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UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURIMAC FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS

TUNELERIA TEMA: MECANICA DE ROCAS EN TUNELES

DOCENTE: ING. JAIME GUEVARA RIOS PRESENTADO POR:  AVENDAÑO NINA DENIS B.  SACSI CARRILLO ERICK DAEWIN  CJULA CJUNO BACILIO

HAQUIRA - COTABAMBAS 2018-I

LAS CLASIFICACIONES GEOMECANICAS PARA TUNELES

INTRODUCCION: Las clasificaciones geomecanicas surgieron de la necesidad de parame trizar observaciones y datos empíricos, de forma integrada, para evaluar las medidas y sostenimiento en túneles. Al depender los túneles de múltiples variables geológicas de difícil cuantificación, el uso es de los métodos empíricos (al que pertenecen las clasificaciones geomecanicas) fue de gran ayuda desde el primer sistema de clasificación propuesto en 1946 por terzaghi hasta el presente. Se puede decir que las clasificaciones geomecanicas son un método de uso generalizado en el proyecto y construcción de túneles, y que gracias a ellas es posible un mejor conocimiento e interpretación de los datos geológicos y geotécnicos en el diseño y excavación de las obras subterráneas. Las clasificaciones geomecanicas son un método de ingeniería geología que permite evaluar el comportamiento geo mecánico en los macizos rocosos , y de aquí estimar los parámetros geotécnicos de diseño y el tipo de sostenimiento de un túnel. Además de las obras subterráneas se destacan las aplicaciones a túneles y cimentaciones. Entre las distintas clasificaciones para túneles propuestas hasta el presente sobresalen de las de terzaghi (1958), deer et al (1967), bienaski (1973) y barton et al (1974), sus principales características son resumidas, solamente proporcionan procedimientos cuantitativos aplicables a los modernos sistemas de sostenimiento y construcción de túneles. Dichos métodos pertenecen de la combinación de algunos de los siguientes parámetros del macizo rocoso.    

Resistencia del material rocoso RQD Espaciado de discontinuidades. Condiciones de las discontinuidades (continuidad, separación rugosidad, meteorización y relleno).  Estructuras geológicas y fallas individualizadas.  Filtraciones  Estado tensional.

CAPITULO I 1. Objetivos: Objetivo general. Este trabajo tiene por objeto exponer la metodología que debe seguirse para el dimensionado de túneles mediante la aplicación de la mecánica de rocas. Con la idea de que puede ser utilizada en el diseño de las actuales y futuras túneles. Por lo tanto es necesario que la zona de estudio donde se realiza la investigación, también se realice un macro estudio de las características geomecánica de los macizos rocosos para predecir con mayor exactitud el tipo de roca que se encuentra en la ejecución del proyecto (túnel). Objetivos específicos. 1. Realizar el estudio ingeniero – geológico de los macizos rocosos. 2. Determinar los parámetros geomecánica de los macizos estudiados. 3. Proponer criterios geomecánicos estructurales que permitan un mejor diseño de excavaciones y obras subterráneas.

CAPITULO II 2. GEOMECÁNICA La geomecánica es la disciplina que estudia las características mecánicas de los materiales geológicos que conforman las rocas de formación. Esta disciplina está basada en los conceptos y teorías de mecánica de rocas y mecánica de suelos, que relacionan el comportamiento de la formación bajo los cambios de esfuerzo producto de las operaciones petroleras de perforación, completación y producción de pozos. 2.1 PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES Todas las discontinuidades presentan propiedades geomecánicas importantes que las caracterizan y que influyen en el comportamiento de la masa rocosa. Estas propiedades son principalmente: 2.1.1 Orientación Es la posición de la discontinuidad en el espacio y es descrito por su rumbo y buzamiento. Cuando un grupo de discontinuidades se presentan con similar orientación son aproximadamente paralelas, se dice que éstas forman un “sistema” o una “familia” de discontinuidades.

IMAGEN N° 1 familia de discontinuidades y la orientación que presentan 2.1.2 Espaciado Es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes. Éste determina el tamaño de los bloques de roca intacta. Cuanto menos espaciado tengan, los bloques serán más pequeños y cuanto más espaciado tengan, los bloques serán más grandes.

IMAGEN N° 2 espaciado que presenta determina el tamaño de los bloques 2.1.3 Persistencia Es la extensión en área o tamaño de una discontinuidad. Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa será más estable y cuanto mayor sea ésta, será menos estable

Imagen N° 3 se aprecia los tamaños de las discontinuidades que este roca presenta 2.1.4 Rugosidad Es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuanta menor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa será menos competente y cuanto mayor sea ésta, la masa rocosa será más competente.

