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Geomecanica computacional-seminario
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Dr. Alejo O. Sfriso @AlejoSfriso Universidad de Buenos Aires materias.fi.uba.ar/6408 [email protected] SRK Consulting (Argentina) www.srk.com.ar [email protected] AOSA www.aosa.com.ar [email protected]
Geomecnica computacional aplicada a obras subterrneas convencionales
ndice
Principio de funcionamiento de un tnel Procedimientos constructivos en suelos Procedimientos constructivos en rocas Mtodos de diseo Aplicaciones civiles Aplicaciones a minera subterrnea
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Geo
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en
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Principio de funcionamiento de un tnel
Un tnel es un orificio practicado en un slido tridimensional: el terreno
Si este slido el terreno es muy competente, no se requiere un refuerzo de borde
Si el slido el terreno es menos competente, se requiere un refuerzo de bordeque es el sostenimiento
El terreno se sostiene a s mismo con la colaboracin del sostenimiento, diseado para aportar el refuerzo que el
terreno necesita
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Principio de funcionamiento de un tnel (con mtodos computacionales)
Disear es elegir una forma estructural que ayude al terreno a sostenerse a s mismo
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El efecto frente
Cada de bloques
Falla desde la superficie
Extrusin plstica
2D 3D
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El efecto frente: modelos 3D del procedimiento constructivo
2D 3D
ndice
Principio de funcionamiento de un tnel Procedimientos constructivos en suelos Procedimientos constructivos en rocas Mtodos de diseo Aplicaciones civiles Aplicaciones a minera subterrnea
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Mtodo alemn
1. Hastiales con hormign moldeado 2. Bveda primaria con hormign proyectado 3. Bveda secundaria con hormign moldeado 4. Solera con hormign moldeado
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Mtodo alemn
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Mtodo belga
1. Bveda primaria con hormign proyectado
2. Bveda secundaria moldeada
3. Hastiales moldeados por troneras
4. Solera moldeada
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Mtodo belga
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Mtodo belga
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Mtodo de frente completo G
eom
ecn
ica
com
puta
cion
al: t
nel
es e
n ro
ca
1. Bveda y hastiales con hormign proyectado
2. Solera con hormign moldeado 3. Bveda y hastiales
con hormign moldeado
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Mtodo de frente completo
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Mtodo de frente completo
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La Estacin Corrientes
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La Estacin Corrientes
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La Estacin Corrientes
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La Estacin Corrientes
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La Estacin Corrientes
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La Estacin Corrientes
Todas las etapas de construccin a la vez
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La Estacin Corrientes
Vista desde el banco intermedio
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Principio de funcionamiento de un tnel Procedimientos constructivos en suelos Procedimientos constructivos en rocas Mtodos de diseo Aplicaciones civiles Aplicaciones a minera subterrnea
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D&B para macizos rocosos
La tcnica de perforacin y tronadura es la ms usada para la excavacin de tneles cortos en macizos rocosos
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D&B para macizos rocosos
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D&B para macizos rocosos
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en
roca
Soporte de tneles D&B: pernos, shotcrete, marcos
La perforacin y tronadura se emplea en rocas duras Baja cobertura: sostenimiento de cuas Alta cobertura: estallido de rocas y convergencia Se emplean pernos en (prcticamente) todos los tneles ejecutados con perforacin y tronadura Pernos temporarios,
permiten avance rpido Pernos definitivos,
protegidos contra corrosin
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(Hoek 2000)
Rozadora
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Rozadora
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ndice
Principio de funcionamiento de un tnel Procedimientos constructivos en suelos Procedimientos constructivos en rocas Mtodos de diseo Aplicaciones civiles Aplicaciones a minera subterrnea
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Influencia del mtodo constructivo sobre el diseo
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Axial forcesExtreme axial force -293.27 kN/m
15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00 25.00 26.0
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Mtodo de convergencia confinamiento
Seccin circular Macizo elastoplstico Estructura elastoplstica Tiene en cuenta
El efecto del frente La rigidez relativa macizo estructura El momento de la colocacin del revestimiento
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en
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Mtodo de convergencia confinamiento: Pasos
