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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MINAS

INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES GEOLÓGICAS Al excavar un túnel se pueden encontrar tres tipos de condiciones naturales que dan lugar a la pérdida de resistencia del macizo y, por tanto, a problemas de estabilidad.  Orientación desfavorable de discontinuidades.  Orientación desfavorable de las tensiones con respecto eje del túnel.  Flujo de agua hacia el interior de la excavación a favor de fracturas, acuíferos o rocas carstificadas. Estas condiciones están directamente relacionadas con los siguientes factores geológicos: estructura, discontinuidades, resistencia de la roca matriz, condiciones hidrogeológicas y estado tensional. Por otro lado, la excavación del túnel también genera una serie de acciones inducidas que se suman a las citadas condiciones naturales, como son:  Pérdida de resistencia del macizo que rodea a la excavación como consecuencia de la descompresión creada: apertura de discontinuidades, fisuración por voladuras, alteraciones, flujos de agua hacia el interior del túnel etc.  Reorientación de los campos tensionales, dando lugar a cambios de tensiones.  Otros efectos como subsidencias en superficie, movimientos de ladera, cambios en los acuíferos, etc.

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CALCULO DEL R.Q.D. La calidad de roca R.Q.D se puede determinar:  Trozos de rocas testigos mayores de 10cm recuperados en sondeos.  Número total de discontinuidades que interceptan una unidad de volumen (1m3) del macizo rocoso, definido mediante el parámetro Jv.  Teóricamente a partir de la densidad de las discontinuidades o frecuencia de las discontinuidades (

) por Hudson, 1989.

Para el primer caso se utiliza la primera fórmula: ……….(A) Para el segundo caso se utiliza la siguiente fórmula: --------------------------------------------------------- (B) Para el tercer caso se utiliza la siguiente fórmula: -------------------------------------------(C) Donde:



Ndiscontinuidades m

El valor obtenido en las formulas A, B o C son comparados con la siguiente tabla: Índice de Calidad R.Q.D. (%)

Calidad

Valoración

0 -25

Muy mala

25 – 50

Mala

50 – 75

Regular

13

75 – 90

Buena

17

90 – 100

Excelente

20

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3 8

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Asimismo, se puede buscar la valoración para el RQD, a partir del siguiente gráfico: Grafico para calcular el parámetro de R.Q.D

NGI Sistema de Clasificación de Barton (Q de Barton o Índice de Calidad Tunelera) El sistema propuesto, considera seis parámetros para definir la calidad de un macizo rocoso (Índice de Calidad Q), que son los siguientes: RQD

: Parámetro definido por Deere (1964)

Jn

: Número de familias de discontinuidades.

Jr

: Rugosidad de las discontinuidades.

Ja

: Meteorización de las discontinuidades.

Jw

: Condición de agua subterránea

SRF

: Factor de reducción del esfuerzo.

Procedimiento de Clasificación

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





El primer cociente (RQD/Jn), representa la estructura del macizo rocoso y es una medida rudimentaria del tamaño de los bloques o de las partículas con dos valores externos (100/0,5 y 10/20), con una diferencia de 400. Si se interpreta este cociente en unidades de centímetros, los tamaños de partículas de 200 a 0,5 cm se pueden apreciar como aproximaciones extremas pero bastante realistas. Probablemente, los bloques más grande tendrían varias veces este tamaño y los fragmentos chicos menos de la mitad (partículas de arcilla no se toman en cuenta). El segundo cociente (Jr/Ja), representa de la rugosidad y las características de fricción de las paredes de las discontinuidades o de los materiales de relleno. Este cociente se inclina favor de discontinuidades rugosas e inalteradas que se encuentran en contacto directo. Se puede pensar que estas superficies están cerca de la resistencia optima, que tenderán a dilatarse fuertemente cuando este sometidas a tensiones cizallantes, y que por lo tanto, serán muy favorables a la estabilidad de in túnel.

