Apuntes de Clase 1
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Curso: Túneles y movimiento de materiales
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Curso: Túneles y movimiento de
materiales
Curso: Túneles y movimiento de materiales
Horario:
Teoría: Sábados de 8 a 10:00 hrs.
Práctica: Sábados de 10:00 a 13:00 hrs.
Examen parcial: 16 de mayo
Examen final: 11 de julio
Examen sustitutorio: 18 de julio
Sistema de evaluación: G
NF = (P + F +PP)/3
Promedio de prácticas:
3 prácticas y un trabajo de investigación (se elimina 1)
Profesor: Herman Flores Arévalo
Programa propuesto
SEMANA FECHA TEORIA
1 28/03/2015 Introducción
2 04/04/2015 La dinámica del avance de los túneles
3 11/04/2015 La influencia del macizo rocoso
4 18/04/2015 La influencia del macizo rocoso
5 25/04/2015 La etapa de diseño de tuneles - métodos de construcción
6 02/05/2015 La construcción de túneles - La fase operacional - perforación
7 09/05/2015 La construcción de túneles - Perforación
8 16/05/2015 EXAMEN PARCIAL
9 23/05/2015 La construcción de túneles - Voladura
10 30/05/2015 La construcción de túneles - Movimiento de materiales -Limpieza
11 06/06/2015 La construcción de túneles - Acarreo
12 13/06/2015 La construcción de túneles - Sostenimiento con arcos de acero
13 20/06/2015 La construcción de túneles - Sostenimiento con pernos
14 27/06/2015 La construcción de túneles - Sostenimiento con shotcrete
15 04/07/2015 La construcción de túneles - Sostenimiento con madera
16 11/07/2015 EXAMEN FINAL
17 18/07/2015 EXAMEN SUSTITUTORIO
Objetivo del curso
El curso está diseñado para familiarizar al estudiante con los
conceptos, técnicas y actividades empleadas en la construcción
de los túneles. Provee una perspectiva integrativa de los
procesos desde la determinación del medio, del diseño y de la
construcción. Al completar el curso el estudiante comprenderá
como aplicar los principios de la construcción de aberturas y
obras subterráneas para obras civiles y en el proceso productivo
de la industria minera.
Metodología
Clases teóricas
Controles de conocimientos
Visita
Monografías y/o trabajo de investigación
Asistencia a clase
Participación en clase
Examen parcial
Examen Final
Examen sustitutorio
Programa
1.- Influencia del macizo rocoso
– La dinámica en el avance de túneles
– La deformación del medio rocoso
– Análisis de la deformación
– Control de la deformación
2.- La Etapa de diseño
– La fase de reconocimiento
– La fase de diagnóstico
3.- La etapa de construcción
– La fase operacional
Bibliografía
• Design and construction of tunnels: By Pietro Lunardi
• Manual de túneles y obras subterráneas: Por Carlos López Jimeno
• Rock Mechanics design in mining and tunneling: By Bieniawski Z.T
• Manual de Atlas Copco
La dinámica en el avance de túneles
Conceptos Básicos
• Los túneles se pueden construir en superficie y en el
subsuelo
• Es mas difícil determinar las especificaciones de diseño de
aberturas subterráneas que aquellas hechas en superficie
• En trabajos de superficie generalmente se ensamblan
materiales (acero, concreto reforzado, etc) con propiedades
bien conocidas debido a que se conocen las cargas que van a
soportar.
• En cambio en las aberturas subterráneas las especificaciones
se determinan con diferentes factores de seguridad por que
los efectos causados por la excavación no son
completamente confinados
• Cuando se hace una abertura en el macizo rocoso los esfuerzos
iniciales son desviados y conducidos alrededor de la abertura
(efecto arco) creando zonas de concentración de los esfuerzos en
las paredes de la excavación
• Dependiendo de los esfuerzos y de la resistencia y propiedades de la roca el efecto arco se puede producir:
a).- Cerca al perfil de la abertura, cuando la roca se comporta elásticamente en términos de esfuerzo y deformación
b).- Mas allá del perfil de la excavación, cuando la roca no es muy capaz de resistir la desviación del flujo de los esfuerzos y responde inelásticamente.
c).- No ocurre; cuando la roca es incapaz de resistir los esfuerzos y produce el colapso de la abertura.
