Clasificaciones geotécnicas

Zona 1.-

Roca formada por el intemperismo, contenida de arenisca, grava y granito altamente alterado. A esta zona se le hizo un estudio usando la clasificación de Terzaghi para estimar las cargas que podían soportar los arcos metálicos colocados en los portales del túnel. A partir de la anchura y la altura del túnel, clasificar los terrenos en nueve tipos atendiendo esencialmente a las condiciones de fracturación en las rocas y a la cohesión o expansibilidad en los suelos.

Tenemos un túnel con las siguientes dimensiones.-

Tabla 1.-Clasificación de Terzaghi.

De acuerdo a la roca y sus características se clasifico como suelo denso tomando en cuenta que es un terreno compacto, seleccionando el parámetro de carga de roca (hp) calculamos lo siguiente, Carga de roca (hp)

Ancho del túnel= 15m

H inicial=5m

Hpi=0.54(B+H )Hpi=0.54 (15m+5m)Hpi=10.8m

Hpi=1.2(B+H)Hpi=1.2(15m+5m)Hpi=24m

H final=10m

Hpf=0.62 (B+H )Hpf=0.62(15m+10m)Hpf=15.5m

Hpf=1.38 (B+H )Hpf=1.38(15m+10m)Hpf=34.5m

En base a los resultados concluimos que las estructuras de acero de los portales va a soportar un peso de 34.5 metros lineales de columna de roca y como mínimo 10.8 m en la parte más cercana a la superficie del portal.

Zona 2.-

Roca compuesta de granitoide terciario laramídico (granitos y granodioritas) aflora

en toda la parte central y oeste del área donde se puede apreciar que corta a los mármoles

del Paleozoico, la granodiorita muestra una foliación ígnea y enclaves máficos alongados

que puede apreciarse en algunos afloramientos en el área, se encuentran intrusionados por

diques pegmatíticos y aplíticos, en adición a los diques de lamprófido.

Los diques lamprófidos varían de 0.12 a >3.0 m. y se ocurren en segmentos en el

orden de algunos cientos de metros de longitud. Los diques ocurren en un enjambre que se

encuentra cortado por una falla de rumbo aproximado E-W, que está delineada por la traza

del Río Sonora. Esta falla causó una diferencia angular de = 30º entre los rumbos promedio

de los bloques norte y sur. En la porción sur del enjambre, éste tiene dimensiones de

aproximadamente 2.3 Km, de ancho por 4.0 km de largo. En el área se distinguen dos

grupos petrográficos generales: lamprófidos de espesartita y lamprófidos kersantita (biotita-

flogopita). Estos dos tipos se distinguen en el campo fácilmente, ya que los diques de

espesartita tienen una coloración verde a gris verdoso, mientras que los diques kersantita

tienen coloraciones café-pardas. Los lamprófidos de espesartita pueden subdividirse en el

campo en tres tipos: de grano fino, de grano medio-grueso, y porfídico. No se distinguen

variedades en el campo para los lamprófidos kersantita.

A esta zona se le hizo un estudio usando La clasificación geomecánica RMR,

también conocida como clasificación geomecánica de Bieniawski, fue presentada por

Bieniawski en 1973 y modificada sucesivamente en 1976, 1979, 1984 y 1989. Permite

hacer una clasificación de las rocas 'in situ' y estimar el tiempo de mantenimiento y

longitud de un vano. Se utiliza usualmente en la construcción de túneles, de taludes y de

cimentaciones. Consta de un índice de calidad RMR (Rock Mass Ratting), independiente de

la estructura, y de un factor de corrección.

Clasificación geotécnica RMR.

De acuerdo a la siguiente tabla seleccionamos el valor del estudio de resistencia a la compresión simple, tomando una roca mediamente resistente que no puede ser rayada por una navaja y muestra fractura con el golpe de un pica, dándome un valor de 25-50 megapascales de presión.

Determinación del RMR (Bieniawski 1989)

Puntuación por compresión simple y puntual de la roca=4

RQD índice de calidad (Deere 1967)

Ejemplo Clasificación de roca según RQD

Fórmula Alternativa (Cuando no hay sondeos):

Palmstrom (1982) sugirió que, el RQD puede ser estimado a partir del número de discontinuidades por unidad de volumen, visibles en afloramientos rocosos o socavones. La relación sugerida para masas rocosas libres de arcillas es:

Jv :Númerode juntas identificadasenelmacizo rocoso por m ³

Tomando en cuantas 10 juntas por m ³ tenemos que:

Jv=10

RQD=115−3.3(10)

RQD=81 %

Tenemos una puntuación de 17 por el rango de índice de RQD de 75-90.

La separacion entre diaclasas o espaciamiento varia de 1 a 2 metros, con este dato tomamos un puntaje en la tabla de 15 por el rango de espaciamiento 0.2 a 2 metros.

Estado de las discontinuidades

Tomando en cuenta discontinuidades abiertas, con relleno de falla de más de 5 mm de espesor o apertura de más de 5 mm, y que las discontinuidades se extienden por varios metros, tomamos valores de 0 en la longitud y abertura de las discontinuidades, 6

tomando en cuenta que son muy rugosas, 4 considerando que el relleno es de roca no blanda y 5 por el grado de alteración a las que está sometida.

