS
Ib
2/3
0.10
Ocasional
2
II a
3
0.10/0.25
Ocasional
5
1
II b
3
0.25/0.44 2x1.2/1.5x15
6-10
½
III a
3/4
0.44/0.66 1.5x1.5/1x15
8-15
2/3
III b
4
0.66/1
1x1.5/1x1
12.20
2/3
IV a
4/4.5
0.80/1
1x1.25/1x1
16.24
3
1x1
20.30
3
30-40
3/4
SELLADO
MALLAZO FIBRAS
TIPO
S’(m)
METODO S ESPECIALES
100 Ia 90 No
80
70
60
50
40
30
IV b
4.5/5
1
20 Va 10 Vb
SISTEMAS ESPECIALES
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68 135
RMR Y DISEÑO DE LOS TIPOS DE SOSTENIMIENTO RMR
Excavación
81 - 100
3 m de avance
61 - 80
1 a 1,5 m de avance Soporte a 20 m del frente
41 - 60
21 - 40
<20
Realce y banco, 1,5 a 3 m de avance. Soporte a 10 m del frente Realce y banco, 1 a 1,5 m de avance. Soporte a menos de 10 m de frente
Soporte Bulones Hormigón Estructuras de (φ=20 mm) proyectado metal Generalmente no requieren soporte y solo ocasionalmente bulones Longitud: 3 m 50 mm en la Et: 2.5 m No corona en caso Malla: ocasional sea necesario Local: corona Longitud: 4 m 50 a 100 mm en Et: 1,5 a 2 m No la corona, 30 mm Malla: em corona en los hastiales Local: corona - hastiales 100 a 150 mm en Ligero en los Longitud: 4 a 5 m la corona, hastiales, Et: 1 a 1,5 m 100mm en los espaciados a Malla: corona- hastiales hastiales 1,5 m
Varias galerías, 0,5 a 1,5 m de avance. Soporte contínuo.
Longitud: 5 a 6 m Et: 1 a 1,5 m Malla: corona -hastiales
150 a 200 mm en la corona, 150 mm en los hastiales y 50mm en el frente.
Medio en los hastiales y en la corona, espaciados 0,75 m
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136
CALCULO DE LA PRESION DE SOSTENIMIENTO (PV) Através do valor de RMR pode ser estimada a carga instalada nos suportes através da siguiente expressao: Pv ( Mpa) =
100 - RMR
x
100
x B = x ht
Onde Pv é pressao vertical instalada no suportes, γ o peso volúmico da rocha em kg/m3, B a largura da obra, em metros, e h, é altura do maciço equivalente a carga. Goel e Jetwa (1991), a través da conparaçao de pressores nos suportes medidas e estimadas pela expressao, concluiram que esta nao seria aplicável para tuneis em maciços rochosos com tecto em arco. Assim, a partir do estudo de 30 túneis instrumentados, apresentaram a seguinte expressao para a determinaçao da pressao nos suportes, no caso de escavaçao feita com explisivos e utilizando costelas metálicas como suporte: Pv ( Mpa) =
0,75 B 0,1 H
0,5
- RMR
2. RMR
Onde H é profundidade do túnel em metros (>50) Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade
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69 137
RMR – LONGITUD DE PASE Y TIEMPO DE ESTABILIDAD SIN SOPORTE 1
30
10
1
2
3 4 5 7 10 15 20 1
2
3 45
1
2
3 45
10
90 80
24 18
70 COLAPSO INMEDIATO
60
12
50
8 LONGITUD DE PASE (m)
I II
40
30
III
3
80
20
2.4
70
IV
60
1.8
50 40
1.2
RM R ICE IND
30
V
NO REQUIERE SOPORTE
20 0.6
0.3
10
30
10
MIN
10 2
103
10 4
10 5
HORAS TIEMPO DE PERMANENCIA ESTABLE SIN SOPORTE
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138
EJEMPLO DE RELACION DEL RMR CON EL TIPO DE SOSTENIMIENTO Esp. – Malla del espaciamiento en metros L - Longitud del Perno en metros W - Ancho en metros
RMR – CLASIFICACIONES DESCRIPCION RMR I MUY BUENA II BUENA III NORMAL IV MALO V MUY MALO L=3+(0.18xW)
81-100 61-80 41-60 21-40 <20
Sin sostenimiento, Pernos putnuales L=1.4+(0.18xW) Puntuales L = 1.4 + (0.18 x W) Pernos – Esp. 1.5, L = 1.8 + (0.18 x W), Shotcrete 50mm Shotcrete 100mm, Pernos – Esp. 1m, L=2 + (0.18 x W) Arcos, Shotcrete 150 mm, Pernos-Esp. 1m,
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70 139
“Q” DE BARTON
Definido por Barton et al. (1974) como el Indice de Calidad de Rocas para Túneles; También conocida como la clasificación NGI, por la afiliación de los autores (Norwegian Geotechnical Institute); Determina la calidad del macizo y se aplica en definición de requerimientos de sostenimiento en excavaciones subterráneas; Valores en escala logarítmica, de 0,001 a 1000; Definida a partir de 6 parámetros.
