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FAC. DE ING. ELECTRICA, ING. MECANICA, ING. ELECTRONICA E ING. DE MINAS CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS PROING. MINAS

"APLICACIÓN DE LA GEOMECANICA AL SOSTENIMIENTO DEL TUNEL DE DESCARGA DE LA CENTRAL HIDROELECTRICA DE MACHUPICCHU”

Estudio de Ingeniería Para optar al Título Profesional de Ingeniero de Minas Presentado por: Br. Manuel Quispe Acuña. Br. Jesús Arizábal Navarrete Asesor Ing. Magíster Florentino Yanajahuira CUSCO - PERU 2 009

PRESENTACIÓN Señor Decano de la Facultad de Ingeniería Eléctrica, Mecánica e Ingeniería de Minas, Señores Catedráticos miembros del jurado. Con el propósito de optar el Titulo de Ingeniero de Minas i de acuerdo al Reglamento de Grados y Títulos vigente, ponemos a vuestra consideración el trabajo de Estudio de Ingeniería; “APLICACIÓN DE LA GEOMECANICA AL SOSTENIMIENTO

DEL

TUNEL

DE

DESCARGA

DE

LA

CENTRAL

HIDROELECTRICA DE MACHUPICCHU”.

El presente trabajo tiene por finalidad dar a conocer las bondades que ofrece la Geomecánica, relacionada a la Geotécnia, a las construcciones subterráneas, como herramientas que lleven a optimizar o mejorar el sostenimiento, perforación, voladura de rocas asÍ como la seguridad

y

productividad. En la actualidad el uso de la geomecánica en el diseño de nuevas construcciones subterráneas se ha establecido como norma; es así que la mayoría de empresas mineras actualmente ya cuentan con un departamento de geomecánica.

MANUEL QUISPE ACUÑA JESUS ARIZABAL NAVARRETE

2

OBJETIVOS

a. Adecuación del sistema de soporte mediante observaciones en campo, instrumentación, manejo y corrección en caso necesario,

aplicando

técnicas de voladura actuales. b. Minimizar costos en sostenimiento. c. Minimizar las condiciones de riesgo en las zonas inseguras de trabajo usando como herramienta la Geomecánica. d. Difundir la ciencia e ingeniería de la Geomecánica para macizo rocoso, como complemento importante de la seguridad en construcciones de túneles.

3

INTRODUCCION El presente estudio de ingeniería se basa en una metodología de investigación adecuada, teniendo como línea de base las características geológicas fisiográficas, estructurales climáticas de la zona donde se encuentra ubicada la central

Hidroeléctrica

de

Machupicchu,

aplicando

la

ciencia

de

la

GEOMECANICA. El túnel de descarga esta emplazado en el macizo rocoso del batolito de Machupicchu, representado por granitos y granodioritas con presencia de fallas locales, fracturas y diaclasas Regionalmente afloran las formaciones Ollantaytambo, grupo San José y formación Sandia. Estructuralmente la zona de estudio presenta un sistema de fracturamiento y diaclasamiento con rumbo y buzamiento promedio de N40E / 80NE; el macizo rocoso se halla afectado por un sistema de fallas con orientaciones NW-SE: asociados con estructuras mayores con una dirección aproximada de NE-SW. Hidrológicamente el objetivo principal es evaluar las condiciones climáticas en la zona por lo que es necesario conocer los aspectos meteorológicos principalmente en función de las principales aguas fluviales con un promedio mensual y anual los que nos indica la existencia de los periodos estacionales marcados en periodos de estiaje (Abril- Octubre) un valor mínimo de 33.48 mm/mes en el mes de Agosto y un periodo de crecimiento (NoviembreMarzo) un valor máximo de 329.67 mm/mes en el mes de marzo. Los procesos geodinámicos presentan dos tipos de agentes tectónicos internos donde evaluamos la sismo tectónica de la región que se caracteriza por ser superficial (destructora) y agentes geodinámicos externos la que presenta dos grupos de factores estáticos y dinámicos. Se aplicaron conceptos generales de geotecnia de túneles, donde se indica el proceso que se debe seguir para realizar el estudio adecuado y la correcta aplicación de la GEOMECANICA, en la construcción del túnel de descarga; se aplico los estudios realizados en el desastre natural ocurrido el 27 de Febrero de 1998, motivo por el cual se construyó el túnel de descarga, se indica también las

4

características de la Cuenca Aobamba, el proceso constructivo del túnel, consideraciones geológicas y geotécnicas tipos de sostenimiento, etc. Se resalta la geología estructural donde se realiza el mapeo estructural detallado, al interior del túnel donde indicamos los tipos de estructuras existentes para luego tipificar, clasificar e indicar el tipo de sostenimiento a emplear. Las clasificaciones mas útiles en geomecánica de rocas son RMR (rock mass rating), de Bieniawski 1973, sistema Q por Barton, RQD (rock quality determination), y GSI (Índice de Resistencia Geológica). Estas clasificaciones establecen diferentes grados de calidad de los macizos rocosos en función de las propiedades resistentes.

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"APLICACIÓN DE LA GEOMECANICA AL SOSTENIMIENTO DEL TUNEL DE DESCARGA DE LA CENTRAL HIDROELECTRICA DE MACHUPICCHU” CONTENIDO PRESENTACION OBJETIVOS INTRODUCCION

2 3 4 CAPITULO I ASPECTOS GENERALES

1.1- DESCRIPCIÓN GEOGRÁFICA

9

1.1.1- UBICACIÓN

9

1.1.2- CLIMA I VEGETACIÓN

9

1.1.3- ACCESIBILIDAD

12

1.1.4- TOPOGRAFÍA

12

1.1.5- GEOLOGÍA

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1.2- DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

15

1.2.1.- CENTRAL HIDROELECTRICA DE MACHUPICCHU

15

1.2.2.- EMBALSE DE LA CENTRAL HIDROELECTRICA DE MACHUPICCHU

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CAPITULO II

2.1 GENERALIDADES

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2.2 DISEÑO DEL PROYECTO

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2.3 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN

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2.4 MECÁNICA DE ROCAS

29

2.4.1. CLASIFICACIÓN DE ROCAS

30

6

2.5 CONCEPTOS DE GEOTECNIA

31

2.5.1. MECANICA DE SUELOS

31

2.5.2. GEODINAMICA

31

2.5.3. GEOMECANICA

31

2.6 CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO

32

2.7 CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO RMR, Q, G.S.I.

34

2.7.1 CLASIFICACIÓN DE BIENIAWSKY : (SISTEMA RMR)

35

2.7.2. CLASIFICACIÒN NGI (sistema Q)

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2.7.3 NUEVA CLASIFICACIÒN (GEOLOGICAL STRENGTH INDEX) GSI- INDICE DE RESISTENCIA GEOLOGICA

38

2.8 MAPEO GEOMECANICO EN LOS PUNTOS DE LA PROGRESIVA DEL FRENTE DE TRABAJO.

40

2.8.1 MAPEO ESTRUCTURAL DEL INTERIOR DEL TUNEL

46

2.9. DESIGNACION DE LA CALIDAD DE ROCA

48

2.10. DISEÑO GEOMETRICO DE TÚNEL TIPO HERRADURA.

57

2.11. AVANCE MEDIANTE TUNEL PILOTO.

61

2.11.1 METODO DEL TUNEL PILOTO

61

CAPITULO III

SOSTENIMIENTO

3.1 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE SOSTENIMIENTO.

62

3.1.1 ALTERNATIVAS DE SISTEMA DE SOSTENIMIENTO.

66

3.1.2. SOSTENIMIENTO PASIVO.

66

3.1.3. SOSTENIMIENTO ACTIVO.

69

3.2 DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS ACTUANTES.

76

3.2.1 PRINCIPIOS DE EMPERNADO PARA ESTABILIZAR EL TÚNEL.76 3.2.1.1. SECUENCIA DE TRABAJO DEL EMPERNADO.

80

3.2.2 INSTALACIÓN DE LOS PERNOS DE ANCLAJE.

81

7

3.2.3 EMPERNADO DE ROCA CON CEMBOLT.

81

3.2.3.1 CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMA CEMBOLT 81 3.2.3.2 MODO DE EMPLEO DEL CEMBOLT.

82

3.2.3.3 MODO DE INSTALACIÓN.

83

3.2.4 EMPERNADO DE ROCA CON EPO-ROCK.

86

3.2.4.1 TIPOS DE RESINA EPO-ROCK.

86

3.2.4.2 PROCESO QUÍMICO

87

3.2.4.3 ENDURECIMIENTO.

87

3.2.4.4 MODO DE EMPLEO DE EPO-ROCK.

89

3.2.4.5 MODO DE INSTALACIÓN.

90

CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS

8

CAPITULO I

ASPECTOS GENERALES

1.1-

Descripción Geográfica 1.1.1.- Ubicación.- La Central Hidroeléctrica de Machupicchu se encuentra en el distrito de Machupicchu, provincia de Urubamba, departamento del Cusco a orillas del río Vilcanota, entre los kilómetros 107 y 122 del Ferrocarril Cusco-Santa Ana, próximo a la población de INTIHUATANA y a una altura promedio sobre el nivel del mar de 1790 m. (ver grafico 01) Sus coordenadas UTM son: 8542680.476 N 764364.150 E 1.1.2.-Clima y Vegetación.- La Central Hidroeléctrica de Machupicchu por su ubicación, geográficamente pertenece a la Ceja de Montaña por consiguiente su clima es de carácter Tropical con algunos veranillos de tipo

