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DIPLOMADO EN GEOMECÁNICA SUBTERRÁNEA Y SUPERFICIAL

INFORME TÉCNICO DE SUSTENTACIÓN DE CURSO VIRTUAL OFFLINE (ITSCVO)

CURSO MAPEO GEOMECÁNICO PARA TÚNELES Y/O EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS

ESTUDIO CARACTERIZACIÓN GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO PARA EL SOSTENIMIENTO DEL TÚNEL NORTE NV 250 -TUNEL DE ACCESO PRINCIPAL DE CGI

ALUMNO: CRISTHIAN ADRIAN CASTILLO MIRANDA DOCENTE: ING. GUILLERMO RODRIGUEZ CAYLLAHUA

SANTIAGO - CHILE, JUNIO 2019

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RESUMEN EJECUTIVO El siguiente informe representa el mapeo geomecánico para el proyecto de la obra “Túnel de Acceso Principal de CGI”, el cual se encuentra ubicado en el distrito de Huayllay (Cerro de Pasco - Perú). El macizo rocoso donde se encuentra emplazado es de rocas lutitas (Detríticas sedimentarias) y pizarras (Metamórfica), las que exhiben gran heterogeneidad en cuanto a sus propiedades geológico-ingenieriles, lo que hace indispensable determinar las estructuras principales geológicas que conforman el sector. El presente Informe se realizó en base a los estudios y levantamiento técnico realizados por el Centro Geotécnico Internacional (CGI)1. Considerando información geomorfología, observaciones físicas de las estructuras geológicas, las condiciones del macizo rocoso y simulaciones con los softwares del paquete Rocscience ® (Dips y Unwedge). Este macizo presentó un total de cuatro sets de discontinuidades principales y una familia secundaria, con un RQD de 65%, mientras que la roca intacta presentó una resistencia a la compresión uniaxial de 90 MPa. Además de una clase geomecánica “Buena” según clasificación RMR89 de Bieniawski y Q de Barton, mientras que un tipo F/R según el índice GSI. Según el análisis de estabilidad de cuñas realizado a partir del software Unwedge, se determinó que pueden llegar a formarse cuñas inestables en el techo del túnel, mientras que por medio de las clasificaciones geomecánicas se pudo llegar a recomendar un sostenimiento basado en el uso de pernos cementados ubicados de manera sistémica de 7´, teniendo una mejor estabilidad aplicando una capa de shotcrete de 1 inch de espesor. Palabras claves: Caracterización geomecánica, Túnel, Estabilidad, Simulación, Rocscience.

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Revisando y utilizando en su justa medida todo el material entregado para el desarrollo del presente modulo por CGI y el profesor.

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ÍNDICE RESUMEN EJECUTIVO .................................................................................... 2 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 8 2. METODOLOGÍA DE ESTUDIOS ................................................................. 9 2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................... 9 2.2 OBJETIVOS ................................................................................................. 9 2.2.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................... 9 2.2.2 OBJETIVO ESPECIFICO ...................................................................... 9 2.3 ALCANCES ................................................................................................ 10 2.4 UBICACIÓN DEL PROYECTO .................................................................. 10 2.5. ASPECTOS GEOLÓGICOS ..................................................................... 10 3. MARCO TEÓRICO ...................................................................................... 11 3.1.

CONCEPTOS GEOMECÁNICOS ....................................................... 11

3.2.

PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES ................................ 12

3.3.

MAPEO GEOTÉCNICO/GEOMECÁNICO ........................................... 13

3.4.

PROYECCIONES ESTEREOGRÁFICAS ........................................... 13

3.5.

CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS.............................................. 14

4. INVESTIGACIONES BÁSICAS .................................................................... 19 4.1.

CARACTERIZACIÓN DEL MACIZO ROCOSO .................................. 19

4.2.

DISTRIBUCIÓN DE DISCONTINUIDADES ........................................ 20

4.3

CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO ............. 23

4.4

ZONIFICACIÓN GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO ............... 26

4.5

RESISTENCIA DE ROCA INTACTA................................................... 27

4.6

AGUA SUBTERRÁNEA ...................................................................... 28

4.7

ESFUERZOS IN SITU ........................................................................ 28

4.8

UNIDADES GEOMECÁNICAS ........................................................... 31

5. METODOLOGÍA DE ANÁLISIS ................................................................... 32 3

5.1

ESTABILIDAD DEL CONTROL ESTRUCTURAL DEL TÚNEL .......... 32

5.2 SOSTENIMIENTO RECOMENDADO PARA EL TUNEL SEGÚN (RMR, Q y GSI) ........................................................................................................ 37 6. RESULTADOS ............................................................................................. 42 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................... 43 7.1.

CONCLUSIONES ............................................................................... 43

7.2.