Imagen N° 4 diferencia de grado de rugosidad 2.2. CARACTERIZACIÓN DEL MACIZO ROCOSO La cuantificación de las características estructurales y Geomecánica de las rocas circundantes a las estructuras mineralizadas, tienen una justificación técnica y económica para una explotación racional, segura y rentable; su utilización está orientada para el planeamiento y diseño, selección de equipos, diseño de la perforación, voladura y sostenimiento de labores mineras superficiales y subterráneas. Para conocer la masa rocosa, hay necesidad de observar en el techo y las paredes de las labores, las diferentes propiedades de las discontinuidades, para lo cual se debe primero lavar el techo y las paredes. A partir de estas observaciones se podrán sacar conclusiones sobre las condiciones geomecánicas de la masa rocosa.

LOS FACTORES IMPORTANTES EN MECANICA DE ROCAS SON:

Imagen N° 5 factores que se presentan en la roca

-

Geología Tensión de Rocas Roca intacta Fracturas Propiedades del macizo rocoso Flujo de agua Ingeniería de las actividades Modelado

2.3 LA CARACTERIZACION DE ROCA TENSIONADA Tensión Inducida: ingeniería. Tensión Gravitacional: de la roca. Tensión Tectónico: las placas tectónicas. Tensión Residual: tectónica anterior. Tensión Térmica: temperatura.

El estado de tensión natural perturbada por la El estado de tensión causado por el peso de encima El estado de tensión causado por el movimiento de El estado de tensión causado por la actividad El estado de tensión causado por el cambio de

LOS PRINCIPALES PROBLEMAS DE ESTABILIDAD MECÁNICA ESTÁN RELACIONADAS CON LA LIBERACIÓN DE BLOQUES ROCA Y TENSIÓN INDUCIDO POR DESPRENDIMIENTO

Imagen N° 6 liberación de bloques y tención inducida

La gravedad inducida estructuralmente Controla el movimiento del bloque

generalmente se encuentra en rocas frágiles bloques y macizos rocosos

2.4 CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS     

Persistencia o longitud de la discontinuidad Apertura o espacio abierto que presenta una discontinuidad. Rugosidad o aspereza del plano de discontinuidad Relleno o material que se encuentra dentro de la discontinuidad. Alteración o grado de descomposición de la masa rocosa. Condiciones de agua subterránea. Corrección por orientación

Estos factores se cuantifican mediante una serie de parámetros, cuya suma, en cada caso nos da el índice de calidad del RMR, que varía de 0 – 100.Los objetivos de esta clasificación son:  Determinar y/o estimar la calidad del macizo rocoso.  Dividir el macizo rocoso en grupos de conducta análoga Proporcionar una buena base de entendimiento de las características del macizo rocoso.  Facilitar la planificación y el diseño de estructuras en roca, proporcionando datos cuantitativos necesarios para la solución real de los problemas de ingeniería. CAPITULO III 3. Resistencia de macizo rocoso Tenemos mínimo (o nulo) control de las propiedades del macizo • Lo que podemos ensayar (muestras) no representa el macizo rocoso • El macizo, por su tamaño, no lo podemos ensayar ¿Qué podemos hacer? • Medir la resistencia de la roca intacta • Estimar la resistencia a escala de macizo considerando la presencia de fracturas

3.1.

Roca intacta: resistencia a la compresión simple

La resistencia a la compresión simple (uniaxial) es el valor más característico de la roca intacta. Se mide con la misma técnica que las probetas de hormigón A. ROCA INTACTA: PUNTUAL

ENSAYO

DE

CARGA

En el ensayo de carga puntual se toma un fragmento irregular de roca y se lo somete a compresión con dos puntas

𝐼𝑠 =

𝑃 𝐷2

B. ROCA INTACTA: ENSAYOS DE RESISTENCIA A LA TRACCIÓN

4. El criterio de Hooke-Brown

4.1.

El criterio de Hooke-Brown para macizos rocosos

4.2.

El criterio de Hoek-Brown para macizo rocoso en función de GSI y D

5. CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BIENIAWSKI - RMR (1989) Fue desarrollada en Sudáfrica por Bieniawski en s1973, a partir de cuarenta y cinco túneles, y posteriormente revisada por el mismo autor en 1976 y 1979. Constituye un sistema de clasificación de macizos rocosos que permite a su vez relacionar índices de calidad con parámetros de diseño y de sostenimiento. Eta clasificación tiene las siguientes parámetros. Los parámetros de clasificación para obtener el RMR son:     

Resistencia compresiva de la roca intacta. Índice de calidad de la roca - RQD. Espaciamiento de las discontinuidades Condición de las discontinuidades o hidrogeológicas. Orientación de las discontinuidades respecto a la excavación.

