Sistemas de Sostenimiento y Fortificación: U T M F C C O T I C O C

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA F ACULTAD DE CIENCIAS DE LA CONSTRUCCIÓN Y ORDENAMIENTO TERRITORIAL INGENIERÍA CIVIL EN OBRAS CIVILES

Sistemas de Sostenimiento y Fortificación Obras Subterráneas

Alumno: Jorge Neira Ramo: Obras Subterráneas Profesor: Milenko Ogaz

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Universidad Tecnológica Metropolitana Facultad de Ciencias de la Construcción y Ordenamiento Territorial Ingeniería Civil en Obras Civiles Obras Subterráneas

Objetivo

El objetivo principal de esta presentación, es poder especificar los sistemas de fortificación y/o sostenimiento. Objetivos específicos • • •

Relacionar los sistemas de Fortificación y Sostenimiento. Reconocer los sistemas que se emplean para los tipos de de Fortificación Fortificación y Sostenimiento Identificar los sistemas de Fortificación y Sostenimiento

¿Qué es Sostenimiento? “Se entiende como sostenimiento el conjunto conj unto de elementos que colocan en una excavación

subterránea para contribuir a su estabilización. Según esta definición, el trabajo que debe realizar el sostenimiento está íntimamente ligado al reajuste tensional que se produce en el terreno como consecuencia de la realización de la excavación.”

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¿Qué es fortificación?

La fortificación son técnicas usadas en la actualidad para proteger el uso, personas, herramientas y equipos en un túnel civil o minero, independiente del uso de la excavación, el concepto de fortificación siempre es el mismo, responder correctamente a los esfuerzos que tiene el suelo o macizo rocoso por el hecho de la intervención con la excavación. tenimi ento es, Si nos vamos a su esencia, que significa cada palabra obtenemos que S os tenimiento “Acción de sostener o sostenerse”. Por otro lado, Fortificación esta descrito como Acción tificar, especialmente un lugar”. de for tificar, “

Análisis

Basándose en estas definiciones, la diferencia entre ellos radica en su semántica la que nos indica que sostenimiento, se podría ejemplificar como sostengo lo que está encima, y fortificación fortificac ión yo lo fortalezco debido a que sus características característ icas son lo suficientemente buenas, pero no excelentes. La fortificación entrega mayores características portantes que las que tiene el macizo rocoso o suelo, por ende, la fortificación no siempre necesita un












La relación entre estos dos sistemas la podemos encontrar en variados casos de túneles u obras subterráneas, sobre todo cuando se trata de un macizo rocoso, se utilizan ambos ya que el macizo no es lo suficientemente competente para actuar por sí solo, es decir, la obra no solamente necesitamos fortificarla, si no también, sostenerla. Es por ello que podemos darnos cuenta que la diferencia entre estás, es una delgada cuerda entre dos tipos de acciones, fortificar y sostener, aunque no son lo mismo podríamos tratarlo como un todo, en diferentes bibliografías se puede notar que ambas palabras, para estos autores, significan lo mismo, evidenciándose en sus antecedentes “sostenimiento o fortificación” o uniéndolos como un todo “sostenimiento y fortificación”.

En chile, por ejemplo, de acuerdo a la Guía Metodológica para Sistemas de Fortificación y Acuñadura Acuñadura del Servicio Nacional de Geología y Minería, Sernageomin, Sernageomin, existen dos tipos de fortificaciones. En primer lugar, están las rígidas que corresponden a las que sostienen sin permitir ningún movimiento de la roca y deben ser resistentes para sujetar los bloques que puedan caerse. El segundo tipo de fortificación, son las flexibles, que permiten deformaciones de la roca con lo que –según se indica en el documento- se alivian los esfuerzos y al deformarse mejoran sus propiedades resistentes. Sistemas de fortificación y Sostenimiento

Los sistemas de sostenimiento y/o fortificación, son términos usados para describir procedimientos y materiales aplicados para mejorar la estabilidad y mantener la capacidad portante de la roca o suelo circundante a la excavación. El obj etivo principal de un elemento de sostenimiento o fortificación es movilizar y conservar el esfuerzo o resistencia inherente a la masa rocosa para que se auto-soporte. Los sistemas de Sostenimiento y fortificación tienen los siguientes objetivos básicos: Evitar derrumbes. Proteger el uso, personas, herramientas y equipos en un túnel civil o minero, independiente del uso de la excavación. Evitar deformaciones de las labores subterráneas. La fortificación y sostenimiento en labores mineras y civiles, constituye una importante importante contribución contribuc ión a la la s eg uri dad s ubterránea. ubterránea. Por P or lo tant tanto, o, los encarg ados ados de esta es ta importante importante lab labor or tienen una g ran res pons abilidad abilidad y deben deben esta es tarr s eg uros de que s u trabajo trabajo es té bien hecho hec ho a la primera. pri mera.