El tercer cociente (Jw/SRF) consiste en dos parámetros de fuerzas. SRF es un valor de: a) La carga se disipa en el caso de una excavación dentro de una zona de fallas y de roca empacada en arcilla. b) Las tensiones en una roca competente. c) Las cargas compresivas en rocas plásticas incompetentes. Se puede considerar como un parámetro total de tensiones. En cuanto al parámetro Jw, se trata de una medición de la presión de agua que tiene un efecto negativo de la resistencia a la tensión cizallantes de las discontinuidades, debido a la reducción en la tensión efectiva normal. El agua puede causar, además, un ablandamiento de las arcillas e incluso, posiblemente, su lavado. Se demostró que es imposible combinar estos dos parámetros en términos de tensiones normales efectivas ente bloques, ya que paradójicamente un valor alto de la tensión efectiva normal indica a veces condiciones menos estables que un valor bajo a pesar de tener una resistencia

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mayor a la tensión cizallante. El cociente (Jw/SRF) es un factor empírico complicado que describe las fuerzas activas. Se ve ahora que el índice Q para túneles puede considerarse como una función de solo tres parámetros que son medidas aproximadas de: 1. El tamaño de bloques (RQD/Jn). 2. La resistencia a la tensión entre bloques(Jr/Ja). 3. Las tensiones activas (Jw/SRF) Para calcular el índice Q se usa la siguiente expresión matemática

 RQD   J r   J w   x  x Q    J J SRF   n   a 

El valor de Q varía entre 0,001 y 1000, dentro de este rango se definen nueve calidades de roca, tal como se muestra en la tabla siguiente:

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CALIDAD DE ROCA

Índice Q

Excepcionalmente mala

0.001 - 0.01

Extremadamente mala

0.01 - 0.1

Muy mala

0.1 – 1.0

Mala

1.0 – 4.0

Regular

4.0 – 10.0

Buena

10.0 – 40.0

Muy buena

40.0 - 100.0

Extremadamente buena

100.0 - 400.0

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Excepcionalmente buena 400.0 - 1000.0 Clasificación y Valoración de los Parámetros Individuales del Indice Q (Barton y Grimstad 1994)

ÍNDICE DE CALIDAD DE ROCA

RQD

A. Muy mala

0 - 25

B. Mala

25 - 50

C. Regular

50 – 75

D. Buena

75 – 90

E. Excelente

OBCERVACIONES 1. Cuando RQD, incluyendo cero, se puede utilizar el valor 10 para el RQD. 2. Intervalos de 5 para RQD, ósea 100, 95, 90 son precisos.

90 100

Clasificación según el número de familias A. B. C. D. E. F. G. H. I.

NUMERO DE FAMILIAS Masivo, sin o con pocas juntas Una familia de juntas Una familia y algunas juntas ocasionales Dos familias de juntas Dos familias y algunas juntas Tres familias de juntas Tres familias y algunas juntas Cuatro familias o más, roca muy fracturada, terrones de azúcar Roca triturada terrosa

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Jn 0.5 – 1 2 3 4 6 9 12 15

OBSERVACIONES

1.

Para cruces en túneles utilizar (3 x Jn).

2. Para portales utilizar (2 x Jn).

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Numero de rugosidad de las juntas NUMERO DE RUGOSIDAD DE LAS JUNTAS  Contacto entre las dos caras dela junta  Contacto entre las dos caras de la junta mediante un desplazamiento lateral de 10cm. A. Juntas discontinuas. B. Juntas rugosas o irregular ondulada. C. Suave ondulada. D. Espejo de falla ondulada. E. Rugosa o irregulares plana. F. Suave plana. G. Espejo de falla o superficie de fricción plana.  Sin contacto entre las dos caras de la juntas desplazadas lateralmente. H. Zona que contiene minerales arcillosos de espesor suficientemente gruesa para impedir el contacto entre las dos caras. I. Zona arenosa de grava o roca triturada suficientemente gruesa para impedir el contacto entre las dos caras de la junta. NUMERO DE ALTERACIÓN DE LAS JA JUNTAS - Contacto entre las dos caras de la junta. A. Junta sellada, dura, sin 0.75 reblandamiento relleno impermeable. Ejemplo cuarzo. B. Caras de la junta únicamente 1 manchadas C. Las caras de la junta están 2 alteradas ligeramente y contienen minerales no reblandecible, partículas de arena, roca, desintegrada libre de arcilla.

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Jr.

OBSERVACIONES

4 3 2 1.5 1.5 1 0.5

1) Se añade 1.0 si el espaciamiento medio de juntases mayor que 3m.

1

1

2) Jr. =0.5 se puede usar para juntas de fricción planas Y que tengan alineaciones orientadas para resistencia mínima.

ФR (APROX.)