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SANANTONIO ABAD DEL CUSCO FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA ,ELECTRONICA ,MECANICA Y MINAS

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS

PROYECTO : “ TUNEL DE DESCARGA DE LA CENTRAL HIDROELECTRICA DE MACHUPICCHU”

PLANO DE : UBICACIÓN DE RECURSOS

PLANO Nº 2

PRESENTADO POR:

ESCALA: GRAFICA

Bach. MANUEL QUISPE ACUÑA

FECHA : DIC. 2008

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GRAFICO 01

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Sierra produciéndose a lo largo del año, y en cualquier mes las nieblas típicas de la Ceja de Montaña Boscosa. Su temperatura máxima llega en promedio a 28°C y su mínima a 15°C. El caudal del río Vilcanota normalmente fluctúa entre 35 – 45 metros cúbicos por segundo, llegando a un promedio de 650 metros cúbicos por segundo en épocas de lluvia (febrero-marzo). En los días en que se presenta nublado, la humedad relativa se incrementa notablemente llegando a un promedio de 85%. La zona de Intihuatana y aledaños es productora de artículos tropicales como: té, café, cacao, coca, y frutales como: plátano, naranja, palta, mango, etc. 1.1.3.- Accesibilidad.- Actualmente las únicas formas

de acceso a la

Hidroeléctrica son: Primero por medio del ferrocarril que unía Cusco con Santa Ana llegando hasta el kilómetro 120.6 (desde Cusco) puesto que la línea férrea fue arrasada a partir del kilómetro 122 hasta la proximidad de Santa Teresa en su totalidad por el Embalse del río Aobamba; segundo por vía aérea (helicóptero) que tarda en llegar a la hidroeléctrica procedente de Cusco unos 30 minutos y por ultimo en los últimos meses la vía mas usada para el transporte zonal es por la carretera que une el poblado de Santa Teresa con la Hidroeléctrica de Machupicchu. De Cusco a Ollantaytambo la distancia por carretera es de 68 km, y a Machupicchu 54 km. por ferrocarril. 1.1.4.-Topografía.- El paraje de Intihuatana que encierra a la Hidroeléctrica posee una topografía de sierra inaccesible por sus montañas empinadas y gigantescas donde predomina el GRANITO, teniendo a la izquierda (norte) al río Vilcanota y a 500 metros al Este al valle y al río Aobamba.

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1.1.5.-Geología.- La Central Hidroeléctrica de Machupicchu se encuentra en el gran cañón de Urubamba, que se desarrolla desde TORONTOY hasta el 80 Km. río abajo. Es el sector del Batolito Granítico de Vilcabamba o Machupicchu. La geología esta representada por dicho batolito constituido por rocas ígneas intrusivas del Terciario, que intruye rocas metamórficas del Paleozoico Inferior. Los depósitos cuaternarios son glaciares, fluvioglaciares, coluviales, aluviales aluvionales y fluviales. En el sector existen numerosos planos de diaclasas y fallas con buzamientos de 30° a 50° los que forman planos inclinados naturales que son los principales fenómenos que ocasionan deslizamientos, derrumbes y asentamientos diferenciales que cuentan con la ayuda de las lluvias, conformación topográfica del terreno, intensa alteración de la roca ígnea por factores metereológicos, la gravedad y la intensa fracturación de la roca madre (in situ), etc. En lo referente al río Vilcanota se puede observar que desde la localidad de Ollantaytambo el río va describiendo numerosos rápidos lo que indica un fuerte declive en su cause, el fenómeno se produce hasta cerca de la localidad de Quillabamba. Este fenómeno es el que ha posibilitado la instalación de la Central Hidroeléctrica de Machupicchu. A continuación describiremos los diferentes tipos de roca encontradas en función a las edades geológicas, así tenemos: 1.- Paleozoico Inferior.- Constituido por Rocas Metamórfica: pizarras, filitas, micaesquistosas y anfibolitas. Se hallan instruidas en la zona del Batolito de Machupicchu. 2.- Batolito de Machupicchu.- Constituido por rocas ígneas intrusivas principalmente granodioritas a tonalitas, también granitos y dioritas. La composición mineralógica más común es de Cuarzo 20%, Rotosa 30%, Plagioclasa (oligoclasa labrador) 40%, Horblenda- biotita- accesorios 10%.

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3.- Depósitos Cuaternarios.- Los depósitos glaciares y Fluvioglaciares están constituidos de materiales gruesos, heterométricos angulosos, con matriz arenosa y limoarcillosa. Los depósitos coluviales están constituidos por bloques es su mayoría, gravas, cantos, y escasa matriz con excepción de aquellos localizados al pie de afloramientos de rocas metamórficas. Los depósitos aluvionales están constituidos por grandes bloques y matriz arenosa. Los depósitos aluviales y fluviales están constituidos de cantos rodados, gravas y matriz mayormente arenosa. Tectónica.- Regionalmente predominan los sistemas de fracturas E-W, NWSE y N-S, también NE-SW. Los pliegues, fallas y el diaclasado siguen estas direcciones predominantemente.

1.2.- Descripción del Proyecto 1.2.1.- Central Hidroeléctrica de Machupicchu.- Haciendo una breve descripción de la infraestructura de la Central Hidroeléctrica de Machupicchu: Presa.- Esta ejecutada en concreto armado controlada por tres ventanas reguladoras cuya finalidad es la de embalsar y contener el agua, las ventanas tienen mando eléctrico y mecánico. La presa se ha diseñado para dar paso a una crecida máxima de 2000 m3/seg. Toma.- Se encuentra a la izquierda del río y sirve para tomar el agua necesaria. La toma consta de desarenadores y desgravadores para así mandar el agua en condiciones optimas. Desarenadores.- Sirve para retener toda la arena, la limpieza es continua y puede decantar partículas

hasta 60% de 0.4 mm de

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diámetro y el 100% de 0.6 mm de diámetro, tiene un largo de 33 m y una profundidad de 4.70 m., un ancho de 4.4 m y la pendiente del fondo es del 2%. Los desarenadores

están construidos en un

concreto de 250 y 300 Kg de cemento por metro cúbico. Túnel de Derivación.- tiene la forma de herraje con una longitud total de 3360 m tiene un sostenimiento en parte natural y en otra por concreto simple y armado, tiene por finalidad trasladar el agua captada a la sala de maquinas para ser turbinadas, fue diseñada para transportar un máximo de 42 metros cúbicos por segundo por escurrimiento libre con una pendiente de solera de 0.3%. Cámara de Carga.- En el extremo de aguas abajo del túnel se encuentra ubicada la Cámara de Carga que es totalmente subterránea y excavada en roca, revestida en concreto. Sirve para regular la cantidad suficiente de agua, para ir a la tubería de fuerza. Plano Inclinado.- Sobre el domo de roca formado entre la quebrada del río Aobamba y la ladera Oriental del cerro Intihuatana, se encuentra el Plano Inclinado sobre el que van las tuberías y las rieles para el carro que va al pie de la cámara de carga. Canal de alivio.- Es aquel que una vez utilizado el agua, el restante se va a la quebrada Aobamba. Conducto Forzado.- Esta construido en acero, el espesor de la tubería varia entre 26 mm y 6 mm. El peso total es de un aproximado de 398550 Kg. Casa fuerza.- Es subterránea, tiene un pozo de acceso previsto para el transporte de la maquinaria y el tráfico del personal de operación.

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En la Casa Fuerza después de haber pasado por las turbinas, el agua, sale a la cámara de oscilación y de allí a la galería de descarga, restituyéndose finalmente las aguas al río Vilcanota a través de las obras de desemboque. 1.2.2.- Embalse de la Central Hidroeléctrica de Machupicchu.- El 27 de Febrero y el 12 de marzo de 1998 las dos casa de maquinas y edificios auxiliares de la Central Hidroeléctrica de Machupicchu fueron sumergidas por el embalse del río Vilcanota causado por la avalancha de aluviones procedentes de la parte alta de la quebrada Aobamba cuyo río es aportado principalmente por los deshielos de la cordillera del Salkantay a mas de 6000 m.s.n.m. donde la longitud aproximada del mencionado río es de 18 km. y tiene una pendiente entre 10 y 15 %.

Las cumbres nevadas del Salkantay presentan glaciares y masas de hielo en franco retroceso debido al calentamiento global, la caída de bloques de hielo y las aguas de deshielos; todas provocan la inestabilidad de los depósitos morrenicos y fluvioglaciares en la cuenca alta del río Aobamba.