En resumen tenemos que:
• En el primer caso el efecto arco se produce naturalmente
• En el segundo caso solo se produce si la roca es ayudada con algún sistema de sostenimiento
• En el tercer caso el efecto arco debe ser producido artificialmente
Entonces, en el diseño de una abertura subterránea lo mas importante es determinar como se va a crear el efecto arco cuando sea excavada . Para lograr esto se debe conocer lo siguiente:
• El lugar donde la operación tendrá lugar (medio)
• El efecto que genera la excavación (acción)
• La reacción esperada por la excavación (reacción)
El medio: Roca o suelo
• Es extremadamente anómalo (comparado con los materiales usados en ingeniería civil)
• Es discontinuo
• Es no homogéneo y anisotrópico
• En la parte superficial sus características varían y depende de su consistencia natural
• A medida que profundiza las características cambian como una función de la presión y esto genera la respuesta a la excavación (fig 1.4)
Comportamiento del medio a los esfuerzos
Tiempo de estabilidad
Clasificación geomecánica de Bieniawski
Clase I II III IV V
Calidad Muy buena Buena Mediana Mala Muy mala
RMR 81 a 100 61 a 80 41 a 60 21 a 40 0 a 20
Tiempo de estabilidad 20 años 1 año 1 semana 10 horas 30 minutos
Avance 15 metros 10 metros 5 metros 2.5 metros 1 metro
La acción
Es todo lo que se realiza para excavar la roca es decir el avance
del frente a través del medio
• Es un fenómeno claramente dinámico
• Puede ser imaginado como un disco (frente) que avanza a través
del macizo rocoso con una velocidad V, dejando un espacio
vacío detrás de él y que produce una alteración en el medio
(longitudinal y transversal)
• El avance altera el estado de esfuerzos que inicialmente estaba
en equilibrio.
• Dentro de la zona disturbada el campo original de presiones es
desviado por la presencia de la excavación y se concentran en
las proximidades produciendo incremento de los esfuerzos.
• La magnitud de este incremento determina la amplitud de la zona disturbada (dentro de la cual la roca sufre una pérdida de sus propiedades geomecánicas) y como resultado el comportamiento de la cavidad en relación de la
resistencia de la roca (σgd).
• El tamaño de la zona disturbada próximo al frente se define como “Radio de Influencia” (Rf)
• En esta zona se pasa de un estado de esfuerzos tridimensionales a un estado de esfuerzos bidimensionales
La reacción (Fig. 1.6)
• Es la deformación como respuesta del medio a la acción de la excavación
• Se produce dentro del área disturbada por la generación de grandes esfuerzos alrededor de la cavidad generando inestabilidad.(depende del medio y la acción)
Tres situaciones básicas pueden presentarse:
• Si pasamos de un estado de esfuerzos triaxial a uno plano durante el avance del túnel y la disminución progresiva de la
presión de confinamiento en el frente (σ3=0) produce esfuerzos
en el rango elástico delante del frente, entonces permanece estable con una deformación mínima. En este caso el efecto arco se produce en forma natural.
• En otra forma si la disminución progresiva del
confinamiento en el frente (σ3=0) produce esfuerzos en el
rango elasto-plástico delante del frente, este se deformará a través del interior de la cavidad generando un estado estabilidad de periodo corto. El efecto arco se produce lejos de la abertura en la roca. Este efecto solo puede ser controlado con sostenimiento para estabilizar la cavidad.
• Finalmente, si se producen esfuerzos en el rango de falla, entonces la respuesta a la deformación es inaceptable y se genera una condición de inestabilidad. Es imposible la formación del efecto arco, tiene que generarse en forma artificial
Consideraciones
• Es importante evitar la sobre-rotura (over break) y
mantener el perfil teórico del túnel, especialmente en rocas
fracturadas y estratificadas, Over break accidentales hace
que el efecto arco se vaya mas allá de las paredes de la
excavación y disminuye la estabilidad.
• La formación del efecto arco esta condicionada a la calidad
y al tamaño de la respuesta a la deformación del medio por
la acción de la excavación. De esto depende la estabilidad
en el corto y/o largo plazo.