Caracterizar el terreno Caracterizar el sostenimiento Determinar la curva caracterstica de la excavacin Determinar la curva caracterstica del
sistema de soporte Elegir cundo colocar el soporte
muy pronto: muy caro muy tarde: muy riesgoso
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Curva de la excavacin
p
Elstico
Plastico
Falla
pmin
p
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Curva del revestimiento
p
Elstico
Plastico
Falla
pmax
p
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Posicin de equilibrio
p
Elstico
Plastico peq
Elstico
Falla
Plastico
Falla
Escala de avance
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(Carranza Torres 2005)
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Mtodos numricos de diseo
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Estado inicial
A AA A B BB B
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Abatimiento de napa
A AA A B BB B
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en
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Excavacin hastial izquierdo
A AA A B BB B
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Hormigonado hastial izquierdo
A AA A B BB B
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en
roca
Excavacin hastial derecho
A AA A B BB B
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en
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Hormigonado hastial derecho
A AA A B BB B
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Excavacin de calota
A AA A B BB B
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Hormigonado calota 1era etapa
A AA A B BB B
Solicitaciones del revestimiento 1era etapa:
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Excavacin en banco
A AA A B BB B
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Hormign de 2da etapa y solera
A AA A B BB B
Solicitaciones del revestimiento 2da etapa:
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Segundo tnel
A AA A B BB B
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en
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Restitucin de napa
A AA A B BB B
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Asentamientos
0 10 20 30 40 50-7.00E-03
-6.00E-03
-5.00E-03
-4.00E-03
-3.00E-03
-2.00E-03
-1.00E-03
0.000
Paso de calculo
Uy [m]
Excavacin de hastial
Excavacin de calota
Excavacin de banco
Superficie
Calota calc = 5.8 mm real = 5.0 mm
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Verificacin (numrica) de un procedimiento constructivo
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Verificacin (numrica) de la estabilidad de todas las etapas
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Diseo de tneles NATM en macizos rocosos
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Mtodo de Barton
Es imposible predecir las condiciones geotcnicas a lo largo del trazado de un tnel
Se determinan diferentes sistemas de soporte en funcin de un ndice de calidad del macizo
Se elige el sistema de sostenimiento de acuerdo al material encontrado
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Mtodo de Barton
El ndice de calidad se calcula a partir de: RQD Jn (numero de sets estructurales) Jr (rugosidad de las discontinuidades) Ja (meteorizacin de las discontinuidades) Jw (factor que tiene en cuenta la presencia de agua) SRF (Stress Reduction Factor)
wr
n a
JJRQDQJ J SRF
=
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Tabla de Barton (1993)
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Diferentes opciones de sostenimiento en funcin de Q
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en
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Diseo de sostenimiento mediante teora de bloques
La teora de bloques permite un anlisis cinemtico de estabilidad de bloques formados por las familias de discontinuidades
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en
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Diseo de sostenimiento mediante teora de bloques
Permite anlisis determinsticos (de FoS) o probabilsticos (de riesgo de cada) para diferentes niveles de fortificacin
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en
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ndice
Principio de funcionamiento de un tnel Procedimientos constructivos en suelos Procedimientos constructivos en rocas Mtodos de diseo Aplicaciones civiles Aplicaciones a minera subterrnea
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en
roca
Aliviadero Caracoles
Dos tneles separados por un pilar de 22m de ancho Tramos A: embocadura B: ramal inclinado C: tnel recto
(+100 - +325) D: desembocadura Sostenimiento Pernos lechados roscados H proyectado H-21 capas 8cm Cerchas 225 + 132
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en
roca
(Ruiz et al 2005)
Aliviadero Caracoles Tramo A
La rama inclinada se excav en bancos horizontales A1: retiro de marina por la embocadura A2: raise-bore y retiro por desembocadura Hmax = 17.3m Sostenimiento Pernos lechados
25 x 6.0m H P 3 x 8cm
con malla Embocadura:
Cerchas y paraguas
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en
roca
Aliviadero Caracoles Tramo A
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en
roca
Aliviadero Caracoles Tramo C
Diseado con mtodo de Barton Verificado con modelos numricos
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en
roca
Aliviadero Caracoles Tramo C
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en
roca
Categoras de soporte Tramo C