En la zona de origen del aluvión confluyen varias cuencas glaciares hacia una llanura glacifluvial que probablemente por sobresaturación de sus materiales y deshielo profundo del Permafrost inicio el aluvión que se acelero al encontrar una caída de agua de unos 100 m de desnivel y casi vertical, siguiendo a gran velocidad por el valle del río Aobamba arrastrando materiales coluviales de ambas márgenes. Posteriormente se presentan nuevos aluviones de menor intensidad que el del 27 de febrero de 1998. Los aluviones del río Aobamba originaron el embalse del río Vilcanota, en cuyo dique aluviónico fue constituido por grandes bloques de hasta 10 metros de longitud, de roca ígnea intrusiva algo metamorfizada, bloques

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menores de las mismas rocas, micacitas, filitas, cuarcitas, cantos rodados y gravas de similar litología. La matriz es mayormente arenosa. El dique cubre el valle del río Vilcanota en la confluencia con el río Aobamba a todo lo ancho y tiene más de dos kilómetros de longitud y hasta 50 metros de espesor. El río ha desarrollado su cause próximo a la margen derecha y el río Aobamba sigue su curso próximo a la margen izquierda. La erosión remotante del río Vilcanota es muy importante habiendo profundizado su cause de 25 a 30 metros. El dique aluviónico se observa estable y debe ser erosionado paulatinamente en forma natural por el río Vilcanota. El embalse del río Vilcanota que ha cubierto la Casa de Máquinas y parte del campamento de la Central Hidroeléctrica de Machupicchu tenia por entonces unos 15 metros de profundidad de agua y de unos 25 metros de profundidad de sedimentos arenosos y limosos. En ambas márgenes del embalse afloran las granodioritas en las proximidades del dique y depósitos coluviales en la mayor parte del vaso del embalse. Estos materiales coluviales son bloques gruesos con alta permeabilidad lo que favorecería su estabilidad. Los estudios realizados en la zona afectada dan a conocer que no es la primera vez que sucedieron acontecimientos naturales como el aluvión del 27 de febrero de 1998, ya que es evidencia de acontecimientos sucedidos anteriormente todos los materiales encontrados producto de aluviones sucedidos lo que tampoco es una alerta por que en la zona de origen del aluvión ya no existe el material necesario y con características similares para producir un aluvión de semejante magnitud.

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CAPITULO II

2.1

GENERALIDADES

La Central Hidroeléctrica de Machupicchu esta ubicada en la margen izquierda del rió Vilcanota, dos kilómetros antes de la intersección con la quebrada Aobamba, en la que

ocurrieron diversos procesos aluviónicos de origen

glaciar; es así que el 27 de Febrero de 1998 a las 4.10 pm., se inicio el aluvión de características complejas, con un recorrido de 19 km. Provoco el embalsamiento de la Central Hidroeléctrica de Machupicchu, al depositarse todo el material en la intersección del río Aobamba con el río Vilcanota, en 48 horas se depositaron 28’800,000 m3 de material en un área de 720,000 m2. La inmensa laguna formada en la zona cubrió totalmente las instalaciones de la Central, siendo el área del espejo de agua 275,000 m2 y el volumen represado de agua y la altura máxima de agua llego a 70 m., dejándola sumergida bajo

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grandes cantidades de agua, lodo y piedras. Este acontecimiento marcó un hito histórico, un antes y un después para la central Hidroeléctrica de Machupicchu, para EGEMSA y para cada uno de los trabajadores. Las consecuencias fueron catastróficas y las pérdidas fueron innumerables y millonarias. Los estudios y evaluaciones para la recuperación de la Central Hidroeléctrica de Machupicchu se realizaron en Marzo de 1998 y la ejecución de las obras de desembalse se realizaron a partir de 11 de Julio de 1998. EGEMSA asumió directamente la administración de la obra. Es por esta razón que EGEMSA decidió la construcción del túnel de descarga, ultimo túnel ejecutado para comunicar el río Vilcanota con el túnel de descarga de aguas turbinadas llamando a la licitación y saliendo ganador la Empresa contratista JULIO S.A.C., empresa limeña. La finalidad de la construcción del túnel de descarga es más que todo preventivo, en caso de ocurrir otro fenómeno natural, como el ocurrido el año 1998., para que los daños no tengan tanta envergadura y no causen perdidas a la empresa. Suponiendo, en el caso de que ocurriera otro alud, el posible embalsamiento de las agua del río Vilcanota fluirían por el túnel de descarga, el cual entra en contacto con el túnel principal de las aguas turbinadas y seria arrastrado 2 Km. abajo, por las aguas procedentes del túnel antes indicado. El túnel de descarga esta ubicado en la margen derecha del río Vilcanota al NW de la Central Hidroeléctrica y a 700 m., del campamento del mismo. Para efectuar los estudios previos a la construcción del túnel se ejecuto la construcción de un puente de 64 ml de longitud y a una altura de 13 m., como vía de acceso al área de estudio, cuyo acceso es para transporte del personal y el traslado de materiales requeridos para iniciar la limpieza del lugar y posterior ubicación y construcción del túnel.

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UBICACIÓN DE LA ZONA DE EMBOQUILLE

El emboquille de un túnel, consiste en excavar a cielo abierto en una ladera hasta obtener un talud mas o menos vertical. La ubicación de las boquillas depende de dos factores fundamentales. 1 La primera es de carácter geométrico y contempla el ángulo de incidencia de la traza del túnel 2 El segundo depende de las condiciones geológicas e hidrológicas existentes (tipo de material, estructura del macizo, grado de meteorización, presencia y afluencia de agua etc.). El talud o frente desde el que se excavará el túnel se conoce como talud frontal, y los taludes situados a ambos lados de este se denominan taludes laterales. Las principales condiciones generales de los emboquilles en macizos rocosos son: 1. Se sitúan habitualmente cerca de la superficie de la ladera, y por lo tanto el macizo rocoso es superficial, es el mas alterado y meteorizado. 2. La excavación del túnel puede afectar directamente a la estabilidad de los taludes. 3. Suele ser lo primero que se ejecuta en la obra. 4. Los emboquilles resultan problemáticos y a menudo se producen fallos debido a deficiencias del proyecto, como a una errónea selección del sistema constructivo y ubicación, por lo siguiente: Se inicio la obra ubicando el emboquille en el lugar incorrecto, en una zona que presenta numerosas fallas y por lo tanto fracturas y diaclasas. (GRAFICOS 02 y 03). El motivo por el cual se ubico en este lugar, fue por la proyección que se hizo previa a la construcción, para que el túnel de descarga se conectara con el túnel principal, el cual seria de forma horizontal, iniciándose la construcción en

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la cota 1737, a medida que se iba avanzando se encontraba roca mas fracturada y fallada, por lo tanto el avance era mínimo. Posteriormente se ubico la zona de emboquille a 15 m. de distancia de eje a eje, al lado izquierdo del anterior, encontrándose rocas mas estables y macizas y por lo tanto constituye una zona mas segura para la construcción del túnel. Según la proyección realizada, la sección debía tener un ángulo de inclinación aproximadamente de 46°., iniciándose la obra en la cota 1746, para poder interceptar el túnel de descarga con el túnel principal.

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GRAFICO 02

23

GRAFICO 03

24

2.2

DISEÑO DEL PROYECTO En la construcción del túnel de descarga de la Central Hidroeléctrica de Machupicchu, donde la obra de tunelería presenta una serie de complejidades, debido a que el medio rocoso donde debe desarrollarse es anisotrópico, con particularidades de tectonismo, presencia de aguas subterráneas. 1 Se ha diseñado la sección de excavación, dependiendo del grado de riesgo que se prevé del tipo de excavación del túnel. 2 Se ha utilizado mapeos geomecánicos para la estabilización de la estructura, dando como resultado el auto-soporte, se empleo pernos de anclaje en algunos tramos. 3 Se definió el trazo del eje del túnel para proceder la excavación.

25

GRAFICO Nº 04 PERFIL GENERAL CENTRAL HIDROELECTRICA DE MACHUPICCHU

26

GRAFICO Nº 05

27

2.3

PROCESO DE CONSTRUCCIÓN El perfil establecido por la Empresa, es el perfil de herradura (horse shoe shaped), siendo su sección de 5 metros por 5 metros. 1 Al inicio se empezó a trabajar la sección completa del túnel, desde la zona de emboquille 0+00 m., hasta la progresiva 0+40 m., desde esta progresiva se decidió hacer una sección piloto del túnel y se empezó a ejecutar la mitad de la sección completa del túnel, desde el eje del túnel de descarga. 2 El material acumulado producto de las detonaciones se traslado en carritos mineros por medio de rieles que se instalaron como medio de transporte, con el fin de facilitar el traslado del material y el traslado del personal. 3 Una excavación subterránea es una estructura de gran complejidad y las herramientas de las que dispone el Ingeniero Geomecánico para ayudarse en su obra son unos modelos extraordinariamente simplificados sobre algunos de los fenómenos que se conjugan para lograr la estabilidad de la excavación, por lo general estos modelos solo se podrán usar para determinar un solo fenómeno a la vez, por ejemplo, la influencia de discontinuidades estructurales o de grandes esfuerzos de la roca sobre la excavación. 4 La necesidad de algún sistema para la clasificación de roca se manifiesta en definir en que clase de roca se esta ejecutando la excavación y si esta requiere sostenimiento. Algunas de las etapas más importantes en el desarrollo de sistemas de clasificación para los refuerzos subterráneo.

