SOSTENIMIENTO CON CIMBRAS Y ARCOS DE ACERO DISEÑO Y SOSTENIMIENTO DE LABORES SUBTERRANEAS ING. LUCIANO PRADO TACO LUIS FERNANDO RETAMOZO ALA
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INTRODUCCIÓN A continuación se lleva a cabo una investigación sobre Cimbras y cuadros metálicos, con el fin de estudiar sus funcionalidades, cualidades, proceso de instalación como también el control de calidad por el que deben ser evaluadas para su óptimo desempeño dentro del proceso de fortificación de labores de Minería Subterránea. En los comienzos para fines de sostenimiento pasivo, el elemento de soporte más utilizado era la madera, por su accesibilidad, buenas condiciones de flexibilidad, pero con una vida útil corta, debido al deterioro que sufre al estar expuesta en las condiciones ambientales subterráneas. subterráneas. Gracias a esto es que en la década del 40 se inicia y desarrolla el marco lico, reemplazando paulatinamente la fortificación de madera, por su sencillez y rapidez en instalar, con mucho menos probabilidad de ceder, al no deteriorarse fácilmente como la madera. Es utilizado bajo condiciones de alta inestabilidad, en donde se requiera de una respuesta apropiada frente a los esfuerzos producidos por el macizo. Este elemento de sostenimiento pasivo, se utiliza generalmente para el sostenimiento permanente de labores de avance, en macizo rocoso con alto índice de roca fracturada o muy débil, calidad de roca mala o muy mala, la cual es sometida a condiciones de altos esfuerzos. Las cimbras son usadas debido a su excelente resistencia mecánica y sus propiedades de deformación, la ventaja de este sistema es que sigue aplicando soporte después de que hayan ocurrido deformaciones importantes, ya que se logra la re-distribución de dichos esfuerzos encontrando un punto de equilibrio dentro producto de los ajustes tensiónales propios de una labor subterránea. Así es como en el desarrollo desarrollo de este trabajo investigativo se someterán a estudio variados puntos que van desde generalidades, características técnicas hasta procesos de instalación de los elementos ya mencionados.
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1. CIMBRAS METALICAS Este típico sostenimiento típico sostenimiento pasivo o soporte es utilizado generalmente para el sostenimiento permanente de labores de avance, en condiciones de masa rocosa intensamente fracturada o muy débil, que le confieren calidad mala a muy mala, sometida a condiciones de altos esfuerzos. Para lograr un control efectivo de la estabilidad en tales condiciones de terreno, las cimbras son utilizadas debido a su excelente resistencia mecánica y sus propiedades de deformación, lo cual contrarresta el cierre de la excavación y evita su ruptura prematura. La ventaja es que este sistema continúa proporcionando soporte después que hayan ocurrido deformaciones importantes. Las cimbras son construidas con perfiles de acero, según los requerimientos de la forma de la sección de la excavación, es decir, en forma de baúl, herradura o incluso circulares, siendo recomendable que éstos sean de alma llena. Hay dos tipos de cimbras, las denominadas «rígidas» y las «deslizantes o fluyentes». Las primeras usan comúnmente perfiles como la W, H, I, conformadas por dos o tres segmentos que son unidos por platinas y pernos con tuerca. Las segundas usan perfiles como las V y Ù, conformadas usualmente por tres segmentos que se deslizan entre sí, sujetados y ajustados con uniones de tornillo.
Los accesorios en este sistema de sostenimiento sostenimiento son los tirantes de conexión de las cimbras, el encostillado y los elementos de bloqueo. Los tirantes pueden consistir de varillas de fierro corrugado o liso generalmente de 1″ de diámetro u
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Los elementos de bloqueo pueden ser la madera o los bolsacretos, estos últimos son sacos conteniendo agregados con cemento, los cuales son rociados con agua para permitir su fraguado una vez colocados entre las cimbras y la pared rocosa; r ocosa; el concreto débil así formado proporciona un adecuado bloqueo para transferir las cargas uniformemente sobre las cimbras.
Para el rango de los tamaños de las excavaciones de las minas peruanas, las cimbras rígidas comúnmente utilizadas son las 4W13 (perfiles W de 4″ de ancho x 4″ de profundidad y 13 lb/pie) o equivalentes, espaciadas de 0,75 a 2 m, las
mismas que corresponden a cimbras ligeras para excavaciones de hasta 4 m de
abierto. En caso de altas presiones del terreno, estas cimbras podrían construirse a sección completa, colocando una solera (invert) curvada hacia abajo o de otro modo podrían ser de forma circular.
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Las cimbras 6W20 también son comúnmente utilizadas para excavaciones con abiertos de hasta 6 m. Es poco usual pasar al uso de cimbras pesadas como las de la serie 8W o equivalentes, las anteriores son suficientes para los propósitos indicados.
1.1. TIPOS DE CIMBRAS CIMBRA CORREDIZA: La que se corre cambiándola de sitio. CIMBRA DE PARRILLERA: La que se usa en las galerías de minas.