Métodos de construcción de túneles
Se clasifican principalmente por las diferentes secuencias de excavación
El método Inglés
– Para medios como arcilla y areniscas
El método Belga
El método Alemán
El método Austriaco
– Basado en el uso de puntales de madera
El método Italiano
Nuevo método Austriaco (NATM)
• Se encuadra dentro de los sistemas de sostenimiento
• Es un sistema que abarca todos aquellos elementos relevantes, incluyendo la ejecución o apertura, la limpieza, el sostenimiento, etc.
• El principal objetivo es lograr un sistema de soporte de la estructura lo mas estable y económico posible.
• El sistema consiste en primero clasificar el macizo rocoso basado en una descripción cualitativa de las condiciones presentes cuando de hace una abertura.
• Los parámetros geomecánicos de diseño, el sistema de excavación (total o parcial) y la sección tipo del túnel son asociados con cada tipo de roca en una base empírica y las dimensiones finales son en cualquier caso decididas durante la construcción a base de medidas de convergencia de la cavidad.
• El principal aporte es el uso del sostenimiento e instrumentos de estabilización para hacer que el macizo rocoso se vuelva estable
• Puede ser usado en condiciones de suelo relativamente bueno
El método ADECO-rs (análisis de las deformaciones
controladas en rocas y suelos)
• Usa el principio de estabilizar el “núcleo de avance”,
aplicado desde los inicios de 1990
• El núcleo de avance es el volumen de terreno que se
encuentra en el frente dentro del radio de influencia.
• Los tuneles se excavan a sección completa en todo tipo de
terreno
• Divide al comportamiento deformacional como
convergencia, extrusión y preconvergencia
• Se controlan las deformaciones del terreno confinando y
preconfinando el mismo.
• La instalación del sostenimiento permanente debe ser muy
pronto después de la excavación
Método de excavación de aberturas
• Dependen fundamentalmente del tipo de terreno; entonces podemos hablar de la excavación de túneles en suelos o terrenos blandos y de la excavación de túneles en roca.
• En suelos se usan escudos, precorte mecánico, prebóveda de jet grouting, congelación, sostenimiento con shotcrete, etc.
• En roca se utiliza la excavación convencional de perforación y voladura usando explosivos y la excavación mecanizada mediante tuneladoras o topos (TBM) especialmente diseñadas para tal fin y las máquinas de ataque puntual como las rozadoras y martillos de impacto
• Los sistemas de excavación mecánica son fundamentalmente tres:
El diseño de túneles
“La primera y mas importante tarea para un diseñador de
un túnel es el estudio de como se generará el efecto arco
cuando se realiza la excavación y entonces asegurarse de
que se forme apropiadamente como una función de los
esfuerzos, los métodos de excavación y los trabajos de
sostenimiento”
Posibles
eventos en
el macizo
rocoso
La fase de reconocimiento
• Se analiza información acerca de la morfología, estructura, tectónica, estratigrafía, hidrogeología, geotecnia, geomecánica y estados de esfuerzos, los cual caracteriza la masa rocosa donde ocurrirá la excavación.
• Se entiende entonces que en esta fase se adquiere, se analiza e interpreta todos los resultados de las investigaciones de campo en la zona donde tendrá lugar la construcción del túnel.
• Con esta información se establece un modelo geológico del macizo para tener un apropiado entendimiento de la génesis e historia de la estratigrafía y estructura y también los estados de esfuerzos del macizo
• El objetivo es identificar la morfología local y regional, los equilibrios hidrogeológicos y tectónicos y finalmente llegar a establecer la caracterización geomecánica y geotécnica del terreno a ser excavado.
• El nivel de detalle depende del problema que tiene que ser resuelto y estará en proporción a la complejidad y dimensión del mismo.
Debe proporcionar los siguientes resultados:
• Una clara medida de los principales problemas geológicos,
geomorfológicos e hidrológicos y las limitaciones del estudio
• Identificación y clasificación precisa de la unidades geológicas
• Adecuada caracterización geotécnica y geomecánica del terreno
• Identificación cuidadosa de los puntos críticos en el eje.
