“9º Congreso Nacional de Minería” "Comprometidos con el crecimiento sostenible del país

CLASIFICACION GEOMECANICA Y SU APLICACIÓN

Por: ING. PEDRO SAMANE TUNI Trujillo - Octubre - 2012

INTRODUCCION CONSTRUCCIÓN DE OBRAS SUBTERRÁNEAS POR EL MÉTODO

CONVENCIONAL DE PERFORACIÓN Y VOLADURA

El personal de una mina debe estar familiarizado con las características y condiciones de la masa rocosa propias de su mina, los peligros potenciales que podrían causar accidentes.

Permitirá tomar decisiones correctas sobre diferentes aspectos relacionados

con las labores mineras, entre otras, se podrá establecer la dirección en la cual se deben avanzar las excavaciones, el tamaño de las mismas, el tiempo de exposición abierta de la excavación, el tipo de sostenimiento a utilizar y el momento en que éste debe ser instalado.

INTRODUCCION MÉTODO CONSTRUCTIVO DE TÚNELE EMPLEANDO TBMs

Las TBMs han aumentado en potencia, tamaño y modelos: Abiertas, escudadas y dobles-escudos,

extendiéndose su campo de aplicación; de tal forma que su uso condiciona fuertemente el proyecto del túnel.

La seguridad en el trabajo y excelentes rendimientos que se pueden conseguir; pero también es

fuente de profundas decepciones cuando las características de la tuneladora no están bien adaptadas a las condiciones del terreno y la tuneladora queda atrapada durante meses y, a veces, debe ser rescatada empleando métodos clásicos, como la simple excavación a mano o los explosivos.

METODOLOGIA DE DISEÑO Y PRINCIPIOS DE LA INGENIERIA DE ROCAS. Bieniawski 1992, Diseño Estructural Activo DEA (Celada 2001)

CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS EN EXCAVACIONES SUBTERRANEAS.

Parámetros de Clasificación RMR (Bieniawski, 1989)

Correlación de RMR y Q Fuente Comentarios RMR= 9 Ln e Q + 44 Origen diverso Túneles RMR= 13.5 log Q + 43 Nueva Zelandia Túneles RMR= 12.5 log Q + 55.2 España Túneles RMR= 5 Ln e Q + 60.8 África del sur Túneles RMR= 43.89 - 919 Ln e Q España Mina roca suave RMR= 10.5 Ln e Q + 41.8 España Mina roca suave RMR= 12.11 log Q + 50.81 Canadá Mina roca dura RMR= 8.7 Ln e Q + 38 Canadá Túneles, roca sedimentarias RMR= 10 ln e Q + 39 Canadá Mina roca dura

Fuente: Choquet y Hadjigeorgiou, 1993

Esta clasificación geomecánica se basa en el índice de calidad “Q” denominado también índice de calidad tunelera, que da una estimación de la calidad del macizo rocoso, teniendo en cuenta los siguientes factores: Dónde: RQD: Designación de calidad de roca. Jn: Número de familias de discontinuidad Jr : Rugosidad de las juntas Ja: Alteración de las juntas Jw: Factor de reducción por presencia de aguas SRF: Factor de reducción por esfuerzos (zonas de corte, fluencia, expansividad, tensiones (“in situ”).

CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA Q DE BARTON

RQD/Jn: Tamaño de bloques, representa la estructura global del macizo rocoso. Jr/Ja: Reúne términos de rugosidad, fricción y relleno de las juntas y representa la resistencia al corte entre bloques. Jw/SRF: Combina condiciones de agua, tensión y por tanto, puede representar una tensión activa o eficaz.

EL FACTOR DE TENSIONES (SRF) EN ROCAS DURAS

El rango de valores del factor SRF en rocas afectadas por tensiones elevadas es difícil de estimar mediante observaciones visuales. Siempre que sea posible, el factor SRF debe estimarse a partir de la relación entre la tensión tangencial y la resistencia a compresión simple, tal y como muestra la Tabla. Tensiones tangenciales máximas (бθ), la resistencia a compresión (бc), el nivel de tensiones principales máximas para el macizo virgen (б1), y el sostenimiento aplicado. Se encontró que la reducción de la relación бc/б1 corresponde de forma muy aproximada con aumentos en la relación бθ/бc.

NIVEL TENSIONAL бc/б 1 бθ/бc SRF(antiguo) SRF(actual) Tensiones pequeñas, cerca de la superficie, fracturas abiertas. > 200 < 0,01 2,5 2,5

Tensiones medias, condiciones tensiónales favorables. 200 - 10 0,01 - 0,3 1 1

Tensiones elevadas, estructura muy comprimida. Normalmente, favorable para la estabilidad, quizás desfavorable para la estabilidad de los hastiales.

10 - 5

0,3 - 0,4

0,5 - 2

0,5 - 2

Descostramiento moderado (Slabbing) después de 1 hora en rocas masivas.