RECOMENDACIONES ....................................................................... 44

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 45 ANEXOS .......................................................................................................... 46 Anexo A: ....................................................................................................... 46 Anexo B: ....................................................................................................... 46 Anexo D: ....................................................................................................... 46

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Diagrama transición desde la roca intacta hasta el macizo rocoso………………………………………………………………………………….11 Figura 2. Índice de resistencia geológica…………………………………………..17 Figura 3. Proyección estereográfica de polos (Pole Plot)…………………………21 Figura 4. Distribución de zonas de máxima concentración – software Dips 6.0..22 Figura 5. Intersección de las 5 familias principales – Software Dips 6.0……….22 Figura 6. Diagrama de roseta Túnel Norte NV.250……………………………….23 Figura 7. Cálculo de RMR para el Túnel Norte NV 250…………………………..24 Figura 8. Cálculo del valor Q para el Túnel Norte NV 250……………………….25 Figura 9. Caracterización del macizo rocoso por medio del índice GSI…………26 Figura 10. Proyección Estereográfica de la familia 1 y 5 con esfuerzos principales…………………………………………………………………………….30 Figura 11. Proyección Estereográfica de la familia 1 y 5, más orientaciones Trend/Plunge………………………………………………………………………….30 Figura 12. Familia de discontinuidades obtenidas a partir del software Dips…...33 Figura 13. Combinación de análisis de las familias de discontinuidades……….33 Figura 14. Cuñas N° 7, inestable – Unwedge………………………………..…….34 Figura 15. Información de esfuerzos cargada – Unwedge……………………….34 Figura 16. Información de empernado – Unwedge……………………………..…35 Figura 17. Empernado generado – Unwedge………………………………..…….35 Figura 18. Propiedades dadas al empernado generado – Unwedge…………....36 Figura 19. Aplicación de Shotcrete – Unwedge……………………………………36 Figura 20. Propiedades Shotcrete consideradas – Unwedge………………...….36 Figura 21. Diagrama de esfuerzos alcanzado sigma1 – Unwedge………………37 Figura 22. Clasificación de roca y tipo de sostenimiento Q de Barton……….…39 5

Figura 23. Clasificación GSI……………………………………………………..…..40

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Escala de valorización RMR89…………………………………………....14 Tabla 2. Criterios de cálculo de RMR……………………………………………….15 Tabla 3. Escala de valores para el Q de Barton……………………………………16 Tabla 4. Parámetros de las discontinuidades DIP/DIP DIR………………………20 Tabla 5. DIP / DIP DIR de las familias principales…………………………………23 Tabla 6. Resultado obtenido según la escala de valoración de Q de Barton….25 Tabla 7. Índice y clasificación del macizo rocoso………………………………….27 Tabla 8. Clasificación de las rocas intactas………………………………………..27 Tabla 9. Resumen ensayo de compresión simple…………………………………28 Tabla 10. Familias principales de discontinuidades……………………………….29 Tabla 11. Datos del mapeo geomecánico del túnel Norte NV 250………………29 Tabla 12. Datos del mapeo geomecánico del túnel Norte NV 250………………32 Tabla 13. Tipo de roca según la clasificación geomecánica RMR de Bieniawski……………………………………………………………………………..37 Tabla 14. Clasificación ESR de acuerdo al tipo de excavación……………….…38

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1. INTRODUCCIÓN El presente informe, busca dar a conocer las condiciones geomecánicas del macizo rocoso en el que se pretende desarrollar la obra denominada Túnel de Acceso Principal de CGI. Éste se basará en el levantamiento técnico de campo, uso de simuladores y revisión bibliográfica. Lo anterior para establecer el tipo de sostenimiento requerido.

Es fundamental entonces la determinación de la calidad del macizo para la construcción del túnel, utilizando para esto las clasificaciones geomecánicas de RMR89 de Bieniawski, Q de Barton y el índice GSI.

Finalmente, la información recopilada fue utilizada para desarrollar simulaciones a través del uso de software del paquete Rocscience ® (Dips y Unwedge), que gracias a los resultados obtenidos se establecen los elementos de sostenimiento que en el presente informe son recomendados para la ejecución del proyecto.

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2. METODOLOGÍA DE ESTUDIOS Para desarrollar la construcción del túnel, se necesita caracterizar y analizar la estabilidad del macizo rocoso. Por lo que este estudio tiene como finalidad, estudiar la forma de dar accesibilidad a través de un túnel en el menor tiempo posible para el transporte de vehículos provenientes desde la provincia de Pasco hacia el distrito de Huayllay y viceversa. Éste contará con una longitud de 300 [m], 4 [m] de ancho y 4 [m] de altura, con un rumbo de 170º, buzamiento de 5º y una profundidad de 150 [m] desde la superficie.

2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El transporte vehicular y los tiempos involucrados, siempre presentan un costo para la sociedad y las empresas, por lo que hacer de éste algo expedito y seguro se vuelve indispensable. La construcción del Túnel Norte NV 250, por lo tanto, debe definir y asegurar el tipo de sostenimiento para poder cumplir con la seguridad en todo su trayecto, la que debe de ser asegurada tomando en cuenta la caracterización del macizo rocoso.