El sostenimiento y fortificación de roca generalmente combina los efectos de refuerzo con elementos tales como pernos de roca y soportes con la aplicación de hormig ón proyectado, malla metálica y cimbras de acero, los cuales soportan cargas de bloques rocosos aislados por discontinuidades estructurales o zonas de roca suelta.












Antes de realizar una excavación excavación en un macizo rocoso, la roca que lo constituye constituye se presenta confinada y sometida a una serie de presiones primari as provenientes de la fuerza de gravedad y el tectonismo que se anulan entre sí, proporcionando la estabilidad del macizo y evitando su desplazamiento. Cuando se ejecuta una excavación (galería, pique, chimenea u otra), estas tensiones presentes sufren una alteración de su estado de equilibrio natural, y como consecuencia de ello tienden a reacomodarse posteriormente para compensar la alteración producida por la excavación y lograr auto-soportarse. Si la roca que constituye el macizo rocoso es competente, ésta soportara o asimilara las tensiones durante el reajuste o reacomodamiento, pero si la roca es débil, ésta cederá ante las tensiones presentes y producirá el desplazamiento y/o caída de rocas debido a las elevadas presiones tangenciales que aparecen en el borde, hasta que la sección de la excavación tome la forma o sección requerida para desviar las tensiones y auto-soportarse; y el macizo rocoso alcance nuevamente un punto de equilibrio. En consecuencia, la roca contenida en el anillo anill o determinado por la línea de puntos estables alrededor de la excavación y el borde libre de la misma se encuentra suelta o inestable y requiere de sostenimiento. Los factores que afectan la estabilidad de una excavación son: • Magnitud Mag nitud y direc di recci ci ón de los es fuerzos fuer zos a la que está sometida la excavación. • Interacción entre galerías adyacentes : La presencia de galerías cercanas y adyacentes influirán en la estabilidad general de la zona por representar zonas abiertas con diferentes magnitudes y direcciones de esfuerzos actuando. •

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Pr opiedades opiedades f ís ico-mecánicas ico-mecánicas de los los diferentes diferentes tipos de roc a en en las las que está emplazada emplazada la excavación exc avación : Las rocas tienen diferentes comportamientos antes los

esfuerzos exteriores a las que están sometidas, tienen diferentes resistencias a los esfuerzos de compresión, cizalla y en general diferente comportamiento geo mecánica. Geología estructural del sector: El tipo y características de las estructuras geológicas predominantes en el sector influirá en la estabilidad de la excavación. Un sector con mayor cantidad de fracturas será más inestable que otro sector en donde la presencia de planos de debilidad sea menor. Pr esenci a de ag ua subterránea subterránea: La presencia de agua de infiltración de la napa freática puede provocar el lavando del material que cementa las diferentes estructuras, creando zonas de debilidad. Método y calidad de la exc avación: avación : La utilización de técnicas de voladuras amortiguadas contribuye a la estabilidad de la excavación. El uso de explosivos de baja velocidad de detonación en los contornos de la excavación ayudara a conseguir excavaciones más estables. Tipo de sostenimiento utilizado. Forma y dimensión de la excavación : La forma y dimensión de la excavación












La fortificación o sostenimiento de minas y túneles, es una construcción artificial que se hace en las excavaciones subterráneas para prevenir la destrucción de las rocas circundantes y preservar las dimensiones de la sección transversal cuando el equilibrio natural de las masas rocosas es alterado por la excavación. La fortificación, como una obra más de ingeniería, debe satisfacer una serie de exigencias técnicas, productivas y económicas Exigencias técnicas • Debe ser resistente: la fortificación fortific ación debe estar capacitada para asimilar carga que • •

sobre ella va a actuar. Debe ser estable: estable: la fortificación fortificaci ón debe conservar la forma que se proyecta aún bajo la acción de las cargas. Debe ser duradera: Su vida de servicio debe estar acorde con la vida de servicio de la excavación.