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140
“Q” DE BARTON
Q=
RQD Jn
x
Jr Ja
x
Jw SRF
R.Q.D: (Rock Quality Designation) - Índice de recuperación. Jn: Número de familias de diaclasas. Jr: Grado de rugosidad de las diaclasas. Ja: Grado de alteración de las diaclasas. Jw: Presencia del Agua. SRF: Estado tensional del macizo rocoso
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71 141
“Q” DE BARTON – REPRESENTACION DEL TAMAÑO DE BLOQUES
Q=
RQD Jn
x
Jr
x
Ja
Jw SRF
Representa crudamente el “tamaño” de los bloques presentes
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142
“Q” DE BARTON – REPRESENTACION DE LA RUGOSIDAD Y RESISTENCIA DE DIACLASAS
Q=
RQD Jn
x
Jr Ja
x
Jw SRF
Representa rugosidad y características de resistencia al corte de las diaclasas (paredes y/o relleno)
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72 143
“Q” DE BARTON – REPRESENTACION DE TENSIONAES ACTIVAS
Q=
RQD Jn
x
Jr Ja
x
Jw SRF
Representa las tensiones activas Presión de agua y estado tensional para distintos tipos de macizos encontrados durante la excavación.
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144
INDICE DE DIACLASADO Jn
Indice de Diaclasado Jn Roca Masiva Una familia de diaclasas Una familia de diaclasas, con otras diaclasa ocasionales Dos familias de diaclasas
Valor 0,5 - 1 2 3 4 6 9 12 15 20
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73 145
INDICE DE RUGOSIDAD Jr E INDICE DE ALTERACION Ja Indice de Rugosidad Jr Diaclasas rellenas Diaclasas limpias Discontinuas Onduladas rugosas Onduladas lisas Planas rugosas Planas lisas Lisos o espejos de falla Ondulados Planos
Valor 1 4 3 2 1,5 1 1,5 0,5
Indice de Alteración Ja
Valor
Diaclasas de paredes sanas Ligera alteración Alteraciones arcillosas Con detritos arenosos Con detritos arcillosos preconsolidados Con detritos arcillosos poco consolidados Con detritos arcillosos expansivos Milonita de roca y arcilla Milonita de arcilla limosa Milonita de arcilla gruesa
0,75 - 1 2 4 4 6 8 8 - 12 6 - 12 5 10 - 20
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146
COEFICIENTE REDUCTOR POR LA PRESENCIA DE AGUA Jw
Coeficiente reductor por presencia de agua Jw
Presión de agua [Kg/cm2]
Valor
Excavaciones secas a con <5 l/min localmente Afluencia media con lavado de algunas diaclasas Afluencia importante por diaclasas limpias Afluencia importante por diaclasas limpias con lavado Afluencia excepcional inicial, decreciente con el tiempo Afluencia excepcional inicial, constante con el tiempo
<1 1- 2,5
1 0,66
2,5 - 10 2,5 - 10
0,5 0,33 0,2 - 0,1
> 10
0,1 - 0,05
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74 147
“Q” DE BARTON – VALORES DEL FACTOR REDUCTOR DE TENSIONES Parametro S.R.F. (Stress Reduction Factor) (Factor de reducción de tensiones)