2.2 OBJETIVOS 2.2.1 OBJETIVO GENERAL Determinar el tipo de sostenimiento para llevar a cabo la construcción del Túnel Norte NV 250 y que su utilización posterior, aseguré su estabilidad estructural y la vida de las personas.

2.2.2 OBJETIVO ESPECIFICO Realizar la caracterización del macizo rocoso para la construcción del túnel, haciendo uso de clasificaciones geomecánicas (RMR89 de Bieniawski, Q de Barton y el índice GSI), además del software Rocscience ® (Dips y Unwedge).

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2.3 ALCANCES La meta del presente informe y estudio es presentar con detalle las características geomecánicas más relevantes del macizo rocoso. A su vez que se sustenta éste con estudios de campo y de laboratorio de CGI, además del trabajo de propio de escritorio para su realización. La información recopilada in situ, las mismas que sustentarán el diseño y método de sostenimiento, para los distintos tipos de litología en relación con el requerimiento de la construcción del túnel, fueron tomadas de la data entregada por CGI y del material, clases y taller del módulo 1.

2.4 UBICACIÓN DEL PROYECTO La construcción del túnel se ubica al Oeste de los Andes Central en Perú, en el departamento de Pasco, Provincia de Cerro de Pasco, distrito de Huayllay a una altitud de 4600 msnm, a una distancia de 46 [Km] y al sureste de la ciudad de Cerro de Pasco.

2.5. ASPECTOS GEOLÓGICOS En la zona de construcción del túnel, existen afloramientos consistentes de lutitas y pizarras que se encuentran ampliamente distribuidas a lo largo de la Cordillera Occidental desde la divisoria continental hacia el Este. Esta litología tiene un rumbo promedio de NW – SE con buzamiento2 de 10° a 20° SW y un peso específico de roca encajonante3 de 2.95 [ton/m3].

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La dirección de inclinación o dirección del buzamiento es la dirección hacia donde se inclina un plano (el plano buza o baja), como por ejemplo una falla, medida desde un plano horizontal. 3 Se lama roca encajonante a la roca o rocas que rodean al depósito mineral. Estas pueden ser ígneas, sedimentarias y metamórficas.

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3. MARCO TEÓRICO 3.1. CONCEPTOS GEOMECÁNICOS MACIZO ROCOSO In situ el medio contiene diferentes tipos de discontinuidades como diaclasas, estratos, fallas, entre otras.

Figura 1. Diagrama transición desde la roca intacta hasta el macizo rocoso. (Fuente: CGI)

CONTACTOS LITOLÓGICOS: estos comúnmente forman, por ejemplo, la caja techo y piso de una veta. DIACLASAS: también denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento, comúnmente se presentan en la masa rocosa. FALLAS: son fracturas que han tenido desplazamiento. Éstas son estructuras que se presentan en áreas locales y/o a través de la mina.

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PLANOS DE FOLIACIÓN O ESQUISTOSIDAD: se forman entre las capas de las rocas metamórficas dando la apariencia de láminas. PLANOS DE ESTRATIFICACIÓN: dividen en capas las rocas sedimentarias. PLIEGUES: son estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados. ROCA INTACTA: corresponde bloques ubicados entre discontinuidades y podrían ser representados por un trozo de testigo que se utiliza en ensayos de laboratorio. VENILLAS: son los rellenos de las fracturas de otros materiales. ZONAS DE CORTE: son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en donde han ocurrido fallas sobre la roca.

3.2.

PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES

APERTURA: separación que se da entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de apertura que ésta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa rocosa serán mejores y a mayor apertura, las condiciones serán más desfavorables. ESPACIADO: distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes. Ésta determina el tamaño de los bloques de roca intacta. Cuando menos espaciado tengan, éstos serán más pequeños y cuanto más espaciado haya, los bloques serán más grandes. PERSISTENCIA: es la extensión en área o tamaño de una discontinuidad. Cuando menor sea la persistencia, la masa rocosa será más estable y cuanto mayor sea ésta, lo será menos. ORIENTACIÓN: es la posición de la discontinuidad en el espacio y comúnmente 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. RUGOSIDAD: es la irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuando menor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa será menos

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competente4 y cuanto mayor sea ésta, la masa rocosa lo será más. RELLENO: es el material que se encuentra dentro de la discontinuidad. Cuando los materiales son suaves, la masa rocosa es menos competente y cuando éstos son más duros, es más competente.

3.3.

MAPEO GEOTÉCNICO/GEOMECÁNICO

Ésta es la medición de características geológicas – estructurales de aspectos como la orientación de planos (juntas, planos o fallas) y características específicas

de

los

planos:

rugosidad,

persistencia,

espaciamiento

y

meteorización, las cuales permiten realizar la clasificación del macizo rocoso (RMR | GSI | Q), además de identificar en detalle la geometría y complementar información acerca de aspectos geológico relevantes para el proyecto.