Exigencias de producción • Debe ofrecer la menor resistencia posible al paso del aire. • Debe ocupar el menor espacio posible en la excavación. • Debe ser segura ante el peligro de incendio. • No debe entorpecer los procesos productivos. • Debe estar constituida por elementos que se puedan preparar en la superficie y que

se puedan instalar por medios fáciles o mecanizados. Exigencias económicas

El costo inicial y los gastos de mantenimiento durante el periodo de explotación deben ser mínimos. Como la mayoría de los trabajos de fortificación de las excavaciones mineras y civiles son costosos, laboriosos y los menos mecanizados de todos los ciclos del laboreo, si una excavación requiere de fortificación, resulta importante elegir correctamente la construcción de la misma cumpliendo no solo con las exigencias económicas, sino también con las condiciones de seguridad que garanticen la estabilidad de la fortificación en las condiciones de trabajo en la excavación, durante el transcurso de todo el plazo de servicio. En síntesis, debe ser fuerte, simple, barato y efectivo












Tipos de Sostenimiento y Fortificación

Básicamente la división de los sistemas de fortificación y sostenimientos es:

Sostenimientos Hormigon Proyectado

Fortificación Pernos de anclaje(bulonaje)

Mallas

Estos claramente poseen más subdivisiones que las veremos a continuación. Sistemas de Fortificación 1. Fortificación Fortific ación con Pernos de anclaje (Bulonaje)

El bulonaje es una técnica de fortificación que, en esencia, consiste en anclar en el interior de las rocas una barra de material resistente que aporta una resistencia de tracción y, confinando al macizo rocoso, permite aprovechar las características resistentes propias de las rocas facilitando así su sostenimiento. Estas barras de material resistentes que se anclan son los conocidos perno de roca o pernos de anclajes. Principalmente, la fortificación de pernos se basa en oponerse a la deformación del macizo rocoso, ayudando al macizo a auto soportarse. El perno pasa a formar parte del mismo entorno, reforzando la resistencia de la roca. perno s Los tipos de pernos más comunes o más usados en la fortificación de terrenos s on: pernos de ancla anclajes jes expans expans ivos , es tabiliza tabilizadores dores de fricci ón, pernos cementa cementados dos con res ina o cemento cemento y los cables cables de acero acero o también llamados pernos cables cables . En la selección de

los elementos para sostenimiento es muy importante tener un conocimiento de las funciones y las resistencias de cada elemento. También toma en cuenta la altura de las labores, el tipo de roca y su clasificación, el tipo de maquinaria disponible, el tiempo de vida útil de la labor, etc. Sus ventajas son: •

Versatilidad, puede ser usado bajo cualquier geometría de la galería














Formas correctas e incorrectas de poner los pernos











Universidad Tecnológica Metropolitana Facultad de Ciencias de la Construcción y Ordenamiento Territorial Ingeniería Civil en Obras Civiles Obras Subterráneas 1.1 Pernos anclados mecánicamente

Un perno para roca con anclaje de expansión controla el movimiento o el desplazamiento de la masa rocosa induciendo la presión de la tensión de la barra entre el anclaje y la platina de apoyo. Este tipo de soporte produce una tensión de aprox. 3.5 toneladas y tiene una resistencia en tracción máxima de 12.5 toneladas. Observación . Su uso es limitado a rocas moderadamente duras a duras, masivas,

con bloques o estratificada, sin presencia pres encia de agua. En rocas muy duras, fracturadas y débiles no son recomendables, debido a que el anclaje podría deslizarse bajo la acción de las cargas. En rocas sometidas a altos esfuerzos tampoco es recomendable

Ventajas • Relativamente barato • Soporte inmediato • Se puede tensar (roca resistente )

Desventajas • Uso limitado a macizos competentes • Debe ser monitoreado para tensar

correctamente • Su capacidad de soporte es afectado por las vibraciones de voladuras o el astillamiento de la roca detrás de la placa, debido a las altas fuerzas de contacto, por lo que no es recomendable utilizarlos en terrenos cercanos a areas de voladura. • Solo uso temporal.












1.2 .1. Pernos de aceros lechados

Son los pernos más utilizados en minería subterránea, fabricados en barra de construcción (fierro corrugado), el tipo helicoidal y cables de Acero instalado en una lechada de resina o cemento, resiste el movimiento del terreno debido a los puntos de contacto del enclavamiento mecánico del perno. La unión resina o lechada con la roca depende de las irregularidades encontradas dentro de la perforación y de la estructura de la roca. Cuando se usa cemento (en cartuchos o inyectado), se requiere varios días de curado antes que el perno trabaje a carga completa, pero apropiadamente instalados son competentes y durables, con alta resistencia en condiciones de roca dura. Estos pernos tienen larga vida útil y constituyen el sistema más versátil de pernos de roca. El uso de varillas con cemento inyectado es frecuentemente el sistema de sostenimiento más barato, pero no se debe usar en taladros con agua y tampoco se debe tensar inmediatamente.