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CIMBRA FIJA: La que tiene uno o más apoyos en el espacio o clavo que hay entre los estribos o pilas de la bóveda. CIMBRA MIXTA: La que siendo en su forma o armazón general recogida, recibe luego los puntos de apoyo intermedios a los estribos como las fijas. CIMBRA PERALTADA: Aquella cuyo eje es superior superior a la mitad de de la cuerda del arco que la forma. CIMBRA REBAJADA: Aquella en que la altura del eje es menor que la mitad de la cuerda del arco. CIMBRA FLEXIBLE O RECOGIDA: La que no tiene apoyo alguno intermedio y solo va a apoyada en las fábricas de los estribos o pilas. En los casos que las cimbras indicadas no fueran suficientes para excavaciones de hasta / m de abierto, por las altas presiones de la roca, pueden utilizarse cimbrasmedianas como las del tipo 9(74 o equivalentes o alternat ivamente cimbrasdeslizantes. Las cimbras 9(74 también son com únmente utilizadas para excavaciones con abiertos de hasta 9 m. Es poco usual pasar al uso de cimbras pesadas como las de la serie o equivalentes, equivalentes, las anteriores son suficientes para los propósitos indicados. 1.2. PROCEDIMIENTO DE INSTALACION CIMBRAS RIGIDAS: posible, pues Es preferible que el soporte se instale lo antes posible, cualquier retraso se traduce en aumentos de la presión sobre el techo. Para iniciar la colocación colocación de una una cimbra, cimbra, se debe proceder a asegurar el techo, lo cual se podrá realizar mediante la colocación de ángulos o marchavantes de ser necesario. Todas las cimbras deben estar correctamente apoyadas al piso mediante las platinas de base debidamente ubicadas a una profundidad de 20 cm, (se debe cavar previamente con el techo protegido) y correctamente sujetas a la cimbra inmediata anterior con distanciadores de acero (8 unid.), debiéndose mantener su verticalidad. De ser necesario se debe asegurar la cimbra anclándola con cáncamos a las paredes. Se asegurará asegurará el techo entablando entablando el espacio entre entre las 2 últimas cimbras instaladas. Este entablado se inicia a 1.5 metros del nivel del suelo hasta cubrir toda la corona de la excavación. El entablado debe estar apoyado por la superficie externa de la cimbra. El bloqueo de la cimbra contra contra las paredes rocosas es es
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Es muy importante que la instalación sea cimbra por cimbra y no varias cimbras a la vez, es decir, completar la instalación de una cimbra para comenzar con la siguiente. deben estar correctamente correctamente apoyadas apoyadas y Todas las cimbras deben sujetas al piso mediante dados de concreto, debiéndose mantener su verticalidad, para lo cual se requerirá de ser necesario, asegurar la cimbra anclándola con cáncamos a las paredes. Las siguientes cimbras a colocar se asegurarán con los tirantes y se protegerán en forma sistemática con el encostillado. El bloqueo de la cimbra contra contra las paredes rocosas es es esencial para que pueda haber una transferencia uniforme de las cargas rocosas sobre las cimbras. Si no se realiza un buen bloqueo las cimbras no serán efectivas. Por lo tanto es importante realizar correctamente esta labor. Es muy importante que la instalación sea cimbra por cimbra y no varias cimbras a la vez, es decir, completar la instalación de una cimbra para comenzar con la siguiente. 1.3. CONTROL DE CALIDAD
Para que este tipo de sostenimiento funcione bien, deben cumplirse las siguientes condiciones:
Las cimbras deben estar completamente verticales, aceptándose una inclinación máxima de +/- 3º con respecto a la vertical. Las cimbras se deben instalar de manera perpendicular al eje de la labor. Todos los tirantes o distanciadores deben estar colocados, ya que de esto depende que el conjunto de cimbras resista adecuadamente. Estrecho o apretado contacto entre el contorno contorno de la excavación y la cimbra la cual debe distribuir la presión en todo su perímetro, a fin f in de desarrollar tempranamente su capacidad de sostenimiento, antes de que las presiones
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La diferencia radica que estas cimbras usaran abrazaderas y pernos que unirán a las partes adyacentes traslapadas, y no solo será suficiente pernos y tuercas t uercas como en el caso de las cimbras rígidas. 1.5. CONTROL DE CALIDAD
Los parámetros que se deben tener en cuenta para la perfecta colocación de un cuadro son los siguientes:
Las cimbras deben estar completamente verticales, aceptándose una inclinación máxima de +/- 3º con respecto a la vertical. Las cimbras se deben instalar de de manera perpendicular al eje de la labor. Si los perfiles supuestos son paralelos, el deslizamiento queda asegurado, y las dimensiones di mensiones del cuadro colocado serán las correctas. Por el contrario si los perfiles superpuestos no son paralelos, puede suceder que le cuadro abra la boca hacia fuera o hacia adentro. En el primer caso la distancia entre los pies del cuadro es menor, en el segundo caso, la distancia entre los pies del cuadro es mayor. Solape adecuado en las uniones. En cuanto cuanto a la longitud del solape, solape, hay que tener tener en cuenta, que si es la correcta, los cuadros tendrán dimensiones previstas. Si la superposición es menor de la debida, la distancia entre los pies será menor que la prevista, si la superposición es mayor que la prevista, la distancia entre los pies será mayor. Apriete adecuado en las grapas de unión. Colocado el cuadro con las dimensiones correctas, es necesario atornillar fuertemente las grapas. Resistencia conveniente del conjunto, que depende de que estén colocados todos los tirantes o distanciadores. Se recomienda recomienda de manera general general el empleo de
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2. ARCOS METALICOS Y DE ACERO ACERO El empleo de arcos metálicas como sostenimiento es aplicable a un amplio rango de condiciones del terreno ofreciendo la ventaja de ser resistente tanto a los esfuerzos de compresión como a los de tracción, con elevados momentos de flexión. Esta técnica de sostenimiento es conveniente para condiciones de terreno en las cuales exista una importante tendencia al colapso debido a los esfuerzos inducidos por la convergencia del terreno. Para adaptarse a la forma de excavación se utilizan perfiles curvados en frío a los radios adecuados que se montan paralelos al terreno.