La orientación y la inclinación de los planos estructurales pueden ser definidas por dos parámetros dip/dip direction o por rumbo/buzamiento.

3.4. PROYECCIONES ESTEREOGRÁFICAS Para proyectar un plano geológico de 3D en un papel (2D) se usan la línea normal del plano. Ésta es la línea (imaginaria) perpendicular del plano. Cada plano entonces tiene su línea normal. Para cada línea normal solamente existe un plano correspondiente y funciona como definición de un plano (CGI Modulo 1), los tipos son:

Equiangular: Ángulos correctos, distancias falsas, distorsionadas, se llama falsilla o proyección de WULFF. Equidistancial: Distancias correctas, ángulos falsos = Falsilla (o red) de SCHMIDT.

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Material competente o competencia del material rocoso, se refiere a su resistencia a la erosión o a la deformación en relación con su resistencia mecánica.

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3.5. CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS Clasificación geomecánica de BIENIAWSKI 1989 (RMR89):

Éste constituye un sistema de clasificación para macizos rocosos y permite relacionar índices de calidad con parámetros de diseño y sostenimiento de túneles. Se denomina índice RMR (ROCK MASS RATING) al parámetro que define la clasificación que indica la calidad del macizo rocoso en cada dominio estructural a partir de los siguientes las medidas: ▪

Condiciones de las discontinuidades (apertura, continuidad, rugosidad, estado de las paredes y relleno).

▪

Condiciones de agua subterránea.

▪

Espaciamiento de las discontinuidades.

▪

El RQD.

▪

Resistencia de la roca intacta (según resistencia a la compresión uniaxial).

El RMR clasifica los macizos rocosos de 0 a 100 puntos. CLASE I

VALORACIÓN RMR 100-81

II

CALIDAD Muy buena Buena

III

Media

60-41

IV

Mala

40-21

V

Muy mala

< 20

80-61

Tabla 1. Escala de valorización RMR89. (Fuente: Bieniawski, 1989).

La valoración de los parámetros se hizo entonces de acuerdo a los criterios presentados en la Tabla 1, más los criterios para calcular el RMR presentados en la Tabla 2.

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Tabla 2. Criterios de cálculo de RMR. (Fuente: Bieniawski, 1989).

Clasificación geomecánica Q de BARTON (1974):

Constituye un sistema de clasificación de macizos rocosos que permite establecer sistemas de sostenimientos para túneles y cavernas. Se basa en seis parámetros de acuerdo a la siguiente ecuación:

Q=

RQD Jr Jw   Jn Ja SRF

Donde ▪

Jn: parámetro para describir el número de familias de discontinuidad.

▪

Jr: parámetro para describir la rugosidad de las juntas.

▪

Ja: parámetro para describir la alteración de las juntas.

▪

Jw: factor asociado al agua en juntas.

▪

SRF: factor asociado al estado tensional.

▪

RQD: Rock Quality Designation.

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La asociación de estos parámetros permite dar un sentido físico a cada a las relaciones que se gestan, tal como se describen a continuación: ▪

Jr/Ja: representa la rugosidad, fricción y relleno de las juntas.

▪

Jw/SRF: representa las condiciones de agua y tensión considerándose como ésta como activa o eficaz.

▪

RQD/Jn: representa el tamaño del bloque medio.

TIPO DE ROCA Excepcionalmente mala

VALOR DE Q 0.001 – 0.01

Extremadamente mala

0.01 – 0.1

Muy mala

0.1 - 1

Mala

1-4

Regular

4 - 10

Buena

10 - 40

Muy buena

40 - 100

Extremadamente buena

100 - 400

Excepcionalmente buena

400 - 1000

Tabla 3. Escala de valores para el Q de Barton. (Fuente: Barton).

Índice de resistencia geológica GSI (HOEK AND MARINOS, 2000):

El Índice de fuerza geológica (GSI: Geological Strength Index), fue propuesto por Hoek (1995) y Hoek, Kaiser & Badwen y provee un sistema que permite estimar la reducción de la resistencia del macizo rocoso para diferentes condiciones geológicas.

Por ejemplo, macizos fracturados presentarán una resistencia a la deformación que dependerá de las propiedades de los bloques de roca intacta que lo conformen, pero también de la libertad de éstos para deslizarse y girar bajo distintas condiciones de esfuerzo. Esta libertad está determinada por el perfil geométrico de los bloques de roca intacta, así como también, por las condiciones 16

de las superficies que separan dichos bloques. Para esto, se presenta la Figura N° 3, sobre índices de resistencia geológica.

Figura 2. Índice de resistencia geológica. (Fuente: Hoek y Marinos).

La estructura de la masa rocosa considera el grado de fracturamiento o la cantidad de fracturas (discontinuidades) por metro lineal, según se puede apreciar en la Figura anterior. 17

La condición superficial del macizo rocoso, por otro lado, involucra a la resistencia de la roca intacta y sus propiedades de discontinuidades tal como sigue: ▪

Resistencia.

▪

Relleno.

▪

Apertura.