OBSERVACIÓN

25° - 35° 25° - 30°

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D.Recubrimiento de limo o arena arcillosa, pequeña fracción arcillosa no reblandecible. E. Recubrimiento de minerales arcillosos blandos o de baja friccione ej. Caolinita, mica, clorita, talco, y pequeñas cantidades de arcilla expansivas, los recubrimientos son discontinuos con espesores de 162 mm -contacto entre las dos caras de la junta con menos de 10 cm de desplazamiento lateral F. Partículas de arena, roca desintegrada. Libre de arcilla G.Fuertemente sobre consolidados, rellenos de minerales arcillosos no reblandecidos. Los recubrimientos son continuos menores de 5 mm de espesor. H.Sobre consolidación media a baja reblandecida, relleno de mineral arcilloso. Los recubrimientos son continuos menores de 5mm de espesor. I. Relleno de arcillas expansivas ej. Montrillonita, de espesor continúo de 5m. el valor Ja depende del porcentaje de partículas del tamaño de la arcilla expansiva. -No existe contacto entre las dos caras de la junta cuando esta es cizallada. J. Zonas o bandas de roca desintegrada o manchada y arcilla. K. Zonas blandas de arcilla limosa o arenosa con pequeña fracción de arcilla sin reblandamiento. L. Zonas o capas gruesas de arcilla

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3

20° - 25°

4

8° - 16°

4

25° - 30°

6

16° - 24°

8

8° - 16°

8 - 12

6° - 12°

6-8 o 8-12

6° - 24°

5

6° - 24°

10 -13 13-20

6° - 24°

Los valores de Фr, el ángulo de fricción residual. Se indican como guía aproximada de las propiedades mineralógicas de los productos de la alteración si es que están presentes.

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FACTOR DE REDUCCIÓN POR PRESENCIA DE AGUA EN LAS JUNTAS FACTOR DE REDUCCIÓN POR PRESENCIA DE AGUA EN LAS JUNTAS A. Excavaciones secas o de fluencia poco importante, menos de 5 L/min. B. Fluencia o presión media, ocasional lavado de los rellenos de las juntas. C. Fluencia grande o presión alta, considerable lavado de los rellenos de las juntas.

Jw

PRESIÓN DE AGUA (KG/Cm2)

1

10

>10

SRF OBSERVACIONES 1. Redúzcanse estos valores SRF de 25% 50%, si las zonas de fractura solo se intersectan pero no se cruzan la excavación. 10 2. Para u campo virgen de esfuerzos fuertemente aniso trópico, medidas cuando 5< d1/d310, redúzcase: a 0.6 la dc y el dt. Donde: 2.5 dc= Resistencia Comprensiva. dt= Esfuerzo A La Tracción.

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D.

E.

F.

G.

químicamente(profundidad de excavación mayor a 50 m) Varias zonas de fractura en roca competente (libre de arcilla), roca suelta alrededor (cualquier profundidad) Solo una zona fracturada en roca competente (libre de arcilla). (profundidad de excavación menor de 50 m). Solo una zona fracturada en roca competente (libre de arcilla). (profundidad de excavación mayor de 50 m). Juntas abiertas sueltas muy fracturadas, etc. (cualquier profundidad)

FACTOR DE REDUCCION DE ESFUERZOS Roca competentes problema de esfuerzos H. Esfuerzo bajo, cerca de la superficie I. Esfuerzo medio J. Esfuerzo grande, estructura muy cerrada (generalmente favorable para la estabilidad. Puede ser desfavorable para la estabilidad de los hastiales) K. Desprendimiento moderado de la roca masiva. L. Desprendimiento intenso de la roca masiva Roca fluyente, flujo plástico de roca incompetente bajo la influencia de altas presiones litostaticas. M. Presión de flujo moderado. N. Presión de flujo intenso.

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d1= ESFUERZO PRINCIPAL MAYOR. d3=ESFUERZO PRINCIPAL MENOR 7.5

5

2.5

5

dc/d1 Dt/d1

>20

>13

20010 10-5

130.66 0.660.33

5-25

0.330.16 50m). D. Múltiples zonas de fractura en roca competente sin arcilla, roca circundante suelta, cualquier profundidad. E. Zonas de fracturas aisladas en roca competente sin arcilla, profundidad de excavación < 50m. F. Zonas de fractura aisladas en roca competente sin arcilla, profundidad de excavación > 50m. G. Diaclasas abiertas sueltas, diaclasado intenso cualquier profundidad.