2.1. ARCO ARCO NORUEGO El arco noruego es un elemento de fortificación pasivo, que se caracteriza por estar conformado por acero y concreto lanzado (shotcrete), constituyendo una viga estructural conpropiedades de resistencia a la flexotracción muy semejante a la em pleadaen obras civiles de construcción. ELEMENTOS Y/O MATERIALES: Fierro Corrugado ½” (Viga)
Estribos de Fierro ¼”
Alambre #16 Cubos de 20x20x15 20x20x15 cm. de fierro de ½. Concreto Lanzado Shotcrete (280 Kg/cm2)
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Aplicable en terrenos de valores valores de RMR (21-30) y/o clasificados como de Muy Mala calidad
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Luego del lanzado del del shotcrete se procede procede a la instalación de 7 pernos de 8 pies de longitud (con (con cartuchos de resina y cemento), los cuales deben alinearse en un solo eje perpendicular al eje de la labor. Luego de colocado los pernos se procede a la instalación en si de los arcos noruegos. Estos arcos consisten de 4 varillas de fierro corrugado de ½”, Las cuales se amarran a los pernos de anclaje con el alambre Nº 16 a través de los Cubos de 20x20x15 cm. de Fierro de ¾” . Se coloca 1 cubo
por cada perno instalado, y como material de ajuste a la roca se utilizan las placas de los pernos. Estas varillas se colocan desde el piso de la excavación y la rodea por completo. En zonas donde la excavación es muy irregular, se colocan Estribos de fierro de ¼” a los fierros corrugados de ¾” para
darles una forma uniforme. Una vez que se han colocado todos estos elementos en conjunto se procede al lanzado de shotcrete, el cual debe cubrir por completo a los fierros corrugados ,lo cuales deben quedar no visibles y dar la apariencia de una viga de concreto reforzada con f ierros. Si es necesario se procede procede a la instalación instalación de pernos de anclaje adicionales entre los respectivos arcos.
2.2. Arcos de Sostenimiento Rigidos tipo "HEB" Perfiles de alta resistencia usados para conservar la sección con poca deformación o donde el espesor del terreno descomprimido alrededor del túnel debe ser limitado de una manera estricta. Los sectores se unen para formar el arco completo mediante uniones atornilladas entre las placas.
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unidos por dos abrazaderas o grapas. La deformabilidad de estos cuadros es consecuencia del montaje de los mismos. La resistencia al deslizamiento depende del grado de apriete de las abrazaderas. En este tipo de arcos se combina la alta resistencia del sostenimiento metálico con la propiedad deslizante de estos arcos que ceden cuando la presión del terreno alcanza un valor determinado, evitándose el agotamiento del arco. Otras de sus grandes ventajas es el montaje simple y rápido, así como mayor adaptabilidad a la sección excavada. Se pueden curvar de manera inversa, bajo pedido, sistema muy utilizado en tuneles de obra civil.
2.4. CONTROL DE CALIDAD
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Las mejorías que se presentan en las labores de trabajo gracias a este sistema de sostenimiento sostenimiento pasivo, debido al aporte que entregan en cuanto a la seguridad, es de gran importancia ya que se trabaja de forma segura. Este sistema de sostenimiento, es muy esencial en la fortificación fortificación de labores subterráneas, ya que aporta una gran resistencia a los esfuerzos producidos por la presión de la roca circundante. Se concluye también que este tipo de sostenimiento es adecuado para ser utilizado en rocas de mala a muy mala calidad. El único problema que presentan presentan es su costo elevado, por lo cual se aplica este método solo en labores permanentes.