▪

Meteorización o alteración.

▪

Rugosidad.

Según esto, las cinco categorías consideradas las podemos clasificar en: ▪

Masa rocosa Muy Buena (MB).

▪

Masa rocosa Buena (B).

▪

Masa rocosa Regular (R).

▪

Masa rocosa Mala (M).

▪

Masa rocosa Muy Mala (MM).

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4. INVESTIGACIONES BÁSICAS 4.1. CARACTERIZACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Para caracterizar la masa rocosa se utilizaron las mediciones realizadas de las discontinuidades existentes en la zona del mapeo geomecánico provistas por CGI, obteniéndose así los parámetros de observación y medición in situ del macizo rocoso, tal como se presentan a continuación: ▪

Persistencia: 10 a 20 m.

▪

Apertura: 0.1 - 1.0 mm.

▪

Rugosidad: Muy Rugosas (JRC = 16).

▪

Relleno: Duro, espesor menor a 5 mm.

▪

Alteración: Superficies moderadamente intemperizadas.

▪

Espaciamiento de las discontinuidades: de 0.06 a 0.25 m.

▪

Condiciones de agua: Mojado.

Los datos del mapeo geomecánico son: ▪

Resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta: 90 MPa.

▪

RQD: 65 %.

▪

Rumbo de túnel: paralelo al rumbo de sistema de discontinuidades principal.

▪

JRC: 16.

Y las propiedades de las discontinuidades son: ▪

Ángulo de fricción interna: 35°.

▪

Cohesión: 0.1 ton/m2.

▪

Tensile Strength: 0.0 ton/m2.

A su vez, las características que presenta la construcción de la obra son: 19

▪

Proyecto: Túnel de Acceso Principal CGI.

▪

Nombre de Túnel: Túnel Norte NV 250.

▪

Orientación del eje del túnel: Trend: 170°, Plunge: 5°.

▪

Factor de seguridad para el diseño: 1.4.

4.2. DISTRIBUCIÓN DE DISCONTINUIDADES Para determinar las características de la distribución de discontinuidades tanto mayores como menores del proyecto, se desarrolló el procesamiento de datos mediante la proyección estereográfica equidistante, utilizando el software DIPS versión 6.0.

De la data in situ (CGI) tenemos la siguiente información estructural de las discontinuidades que el macizo rocoso presento:

N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

DIP 10 82 69 13 70 76 45 86 70 80

DIP DIR 135 72 125 210 345 77 150 288 135 125

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

25 75 84 84 78 77 86 26 61 87

135 358 288 334 87 87 76 138 193 134

Tabla 4. Parámetros de las discontinuidades DIP/DIP DIR. (Fuente: CGI).

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Características estructurales

Se ha identificado de la toma de datos, el tipo la litología que se nos presenta para el desarrollo del proyecto, lo cual muestra afloramientos consistentes entre lutitas y pizarras, tal como se ha mencionado a lo largo del informe, conformando su parte superior, con un rumbo promedio NW – SE, buzamiento de 10° a 20° SW y un peso específico de roca encajonante de 2.95 ton/m3.

Al utilizar DIPS para procesar la data dip / dip direction de las discontinuidades, objetivo clave para encontrar las tendencias estructurales y familias de discontinuidades, se evitó la presencia de cuñas durante la construcción del túnel.

Figura 3. Proyección estereográfica de polos (Pole Plot). (Fuente: Elaboración Propia)

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Figura 4. Distribución de zonas de máxima concentración – software Dips v.6.0 (Fuente: Elaboración Propia).

Figura 5. Intersección de las 5 familias principales – Software Dips v.6.0. (Fuente: Elaboración Propia)

En la intersección de la Figura anterior se observan las 5 familias principales. 22

Tabla 5. DIP / DIP DIR de las familias principales. (Fuente: Elaboración Propia)

Figura 6. Diagrama de roseta Túnel Norte NV.250. (Fuente: Elaboración Propia).

4.3 CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO Para esto se usó la información de las diferentes celdas de mapeo, según los criterios de clasificación geomecánico de Bieniawski RMR89 (Rock Mass Rating), Q de Barton y el Índice de resistencia geológica (GSI).

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RMR89:

Figura 7. Cálculo de RMR para el Túnel Norte NV 250. (Fuente: CGI).

Los resultados obtenidos según el mapeo geomecánico RMR89 de Bieniawski, definen la calidad del macizo rocoso para el túnel, el cual presenta un valor de RMR89 de 38, correspondiendo al de un macizo rocoso de calidad mala.

Q de BARTON:

El índice Q se define de acuerdo a la siguiente ecuación:

Q=

RQD Jr Jw   Jn Ja SRF

Donde ▪

Ja: parámetro para describir la alteración de las juntas.

▪

Jn: parámetro para describir el número de familias de discontinuidad.

▪

Jr: parámetro para describir la rugosidad de las juntas.

▪

Jw: factor asociado al agua en juntas.

▪

SRF: factor asociado al estado tensional.