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en
roca
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en
roca
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en
roca
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en
roca
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en
roca
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en
roca
ndice
Principio de funcionamiento de un tnel Procedimientos constructivos en suelos Procedimientos constructivos en rocas Mtodos de diseo Aplicaciones civiles Aplicaciones a minera subterrnea
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en
roca
Modelos de elementos de contorno
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en
roca
Complex geometry results in increased stress error (Serr)
Simple geometry results in significantly reduced stress
error (Serr)
(Severin 2012)
Resolution 3 m cubes
Modelos de hundimiento
(Muaka 2012)
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en
roca
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Actual Nivel 0 Minado de pilares
Modelos de hundimiento
(Muaka 2012)
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en
roca
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BEFBEF
RQS RQS Q=SQ=S
ZCIZCI
FWFW
CRUZADO GEOTECNICO 3
CRUZADO GEOTECNICO 3BEFBEF
RQS RQS Q=SQ=S
ZCIZCI
FWFW
CRUZADO GEOTECNICO 3
CRUZADO GEOTECNICO 3
Chuquicamata subterrnea
(Hormazbal 2012)
Geo
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en
roca
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Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
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en
roca
100 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
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en
roca
101 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
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en
roca
102 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
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en
roca
103 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
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en
roca
104 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
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en
roca
105 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
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en
roca
106 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
Geo
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en
roca
107 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
Geo
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a co
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eles
en
roca
108 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
Geo
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nic
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eles
en
roca
109 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
Geo
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nic
a co
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eles
en
roca
110 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
Geo
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nic
a co
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eles
en
roca
111 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
Geo
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nic
a co
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eles
en
roca
112 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
Geo
mec
nic
a co
mpu
taci
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: tn
eles
en
roca
113 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
Geo
mec
nic
a co
mpu
taci
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: tn
eles
en
roca
114 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
Geo
mec
nic
a co
mpu
taci
onal
: tn
eles
en
roca
115 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
Geo
mec
nic
a co
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taci
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eles
en
roca
116 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
Geo
mec
nic
a co
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taci
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: tn
eles
en
roca
117 (Hormazbal y Tapia 2012)
Secuencia constructiva en Chuqui subterrnea
Geo
mec
nic
a co
mpu
taci
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eles
en
roca
118 (Hormazbal y Tapia 2012)
Obras subterrneas en Pascua-Lama
Geo
mec
nic
a co
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taci
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eles
en
roca
119
Obras subterrneas en Pascua-Lama
Geo
mec
nic
a co
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eles
en
roca
120
Cajn de chancado G
eom
ecn
ica
com
puta
cion
al: t
nel
es e
n ro
ca
121
ModeradorNotas de la presentacinCRUSHER BOX: EDIFICIO ENTERRADO 22M EN ROCA. VOLUMEN TOTAL 4000 m3 Hormign. Mejora Diseo Ssmico mediante la vinculacin del edificio con el macizo rocoso.Optimizacin Espesores Muro y Refuerzo. Ahorro 15% Volumen Inicial.Rediseo de Fundaciones.
Geo
mec
nic
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eles
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roca
122
Cajn de chancado
ModeradorNotas de la presentacinCRUSHER BOX: EDIFICIO ENTERRADO 22M EN ROCA. VOLUMEN TOTAL 4000 m3 Hormign. Mejora Diseo Ssmico mediante la vinculacin del edificio con el macizo rocoso.Optimizacin Espesores Muro y Refuerzo. Ahorro 15% Volumen Inicial.Rediseo de Fundaciones.