5 - 3 0,5 - 0,65 5 - 9 5 - 50

Descostramiento y estallidos de la roca (Rock burst) después de algunos minutos en rocas masivas.

3 - 2

0,65 - 1,0

9 - 15

50 - 200

Estallidos violentos de roca (tensión-estallido) y deformaciones dinámicas inmediatas en rocas masivas.

< 2

> 1,0

15 - 20

200 -400

Relaciones entre RQD/Jn, el factor SRF y el sostenimiento empleado en rocas duras sometidas a tensiones elevadas

Diseño del sistema Q, para Túneles y cavernas de sostenimiento permanente del MNT (Grimstad y Barton 1,993)

Dimensión Equivalente (De ) = Ancho de la excavación, diámetro o altura (m)

Relación de soporte de la excavación ESR

Tipo de excavación ESR A Excavaciones mineras provisionales 2 - 5 B

Excavaciones mineras permanentes, túneles de conducción para obras hidroeléctricas (con la excepción de las cámaras de alta presión para compuertas), túneles pilotos (exploración), excavaciones parciales para cámara subterráneas grandes.

1.6 - 2

C

Cámaras de almacenamiento, plantas subterráneas para el tratamiento de aguas, túneles carreteros y ferrocarriles pequeños, cámara de alta presión, túneles auxiliares.

1.2 - 1.3

D Casa de máquinas, túneles carreteros y ferrocarriles mayores, refugios de defensa civil, portales y cruces de túneles.

0.9 - 1.1

E Estaciones nucleoeléctricas subterráneas, estaciones de ferrocarril, instalaciones para deporte y reuniones de fábricas.

0.5 - 0.8

Relación del índice Q, con tensión – resistencia de excavación subterránea y sostenimiento

En la ecuación q = 7 y Q 1/3, se ha supuesto una densidad Y = 2,6 g/cm3. CLASE

VALORACION H (m) q (MPa) FENÓMENO PROBABLE DE ROCA INDICE Q

A 40 - 1000 Extremad. buena 1196 - 3492 62 - 182 Deformación explosiva. B 10 - 40 Buena 754 - 1196 39 - 62 Descostramiento y lajado de la roca C 4 - 10 Regular 555 - 754 29 - 39 Fluencia de bloques. D 1 - 4 Mala 350 - 555 18 - 29 Fluencia de bloques. E 0,1 - 1 Muy mala 162 - 350 8,4 - 18 Rotura, trituración y fluencia. F 0,01 - 0,1 Extremad. mala 76 - 162 3,9 - 8,4 Fluencia, deformación plástica G 0,001 - 0.01 Excepc. mala 35 - 76 1,8 - 3,9 Fluencia, deformación plástica

EXCAVACIONES CON TBM

En nuestro país, se han efectuado los siguiente Proyectos: Primera aplicación en el proyecto Carhuaquero (Chiclayo) a inicios de la década de 1980. Pasaron casi 18 años para la siguiente aplicación en el Proyecto Chimay (1998-1999). Luego entre los años 2000-2004 en Proyecto hidroeléctrico de Yuncán, se aplicaron 2 TBM. Sólo un año después de la aplicación en Chimay, en el Proyecto Trasvase Olmos, que inició desde Febrero del 2007 y culminando las excavaciones en Diciembre del 2011, por una longitud de 13,871.47 m.

Para resumir los aspectos más importantes de esta revisión, se puede indicar que, en la literatura, existen seis índices relevantes:

RQDTBM (Deere), N (Kirsten), RMRTBM (Bieniawski), RMiTBM (Palmstrom), QTBM (Barton) y RME (Bieniawski).

Los más renombrados son el QTBM y RME, que se presenta como los más útiles de los seis índices examinados, que a continuación describiremos.

Q TBM (Barton 2000) Dónde: RQD: Designación de calidad de roca. 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 de reducción por presencia de aguas en las juntas SRF: Factor de reducción por esfuerzos (zonas de corte, fluencia, expansividad, tensiones “in situ”) SIGMA: Resistencia del macizo rocoso (MPa). F: Fuerza media aplicada por cortador CLI: Índice de duración de los cortadores, 4 para cuarzo y 90 para caliza. q: Contenido en cuarzo (%) del terreno. бθ: Índice biaxial del esfuerzo en el túnel a una profundidad de 100 m, aproximadamente (MPa).

Índice excavabilidad del macizo rocoso (RME) Bieniawski 2009

La selección de los cinco parámetros que integran el RME se ha basado en un proceso de Análisis Lineal Discriminante; que se ha llevado a cabo utilizando el programa denominado “R”, desarrollado por el Departamento de Estadística y Teoría de Probabilidad de la Universidad Tecnológica de Viena.