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2.4

MECÁNICA DE ROCAS La mecánica de rocas se ocupa del estudio teórico y practica de las

propiedades y comportamiento de los materiales rocosos y su respuesta ante la acción de fuerzas aplicadas en su entorno físico, guardando una estrecha relación con la Geología Estructural, para el estudio de los procesos de estructuras tectónicas que afectan a la roca. La mecánica de rocas es la ciencia que intenta describir y predecir las propiedades del fragmento rocoso y su comportamiento dentro de los macizos rocosos,

estos

aparecen

en

la

mayoría

de

los

casos

afectados

por

discontinuidades o superficies de debilidad que separan los bloques de la matriz rocosa. La finalidad de la mecánica de rocas es conocer y predecir el comportamiento de los materiales rocosos ante la actuación de las fuerzas internas y externas que ejercen sobre ellos. Cuando se excava un macizo rocoso se modifican las condiciones iniciales del medio rocoso, el cual responde a estos cambios deformándose y/o rompiéndose

a

nivel

microscópico,

las

partículas

minerales

sufren

desplazamientos y se pueden generar planos de fractura como respuesta al nuevo estado de tensiones. A nivel del macizo rocoso las deformaciones y roturas se suelen producir a favor de los planos de discontinuidad. Los macizos rocosos presentan innumerables propiedades físicas y mecánicas. Las propiedades Físicas (Composición mineralógica, estructura, porosidad, permeabilidad, alterabilidad, dureza, etc.), controlan las características resistentes y deformacionales de la matriz rocosa. En el comportamiento mecánico de los macizos rocosos influye las propiedades físicas y además

las características geológicas como: litología

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estratigrafía, estructura geológica, discontinuidades tectónicas y diagéneticas, estados de esfuerzos in-situ. etc. Los factores geológicos que predominan el comportamiento y las propiedades mecánicas de los macizos rocosos son:

1. La litología y propiedades de la matriz rocosa 2. La estructura geológica y las discontinuidades. 3. El estado de esfuerzos a que está sometido el material. 4. El grado de alteración y meteorización. 5. Las condiciones hidrogeológicas. La respuesta mecánica es función también de otros factores como: condiciones hidrológicas y ambientales, el clima y los fenómenos meteorológicos que actúan sobre el medio geológico y dan lugar a los procesos de alteración y meteorización modificando las propiedades iniciales de la roca. El estudio de la estructura geológica y las discontinuidades es un aspecto fundamental en mecánica de rocas, los planos de debilidad preexistentes controlan los procesos de deformación y rotura en los macizos rocosos. La diferencia entre el tiempo geológico y el tiempo a escala humana son un aspecto importante a considerar. Las obras aceleran determinados procesos que de una forma natural tardarían cientos a miles de años en producirse. En conclusión el comportamiento geológico y las observaciones de campo son aspectos fundamentales para la evaluación de las condiciones mecánicas de las rocas.

2.4.1. Clasificación de rocas Dentro de estas se tiene: a) Rocas Ígneas.- Dentro de ellas se encuentran las rocas intrusivas y extrusivas:

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Rocas Intrusivas: Formados en profundidad de grano grueso, bajo distintas condiciones de presión y temperatura, así se tiene el Granito, la Diorita,

la

Granodiorita, Sienita y otros. Rocas Extrusivas: Se originan a consecuencia de la actividad volcánica, así tenemos los Piro clásticos, los Volcano clásticos, Tobas, Flujos Lávicos, Andesitas, basaltos, pumitas, riolitas, riodacitas, traquitas..., etc. b) Rocas Sedimentarias.- Las rocas sedimentarias son de origen exógeno; es el resultado de la sedimentación de los materiales procedentes de la destrucción de rocas ya existentes, así se tiene, rocas clásticas, rocas calcáreas, rocas arcillosas, rocas químicas. c) Rocas metamórficas.- Las rocas ígneas y sedimentarias, pueden sufrir transformaciones mineralógicas, estructurales y aún químicas en el interior de la tierra, debido a diferentes causas, entre las principales se tiene, los gneis, migmatitas, cuarcitas, pizarras, esquistos, mármoles, etc.

2.5

CONCEPTOS DE GEOTECNIA

Es la geología aplicada a la ingeniería, que reforzada con la información útil de otras ciencias de la tierra y con nociones de ingeniería de construcción, contribuye para el diseño, planeamiento y control de las obras de infraestructura, en este caso para tunelería.

2.5.1. MECÁNICA DE SUELOS.- La mecánica de suelos estudia las propiedades, características y resistencia de las arcillas, limos y depósitos granulares, que se le conoce generalmente como “roca suave” entre los geólogos y mineros 2.5.2. GEODINÁMICA.- La geodinámica determina el grado de influencia de los fenómenos naturales a las obras de infraestructura implantadas en rocas o suelos; estos fenómenos son internos y externos. 2.5.3. GEOMECÁNICA.- Rama de la ciencia geológica que estudia la calidad del macizo rocoso, determinando el grado de alteración, resistencia y otras propiedades mecánicas. 31

2.6

CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO

GRADO DE ESTABILIDAD.

Para determinar el grado de estabilidad de una labor o excavación subterránea es necesario conocer la calidad de las Rocas.

CUADRO Nº 01 CALIDAD DE LAS ROCAS Roca Buena (Tipo I): Consiste en roca químicamente intacta o fragmentos de roca intactos, tienen fisuras y ramales pero los bloques entre las juntas están soldados o tan íntimamente embonados, que las paredes verticales casi no necesitan refuerzo. Roca Regular (Tipo II): Roca Fracturada, agrietada en bloques es una roca químicamente inalterada o casi inalterada, cuyos fragmentos se encuentran totalmente separados unos de otros y no embonan. Este tipo de roca puede necesitar refuerzo de las paredes verticales o hastíales. Roca Mala (Tipo III): Son las rocas alteradas, fracturadas, son las que requieren el refuerzo en seguida de ser descubiertas o evaluadas. Roca muy Mala (Tipo IV): Son las rocas fuertemente alteradas fácilmente disgregables, esta avanza lentamente en la excavación sin aumento perceptible de volumen. Presentan un porcentaje elevado de minerales arcillosos de poca expansibilidad (caolín e illita). Roca extremadamente Mala (Tipo V): Cuyo comportamiento es de un suelo, son terrosas, sueltas, blanda, deleznable, arenosas y movedizas principalmente por efectos del agua.

32

CUADRO Nº 02 TIPO DE SOPORTE EN FUNCIÓN A LA CALIDAD DE ROCA Clase de Roca Tipo de soporte (Geomecanicam temporal ente) I Sin soporte. (no se BUENA tiene tajos con esa valoración II sin soporte o pernos REGULAR puntuales ocasionales en cuñas inestables III Pernos puntuales o MALA sistemáticos con cuadrícula de 1.20 a 2.00 m. en excavaciones grandes. IV Perno sistemático en MUY MALA cuadricula de 1.00 a 1.20 m. V EXTREMADAM ENTE MALA

Malla con pernos sistemático en cuadricula de 1.00 m a 1.50 m

Tipo de soporte permanente

Color en el plano

Pernos puntuales y/o shotcrete ocasional de espesor < 0.03 m. Pernos principalmente en la bóveda y shotcrete de 0.05 m. espesor Perno sistemático + shotcrete simple ó con fibra de acero ó fibermesh, entre 0.05 a 0.10 m. Espesor Malla + perno sistemático + shotcrete con espesores de hasta 0.10 m Cimbras metálicas en rampas o cuadros de madera en galerías

Amarillo ESTABLE Verde Claro MED. ESTABLE Celeste MED. INESTABLE Naranja INESTABLE

Rojo MUY INESTABLE O CRITICO

Soportes Permanentes: Se utilizara en labores como rampas, ventanas y/o cruceros, galerías, chimeneas de ventilación, subestaciones eléctricas, complejos de bombeo principal, etc. El sostenimiento esta conformado: Túnel Linner, cimbra metálicas, pernos con malla y shotcrete, pernos sistemáticos mas shotcrete, shotcrete con fibra de acero o con fibra sintética (shotcrete estructural), cuadros de madera. Soportes Temporales: Se utilizara en labores como tajos, sub niveles, estocadas. El soporte esta conformado por pernos, pernos con malla, cuadros de madera, puntales de seguridad, entre otros.

33

El sostenimiento esta en función al tipo de roca, tiempo de abertura y ancho de labor.

2.7

CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO RMR, Q, G.S.I.

En el

estudio de la calidad de roca existen varias clasificaciones propuestos

por grandes estudiosos: así se tiene: 1. Clasificación de Terzaghi 2. Clasificación de Rabcewicz 3. Clasificación de Protodyakonov 4. Clasificación de Stini y Lauffer 5. Clasificación de Deere 6. Clasificación (RSR) de Wickman, Tiedemann y Skinner 7. Clasificación de Louis 8. Clasificación de la AFTES 9. Clasificación Bieniawski (CSIR) 10. Clasificación de Barton (NGI) 11. Clasificación de Hoek y Brown 12. Clasificación de Laubscher 13. Clasificación Dudek y Galcznski 14. Clasificación del NMAT 15. Clasificación GSI. De todas estas clasificaciones en la Central Hidroeléctrica de Machupicchu se aplico las siguientes:

34

Clasificación Bieniawski (CSIR) sistema RMR. Clasificación de Barton (NGI) sistema Q Clasificación de Hoek y Brown sistema GSI.