Diseo convencional
Diseo optimizado
Pique de traspaso y plug G
eom
ecn
ica
com
puta
cion
al: t
nel
es e
n ro
ca
123
Funcionamiento del plug
Geo
mec
nic
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eles
en
roca
124
Funcionamiento del plug
Geo
mec
nic
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eles
en
roca
125
Geo
mec
nic
a co
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en
roca
126
Pique de traspaso y plug
ModeradorNotas de la presentacinPLUG EN INTERSECCION ENTRE SHAFT Y CAVERNA:
Carga de mineral de 7000ton 15 metros de luz (Planta de 13x15m)Altura minima 2m, maxima 5.3mVerificacion estructural: Modelo FEM 3D solido y apoyo friccionalVerificacion geotcnica: Modelo FEM 2D para estimar tensiones en la roca
Geo
mec
nic
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en
roca
127
Pique de traspaso y plug
ModeradorNotas de la presentacinPLUG EN INTERSECCION ENTRE SHAFT Y CAVERNA:
Carga de mineral de 7000ton 15 metros de luz (Planta de 13x15m)Altura minima 2m, maxima 5.3mVerificacion estructural: Modelo FEM 3D solido y apoyo friccionalVerificacion geotcnica: Modelo FEM 2D para estimar tensiones en la roca
Interaccin entre un rajo y una mina subterrnea
Comprensin del problema geomecnico Modelo constitutivo y calibracin de parmetros Etapas de la modelizacin Inspeccin numrica de resultados Interpretacin ingenieril de resultados Anlisis de sensibilidad
128
Geo
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en
roca
129
Geo
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en
roca
130
Geo
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en
roca
Explotacin subterrnea
131
Geo
mec
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en
roca
El modelo geolgico 4D
132
Geo
mec
nic
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eles
en
roca
Formacin Farellones
(Complejo Volcnico Teniente)
Paleosuperficie
Mioceno Tardo Intrusin de
Lacolito Mfico Alteracin actinolita-magnetita
Intrusin Tonalita Brechas
de Anh
Prfido A Brechas
Igneas
Intrusin Prfido Dacitico
Diatrema Freatomagmtica
Braden
Brecha Marginal
Procesos de erosin (aproximadamente 1000m por milln de aos)
Superficie actual
R. FLOODY, 2002
Parmetros materiales
133
Geo
mec
nic
a co
mpu
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eles
en
roca
134
Parmetros para la roca quebrada
El talud debe ser marginalmente estable, calculado con el mismo procedimiento que el
problema completo
Geo
mec
nic
a co
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eles
en
roca
135
Estimacin del estado tensional inicial
Geo
mec
nic
a co
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eles
en
roca
Etapas de modelizacin
Se analiza: slo rajo slo subterrneo ambas explotaciones simultneas
136
Geo
mec
nic
a co
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eles
en
roca
Primero: Inspeccin numrica!
Este resultado tiene dos problemas serios 137
Geo
mec
nic
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eles
en
roca
Estado tensional al fin del tectonismo y antes de la
explotacin minera
138
Tensiones en el cuerpo que separa rajo de subterrnea
Tensiones en Dacita primaria
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 1 2 3 4 5 6 7 8
3[MPa]
1[MPa]
1234567FallaSig1=c+2*Sig2
3 4 1 2
5 6 7
Geo
mec
nic
a co
mpu
taci
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: tn
eles
en
roca
Interpretacin de resultados
139
Geo
mec
nic
a co
mpu
taci
onal
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eles
en
roca
solo rajo
subterrnea y rajo
140
Impacto del rajo sobre la mina subterrnea
MINA SIN RAJO
1
2
3
4
5
6
2008 2013 2020 2025
1/3
A B E H I J
MINA CON RAJO
1
2
3
4
5
6
2008 2013 2020 2025
1/3