Zonas débiles Multitud de zonas débiles o milonitas Zonas débiles aisladas, con arcilla o roca descompuesta (cobertura > 50m) Zonas débiles aisladas, con arcilla o roca descompuesta con cobertura > 50m Abundantes zonas débiles en roca competente Zonas débiles aisladas en roca competente (cobertura > 50 m) Idem con cobertura > 50 m Terreno en bloques muy fracturado Roca competente Pequeño cobertura Cobertura media Gran cobertura Terreno fluyente Con bajas presiones Con altas presiones Terreno expansivo Con presión de hinchamiento moderada Con presión de hinchamiento alta
Valor 10 5 2,5 7,5 5 2,5 5 2,5 1 0,5 - 2,0 5 - 10 10 - 20 5 - 10 10 - 15
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148
CLASIFICACION EN BASE A “Q” DE BARTON
TABLA DE CLASIFICACION FINAL Excepcionalmente malo Extremandamente malo Muy malo Malo Medio Bueno Muy bueno Extremadamente bueno Excepcionalmente bueno
(Q) < 0,01 0,01 - 0,1 0,1 - 1 1-4 4 - 10 10 - 40 40 - 100 100 - 400 > 400
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75 149
DIAMETRO EQUIVALENTE Y MAXIMA ABERTURA SIN SOPORTE Barton et al. (1974) defined: An additional parameter which they called the Equivalent Dimension, Dc of the excavation. This dimension is obtained by dividing the span, diameter or wall height of the exacavation by a quantity called the Exacavation Support Ratio, ESR.
Dc =
Excavation span, diameter or height (m) Excavation Support Ratio ESR
The value of ERS: It is related to the intended use of the excavation and to the degree of security which is dmanded of the support system intalled to maintain the stability of the excavation. Barton et al. (1974) suggest the following values:
Maximum span (unsupported) = 2ESR Q 0,4 Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade
150
DISEÑO DE SOSTENIMIENTO CON “Q” CLASE DE ROCA G
F
EXCEPCIONALMENTE EXTREMADAMENTE MALA MALA
E
D
C
B
MUY MALA
MALA
MEDIA
BUENA
A MUY BUENA
EXTREM. BUENA
EXCEP. BUENA
CATEGORIAS DE SOSTENIMIENTO 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Sin sostenimiento Bulonado puntual, sb. Bulonado sistemático, B Bulonado sistenmático con hormigón proyectado. 40-100 mm, B+S Hormigón proyectado con fibras. 50-90 mm y bulonado S(fr)+B Hormigón proyectado con fibras 90-120 mm y bulonado S(fr) + B Hormigón proyectado con fibras 120-150 mm y bulonado S(fr) + B Hormigón proyectado con fibras >150 mm con bulonado y arcos armados reforzados con hormigón proyectado. S(fr)+RRS+B. Revestimiento de hormigón, CCA
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76 151
EXCAVATION SUPPORT RATIO ESR DE BARTON
Categoría de la excavación
ESR
A. Excavaciones mineras de carácter temporal
2-5
B. Galerías mineras permanentes, túneles de centrales hidroeléctricas, túnel piloto, galerías de avance en grandes excavaciones, cámaras de compensación hidroeléctrica
1,6 - 2
C. Cámaras de almacenamiento, planta tratamiento de agua, túneles de carreteras y ferrocarriles, acceso a túneles.
1,3 – 1,6
D. Centrales eléctricas subterráneas, túneles de carreteras y ferrocarriles primarios, cámaras para defensa civil, acceso e intersección de túneles.
0,9 -1,2
E. Centrales de energía nuclear subterráneas, estaciones de ferrocarril, instalaciones públicas y deportivas, fábricas, túneles para tuberías principales de gas.