2.7.1 CLASIFICACIÓN DE BIENIAWSKY : (SISTEMA RMR) Fue desarrollada en Sudáfrica por Bieniawski, durante los años de 1973 –1979. Ha sido modificado con los años conforme mas casos históricos llegaron a estar disponibles, y adecuado a las normas y procedimientos internacionales (Bieniawski 1979 ). Estas diversas aplicaciones, que suman 351 casos históricos, indican la aceptación del sistema debido a su inherente facilidad de uso y versatilidad en la práctica de Ingeniería, involucrando túneles, cámaras, minas, taludes y cimentaciones. Constituye un sistema RMR (clasificación Geomecánica) de macizos rocosos que permite a su vez relacionar índices de calidad con parámetros de diseño y de sostenimiento. Los parámetros considerados por esta clasificación son: •

El RQD

•

Ensayo de compresión simple

•

Espaciamiento de las diaclasas (juego más desfavorable)

•

Condiciones de las diaclasas (4 + 5 de Bieniawsky 1973)

•

Condiciones del agua subterránea

35

•

Orientación de las diaclasas (favorabilidad de Rumbo y Buzamiento)

La metodología de clasificación consiste en: 1. Seleccionar para cada parámetro el valor (rating) 2. La suma

total de estos valores (rating) clasificará a la roca

en el

correspondiente rango de calidad.

2.7.2. CLASIFICACIÒN NGI (sistema Q)

Un sistema estructural de macizos rocosos orientado también a servir en la construcción

de

túneles,

fue desarrollado

por

Barton,

Lien

y

Lunden,

investigadores del NGI (Norwegian Geotechnical Institute), basándose en extensivos estudios en terreno y un gran número de casos de estabilidad de excavaciones subterráneas, esta clasificación a su vez toma como parámetro la CLASIFICACIÓN

RQD.

Siendo

el

geólogo

norteamericano

Deere,

que

desarrollaba su trabajo profesional en el ámbito de la mecánica de rocas, postula que la calidad estructural de un macizo rocoso puede ser estimada a partir de la información dada por la recuperación de trozos intactos de sondajes diamantinos. sobre esta base propone el índice cuantitativo RQD (Rock Quality Designation) el cual define como el porcentaje de testigo recuperado en piezas sanas y con una longitud mayor o igual a 100 mm, en relación a una longitud base de 3 metros.

S Longitud total en trozos > 100 mm RQD (%) = ----------------------------------------------------- x 100 Longitud (3m)

36

Basándose en rangos de valores de RQD, el medio rocoso es caracterizado según su calidad de acuerdo al siguiente cuadro: CUADRO Nº 03 CLASIFICACIÓN DE CALIDAD DE ROCA - RQD RQD (%)

CALIDAD DE ROCA

100 – 90 90 – 75 75 – 50 50 – 25 25 – 0

MUY BUENA BUENA MEDIANA MALA MUY MALA

FUENTE: Barton (1974 -2000) La aplicación de este concepto de designación de calidad de roca, dada su simpleza, fue ampliamente aceptada y de gran divulgación hasta hoy. Evidentemente la simplicidad del método involucra una serie de limitaciones puesto que no considera factores importantes como la orientación del sondaje en relación a los planos de debilidad, presencia de agua, relleno de fracturas, etc., los cuales tienen influencia en la correcta clasificación del terreno. Se debe tener presente que es recomendable determinar el RQD en base a testigos de diámetro igual o mayor a 50 mm. Al no disponer de sondajes diamantinos, el RQD puede calcularse, definiendo un RQD superficial según Palmstrom (1982). RQD (%) = 115 - 3.3 x jv Q=

RQD X Jn

Jr x Jw Ja

SRF

Donde: Jv = N° de juntas por metro cúbico jv = jx + jy + jz

37

Para

jv < 5

RQD = 10

Jn

=

Número de sistemas de fisuras.

Jr

=

Número de la rugosidad de las fisuras

Ja

=

Número de la alteración de las fisuras

Jw

=

Factor de reducción por agua en las fisuras

SRF =

Factor de reducción por esfuerzos.

2.7.3 NUEVA CLASIFICACIÒN (GEOLOGICAL STRENGTH INDEX) GSIINDICE DE RESISTENCIA GEOLOGICA Paúl Marinos, Profesor de Ingeniería Geológica de la Universidad Nacional Técnica de Atenas – Grecia, y Every Hek Ingeniero Consultor de Vancouver, B.C. de Canadá desarrollaron el GSI, índice de resistencia Geológica, con la finalidad de estimar la resistencia del macizo rocoso. Este criterio presenta una revisión de la estimación de propiedades de resistencia del macizo rocoso a través del uso de GSI. El sistema de clasificación GSI grandemente respeta las restricciones Geológicas que ocurren en la naturaleza y están reflejadas en la información geológica. Un debate relaciona los rangos del índice de resistencia geológica (Strength Geological Index) para macizos rocosos heterogéneos. 1 Masiva (M)- menos de dos fracturas por metro, RQD

(90-100)

2 Levemente fracturado (LF) – de seis ha doce fracturas por metro RQD (70-90) 3 Moderadamente fracturada (F) – de seis a doce fracturas por metro RQD (50-70) 4 Muy fracturada (MF)- de 12 a 20 fracturas por metro RQD (25 A 50)

38

5 Intensamente fracturada (IF) – con mas de 20 fracturas por metro, RQD (0 –25) 6 Triturada y brechada en zonas de falla, sin RQD, incluyéndose las condiciones de trabazón de los bloques que se han mencionado en las tablas GSI elaboradas en la construcción del túnel. Con respecto al parámetro de condición de las discontinuidades se ha asociado a la resistencia de la roca intacta, determinada en forma muy sencilla con golpes de picota o su indentación o disgregación, usando la siguiente terminología: 1 Muy buena (MB), extremadamente resistente, solo se astilla con golpes de picota 2 Buena (B), muy resistente, se rompe con varios golpes de picota. 3 Regular (R), resistente, se rompe con uno o dos golpes de picota. 4 Pobre (P), frágil, se indenta superficialmente con golpes de picota hasta 5 Mm. de profundidad. 5 Muy pobre (MP) blanda a muy blanda, se indenta profundamente con golpes de picota. 6 De esta manera con el uso del flexómetro y la picota se, obtendrá rápidamente la clasificación del macizo rocoso GSI.

Esta clasificación tiene relaciones siguientes con: RMR, Q RELACIÒN DEL GSI CON LOS INDICES Q Y RMR RMR= 9LNQ + 44 GSI = RMR ( seco) – 5 Q=

RQD X Jn

Jr x Jw Ja

SRF

Donde:

39

RQD = Es el índice de calidad de la roca RQD = 115 -3.3 Jv Jv

=

Cantidad total de fisuras por M3

Jn

=

Número de sistemas de fisuras.

Jr

=

Número de la rugosidad de las fisuras

Ja

=

Número de la alteración de las fisuras

Jw

=

Factor de reducción por agua en las fisuras

SRF =

Factor de reducción por esfuerzos.

2.8 MAPEO GEOMECANICO EN LOS PUNTOS DE LA PROGRESIVA DEL FRENTE DE TRABAJO APLICACIÓN DEL MAPEO GEOMECANICO CONCEPTO DE MAPEO GEOMECANICO GSI.

El mapeo geomecánico GSI; consiste en hacer mediciones e identificar el GSI que significa INDICE DE RESISTENCIA DE LA ROCA, para lo cual debemos saber utilizar la tabla.

Los pasos a seguir para el mapeo geomecánico GSI en túnel es el siguiente: 1 Identificar el área a mapear sea en los hastíales o en el techo. 2 Lavar a presión de agua la zona a mapear. 3 Delimitar un metro lineal tratando que sea perpendicular a las fracturas pronunciadas y continuas. 4

Cortar en el metro lineal el número de fracturas continuas que cortan.

5 Observar en la tabla la palabra ESTRUCTURA e identificar de acuerdo al número de fracturas los parámetros: Levemente fracturado – LF,

40

Moderamente fracturado – F, Muy fracturado -

MF, Intensamente

fracturado - IF. 6 En la zona delimitada de un metro probar la resistencia de la roca golpeando con el martillo del Geólogo. 7 Buscar en la tabla CONDICIONES e identificar de acuerdo al golpe y la descripción, los parámetros: Buena (muy resistente fresca) – B, Regular (resistente, levemente alterado) - R, Pobre (Moderadamente resistente. Leve a moderadamente alterado), Muy pobre (Blanda. Muy alterada) – MP. 8 Identificado ambos parámetros de ESTRUCTURA Y CONDICIONES interceptar ambos y el punto de intersección indicara primero el color sea amarillo, verde, rosado, rojo que significan los tipos de sostenimiento

ha aplicar

sea A = amarillo sin soporte o perno

ocasional, B = verde perno sistemático 1.20 x 1.20 m. C = rosado, perno sistemático

1.00 x 1.00 m. con malla de refuerzo D = rojo

cimbra o cuadro de madera o sostenimiento mixto shotcrete de espesor de 2 “ con refuerzo de malla y pernos de roca. 9 Finalmente ver en la misma tabla METODOLOGIA DE APLICACIÓN. Buscar los parámetros obtenidos en la intersección de ESTRUCTURA Y CONDICION en el índice G.S.I y luego identificar en el cuadro TIEMPO DE COLOCACION. 10 Si el tiempo de colocación del tipo de sostenimiento a la fecha del mapeo esta dentro del termino o no, y si no esta tener mucho cuidado y aplicar por seguridad el sostenimiento adecuado es decir seleccionando el tipo de sostenimiento que ofrezca mayor seguridad.