La fase de reconocimiento para excavación convencional
• Involucra técnicas y métodos y también análisis e interpretación de acuerdo a las características topográficas y geológicas a lo largo del eje del túnel
Se debe tener en consideración:
• La complejidad Geológica-Tectónica del área
• La longitud del eje del túnel
• La longitud de la carga sobre el túnel
Es importante en este proceso seguir un método sistemático para descubrir:
• Que elementos serán identificados y que características se buscan
• Que métodos de investigación se emplearán y que instrumentos de disponen
• Cuando se determinarán esas características y en que etapa del diseño será adecuado obtenerlos
• Cuales son las razones para obtener esas características
Las características Hidrogeológicas y geomorfológicas del área
• Energía potencial del macizo; Indica el estado de la evolución del área y la
naturaleza de los afloramientos (levantamiento rápido del macizo, áreas
antiguas, etc.)
• Formas activas y procesos; Indica sectores que pueden resultar peligrosos
(deslizamientos, terrazas, comos, fallas, etc)
• Formas inactivas; Fallas de taludes, deslizamientos de larga vida de actividad
lo cual indica la necesidad de mayor investigación
• Estructuras morfológicas, Indican evidencias de procesos condicionadas por
estructuras que permiten identificarlas a gran escala ( Falla de laderas,
asimetrías, etc.)
• Comportamiento hidrológico, La observación del drenaje superficial
proporciona información importante de la naturaleza del control litológico-
estructural del terreno
Para esto se utilizan las siguientes herramientas:
• Análisis de cartografía y topografía básica(escalas 1:25,000; 1:5,000; 1:10,000)
• Análisis estereoscópico de fotografías aéreas (escalas 1:13.000; 1:8,000)
• Análisis simple de fotografías que incluya todo el área donde se va a ejecutar el túnel
• Análisis de información existente (universidades, institutos de investigación, agencias gubernamentales, etc.)
• Levantamientos geológicos superficiales
Ubicación y definición del terreno por donde pasará el túnel
• Se identifican las características petrográficas y geológicas del túnel así como las relaciones entre las diferentes litologías y condiciones estratigráficas y tectónicas.
Estos elementos consisten básicamente de:
• La naturaleza geológica de la formación (sedimentaria, metamórfica o ignea)
• Las características petrográficas-litológicas del terreno (calizas, areniscas, gneiss, esquistos, granitos, basaltos, etc.)
• La posición espacial y los contactos entre las diferentes unidades litológicas
Para esto se utilizan las siguientes herramientas:
• Análisis de mapas geológicos reconocidos que estén disponibles (de fuentes confiables 1:100,000)
• Análisis de literatura disponible de varias fuentes( Universidades, institutos, agencias privadas, etc) (1:10,000, 1:5,000)
• Análisis estereoscópico de fotografías aéreas
• Elaboración de una base de datos usando mapas digitales disponibles para crear un modelo 3D
• Programa de un reconocimiento directo (DDH, Piques, etc) e indirecto (Geofísica, sísmica, geoléctrica, magnetometría, gravimetría, etc.)
Esta información es clave y la parte mas importante para el diseño preliminar.
Estructuras geológicas y tectónicas y estado de esfuerzos de la masa rocosa
Entender la consecuencia de los procesos que han afectado al terreno durante la historia y su transformación durante diferentes periodos geológicos e fundamental. La principales características que se observan son:
• Estructuras originadas en regímenes tectónicos del pasado y presente (compresivos, transformación, etc).
• Ubicación y naturaleza de las principales características tectónicas en una escala macro estructural (fallas, pliegues, etc)
• Naturaleza de la distribución y organización de las discontinuidades estructurales (diaclasas, juntas, estratos, fallas, etc).
Para esto se utilizan las siguientes herramientas:
• Análisis estereoscópico de fotografías aéreas
• Análisis detallado de imágenes satelitales
• Reconocimiento macro estructural
• Reconocimiento geoestructural
• Reconocimiento directo (DDH)
• Mediciones en los taladros (TV, Sonometro, logged, secciones, etc)
• Reconocimiento geofísico (refracción sísmica, reflexión sísmica, tomografía, etc.)