0,5 – 0,8
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152
PRESION DE SOPORTE EN TECHO (PROOF) Y HASTIALES (PWALL) Proof =
2 J n (Q) -1/3
Pwall =
kg/cm 2
3J r
2 J n (Q w ) -1/3 3J r
Qw = 5.Q
Q >10
Qw = 2.5 Q
0,1 < Q < 10
Qw= Q
Q < 0,1
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77 153
CORRELACIONES ENTRE RMR Y “Q” La correlación entre RMR y Q:
RMR=9 In Q + 44 Otras correlaciones: CORRELACION
FUENTE
COMENTARIO
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154
RMR Y “Q” EN RELACION A LOS TIPOS DE SOPORTE RESISTENCIA A LA COMPRENSION SIMPLE DE LA ROCA INTACTA
MAXIMOS ESFUERZOS DE COMPRENSION EN TECHOS O HASTIALES
INDICE DE CALIDAD Q 0.001
1.0
0.1
0.01
10
4
40 100 400 1000 0
0 GENERALMENTE SOPORTE NO REQUIERE SOPORTE LIGERO SOPORTE INTERMEDIO
0.1 SOPORTE MUY DENSO
0.2 0.3
0.2 0.3 0.4
0.4
0.5
0.5
PUNTO DE MAYOR CONCENTRACION DE ESFUERZOS
0.6 0.7
0.7 NO ES PRACTICO MANTENER LA EXCAVACION ESTABLE
0.8
0.8 0.9
0.9 1.0
0.1
1.0 0
10 MUY MALO
20
30 MALO
40
50 MEDIO
60
70 BUENO
80
90
100
MUY BUENO
RMR
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78 155
MODULO DE DEFORMACION EN RELACION CON RMR Y “Q” 0.01
Tunnel Quality Index Q 4.0 10 1.0
0.04
100
40
400
In situ modulus of deformation Em- GPa
90 80
Em= 10
Case histories:
URMR - 10y40
Serafim and Pereira (1983)
70
Bieniawski (1978)
60 50
Em= 2 RMR - 100
40 30 Em = 25 Log10 Q
20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Geomechanics Rock Mass Rating RMR
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156
RMR Y “Q”- COMENTARIOS RMR y Q son los sistemas mas ampliamente usados; Ambos
incorporan
parámetros
“ingenieriles”
geométricos, geológicos, y se obtiene un “VALOR” de la calidad del macizo rocoso; Muchos de los parámetros son subjetivos y requieren experiencia para juzgarlos; En lo posible usar mas de un sistema de clasificación y compararlos. Existen correlaciones ej. RMR = 9 log Q + 44
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79 157
EJEMPLO DE SOSTENIMIENTO DE GALERIAS EN FUNCION DEL RMR (MINA COBRIZA)
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158
6. INSTRUMENTACION
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80 159
INTRODUCCION La etapa de instrumentación y monitoreo es considerada básica antes, durante y después de los trabajos Mineros de desarrollo, túneles y galerías. Los instrumentos permiten predecir la condición de riesgo. La instrumentación se utiliza para cuantificar con precisión ciertos parámetros de comportamiento estructural y supervisar los posibles cambios. Se puede monitorizar la estabilización del túnel y galería o, en el caso de cambios, deducir la posibilidad de fallo. La comparación de los valores medidos con los valores de diseño permite la supervisión de la estabilidad del túnel y la posibilidad de aplicar medidas correctoras en el momento oportuno. Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade
160
METODOLOGIAS DE INSTRUMENTACION EN TUNELES Y AGLERIAS 1
1
Extensómetros de barra
2
Células de ancoragem
2 3
Extensómetros embebidos
4
betao Células de pressao
5
Acelerómetro
6
Piezómetros electrónicos
7
Convergendómetro
4 3
7 2
3
4
5 1
6
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81 161
LOS OBJETIVOS DE LOS INSTRUMENTOS
El control por instrumentos se efectúa por los siguientes motivos, ya sea antes, durante o después de la construcción de excavaciones: Antes de la construcción: para recabar la información que se necesita para el diseño de las excavaciones. Esta información incluye el módulo de deformación de la roca, la resistencia de la roca in situ y el estado de los esfuerzos in situ.