41

MAPEO GEOMECANICO LABOR: MOVIMIENTO DE TIERRA TUNEL. NIVEL : 1737.00 PROGRESIVA : 0-3M DEL PUNTO 0 TOPOGRAFICO ZONA: INGRESO DEL TUNEL.. OBRA: TUNEL DE DESCARGA MACHUPICCHU FECHA: 17-03-04 CLASIFICACION PROGRESIVA 0+3 M. GEOMECÁNICA HASTIAL DERECHO FRENTE TOPE HASTIAL IZQ. JVX 2 4 6 JVY 4 3 7 JVZ 2 2 6 JV 8 9 19 RQD 88.6 85.3 52.3 Jn 2 3 12 Jr 1.5 1.5 1.5 Ja 2 2 0.75 Jw 1 1 1 SRF 5 5 2.5 Q 6.645 4.265 3.487 RC 12 12 7 RQD 17 17 8 Esp. Juntas 10 10 10 Est. De fisuras 20 20 20 Agua subterranea 10 10 10 Ajuste, orientación fisuras -5 -5 -5 RMR (VALUACION) 64 64 50 LUZ DE EXCAVACION PERTE. 5.546 4.645 4.285 EXCAVACION TEMP. 6.826 5.716 5.274 TIPO SOSTENIMIENTO I I II INDICE G.S.I MF/R TIPO B F/R MR/R

42

MAPEO GEOMECANICO LABOR: MOVIMIENTO DE TIERRA TUNEL. NIVEL : 1737.00 PROGRESIVA : 0-4.5M DEL PUNTO 0 TOPOGRAFICO ZONA: INGRESO DEL TUNEL. OBRA: TUNEL DE DESCARGA MACHUPICCHU FECHA: 19-03-04 PROGRESIVA CLASIFICACION 0+4.5M. HASTIAL FRENTE GEOMECANICA DERECHO TOPE JVX 6 4 JVY 4 3 JVZ 6 2 JV 16 9 RQD 62.2 85.3 Jn 1 4 Jr 1.5 1.5 Ja 2 0.75 Jw 1 1 SRF 2.5 2.5 Q 18.660 17.060 RC 15 15 RQD 13 17 Esp. Juntas 15 10 Est. De fisuras 20 20 Agua subterranea 7 7 Ajuste, orientación fisuras -2 -5 RMR (VALUACION) 68 64 LUZ DE EXCAVACION PERTE. 8.382 8.087 EXCAVACION TEMP. 10.316 9.953 I I INDICE G.S.I LF/B LF/B

HASTIAL IZQ. 4 6 3 13 72.1 2 1.5 1 1 2.5 21.630 15 13 10 20 7 -5 60 8.892 10.944 I LF/B

43

MAPEO GEOMECANICO

LABOR: MOVIMIENTO DE TIERRA SUPERFICIAL NIVEL: 1742 PROGRESIVA: 0 + 9 m. OBRA: TUNEL DE DESCARGA MACHUPICCHU

CLASIFICACION GEOMECÁNICA JVX JVY JVZ JV RQD Jn Jr Ja Jw SRF Q RC RQD Esp. Juntas Est. De fisuras Agua subterránea Ajuste, orientación fisuras RMR (VALUACION) LUZ DE FRENTE EXCAVACION TEMP. TIPO SOSTENIMIENTO

HASTIAL DERECHO (N-1) 9 4 5 18 55.6 12 3 1 1 7.5 1.853 12 13 25 20 10 -5 75 3.328 4.096 II

44

MAPEO GEOMECANICO

LABOR: MOVIMIENTO DE TIERRA SUPERFICIAL NIVEL : 1737.00 PROGRESIVA : 9 A 12.80 M DEL PUNTO 0 TOPOGRAFICO ZONA: PLATAFORMA COMPUERTA.. OBRA: TUNEL DE DESCARGA MACHUPICCHU PROGRESIVA 9 A CLASIFICACION GEOMECÁNICA JVX JVY JVZ JV RQD Jn Jr Ja Jw SRF Q RC RQD Esp. Juntas Est. De fisuras Agua subterránea Ajuste, orientación fisuras RMR (VALUACION) LUZ DE EXCAVACION PERTE. EXCAVACION TEMP. TIPO SOSTENIMIENTO INDICE G.S.I

12.80 M. HASTIAL DERECHO 6 10 11 27 25.9 15 1.5 2 1 7.5 0.173 7 13 5 12 10 -10 37 1.288 1.585 III MF/MP TIPO E

FRENTE TOPE 16 7 7 30 16 20 0.5 6 1 2.5 0.027 1 3 10 9 7 -10 20 0.610 0.751 IV IF/MP TIPO F

HASTIAL IZQ. 7 14 11 32 10 3 1.5 4 1 2.5 0.500 7 3 10 16 10 -10 36 1.970 2.425 III F/P TIPO B

45

2.8.1 MAPEO ESTRUCTURAL DEL INTERIOR DEL TUNEL El mapeo estructural del interior del túnel es uno de los estudios más importantes que se realiza, para poder analizar las condiciones de estabilidad del túnel y mediante clasificaciones geomecánicas poder establecer el tipo de sostenimiento. El mapeo realizado indica que el túnel esta atravesando por numerosas fallas, diaclasas y fracturas, según las estructuras encontradas a lo largo del túnel, se tuvo que sectorizar en tramos, separándolos según la complejidad de estructuras existentes en cada uno. Cada tramo presenta un tipo de roca y según las clasificaciones geomecánicas encontramos tres tipos de rocas, roca tipo II, roca tipo III y roca tipo IV (ver grafico N 06). Las fallas en su mayoría están ubicadas en forma perpendicular al eje del túnel, y son sub-paralelas entre sí, cuyos rumbos y buzamientos son los siguientes:

RUMBO NS N40E N30E N32E

BUZAMIENTO 90EW 43SE 32SE 35SE

Las diaclasas son las estructuras más comunes en el túnel, producto de las fuerzas tensionales del macizo rocoso, estas se disponen paralelas a sub paralelas al eje del túnel, en algunos sectores se encuentran dos a tres familias de diaclasas (ver grafico N 6).

RUMBO N58W N68W N16W

BUZAMIENTO 84N 87N 45NE

46

N85W N15W N65W

90N 65NE 88NE

GRAFICO 06

47

48

Encontramos dos tipos de fracturas, las naturales y las inducidas, estas últimas producto de la apertura de las diaclasas por las numerosas detonaciones hechas por el avance de la obra. Después de realizar el mapeo estructural y teniendo el túnel sectorizado procedemos a realizar el mapeo geomecánico, aplicando tres sistemas de clasificación geomecánica, el índice Q, RMR de Bienamski y G.S.I., estos parámetros dan alta confiabilidad de seguridad del tipo de soporte a emplear. Los tres tipos de rocas encontradas (roca tipo II, tipo III, tipo IV), fueron clasificadas mediante la aplicación de las fórmulas y el uso de la tabla RQD. RQD = - 3.68 λ + 100.4 λ = número de discontinuidades por metro lineal. 2.9 DESIGNACION DE LA CALIDAD DE ROCA RQD % 90-100 75-90 50-75 25-50 25

CALIDAD DE LA ROCA Muy buena Buena Regular Mala Muy mala

TIPO DE ROCA Tipo I Tipo II Tipo III Tipo IV Tipo V

Roca tipo II λ = 5 y 6 discontinuidades por metro lineal. RQD = - 3.68 x 5 + 100.4 = 82.00 % RQD = - 3.68 x 6 + 100.4 = 78.32 %, la calidad de la roca es buena. Roca tipo III λ = 7,8 y 10 discontinuidades por metro lineal. RQD = - 3.68 x 7 + 100.4 = 74.64 % RQD = - 3.68 x 8 + 100.4 = 70.96 % RQD = - 3.68 x 10 + 100.4 = 63.60 %, la calidad de la roca es regular. Roca tipo IV λ = 14 discontinuidades por metro lineal. RQD = - 368 x 14 + 100.4 = 48.88, la calidad de la roca es mala. Después de obtener los resultados del RQD, utilizamos la siguiente tabla.

49

CUADRO Nº 04 DATOS GEOMECÁNICOS REALIZADOS EN CAMPO

PROG.

TIPO DE ESTRUCT URA

ORIENT.

F. Falla Rb. D Diaclasa J. Juntura FR. Fractura

0+05 05+010 010+027 027+061 061+065 065+085 085+090

Fr F y Fr D DyF DyF D D

N15W N65W N68W N16W N73W N55W N86W

Bz .

65NE 88NE 87NE 45NE 90NE 80NE 90NE

ESPA PERSIS TERMIN C. T. A mm. m. C. 1: 200800 2: 100200 3: 60100 4: 20

1. Otra disc. 2. R. Intacta 3. Continua

3 3 4 3 4 4 4

1 1 3 1 3 3 3

APERTU RA mm. 1. Cerrada 2. Muy ab5 2 2 2 2 1 1 1

RELLENO TIPO ESPESOR

RUGOS.