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SRF

10.0

5.0 2.5 7.5 5.0 2.5 5.0

1. Redúzcanse estos valores SRF de 25% a 50%, si las zonas de fractura solo influencian pero no cruzan la excavación. 2. Para un campo virgen tensiones fuertemente aniso trópicos (si se mide: cuando 5 ≤ σ1/ σ3≤ 10, redúzcase σc a 0.8 σc y σt a 0.8 σt. cuando σ1/ σ3 > 10, redúzcase σc a 0.6 σc y a σt a 0.6 σt. dónde: σc = resistencia a la compresión uniaxial σt = tensión de tracción (carga puntual )y σ1 y σ3 son las tensiones principales mayores y menores)

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DESCRIPCION b) Rocas competentes, problemas de tensiones. H. tensiones bajas, cerca de la superficie. J. tensiones de nivel medio. K. elevado nivel de tensiones, estructura muy cerrada generalmente favorable para la estabilidad, puede ser desfavorable para la estabilidad de las paredes. L. planchoneo y explosión moderada después de una hora en roca masiva. M. planchoneo y explosión de roca en pocos minutos en roca masiva. N. intensa explosión de roca e inmediata deformación dinámica en roca masiva. c) roca fluyente, flujo plástico de roca incompetente bajo la influencia de presiones altas de la roca. O. presiones compresivas moderadas. Presiones compresivas altas. d) roca expansiva, acción química expansiva dependiendo de la presencia de agua. Q. presiones expansivas moderadas. R. presiones expansivas altas.

σ/ σ1

VALOR σt/ σ1

NOTAS SRF

>200 200-10 10-5

> 13 13-0.66 0.66-0.33

2.5 1.0 0.5-2

5-3

0.5-0.65

5-50

3-2

0.65-1

50-200

1

200-40

5-10

3. hay pocos reportados donde el techo debajo de la superficie sea menor que el ancho del claro se sugiere que el SRF sea aumentado de 2.5 a 5 para estos casos (vea H)

10-20

5-10 10-20

Cuando no se dispone de sondeos, el RQD se estima a partir de afloramientos, mediante el cómputo volumétrico de diaclasas Jv, tal como se indicó en la clasificación del RQD. El parámetro Jn (número de familias de diaclasas) puede estar afectado por foliación, esquistosidad, clivaje, laminaciones, etc. Solo si estas diaclasas paralelas están suficientemente desarrolladas, se contabilizan como una familia, si no, se contabilizan como diaclasas adicionales. Se tomaran los valores de los parámetros Jr (rugosidad) y Ja (meteorización) de la familia de diaclasas o de la discontinuidad rellena de arcilla más débil de la zona, pero hay que

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elegir en primer lugar las diaclasas de orientaciones desfavorables, aunque no proporcionen el valor mínimo del cociente Jr/Ja. Cuando un macizo contiene arcilla, se aplicara el valor del SRF para la roca que se puede soltar. En este caso, la resistencia de la roca inalterada es de poco interés. Sin embargo, cuando las discontinuidades son pocas no hay arcilla, la resistencia de la roca inalterada puede ser el eslabón más débil y la estabilidad dependerá de la relación tensión-roca / resistencia – roca. Un campo de tensiones fuertemente aniso trópico es desfavorable para la estabilidad y esto se toma en cuenta en forma aproximada en la nota 2 de la tabla. RECOMENDACIONES DE SOSTENIMIENTO Inicialmente Barton propuso a guía de sostenimiento que presentaba 38 tipos de sostenimiento. Por su importancia histórica estas guías de sostenimiento se encuentran en el apéndice 4. Grimstad y Barton (1993), propusieron una nueva guía de sostenimientos que se indica en la siguiente figura.

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N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9

SOSTENIMIENTO Sin sostenimiento. Pernos localizados. Anclaje sistemático. Anclaje sistemático con 40 a 100 mm de hormigón lanzado no reforzado. Hormigón lanzado con fibra reforzada, 50 a 90 mm y anclaje. Hormigón lanzado con fibra reforzada, de 90 a 120 mm y anclaje. Hormigón lanzado con fibra reforzada, de 120 a 150 mm y anclaje. Hormigón lanzado con fibra reforzada, > 150mm, con arcos reforzados de hormigón lanzado y anclaje. Hormigón armado.

Correlaciones De acuerdo con la aplicación de los diferentes tipos de excavaciones, se han propuesto diferentes tipos de correlaciones entre el RMR y el índice de Q correlaciones

origen

RMR = 13.5log Q + 43

Nueva Zelanda

Túneles

RMR = 9 ln Q +44

diverso

Túneles

RMR = 12.5 log Q + 55.2

España

Túneles

Sudáfrica

Túneles

RMR = 43.83 – 9.19 ln Q

España

Minería, roca débil

RMR = 10.5 ln Q + 41.8

España

Minería, roca débil

RMR = 12.11 log Q + 50.81

Canadá

Minería, roca resistente

RMR = 8.7 ln Q + 38

Canadá

Túneles, roca sedimentaria

RMR = 10 ln Q + 39

Canadá

Minería, roca resistente

RMR = 5 ln Q + 60.8

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Aplicación

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