A B E H I J
Geo
mec
nic
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en
roca
Anlisis de sensibilidad: c y K0
141
Geo
mec
nic
a co
mpu
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: tn
eles
en
roca
Anlisis de sensibilidad a datos de entrada
0
5
10
15
20
25
0 1 2 3 4 5 6 7 8
3[MPa]
1[MPa]
c = 1.4 MPa, K0 = 0.8c = 0.7 MPa, K0 = 0.8c = 1.4 MPa, K0 = 1.5FallaFalla reducida
Modelo 3D
(Hormazbal 2010) 142
Geo
mec
nic
a co
mpu
taci
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eles
en
roca
Geomecnica computacional aplicada a obras subterrneas convencionalesndicePrincipio de funcionamientode un tnelPrincipio de funcionamientode un tnel (con mtodos computacionales)El efecto frenteEl efecto frente: modelos 3D del procedimiento constructivondiceMtodo alemnMtodo alemnMtodo belgaMtodo belgaMtodo belgaMtodo de frente completoMtodo de frente completoMtodo de frente completoNmero de diapositiva 16Nmero de diapositiva 17Nmero de diapositiva 18Nmero de diapositiva 19Nmero de diapositiva 20Nmero de diapositiva 21Nmero de diapositiva 22Nmero de diapositiva 23Nmero de diapositiva 24Nmero de diapositiva 25Nmero de diapositiva 26Nmero de diapositiva 27Nmero de diapositiva 28Nmero de diapositiva 29Nmero de diapositiva 30Nmero de diapositiva 31Nmero de diapositiva 32Nmero de diapositiva 33Nmero de diapositiva 34Nmero de diapositiva 35La Estacin CorrientesLa Estacin CorrientesLa Estacin CorrientesLa Estacin CorrientesLa Estacin CorrientesLa Estacin CorrientesLa Estacin CorrientesndiceD&B para macizos rocososD&B para macizos rocososD&B para macizos rocososSoporte de tneles D&B: pernos, shotcrete, marcosRozadoraRozadorandiceInfluencia del mtodo constructivo sobre el diseo Mtodo de convergencia confinamientoMtodo de convergencia confinamiento: PasosCurva de la excavacinCurva del revestimientoPosicin de equilibrioEscala de avanceMtodos numricos de diseoEstado inicialAbatimiento de napaExcavacin hastial izquierdoHormigonado hastial izquierdoExcavacin hastial derechoHormigonado hastial derechoExcavacin de calotaHormigonado calota 1era etapaExcavacin en bancoHormign de 2da etapa y soleraSegundo tnelRestitucin de napaAsentamientosVerificacin (numrica) de un procedimiento constructivoVerificacin (numrica) de la estabilidad de todas las etapasDiseo de tneles NATM en macizos rocososMtodo de BartonMtodo de BartonTabla de Barton (1993)Nmero de diapositiva 78Diferentes opciones de sostenimiento en funcin de QDiseo de sostenimientomediante teora de bloquesDiseo de sostenimientomediante teora de bloquesndiceAliviadero CaracolesAliviadero CaracolesTramo AAliviadero CaracolesTramo AAliviadero CaracolesTramo CAliviadero CaracolesTramo CCategoras de soporteTramo CNmero de diapositiva 90Nmero de diapositiva 91Nmero de diapositiva 92Nmero de diapositiva 93Nmero de diapositiva 94ndiceModelos de elementos de contornoModelos de hundimientoModelos de hundimientoChuquicamata subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaSecuencia constructivaen Chuqui subterrneaObras subterrneas en Pascua-LamaObras subterrneas en Pascua-LamaCajn de chancadoCajn de chancadoPique de traspaso y plugFuncionamiento del plugFuncionamiento del plugPique de traspaso y plugPique de traspaso y plugInteraccin entre un rajo y una mina subterrneaNmero de diapositiva 129Nmero de diapositiva 130Explotacin subterrneaEl modelo geolgico 4DParmetros materialesParmetros para la roca quebradaEstimacin del estado tensional inicialEtapas de modelizacinPrimero: Inspeccin numrica!Tensiones en el cuerpo que separa rajo de subterrneaInterpretacin de resultadosImpacto del rajo sobre la mina subterrneaAnlisis de sensibilidad: c y K0Modelo 3D