METEORI Z-

AGUA

1. Muy rug. 2. Rugosa 3. Mod.rug. 4.Lig.rugosa

1. limpia 2.Qz.CO3 3. Arcilla 4. óxido

1. ninguna 2. dura 0,5

Completamente seco Apenas húmedo Húmedo Goteo Flujo continuo

15 12 7 4 0

98

Tabla 6: Corrección por la orientación de las discontinuidades (F)

Evaluación de la influencia de la orientación para la obra

Puntaje para Túneles

Puntaje para Fundaciones

Muy favorable Favorable Medio Desfavorable Muy desfavorable

0 -2 -5 -10 -12

0 -2 -7 -15 -25

Tabla 7: Categoría de la Clasificación Geomecánica

CLASIFICACION GEOMECANICA FINAL

(Bieniawski)

R.M.R. Suma de los puntajes de las tablas

Calificación del Macizo Rocoso

Clase

81 - 100

Muy bueno Bueno Medio Malo Muy malo

I II III IV V

61 - 80 41 - 60 21 - 40 0 - 20

99

ANEXO 2 Clasificación de Barton, Lien y Lunde (1974,2000): El sistema Q Esta clasificación fue desarrollada en Noruega, dentro del seno del Instituto Geotécnico Noruego. Su desarrollo constituyó un importante avance a la clasificación de los macizos rocosos debido a: 1 El sistema se propuso tomando como base el análisis de una muy amplia base de datos de casos históricos (más de 210). 1 Es una clasificación cuantitativa 2 Es un sistema de ingeniería que facilita la selección y diseño de soportes para túneles.

Principales variantes del sistema Q El sistema Q se basa en la atribución de valores numéricos a la calidad del macizo rocoso a través de 6 parámetros diferentes: 1 RQD 2 Número de familias de discontinuidad 3 Rugosidad de la familia de discontinuidad más desfavorable 4 Grado de alteración o relleno en las juntas más desfavorables 5 Caudal de filtración 6 Estado tensional del macizo Los seis parámetros se agrupan en tres cocientes para dar una calidad de macizo rocoso media, Q, como sigue:

100

RQD = designación de la calidad de la roca (rock quality designation) Jn

= índice de número de familias de discontinuidad (joint set number)

Jr

= índice de rugosidad de las juntas (joint roughness number)

Ja

= índice de alteración de las juntas (joint alteration number)

Jw

= factor de reducción por la presencia de agua en las juntas (joint

water reduction factor) SRF = factor de reducción por tensiones en el macizo (stress reduction factor) El parámetro Q toma valores desde 0.001 hasta 1000, de acuerdo con una escala logarítmica. El primer cociente de la expresión, RQD/]n, representa la estructura de la masa rocosa y es una estimación grosera del tamaño del bloque dentro del macizo. Si el cociente se interpreta en función de centímetros, los tamaños de bloque extremos van de 200 a 0.5 cm, valores que constituyen estimaciones groseras pero razonablemente aproximadas a muchas situaciones reales. El segundo cociente, ]r/Ja, representa las características fricciónales y de rugosidad de las paredes de las juntas o de sus rellenos. El cociente es ponderado hacia las juntas rugosas sin relleno y en contacto directo, de manera que favorecerán la estabilidad del túnel en el caso de darse esa circunstancia. El tercer cociente, J^/SRF, se conforma a partir de dos parámetros de tensión. SRF es una indicación de: a) el debilitamiento del macizo al atravesar la excavación zonas muy fracturadas o cizalladas; b) la tensión rocosa en un macizo competente; o c) la fluencia de rocas en macizos incompetentes. Puede tomarse como un factor que indica la tensión total del macizo. Por otro lado, el Parámetro Jw es una medida de la presión de agua, la cual tiene efectos adversos en relación con la estabilidad de los bloques del macizo. De esa manera, el cociente entre ambos parámetros tensiónales es un complicado factor empírico que suele denominarse tensión activa.

101

102

103

104

Además de las indicaciones hechas en las tablas, para el correcto uso de la clasificación Q deben tenerse en cuenta las siguientes indicaciones: I. Cuando no se disponga de un testigo de sondeo el valor de RQD puede ser estimado a partir delnúmero de juntas que hay por unidad de volumen de macizo, Jv, en el cual el número discontinuidades por metro de cada una de las familias son sumados. Puede emplearse una relación aproximada simple para convertir este número a RQD (en el caso de macizos no arcillosos): RQD =115-3.3 Jv en la que Jv es el número total de discontinuidades por m3 de macizo (0 < RQD < 100 para 35 > Jv > 4.5). II. El parámetro Jn, que representa el número de familias de juntas, será afectado a menudo por la presencia de foliación, esquistosidad, pizarrosidad, estratificación, etc. Si se encuentran muy desarrollados planos de estas características, estos deben ser, obviamente, considerados como una única familia. Sin embargo, si las familias de juntas son poco aparentes o si hay pocas discontinuidades visibles, entonces será más apropiado contabilizarlas como

discontinuidades

aleatorias a efectos del valor de Jn. III. Los parámetros Jr y Ja (que representan la resistencia al corte de la junta) ha de corresponder a la junta o familia de juntas más débil o aquella rellena por arcillas de una zona determinada. Sin embargo, si esa familia de juntas en cuestión (aquella con menor L/Ja) está orientada de forma favorable en relación con la estabilidad de la excavación, entonces se elegirá la siguiente familia menos favorable a fin de cuantificar el valor de Q. En realidad, la relación Jv/Ja debe aplicar a aquella familia de juntas con mayor probabilidad de presentar un fallo de estabilidad. IV. Cuando un macizo rocoso contiene arcillas, el valor de SRF más apropiado

105

es aquél que tiene en cuenta la mayor posibilidad de fallo. En esos casos, la resistencia la resistencia de la roca intacta es de escaso interés. Sin embargo, cuando existen pocas discontinuidades y no existen arcillas, entonces la resistencia de la roca intacta puede constituir el eslabón más débil de la cadena de estabilidad del macizo. Un campo de tensiones fuertemente anisótropo es desfavorable en relación con la estabilidad. V. La resistencia a compresión y a tracción (σc y σ,) de la roca intacta deben ser evaluadas en condiciones saturadas si estas son las condiciones in situ que cabe esperar durante la excavación o en el futuro. En el caso de rocas que se deterioran con facilidad al ser humectadas o expuestas a hidratación es conveniente realizar una estimación muy conservativa de esos parámetros mecánicos.

Estimación del sostenimiento de una excavación subterránea de acuerdo con en el índice Q El índice Q se relaciona con las necesidades de sostenimiento de una excavación subterránea a través de un concepto denominado dimensión equivalente, De. Longitud del vano o pared D e = -------------------------------------------------ESR Esta es función de las medidas y propósito de la excavación y se obtiene al dividir la longitud del vano del túnel, su diámetro o la altura de las paredes de la excavación entre un parámetro denominado relación de sostenimiento de la excavación, ESR {excavation support ratio), la cual tiene que ver con el propósito de la excavación y sus requerimientos de seguridad, tal y como se recoge en la siguiente tabla.

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Valores propuestos para la relación de sostenimiento de la excavación por Barton et al. (1978) La relación entre el índice Q y la dimensión equivalente, De, determina las necesidades de sostenimiento específicas. Barton et al. (1978) construyeron una serie de tablas en las que clasificaron hasta en 38 categorías de sostenimiento permanente de distintos tipos de macizo rocoso. Para sostenimientos temporales, el valor de Q determinado para el macizo suele incrementarse 5 veces (5Q) o bien el valor de ESR lo hace en 1.5 veces (1.5ESR). Es preciso indicar que las longitudes de pernos y anclajes, L, no queda especificado en las tablas anteriormente mencionadas si bien puede calcularse a través de la ecuación: L=

2 + 0.15B ESR

en la que B representa la anchura (diámetro) de la excavación. De igual manera, la longitud de vano máxima sin sostenimiento, Lvano, puede determinarse mediante: Lvano=2(ESR)Q0-4

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La relación entre el índice Q y la carga permanente sobre el sostenimiento en la clave del túnel, Proof, Puede estimarse como:

Si el número de familias de planos de discontinuidad es inferior a tres, la ecuación se amplía a:

Índice Q Relación entre la dimensión equivalente de una excavación, De, y el índice Q a efectos de seleccionar el mejor tipo de sostenimiento para un macizo rocoso,

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de acuerdo con Barton (2000). Para las zonas delimitadas mediante números con paréntesis se recomiendan las siguientes acciones: (1) No es preciso sostenimiento; (2) Anclajes puntuales (sb); (3) Anclajes sistemáticos (B); (4) Anclajes sistemáticos y capa de hormigón proyectado de 40 - 100 mm (B+S); (5) Anclajes sistemáticos y capa de hormigón proyectado con fibras y 50 - 90 mm de espesor (Sfr+B); (6) Anclajes sistemáticos y capa de hormigón proyectado con fibras y 90 - 120 mm de espesor (Sfr+B); (7) Anclajes sistemáticos y capa de hormigón proyectado con fibras y 120 - 150 mm de espesor (Sfr+B); (8) Anclajes sistemáticos y capa de hormigón proyectado con fibras de más de 150 mm de espesor. Se requieren cerchas reforzadas con hormigón proyectado (Sfr+RRS+B); (9) Revestimiento continuo de hormigón (CCA). Fuentet Bieniawski, Z.T. (1989) Engineering rock mass classifications; John Wiley & Sons..

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Valor aproximado 9

Estimaciones de sostenimiento originales de los autores de la clasificación Q.