Ventajas • Competente y durable • Gran capacidad de soporte en

macizos competentes

Desventajas • Requiere tiempo de curado para alcanzar

su maxima resistencia • La calidad de la lechada y el proceso de lechado es dficil de controlar y mantener • No se pueden usar en zonas con aporte de agua • Se pueden tensar solo siguiendo un procedimiento especial












1.2 .2 Pernos de aceros lechados con resina

Cuando se usa resina, sea ésta de fraguado rápido (menos de 30 segundos) o fraguado lento (2 a 4 minutos), el perno trabaja a carga completa en más o menos 5 minutos, permitiendo así pretensar el perno e instalarlo en presencia de filtraciones de agua. La resina viene en cartuchos con el catalizador separado de la resina y por efecto de la rotación del perno al momento de introducir al taladro, éstos se mezclan generando el fraguado. Este sistema proporciona una alta capacidad de carga en condiciones de roca dura, resistente a la corrosión y a las vibraciones del terreno y brinda acción de refuerzo inmediato después de su instalación, aunque su costo es mayor que los pernos cementados (en cartucho o inyectado).













macizos competentes • Capacidad de soporte rapida. • Si se usa un compuesto de fragüe rapido en el fondo, se pueden tensar.

Desventajas • El diametro de la perforación crucial • La calidad de la resina puede ser afectada

por el ambiente de la mina.No se pueden usar en zonas con aporte de agua • La resina tiene una vida limitada • Relativamente más cara • El manejo de la resina puede ser desordenado y peligroso, ademas generar desperdicios.

Los pernos de varilla cementados o con resina son generalmente usados como refuerzo permanente, pero también pueden ser utilizados como refuerzo temporal en varias condiciones de roca, desde rocas de buena a mala calidad, constituye el mejor sistema para rocas de muy mala calidad y también para rocas en ambientes de altos esfuerzos. En presencia de discontinuidades abiertas y/o vacías, no es recomendable su uso a menos que la inyección de la pasta de cemento pueda ser chequeada.














1.3 Pernos de fricción “Split Set”

Los Split sets, conjuntamente con los swellex, representan el más reciente desarrollo de técnicas de reforzamiento de roca, ambos trabajan por fricción (resistencia al deslizamiento) a lo largo de toda la longitud del taladro. Aunque los dos trabajan con el mismo principio, tienen diferentes mecanismos de sostenimiento, como veremos más adelante. El Split set, consiste de un tubo ranurado a lo largo de su longitud, uno de los extremos es ahusado y el otro lleva un anillo soldado para mantener la platina. Al ser introducido el perno a presión dentro de un taladro de menor diámetro, se genera una presión radial a lo largo de toda su longitud contra las paredes del taladro, cerrando parcialmente la ranura durante este proceso. La fricción en el contacto con la superficie del taladro y la superficie externa del tubo ranurado constituye el anclaje, el cual se opondrá al movimiento o separación de la roca circundante al perno, logrando así indirectamente una tensión de carga.












Consideraciones 1. Los Split sets son utilizados mayormente para reforzamiento reforzamient o temporal, usualmente conformando sistemas combinados de refuerzo en terrenos de calidad regular a mala. En roca intensamente fracturada y débil no es recomendable su uso. 2. Su instalación es simple, solo se requiere una máquina jackleg o un jumbo. Proporciona acción de refuerzo inmediato después de su instalación y permite una fácil instalación de la malla. 3. El diámetro del taladro es crucial para su eficacia, el diámetro recomendado para los Split sets de 39 mm es de 35 a 38 mm, con diámetros más grandes se corre el riesgo de un anclaje deficiente y con diámetros más pequeños es muy difícil introducirlos. Son susceptibles a la corrosión en presencia de agua, a menos que sean galvanizados. En mayores longitudes de Split sets, puede ser dificultosa la correcta instalación. Los Split sets son relativamente costosos.



































macizos competentes • Relativamente barato • Se puede cablear a cualquier largo

Desventajas • Requiere tiempo de curado para alcanzar

su maxima resistencia • La calidad de la lechada y el proceso de lechado es dficil de controlar y mantener • No se pueden usar en zonas con aporte de agua • Se pueden tensar solo siguiendo un procedimiento especial














2. Mallas

La armadura sirve para absorber las solicitaciones por contracción, aumentar la resistencia a la tracción/ cizallamiento y para repartir las cargas concentradas. La malla metálica principalmente es utilizada para los siguientes tres fines: I. II. III.