5.1. CLASIFICACION DE BIENIAWSKI. CLASE I II III CALIDAD Muy buena media buena VALORACION 100-81 80-61 60-41

IV mala

V Muy mala

40-21

1.0 > 1.0

Observaciones:  Los índices terceros y sexto son estimaciones groseras se puede aumentar Jw si hay medidas de drenaje.  No se considera formación de hielo. 6.5. Stress reduction factor (SRF) RSF son las iniciales de Stress Reduction Factor, y depende del estado tensional de la roca que atraviesa el túnel. Cuadro N° 6 Obtención de SRF Excavación atravesada por zonas blandas de roca que pueden ocasionar descompresión o descomedimiento de roca al excavar el túnel DESCRIPCIÓN VALOR Muchas zonas débiles con arcilla o roca desintegrada roca 10 muy descomprimida Zonas individuales débiles con arcilla o roca triturada 5 profundidad ≤ 50 𝑚 Zonas individuales débiles con arcilla o roca triturada 2.5 profundidad > 50𝑚 Muchas zonas de cizallamiento en roca competente sin 7.5 arcilla roca descomprimida Zonas individuales de cizallamiento en roca competente sin 5 arcilla profundidad ≤ 50𝑚 Zonas individuales de individuales de cizallamiento en roca 2.5 competente sin arcilla profundidad< 50𝑚 Juntas abiertas muy diaclasadas 5 Roca competente problemas de tensión en la roca DESCRIPCIÓN RC/𝜹𝟏 RT/𝜹𝟑 VALORES > 200 >3 Baja tensión cerca de la 2.5

superficie Tensión media 10-200 Alta tensión roca 5-10 resistente Explosiones en roca 2.5-5 masiva de rocas pequeñas < 2.5 Explosiones grandes de roca masiva Roca fluyente o plástica DESCRIPCIÓN Poca presión de fluencia Presión grande de fluencia Orca explosiva DESCRIPCIÓN Poca presión de hinchamiento Presión grande hinchamiento

0.66-13 0.33-0.66

1 0.5-2

0.16-0.33

5-10

< 0.16

10-20

VALOR 5-10 10-20 VALOR 5-10 10-20

OBSERVACIÓNES  Rc: resistencia a compresión simple  Rt: resistencia a tracción  𝜹𝟏 𝒚 𝜹𝟑 tenciones mayores y menores principales del macizo (de compresión)  Considerar SRF un 25-50% si las zonas débiles influyen pero no intersectan la excavación  Para campos tensionales anisótropos reducir 0.8 Rc y 0.8 Rt para 5< 𝛿1 𝛿3

< 10 ó 0.6 𝑅𝑡 𝑠𝑖 𝛿1/𝛿3 > 10

 SRT=2.5-5 si la cobertera es menor es menor que la anchura del túnel

Cuadro N° clasificación de macizo rocoso en función al sistema Q Patrón geomecánica del macizo Pésimo (excepcionalmente malo) Extremadamente malo Muy malo

Valores de Q < 0.01 0-01-0.1 0.1-1.0

Malo Regula bueno Muy bueno Optimo (extremadamente bueno) Excelente (excepcionalmente)

1.0-4.0 4,0-10.0 10.0-40.0 40.0-100.0 100.0-400.0 > 400

7. Clasificación de Hooke y Brown (GSI) Hooke 1995 un índice geológico de resistencia, (GSI) geological strength index, que Evalúa la calidad del macizo rocoso en función del grado y las características de la fracturación. GSI=RMR-5 EJEMPLO

En el tajo Guadalupe se realiza un mapeo geo mecánico, así como se muestra en la figura N°:01, el tipo de roca es uniforme en todo el tajo y tiene las siguientes condiciones:  Dos familias de diaclasas y algunas diaclasas ocasionales (Jn).  Juntas rugosas e irregulares ondulada (Jr).  Fluencia grande o presión alta (Jw).  Recubrimiento del mineral arcilloso blandos de baja fricción (Ja).  Solo una zona débil contenido de arcilla, o roca desintegrada químicamente profundidad de excavación mayor a 50 cm (SRF). FIGURA N°:01