No existe una base de datos suficientemente amplia como para dar valores más ajustados. El tipo de sostenimiento a emplear en las categorías de la 1 a la 8 depende de la técnica de voladura. Una técnica cuidadosa puede hacerlo innecesario mientras que otras menos cuidadosas pueden requerir aplicaciones

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puntuales de hormigón proyectado, en particular cuando la excavación tenga más de 25 m de altura. Sb: bulonado puntual; B: bulonado sistemático; (utg): bulones no tensados (pasivos) fijados con lechada; (tg): bulones tensados (activos). Se recomiendan bulones expansivos en rocas competentes y postesados (tras fijación con lechada) en macizos rocosos de mala calidad; S: hormigón proyectado; mr: refuerzo con mallazo; clm: mallazo de cadena; CCA: dovelas de hormigón prefabricado. El espaciado entre bulones se da en metros. El espesor de hormigón proyectado y de las dovelas prefabricadas se da en cm.

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Ver nota

XII

Notas a las cuatro Tablas anteriores: En casos de muy altas tensiones in situ y riesgo de reventones de roca deben emplearse anclajes o bulones activos con placas de reparto grandes y espaciados 1 m (ocasionalmente 0.8 m). El sostenimiento final debe emplazarse una vez concluido el riesgo de reventones. Es frecuente emplear en la misma excavación bulones de diversa longitud (3, 5 y 7 m). Es frecuente emplear en la misma excavación bulones de diversa longitud (2, 3, y 4 m).

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Suelen emplearse cables de anclaje tesados como suplemento a los bulones. Su espaciado típico es de 2 a 4 m. Es frecuente emplear en la misma excavación bulones de diversa longitud (6, 8, y 10 m). Suelen emplearse cables de anclaje tesados como suplemento a los bulones. Su espaciado típico es de 4 a 6 m. Algunas cavernas subterráneas antiguas de centrales eléctricas de esta categoría emplean como sostenimiento permanente un bulonado sistemático o puntual junto con mallazo (de cadena) y bóvedas de hormigón (25 a 40 cm de espesor) con espacio libre hasta el perfil de la excavación. Situaciones que implican expansión del macizo (por presencia de montmorillonita, por ejemplo). Donde la expansión sea un grave problema debe preverse el dejar huecos entre el sostenimiento y el perfil de excavación para evitar generar tensiones crecientes. Donde sea posible, es conveniente acometer actuaciones de drenaje. Casos que no implican arcillas u otras rocas fluyentes. Casos que implican rocas fluyentes. El sostenimiento permanente suele ser, en estos casos, rígido y pesado. De acuerdo con Barton et al. (1974), en casos de rocas expansivas o fluyentes, el sostenimiento temporal requerido (antes dé emplazar los arcos de hormigón u hormigón proyectado permanentes) debe constar de bulones activos (si el valor de RQD/Jn es suficientemente elevado, p. ej. > 1.5) y, opcionalmente, hormigón proyectado. Si el macizo está muy diaclasado o triturado (es decir, RQD/J„ < 1.5), entonces el sostenimiento temporal consistirá en hasta varias capas de hormigón proyectado. Una vez emplazado el sostenimiento permanente y tras el fraguado del hormigón, podrán emplearse bulones activos a fin de equilibrar las tensiones desiguales desarrolladas sobre el mismo. No obstante esta medida puede no ser efectiva si el valor de RQD/Jn es inferior a 1.5 o existe una importante cantidad de arcillas presentes y siempre y cuando los bulones no sean fijados con lechada antes de su tesado. Bulones con fijación de resina pueden ser útiles en macizos de muy baja calidad dada la rapidez de su endurecimiento. En macizos en los que la expansión o la fluencia de la roca constituyen un serio problema requerirán que las cerchas de sostenimiento se emplacen de forma inmediata al frente de excavación, En esos casos es conveniente el empleo de placas metálicas como

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escudo de protección frente a la caída de fragmentos. Aún así, puede ser necesario sostener de forma provisional el propio frente de excavación (con bulones u hormigón proyectado). Por motivos de seguridad será preciso emplear un método de excavación múltiple (categorías 16, 20, 24, 28, 32, 35; Tan solo cuando vano/ESR > 10 m). Por motivos de seguridad será preciso emplear un método de excavación múltiple (categorías 38; Tan solo cuando vano/ESR > 10 m). Tal y como vimos con anterioridad, diversos autores han sugerido una correlación existente entre los valores de RMR de la Clasificación Geomecánica y los derivados a partir del índice Q.

Dimensionado de anclajes El sostenimiento de excavaciones subterráneas suele requerir el empleo de sistemas de bulonado (pernos) o cables pretensados. Los primeros (a partir

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de barras de acero corrugado) son más fáciles y rápidos de instalar, a la par que son más baratos si bien los cables pueden suministrar una mucha mayor capacidad de sostenimiento. Por ello, a menudo se combinan ambos sistemas. Los bulones suelen emplazarse cerca del frente de excavación como sostenimiento inmediato mientras que los cables suelen constituir un sostenimiento de tipo primario. En este caso, es conveniente el empleo de cables

re-tesables,

en

particular

cuando

son

previsibles

grandes

desplazamientos como resultado de la deformación de la masa rocosa. Es importante destacar que en el sostenimiento mediante estos dispositivos de macizos rocosos se pueden emplear dos aproximaciones: o Anclaje (o cordón) puntual. Su localización, orientación y características tensiónales obedecen a inestabilidades puntuales del macizo rocoso. o Anclaje (o cordón) sistemático. Se trata de una malla regular de dispositivos de anclaje diseñada para garantizar la estabilidad del macizo, al igual que la armadura juega en el hormigón armado. En general, los anclajes y cordones deben colocarse prolongándose más allá de la zona de material de baja calidad (o sometido a altas tensiones), al menos unos 2 o 3 m. No obstante, basándose en la experiencia acumulada en la excavación de grandes cavidades hidroeléctricas subterráneas, diversos autores han sugerido las siguientes relaciones para dimensionar los anclajes: o

Sostenimiento de la bóveda de grandes cavidades (L= longitud del bulón o cable; V = amplitud del vano) •

Bulones:

•

Cordones:

L = 2 + 0.15- V (m) L= 0.4.V (m)

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o Para el sostenimiento de paredes de grandes cavidades subterráneas (L= longitud del bulón o cable; H= altura de la pared de la excavación) •

Bulones:

•

Cordones:

L = 2 + 0.15 • H (m) L = 0.35 • H (m)

La elección del espaciado entre bulones y cordones se basa en las siguientes consideraciones: 1 Para asegurar que los cables o bulones interactúan mutuamente para formar una zona uniformemente reforzada, el espaciado S entre bulones o cordones debe ser inferior a la mitad de su longitud, L. Es decir: S< L/2 . 2 Para una presión de sostenimiento P y una carga de trabajo sobre el bulón o cable T, el espaciado de una malla cuadrada viene dada por S = S=

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ANEXO 3 CLASIFICACION DE DEERE o del RQD (1964) La clasificación de Deere o del RQD (RQD = Rock Quality Designation) se funda en la cuantificación del grado de fractura de la roca. RQD = ROCK QUALITY DESIGNATION Permite la obtención de un índice, que es un valor cuantitativo que representa la calidad del macizo rocoso, teniendo en cuenta las características del testigo recuperado en una perforación. Así,

realizando

una

perforación

con

maquinaria

específicamente

empleadas en estas operaciones, puede evaluarse la calidad del macizo rocoso subyacente sobre la base del análisis del material que se obtiene de esa perforación. Ordinariamente, se contempla entonces la planificación de una serie de perforaciones según el trayecto previsto del túnel o de la traza vial o ferroviaria y se obtienen las características en cada punto. En función de la

homogeneidad

o

heterogeneidad

observadas,

se

realizan

perforaciones complementarias para clarificar la situación en zonas que podrían ser consideradas a priori como críticas. Los testigos se van colocando en cajones especiales en cuyos bordes constan las progresivas de profundidad. De una perforación pueden extraerse trozos enteros de roca (donde la roca no está fracturada) hasta que se encuentra una discontinuidad en la masa rocosa (el testigo se interrumpe). Esta llegada a una

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discontinuidad puede significar que es simplemente una fractura o una diaclasa limpias o con algún material intermedio. Pero también puede tratarse de una zona de roca muy fracturada, de la cual sólo se extraen trozos de roca, contabilizándose el espacio de esta parte, si se trata de una transición. Todos estos trozos enteros de testigo o estas partes de roca fracturada se miden y se contabilizan para entonces aplicarlos a una fórmula de cálculo.

Longitud del sondeo Longitud recuperada

La condición para ser contabilizadas es que éstas tengan una longitud mayor que 0,1 m La fórmula a aplicar es: RQD = Longitud recuperada en piezas ≥ 0,1 m x 100 Longitud del sondeo donde: l = Longitud recuperada (en metros) L = Longitud del sondeo (en metros)

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Experimentalmente, se cumple que la curva de distribución es del tipo exponencial negativa en un gráfico Frecuencia - Espaciamiento:

RQD = 100 ⋅ e − 0.1λ (0.1λ + 1) Donde λ es la frecuencia media de discontinuidades por metro λ = Cantidad de Dislocaciones Longitud del Sondeo El error comprobado es de +/- 5%.

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BIBLIOGRAFIA.

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10.

CENTRAL FEBRERO 2002. .

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