Para prevenir la caída de rocas ubicadas entre los pernos de roca, actuando en este caso como sostenimiento de la superficie de la roca Para retener los trozos de roca caída desde la superficie ubicada entre los pernos, actuando en este caso como un elemento de seguridad. Como refuerzo del shotcrete.












2.2 Malla Soldada

Es mucho más rígida que la malla trenzada, lo cual lo hace que sea difícil acomodarla a las irregularidades de la roca, pero crea un mayor confinamiento de la zona entre pernos. La principal ventaja, es la posibilidad de colocar shotcrete en una etapa posterior.











Universidad Tecnológica Metropolitana Facultad de Ciencias de la Construcción y Ordenamiento Territorial Ingeniería Civil en Obras Civiles Obras Subterráneas El hormigón proyectado en diferentes obras subterráneas y sus usos

Tunelería

En tunelería el hormigón proyectado puede ser usado como revestimiento final o como soporte temporal. En revestimientos finales, el hormigón proyectado puede encontrarse usado en combinación con pernos de anclaje, cables, hormigón reforzado con fibras y marcos de acero (donde se requiera un soporte adicional). Los espesores varían desde 50 mm hasta 500 mm, pudiendo ser aplicado en múltiples capas. El hormigón proyectado aplicado como soporte temporal es diseñado para proporcionar un soporte estructural temprano. A continuación, puede ir seguido de una segunda capa que entrega el soporte permanente. El revestimiento permanente puede ser: hormigón proyectado, dovelas prefabricadas de hormigón u hormigón moldeado












Uno de los principales desarrollos que mejoró la eficiencia en el uso de hormigón proyectado como soporte de suelo fue el paso a la proyección en ciclos. Esto significa que el hormigón proyectado es aplicado durante el ciclo de desarrollo, después de la tronadura y antes de la instalación de los pernos de anclaje. De esta manera, el uso de malla no se requiere y los pernos son instalados a través de las capas de hormigón proyectado, proporcionando una óptima conexión entre el hormigón proyectado y el sustrato. Según la Guía Chilena del Hormigón Proyectado-Shotcrete, se puede mejorar el desempeño de las capas de hormigón proyectado con un aumento de los espesores de las capas aplicadas y/o con un incremento de la dosis de fibra. Por lo tanto, un mismo sistema de aplicación puede hacer frente a una serie de diferentes requisitos












Mezcla seca y húmeda

La tecnología del shotcrete comprende los procesos de mezcla seca y de mezcla Húmeda. En el proceso de mezcla seca, los componentes del shotcrete seco o ligeramente pre-humedecidos, son alimentados a una tolva con agitación continua. El aire comprimido es introducido a través de un tambor giratorio o caja de alimentación para transportar los materiales en un flujo continuo hacia la manguera de suministro. El agua es adicionada a la mezcla en la boquilla. En el proceso de mezcla húmeda, los componentes del shotcrete y el agua son mezclados antes de la entrega a una unidad de bombeo de desplazamiento













Universidad Tecnológica Metropolitana Facultad de Ciencias de la Construcción y Ordenamiento Territorial Ingeniería Civil en Obras Civiles Obras Subterráneas •

Reparador , Shotcrete utilizado para la reparación de un sistema de fortificación

previamente instalado que presenta deterioro o fallas, o que requiera de un aumento en sus niveles de fortificación.












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, e I, conformadas por dos o











Universidad Tecnológica Metropolitana Facultad de Ciencias de la Construcción y Ordenamiento Territorial Ingeniería Civil en Obras Civiles Obras Subterráneas 2. Paraguas

Los paraguas de micropilotes, consiste en yuxtaposición de micropilotes, un












Además de todos los mencionados mencionados anteriormente anteriormente encontramo encontramoss sostenimientos con Madera , El sostenimiento con madera fue el símbolo del minado subterráneo hasta antes que se hayan desarrollado las nuevas tecnologías de sostenimiento.












Conclusión

Sistemas de Sostenimiento y Fortificación: U T M F C C O T I C O C

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