▪

RQD: Designación de calidad de la roca (Rock Quality Designation).

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Figura 8. Cálculo del valor Q para el Túnel Norte NV 250. (Fuente: Elaboración Propia).

Los resultados alcanzados por medio del sistema de clasificación Q de Barton, definen el tipo de roca para el túnel en 8.13, clasificándose éste como un macizo rocoso de tipo buena. TIPO DE ROCA

VALOR DE Q

Excepcionalmente mala

0.001 – 0.01

Extremadamente mala

0.01 – 0.1

Muy mala

0.1 – 1

Mala

1–4

Regular

.4 – 10

Buena

10 – 40

Muy buena

40 – 100

Extremadamente buena

100 – 400

Excepcionalmente buena

400 – 1000

Tabla 6. Resultado obtenido según la escala de valoración de Q de Barton.

Índice GSI:

Éste se basa en la opinión visual de la estructura rocosa para su caracterización. Que con un RQD de 65%, considerando un macizo moderadamente fracturado y una condición superficial RCU = 90Mpa. Da lugar a un GSI tipo F/R (Figura 10). 25

Figura 9. Caracterización del macizo rocoso por medio del índice GSI. (Fuente: Elaboración Propia).

4.4 ZONIFICACIÓN GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO De acuerdo con las clasificaciones RMR, Q de Barton y GSI, se obtuvieron los siguientes resultados:

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ZONA

LITOLOGIA

RMR89

Q

GSI

1

Lutitas y pizarras

38 Mala

8.13 Buena

F/R Moderadamente Fracturada/Regular

Tabla 7. Índice y clasificación del macizo rocoso. (Fuente: Elaboración Propia).

4.5 RESISTENCIA DE ROCA INTACTA La resistencia a la compresión uniaxial es uno de los parámetros más importantes del comportamiento mecánico de la roca. Según el GSI se necesita más de un golpe de picota para romper la roca intacta y mediante ensayos in situ de impacto con el martillo Schmidt, se obtuvo una resistencia a la compresión uniaxial de 90 Mpa5.

Tabla 8. Clasificación de las rocas intactas. (Fuente: ISRM). 5

Referencia: CGI.

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Resistencia a la compresión Uniaxial [Mpa]

Litología Lutitas y Pizarras

Rango

Promedio

50 - 100

90

Tabla 9. Resumen ensayo de compresión simple. (Fuente: Elaboración Propia).

4.6 AGUA SUBTERRÁNEA Se ha observado presencia del agua en el túnel, la que corresponde a una condición de "mojado", la que se debe a que en el terreno existen filtraciones de agua a través de las discontinuidades haciendo que toda el área presente humedad.

4.7 ESFUERZOS IN SITU Condiciones por efecto de la fuerza de gravedad:

Esfuerzo Vertical

 = Pe  H Donde Pe: Es el peso específico de la roca. H: La altura lito estática.

Con los datos obtenidos de campo y con la anterior ecuación, obtenemos el siguiente esfuerzo vertical:

(

 = 2.95 Tn

m3

) 150m = 442.5Tn m

2

28

Estimación de la orientación de los esfuerzos principales: A. Análisis vectorial Para la interpretación de la orientación de los esfuerzos principales por el análisis vectorial se tomaron dos familias principales (familia 1 y la familia 5) de acuerdo a la concentración de los polos que ya se vio en la Figura 5.

Tabla 10. Familias principales de discontinuidades. (Fuente: Elaboración Propia).

Tabla 11. Calculo de los esfuerzos principales (Fuente: CGI).

B. Análisis de proyecciones estereográficas

La estimación de las direcciones de esfuerzos se realizó en base a las dos familias de mayor importancia detectadas mediante el análisis por proyección estereográfica ver Figura n°5.

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Figura 10. Proyección Estereográfica de la familia 1 y 5 con esfuerzos principales. (Fuente: Elaboración Propia).

Figura 11. Proyección Estereográfica de la familia 1 y 5, más orientaciones Trend/Plunge. (Fuente: Elaboración Propia).

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4.8 UNIDADES GEOMECÁNICAS De acuerdo a la información geomecánica analizada, se define una unidad principal que corresponde a lutitas y pizarras, con un grado de fracturamiento de RQD de 65%, una resistencia a la compresión uniaxial promedio de 90 MPa, además de presentar contenido de humedad. De acuerdo al análisis geomecánico la calidad del macizo rocoso es mala con un RMR de 38 (según RMR de Bieniawski), Q de Barton de 8.13 Regular y GSI de F/R (moderadamente fracturada/regular).

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5. METODOLOGÍA DE ANÁLISIS 5.1 ESTABILIDAD DEL CONTROL ESTRUCTURAL DEL TÚNEL Por medio del uso del software Unwedge v.3.0, se observó la formación de cuñas inestables en el techo de la excavación del túnel, por lo que se hace obligatorio el uso de sostenimiento.