Régimen Hidrogeológico del macizo rocoso
Es fundamental conocer el tipo (libre, confinado,etc.) y niveles de agua presente así como el sistema hidrogeológico dentro de la masa rocosa, esto será dada por la habilidad de predecir lo siguiente:
• Agua que ingresa al túnel
• Sistemas hidrostático e hidrodinámico y la consecuente contribución a las
cargas sobre el sostenimiento final
• Riesgos hidrogeológicos asociados a los posibles cambios en el sistema de
agua (napa) y en los flujos de superficie.
• Grandes flujos captados durante la excavación del túnel que pueden causar
subsidencia en superficie.
Las características esenciales en la definición del régimen consiste en:
• Identificar y describir la naturaleza de los acuíferos en la masa geológica
• Identificar y describir la niveles de agua, atribuyéndoles valores a sus
parámetros geométricos por la medida de parámetros hidrodinámicos
• Identificar los tipos y cantidad de los flujos subterráneos durante y después de
la construcción y cuando se concluya con el sostenimiento final
• La naturaleza y la calidad del agua
Para esto se utilizan las siguientes herramientas:
• Análisis de aspectos hidrogeológicos, climáticos y morfológicos
• Identificación y medida de los flujos de pozos y manantiales presentes en el terreno
• Medida del nivel de agua en los taladros usando piezómetros
• Medida indirecta usando métodos geoeléctricos-geofísicos
• Otros métodos de medidas de flujos de agua subterránea (métodos trazadores)
Características geomecánicas de los materiales
Principalmente se consideran los siguientes aspectos:
• La litología, y las discontinuidades a nivel micro y macro estructural
• Densidad de cada litotipo
• Resistencia, monoaxial, triaxial y al corte(σc, C´, 0/´)
• Deformabilidad
• Permeabilidad primaria (k) por el sistema de poros y la secundaria (K) en relación al estado de fracturamiento.
Para esto se utilizan las siguientes herramientas:
• Pruebas de laboratorio para identificar parámetros físicos y químicos y parámetros geomecánicos a una escala de muestra
• Pruebas dentro de taladros para identificar parámetros de
esfuerzos y deformabilidad, parámetros de permeabilidad
y estados de esfuerzo natural in situ a una escala
intermedia
• Pruebas in situ para identificar parámetros de esfuerzos y
deformabilidad a una escala total en la roca, parámetros
hidrodinámicos (permeabilidad, transmisividad)
La fase de reconocimiento para excavaciones con TBM
• Si el estudio de factibilidad técnico-económico determina que se empleará un cortador a frente completo, entonces el reconocimiento debe ser muy cuidadoso por que es menos flexible compara con métodos convencionales. Pruebas mas específicas deben ser realizadas para determinar las características de corte de la roca
• Se debe poner mucha atención a los fenómenos tectónicos como fallas por que generan demoras en la operación
• Para el uso de TBM es necesario tener data como: Consumo de energía, ratio de avance, uso de herramientas, fuerza de empuje, etc.
Reconocimiento geológico con túnel piloto
Se realiza esto por 2 razones fundamentales:
• Para facilitar la construcción
• Como reconocimiento
Un factor que determina esta decisión puede ser la necesidad de elaborar un cuidadoso análisis de costo beneficio, si los estudios han determinado que se tienen condiciones difíciles de roca puede ser usado un túnel piloto; cuando los estudios significan altos costos entonces se escoge un túnel piloto.
• Generalmente la sección de un túnel piloto es de 3.5 a 4.2 m
Ventajas
• La posibilidad de obtener información perfecta de una forma simple y directa
• La posibilidad de conocer de conocer los valores de la distribución de los esfuerzos que permiten fijar los parámetros de operación del TBM
• La posibilidad de realizar directamente numerosas pruebas con resultados confiables
• La posibilidad de determinar el comportamiento de la roca cuando se lleve la abertura a sección total
• La posibilidad si fuera necesario de implementar reforzamiento radial antes de llegar a sección completa.
Métodos geofísicos - Tomografía geoléctrica
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![apuntes de clase[1] (5)](https://static.fdocuments.net/doc/165x107/5571fa924979599169928a03/apuntes-de-clase1-5.jpg)