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162
Durante la construcción: para confirmar la idoneidad del diseño y para proporcionar las bases necesarias para su cambio. Además, el control de los desplazamientos tiene um papel importante en la información que se necesita para aumentar la seguridad de las obras. Después de la construcción: para controlar el comportamiento general de la excavación durante la operación y para medir la reación de un túnel o galería a otra excavación adyacente.
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82 163
TIPOS DE MEDICION Los tipos de medida y la ubicación de los instrumentos deberán adaptarse a las condiciones geológicas y ambientales existentes, así como a los métodos de construcción. Sin embargo, hay ciertas pautas generales a seguir para la selección de la instrumentación, basados en la construcción de túneles. Tres criterios principales deben orientar la selección del instrumento: La fiabilidad de las mediciones obtenidas (resolución, precisión y deriva). La longevidad de los instrumentos refrendados por numerosas referencias. La facilidad de la automatización, esencial para la recopilación de datos eficiente y la interpretación. Dr. Vidal Navarro Torres – Consultor Intercade
164
IMPLEMENTACION Implantación del sistema de control, premisas: Diferenciar claramente que hemos de controlar (afecciones a edificios, estructuras,…). Qué parámetros hemos de tener en cuenta (asientos, movimientos horizontales, variaciones en nivel de agua,…). Magnitudes que hemos de vigilar (umbrales de control). Distribución de los dispositivos. Frecuencia de seguimiento de la variación de las magnitudes en los parámetros seleccionados. Metodología en la transmisión de la información hacia los entes involucrados.
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83 165
DEFINICION DE LA ZONA DE AFECCION Parámetros
Dispositivo
Desplazamientos (mm)
Regleta, clavos, hitos de nivelación
Giros (º ó mm)
Clinómetros y/o bases clinométricas
Control de movimientos tridimensionales, en parámetros verticales y superficie. Convergencias.
Desplazamientos (mm)
Prismas y/o Miniprismas
Control de movimientos horizontales en profundidad
Desplazamientos (mm)
Tubería inclinométrica
Control de movimientos verticales en profundidad
Desplazamientos (mm)
Extensómetros de varillas y/o sistemas incrementales
Control de niveles de agua o presión intersticial
Metros de columna de agua (mm o kg/cm 2 )
Piezómetros abiertos y/o cerrados (cuerda vibrante)
Tipo de control Control de movimientos verticales, en parámetros verticales y superficie. Control de movimientos bidimensionales, en parámetros verticales.
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166
CONTROL DE LAS DEFORMACIONES DE UN TUNEL Para poder evaluar o medir estas deformaciones se utiliza un tipo de instrumentación específica. Los más sencillos son los extensómetros destinados a medir deformaciones verticales o laterales de la bóveda o de los hastiales de la galería. En el sector de deformaciones o expansión donde se encuentra la galería aparecen unas tensiones que dan lugar a la convergencia.
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84 167
AUSCULTACION DE UN TUNEL Se realiza durante y después de la excavación y revestimiento en su caso. Precisa de los siguientes estudios: 1.
2.
3.
Medidas de convergencia: se determinan las variaciones de longitud de cuerdas entre puntos de los hastiales y la bóveda y el movimiento vertical absoluto de un punto situado en la bóveda o clave. Las medidas se realizan con instrumentos de muy alta precisión. Medidas de extensiometría: son una medida puramente geotécnica y se realizan con extensómetros colocados en diferentes posiciones, midiendo distancias entre diferentes puntos de un perfil. Medidas de las presiones: se realizan en cavidades perforadas en distintos puntos del frente e introduciendo sensores de presión denominados flatjacks.
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168
AUSCULTACION DE UN TUNEL
Argolla para colocación de medidores de convergencia
Flat-jack para medición de presiones
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