Según el análisis desarrollado, se muestran la formación de cuña en el techo, la que tienen un Factor de Seguridad cercana a cero (F.S) de 0.293.

Por lo tanto, el control de estabilidad de estas cuñas menores se logra a través del uso de pernos cementados, que deberán ir ubicados de manera metodología, aumentando la estabilidad aplicando una capa de shotcrete6 de 3 inch de espesor.

DESCRIPCIÓN

VALORACIÓN

Orientación del eje del Túnel – Trend

170°

Orientación del eje del Túnel – Plunge

5°

Angulo de Fricción Interna

35°

Cohesión

0.1 ton/m2

Resistencia a la tracción

0.0 ton/m2

Peso específico de la roca

2.95 ton/m3

Resistencia al corte de las discontinuidades

Mohr – Coulomb

Factor de seguridad

1.4

Altura litostática

150

Tabla 12. Datos del mapeo geomecánico del túnel Norte NV 250. (Fuente: CGI)

6

El shotcrete consiste en hormigón o mortero colocado por proyección neumática de alta velocidad desde una boquilla. Sus componentes son áridos, cemento y agua, y se puede complementar con materiales finos, aditivos químicos y/o fibras de refuerzo.

32

Figura 12. Familia de discontinuidades obtenidas a partir del software Dips. (Fuente: Elaboración Propia)

Figura 13. Combinación de análisis de las familias de discontinuidades. (Fuente: Elaboración Propia)

Por medio del software Unwedge v3.0 se vieron 10 combinaciones de familias de discontinuidades. De lo cual se aprecia lo siguiente: 33

Figura 14. Cuñas N° 7, inestable – Unwedge. (Fuente: Elaboración Propia)

Figura 15. Información de esfuerzos cargada – Unwedge. (Fuente: Elaboración Propia)

34

Figura 16. Información de empernado – Unwedge. (Fuente: Elaboración Propia)

Figura 17. Empernado generado – Unwedge. (Fuente: Elaboración Propia)

35

Figura 18. Propiedades dadas al empernado generado – Unwedge. (Fuente: Elaboración Propia)

Ahora aplicamos Shotcrete, tal como se muestra en la siguiente imagen:

Figura 19. Aplicación de Shotcrete – Unwedge. (Fuente: Elaboración Propia)

Figura 20. Propiedades Shotcrete consideradas – Unwedge. (Fuente: Elaboración Propia)

36

Figura 21. Diagrama de esfuerzos alcanzado sigma1 – Unwedge. (Fuente: Elaboración Propia)

Con lo anterior, el FS resultante es de 13.374, considerado más que estable. Utilizando pernos de 7 pies (2.1) y Shotcrete de 1 inch (2.54 cm).

5.2 SOSTENIMIENTO RECOMENDADO PARA EL TUNEL SEGÚN (RMR, Q y GSI) A. Mediante RMR

Para definir la configuración del sostenimiento, se tomó la clasificación RMR de Bieniawski donde se obtuvo como resultado de 45, roca Regular de tipo III. Recomendando el uso de pernos cementados de 7´ ubicados sistemáticamente con shotcrete de 1 inch.

RMR

100 - 81

80 - 61

60 - 41

40 - 21

20 - 0

IV

DESCRIPCI ON

I MUY BUENA

II BUENA

III REGULAR

IV MALA

V MUY MALA

Mala

Tabla 13. Tipo de roca según la clasificación geomecánica RMR de Bieniawski.

37

B. Mediante Q de Barton

El tipo de sostenimiento, se determina en este punto conociendo la dimensión equivalente o De.

Si las dimensiones del túnel son 4 x 4 m, con un valor promedio para el parámetro ESR de 1.25 y considerando un macizo de Clase Mala con un Q de 8.13, podemos entonces seleccionar una categoría y tipo de excavación por medio de la siguiente tabla: CATEGORÍA

TIPO DE ESCAVACION

ESR

A

Excavaciones mineras temporales.

2-5

B

Galería de alta presión, túneles piloto, galerías de avance en grandes excavaciones, cámaras de compensación hidroeléctrica.

1,6 - 2

C

Cámaras de almacenamiento, plantas de tratamiento de agua, túneles menores para carreteras o vías férreas, cámaras de equilibrio, túneles de acceso.

1,2 - 1,3

D

Carreteras primarias y de ferrocarril, refugios subterráneos para defensa civil, emboquilles e intersecciones de túneles.

0,9 - 1,1

E

Estaciones subterráneas de energía nuclear, estación de ferrocarril, fábricas.

0,5 - 0,8

Tabla 14. Clasificación ESR de acuerdo al tipo de excavación.

Reemplazando estos valores en la formula, obtenemos:

De =

Dimensión de la excavación 4 = = 3.2 ESR 1.25

38

3.2

----: Ejemplo

8.13

----: Proyecto Túnel CGI

Figura 22. Clasificación de roca y tipo de sostenimiento Q de Barton. (Fuente: Barton)

39

El tipo de sostenimiento en la clasificación geomecánica según Q de Barton recomienda es el N° 3 (Pernos de sostenimiento sistematizados).