1. Resistencia a compresión uniaxial de la roca intacta (0 – 15 puntos) бci (MPa) <5 5 - 30 30 - 90 90 - 180 >180 Puntuación 0 (*1) 10 15 5 0 2.- Perforabilidad (0 – 15 puntos) DRI >80 80- 65 65 - 50 50 - 40 <40 Puntuación 15 10 7 3 0 3.- Discontinuidades en el frente de excavación ( 0 – 30 puntos)

Homogeneidad Nº de juntas por metro Orientación con respecto al eje del

túnel Homogenio Mixto 0 - 4 4 - 8 8 - 15 15 - 30 > 30 Perpendicular Oblicua Paralela

Puntuación 10 0 5 10 20 15 0 10 5 0 4. Tiempo de autoestabilidad (0 – 25 puntos) horas <5 5 - 24 24 - 96 96 - 192 >192 Puntuación 0 2 10 15 25 5. Afluencia de agua (0 – 5 puntos) Litros/seg. >100 70 - 100 30 - 70 Oct-30 <10 Puntuación 0 1 2 4 (**0) 5 *Para doble escudo y escudo simple. **para rocas arcillosas.

I. EXCELENTE 80 < RME < 100 II. BUENA 60 < RME < 79 III REGULAR 40 < RME < 59

IV. MALA RMR < 40

Factor del diámetro de excavación, está definido por la expresión:

• Siendo D el diámetro del túnel excavado. • Los criterios anteriores se han establecido con datos de túneles cuyo diámetro de excavación es del

orden de 10 m; por ello, para poder evaluar la velocidad de avance cuando se construyen túneles con otro diámetro se propone utilizar un coeficiente corrector, KD, definido por la expresión:

• Algunos valores característicos de KD son los siguientes:

KD = - 0.007D3 + 0.1637D2 – 1.259D + 4.5158

1.- RMR y Q son los sistemas incorporan parámetros “ingenieriles” geométricos, geológicos, y se obtiene un “VALOR” de la calidad del macizo rocoso más ampliamente usados.

CONCLUSIONES

2.- TBM ABIERTAS I.- Para terrenos con σci > 45 MPa Si σci > 45 MPa ARAT = 0,839 · RME – 40,8 II.- Para terrenos con σci < 45 MPa Si σci < 45 MPa ARA T = 0,324 · RME – 6,8 1. Para terrenos con σci > 45 MPa el avance medio máximo, es de unos 43 m/día., y en el caso de que σci < 45 MPa este valor desciende a unos 25 m/día. Esta diferencia es lógica, ya que en los terrenos poco resistentes es preciso colocar sostenimientos más robustos que en los terrenos de mayor resistencia; lo cual frena el avance de las TBM. 2. En el caso de terrenos con σci < 45 MPa, los avances medios estimados para RME <55 están por debajo de los 6 m/día. Situación que también es lógica; ya que el RME baja de 55 puntos para combinaciones de terrenos muy resistentes, σci > 150 MPa, y homogéneos, que son muy difíciles de excavar.

Túnel Trasvase Olmos (Perú)

3.- TBM ESCUDADAS

I.-Para terrenos con σci > 45 MPa Si σci > 45 MPa ARA T = 10 Ln (RME) – 13 II.- Para terrenos con σci < 45 MPa Si σci < 45 MPa ARA T = 23 [1 – 242 ]

1. Para terrenos con σci > 45 MPa, el avance medio máximo estimado es de unos 33 m/día y en el caso de terrenos con σci > 45 MPa este valor desciende a unos 23 m/día. 2. Para los terrenos con σci < 45 MPa, el avance medio previsto es prácticamente independiente del valor del RME; aunque a partir del RME = 50 puntos desciende bruscamente por la misma razón expuesta en el caso de las TBM Abierta.

Túnel Pinglin Project (Taiwán)

4.- TBM DOBLES-ESCUDOS I.- Para terrenos con σci > 45 Mpa Si σci > 45 Mpa ARAT = 0,422 • RME – 11,6 II.- Para terrenos con σci < 45 MPa Si σci < 45 Mpa ARAT = 0,661 • RME – 20,4

1.- Para terrenos con σci > 45 MPa, el avance medio máximo estimado es de unos 45 m/día y en el caso de terrenos con σci > 45 MPa este valor desciende a unos 30 m/día. 2.- Para terrenos con σci < 45 MPa y RME < 45, no hay datos de DOBLES-Escudos excavando apoyándose en los grippers; pues probablemente, para valores de RME < 45 los Dobles Escudos no podrán hacer el “regripping” y funcionarán como un escudo. Túnel de Guadarrama (España)

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riesgo, deben contar con un estudio previo de geomecánica y deben ser realizados por trabajador calificado, certificado y que cuente con Permiso Escrito para Trabajo de Alto Riesgo (PETAR), de acuerdo al ANEXO Nº 15. Dichos trabajadores deberán estar bajo la dirección permanente del supervisor responsable de la tarea en mención.