Calcular el RQD, Q de Barton, RMR, GSI. F1=5 F2=5 F3=5 F4=6 Suma familias de diaclasa Jv=21 Jn=6 Jr=3 Ja=4 Jw=0.33 SRF=2.5

SOLUCION: CALCULODEL RQD 𝑅𝑄𝐷 = 115 − 3.3 ∗ 21 = 0.75

AHORA SE CALCULA EL Q DE BARTON 𝑄=

45.7 3 0.33 ∗ ∗ = 0.75 6 4 2.5

CALCULO DE RESISTENCIA DEL MACIZO ROCOSO (RMR) 𝑅𝑀𝑅 = 9𝐿𝑛0.75 + 44 = 41.41

CALCULO DE GSI 𝐺𝑆𝐼 = 41.41 − 5 = 36.41

ESTIMACION DEL SOSTENIMIENTO A PARTIR DE LAS CLASISFICACIONES GEOMECANICAS. El sostenimiento de una excavación subterránea puede ser estimado de forma empírica utilizando las clasificaciones geomecanicas. Sin embargo se deben tener en cuenta ciertas limitaciones  No se cuantifica el factor de seguridad  Diferentes parámetros pueden dar lugar al mismo índice Q Procedente de casos que precisaron distintas sostenimientos.  Es conveniente estudiar el sostenimiento del túnel en función de la idoneidad de la clasificación elegida. A) Clasificación de terzaghi (1946).- desarrollado para evaluar la carga de rocas sobre el revestimiento. Esta clasificación es muy conservadora sobre todo para las rocas de buena calidad. Su principal campo de aplicación en túneles de tamaño medio, del orden de 8 metros de anchura o menor, y no se deben aplicar en

terrenos de comportamiento plástico. No es recomendable para sistemas de sostenimiento modernos,. La distribución de cargas para el dimensionado del sostenimiento es la siguiente: Presión uniforme vertical sobre la bóveda: 𝑃𝑚 = 𝛾 ∗ 𝐻𝑟 Presión uniforme sobre los hastiales: 𝑃ℎ > 0.3𝑃𝑚

Presión uniforme sobre la solera 𝑃𝑠 > 0.5𝑃𝑚 𝛾=densidad de la carga 𝐻𝑟 = 𝑎𝑗𝑢𝑡𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑠 B) Índice RMR De acuerdo con UNAD (1983) la carga sobre el sostenimiento puede estimarse según la siguiente expresión: 100 − 𝑅𝑀𝑅 𝑃= ∗ 𝛾 ∗ 𝐵 = 𝛾 ∗ ℎ𝑡 100 Dónde: ℎ𝑡 =

100 − 𝑅𝑀𝑅 ∗𝐵 100

Siendo: ℎ𝑡 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑐𝑎𝑠 (𝑚) B=ancho del túnel 𝑘𝑔 𝛾 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑜𝑐𝑎 ( 3 ) 𝑚 Índice Q

La presión en la clave en kg/𝑚2 y viene dada por: 1

2 ∗ 𝐽𝑛0.5 ∗ 𝑄 3 𝑃𝑟 = 3 ∗ 𝐽𝑟 Para tres familias de discontinuidades (Jn=9) la expresión anterior seria: 1

2 ∗ 𝑄3 𝑃𝑟 = 𝐽𝑟 La presión sobre los hastiales se obtiene con la misma expresión utilizada para la clave pero modificado el valor de Q, por considerar que en los hastiales la presión (a partir de un cierta calidad) por esta razón y para poder aplicar la misma expresión lo que se hace es una mejora ficticia de la calidad de la roca a efectos del cálculo.

RECOMENDACIONES:

La parte propiamente dicha de mecánica de rocas, se ha iniciado con una presentación de la metodología que debe seguirse para la aplicación de esta técnica al dimensionado de túneles. Para casos de Roca muy comprimida con golpe de roca se colocaran bulones con placas de dimensiones grandes separados del orden de un metro o menos. El sostenimiento definitive se colocara cuando termine el desquinche de la roca. Por razones de seguridad la excavación se hará en varias secciones, casos sin arcilla o roca fluyente para diámetros de mayores a 15 metros

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:  Mecánica de roca (P. Ramirez Oyanguren , R. Lain Huertas) Instituto Geológico y minero de España.  Jaeger j. C. 1969, fundamental of rock mechanics, methuen and co. Ltd. London.  Ramirez P. y Lancha E., 1979, propiedades mecánicas de la roca y de los macisos rocos. Fundación gomez – pardo. E.T.S. Ingenieros de minas. Madrid. 