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Excavacin Mecanica

Chapter 6

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Para este tercer milenio el ingeniero de minas debe estarpreparado para planificar, disear y ejecutar cualquier

excavacin subterrnea, ya sea utilizando MEC o las TBM,

teniendo en cuenta el costo-beneficio.

Para el diseo de excavaciones subterrneas, como por

ejemplo un Tnel primero se debe realizar un estudio

Geolgico Geotcnico del sector donde se proyecta

construirlo, en esto la mecnica de rocas juega un papel

fundamental en la clasificacin del macizo rocoso e inclusoestableciendo un pre-diseo con los elementos necesarios

para el sostenimiento del tnel en funcin al uso y las

dimensiones, tipo de roca, etc.

Generalidades

Excavacin Mecnica

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Con estos datos ya se podra estimar el costo de la

excavacin subterrnea, lo cual resulta muy til para poderver su viabilidad de esta alternativa.

En los Tneles y Taludes rocosos, los mecanismos de

inestabilidad son controlados por el grado de alteracin y

por las anisotropas existentes en el macizo, tales como la

estratificacin, contactos, fallas, cuya relacin con losmecanismos de inestabilizacin se rege por los siguientes

factores:

Distribucin espacial de las discontinuidades, relacinentre su posicin (rumbo y buzamiento) con la direccin

del tnel. Siendo este l ms importante a considerarse en

el diseo de entrada y salida del tnel

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Presencia y naturaleza de los materiales de relleno de las

discontinuidades.

Irregularidades en las superficies de las discontinuidades.Fallamiento y movimientos anteriores, etc.

Existen muchos mtodos tiles para poder clasificar un

macizo rocoso, entre ellos se puede escoger algunos

mtodos elaborados por autores conocidos mundialmenteen el campo de la mecnica de rocas que realiza anlisis

especficos para el diseo de tneles entre los cuales se

puede mencionar: Deere, Bieniawski, Barton y otros.

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Por otro lado, como se mostr en el diagrama conceptual al

iniciar el curso, que para obtener buenos resultados en el

diseo y construccin de obras subterrneas, uno de los

componentes de dicho diagrama era ingeniera de diseo.

La ingeniera de diseo trata de los diversos modelos

matemticos postulados por varios investigadores a nivel

mundial para el diseo de las diversas excavaciones

subterrneas que deben planificarse, disearse, construirse ysostenerse tanto en rocas como en suelos.

Para este capitulo se enfatizaran los modelos matemticos de

Langerfors y Holmberg para llevar a cabo el diseo de las

diversas excavaciones subterrneas que se estudiara masadelante; as como tambin para llevar a cabo el diseo de las

mallas de perforacin y voladura para construir las

excavaciones subterrneas.

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Tambin se enfatizo al iniciar este curso que para ejecutar

las excavaciones subterrneas, existen varias maneras de

atacar a la roca, teniendo en cuenta la caracterizacin del

macizo rocoso, entre las mas usadas a nivel mundial, son:

1. Perforacin y voladura: Ingeniera de explosivos (MEC)2. Excavacin mecnica: TBM

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Historia de la excavacin mecnica

1847-1851: primer prueba de excavacin mecanizada

en Sardea (0,25m/da)1870: primera mquina excavadora (frente completo),

en Inglaterra (1.25m/da).

1881: Cruce del canal de la mancha con maquina

tuneladora de Beamount (25m/da)

Gran desarrollo despus de la primera guerra mundial

con aumento de dimetros de excavacin y consumo de

energa (motores elctricos)

1906: TBM de Price con cabezal Cortante.1958: TBM de Wohlmeyer con 5 fresadoras.

1970: mquinas de excavacin puntual (rozadoras).

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Primera mquina de excavacin mecanizada.

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Este mtodo se da a travs de maquinas tuneladoras o

topos (TBM) y las maquinas de ataque puntual, rozadoraso martillos de impacto.

En la excavacin mecnica la energa utilizada se

concentra en los accesorios y/o dispositivos denominados:

Picas, cortadores de disco, cortadores de botones, etc.;

los cuales impactan directamente con el macizo rocoso o

suelos, de modo que esta resistencia que ofrecen las

maquinas tuneladoras debe ser mayor que la resistencia

de la roca para lograr fracturarla en forma de lajas.

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Rozadoras

Tuneladoras (en rocas blandas)

Rocas con resistencia a compresin menor a 800 Kp/cm2

Menor dimetro se usan en rocas blandas

De mayor dimetro en rocas duras

Picas

Cortadora de

botones

Tuneladoras o topos

Rocas con resistencia a compresin mayor a 800 a 2200

Kp/cm2

Rocas con resistencia a compresin mayor a 2200 Kp/cm2

Nota: Cuando la resistencia es mayor a la que se indica es

mejor usar MEC.

Dispositivos que usan las maquinas tuneladoras

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1. Tuneladoras o topos (TBM)

Los sistemas de excavacin mecnica, son los siguientes:

Generalmente perfora tneles circulares, actualmente se

fabrican topos con varias cabezas para excavar secciones

ovalados (uso vial) en rocas blandas, pero su costo es muy

elevado.

Las TBM excavan la roca en fragmentos de forma de laja, los

cuales son evacuados a travs de la laja transportadora.

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Grippers

Gatos de empuje

Cortadores

GuiadoManual

Automtico

Arranque

Rock drilling

tools

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Escudo excavador

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2. Rozadora

Es una maquina excavadora que mediante una cabeza

rotatoria provistas de picas de friccin que incide sobre la

roca, extrae pequeos fragmentos de esta en forma de laja.Esta maquina de ataque puntual; consta de un brazo

desplazable y lleva en su extremo un cabezal provisto de las

herramientas de corte picas, solo se usa en rocas blandas o

en roca de mala calidad (20 < RMR < 30) aunque puederesultar ms econmico el uso de mtodos ms simples.

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Existen dos sistemas distintos de corte en las rozadoras

actuales:

Ripping de cabezal frontal: Gira en torno al un eje que esperpendicular al eje del tnel, tratndose en realidad de dos

cabezas simtricas, las picas golpean frontalmente a la

roca, es mas eficiente en rendimiento con un 30% mas que

el sistema de cabeza radial.

Milling de cabeza radial: Gira en torno a un eje longitudinal

paralelo al eje del tnel, las picas van dispuestas en forma

helicoidal y golpean a la roca en forma lateral.

En general las rozadoras de clasifican por su peso, a mayorpeso mayor ser la capacidad de la rozadora para excavar

rocas mas resistentes.

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Cabeza frontal

Cabeza radial

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Excavacin con rozadora

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3. Martillo hidrulico

Es una maquina de ataque puntual, se usa mayormente en

rocas blandas o figuradas, tiene ventajas como mayor

produccin, movilidad y flexibilidad, emplea pocos operarios,bajo costo del equipo

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Los pequeos detalles establecen una gran

diferencia en los resultados

Dr. Carlos Agreda TProfesor.

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