C. Mediante el índice GSI

Por medio del mapeo geomecánico de GSI, tenemos los valores de: RQD = 65%. RCU = 90 MPa.

Figura 23. Clasificación GSI. (Fuente: CGI).

40

Según la tabla anterior, la recomendación es la de utilizar el tipo de sostenimiento de color rojo, esto dado que el mapeo geomecánico muestra factores influyentes, entre otros, la presencia de agua. A este respecto el tipo de sostenimiento que se debe clocar es el de un perno de 1.50 x 1.50 [m] con malla o cinta esporádica.

41

6. RESULTADOS ▪

El análisis de cuña hizo a partir de las cinco familias principales que se obtuvo con el Software Dips.

▪

Luego de haber estimado varios sistemas de sostenimiento en función a la clasificación geomecánica del macizo rocoso tanto por la metodología del RMR89 de Bieniawski, Q de Barton y GSI se obtuvo como resultado que el Túnel Norte NV 250 requiere de pernos cementados de 7’ ubicados de manera sistemática, con shotcrete de 1 inch.

42

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

7.1. CONCLUSIONES

▪ En la litología del Túnel Norte NV 250 se tiene claramente definidos cinco sistemas estructurales que afectan a la zona, la Primera con buzamiento y dirección de buzamiento (DIP/DIP DIRECCION) de 83/130, la segunda con DIP/DIP DIRECCION de 80/80, la tercera con DIP/DIP DIRECCION de 85/288, la cuarta con DIP/DIP DIRECCION de 32/143 y la quinta con DIP/DIP DIRECCION de 76/346. ▪ De acuerdo a la información geomecánica analizada, se define una unidad principal que corresponde a lutitas y pizarras, con un grado de fracturamiento de RQD de 65%, su resistencia a la compresión uniaxial un promedio de 90 MPa y presenta contenido de humedad. De acuerdo al análisis geomecanico la calidad del macizo rocoso presente en esta unidad, es de Mala con un RMR de 45 (según RMR de Bieniawski), Q de Barton de 8.13 Regular y GSI de F/R (moderadamente fracturada/regular). ▪ Para el sostenimiento del Túnel Norte NV 250, luego de haber estimado varios sistemas de sostenimiento en función a la clasificación geomecánica del macizo rocoso tanto por la metodología del RMR 89 de Bieniawski, Q de Barton y GSI se tiene que el Túnel Norte NV 250 requiere de pernos cementados de 7’ ubicados de manera sistemática, con shotcrete de 1 inch.

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7.2. RECOMENDACIONES ▪ Se recomienda llevar el seguimiento del proyecto en cuanto a su avance y costo proyectado, versus lo real. Así, mediante una curva S, visualizar y tomar las medidas correspondientes que permitan que la construcción del túnel y su comisionamiento, sean llevados a su término sin mayores desviaciones en cuanto tiempos y recursos económicos. Para esto se debe utilizar en todo momento, herramientas de dirección de proyecto como el PMP. ▪ Se deben monitorear de manera continua las condiciones simuladas, proyectadas y previstas en terreno, asegurando así la seguridad y el avance normal previsto para la construcción del túnel. ▪ Se deben cumplir como mínimo las condiciones de sostenibilidad propuestas en este informe y en todo momento. ▪ Podría llegar a ser una opción viable e interesante, la de hacer uso de un análisis de elementos finitos mediante el software Phase2, éste permite el cálculo de esfuerzos y deformaciones alrededor de las excavaciones, lo que se logra de forma segura y rentable.

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BIBLIOGRAFÍA

1. Barton Eng Class of Rx Slopes Tunnel Support (Barton - Lien - Lunde). Bieniawski, Z. T. (1989). Engineering Rock Mass Classification. 2. Ever Hoek. (1998). Support of underground excavations in hard rock. Canada: A.A. Balkema. 3. HOEK, E. (2002). Practical Rock Engineering. Toronto, Canada: Rocscience. 4. ISRM (1981). Suggested Methods for Rock Characterization, Testing, and Monitoring. 5. Luis Gonzales de Vallejo. (2002). Ingeniería Geológica. Madrid: Pearson. 6. Rodríguez, Guillermo (2019). Módulo 1: Mapeo Geomecánico de Excavaciones Suberráneas y Superficiales. 7. Ing. Jesús Vizcarra Arana. Separata de prácticas del curso de geología general, Huaraz 2006.

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ANEXOS Anexo A: ▪ Archivo: Análisis vectorial INF-MOD01-CGI. ▪ Archivo: Mapeo por estacion.xlsx ▪ Data Mapeo Geomecánico CGI v2.pdf

Anexo B: ▪ Archivo: DIPS.dips6. ▪ Archivo: Datos estructurales.xlsx

Anexo D: ▪ Análisis Unwedge (archivo: Unwedge1.weg). ▪ TUNEL (Taller Unwedge).dxf

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