Agua freática

En base a las investigaciones hidrológicos y que nuestro estando está situado en una región desértica con escases de lluvias y por consiguiente de agua podemos describir las condiciones generales como compreramente secas, obteniendo un puntaje de 15.

Corrección por la orientación de las discontinuidades

La orientación de las discontinuidades va con una dirección perpendicular al túnel, a favor de la excavación con un buzamiento de 30º el cual cae en un rango de 20-45 con una evaluación favorable de la obra, nos da una corrección de -2 puntos al valor final del RMR.

Tabla de resultados

Evaluaciones PuntuaciónResistencia a la compresión 4Índice de RQD 17Separación entre diaclasas 15Longitud de las discontinuidades 0Abertura 0Rugosidad 6Relleno 4Alteración 5Condiciones de agua 15Corrección por orientación de discontinuidades -2total 64

La descripción del macizo rocoso según la clasificación de Bieniawski es buena, cayendo en un rango de 61 a 80 de la clase II.

Tipo de sostenimiento

Se sugiere que las excavación sea de frente completo, con un avance de 1 a 1.5 m y con una longitud sin sostenimiento menor a 20 m del frente de trabajo. Colocar pernos de 3 metros de longitud, instalados en el techo del túnel con un espaciamiento de 2.5 m ocasionalmente con malla metálica, con 50 mm de concreto lanzado y sin cerchas de acero.

Corrección con RMR exacto

El puntaje exacto de nuestros resultados anteriores me ayudó a localizar en la grafica el rango de tiempo y longitud de pase de nuestro caso.

Tenemos una longitud de pase de 2 a 15m con un tiempo sin sostenimiento de 1 a 2 meses. Tomando en cuenta los resultados decidí hacer 3 disparadas con avance de 3.6m después de colocar el sostenimiento, teniendo una longitud de 10.8m de spam con 3 días como máximo, colocando pernos de 3 metros de longitud, instalados en el techo del túnel con un espaciamiento de 2.5 m, con concreto lanzado de 50 mm de espesor.

Zona 3.-

En el área afloran calizas Paleozoicas metamorfizadas, con zonas de skan en las que

puede haber mineralización de scheelita que afloran en la zona 3 del cerros de la Antigua

cementera, los skarn en los alrededores están asociados con esta rocas carbonatadas, Que

aparecen como pequeños remanentes flotando sobre el Batolito de Sonora, lo cual permite

situar estos depósitos en los niveles de las cúpulas de los diferentes granitoides. Los

mármoles se encuentran intrusionados por diques pegmatíticos y aplíticos, en adición a los

diques de lamprófido. Los diques de aplita ocurren con rumbos NW-SE o N-S, y en

algunos casos parecen haberse emplazado contemporáneamente con los diques de

lamprófido.

A la zona 3 se le aplico la clasificación de Barton, sistema que consiste en dar al

terreno una serie de parámetros que sustituiremos en una fórmula para así formar un índice

denominado Q que es con el que podremos diseñar el sostenimiento, la variación del índice

Q no es como en el caso del RMR una variación lineal, en este caso se da una variación

exponencial.

En esta clasificación se catalogan los macizos rocosos según el denominado índice de (Barton et al. 1974):

Basado en los seis parámetros siguientes:

R.Q.D. (Rock Quality Designation)

Jn: Número de familias de juntas

Jr: Rugosidad de las juntas

Ja: Meteorización de las juntas

Jw: Agua en las juntas

S.R.F. (Stress Reduction Factor)

Clasificacion Q

Parámetros individuales.-

Fórmula Alternativa (Cuando no hay sondeos):

Palmstrom (1982) sugirió que, el RQD puede ser estimado a partir del número de discontinuidades por unidad de volumen, visibles en afloramientos rocosos o socavones. La relación sugerida para masas rocosas libres de arcillas es:

Jv :Númerode juntas identificadasenelmacizo rocoso por m ³

Tomando en cuantas 12 juntas por m ³ tenemos que:

Jv=12

RQD=115−3.3(12)

RQD=75 %

Número de familias de juntas

La roca de la zona 3 está compuesta de una sola familia (caliza cristalizada/mármol) que siguen la misma dirección y buzamiento a favor del túnel así que tomamos un valor de 2 en el índice Jn.

Rugosidad de las juntas

El contacto entre las dos caras de diaclasas es plano por las características de la roca y con aspecto irregular con leves rugosidades, tomamos el parámetro de planas rugosas con un valor de Jr de 1.5.

Meteorización de las juntas

Planos de discontinuidades inalterados gracias a la permiabilidad de la roca que lo encajona siendo una roca de alta cohesion y poca porosidad tiende a tener diaclasas de paredes sanas sin presencia de arcilla ni otro tipo de alteracion, tomando un valor de 2 para el indice Ja.

Agua en las juntas

En base a las investigaciones hidrológicos y que nuestro estando está situado en una región desértica con escases de lluvias y por consiguiente de agua podemos describir las condiciones de la excavación son secas o con pequeñas afluencias, inferiores a 5 L/min., tomando un valor de 1 para el índice Jw.

S.R.F. (Stress Reduction Factor)

Condiciones de tensión de la roca

Roca con fracturación aisladas en roca competente cristalizada, sin alteraciones ni presencia de arcillas excavación del túnel con profundidades máximas de 150 m.

Calculo de esfuerzos en la roca. ϑ=10m /seg2 Profundidad=150m

Características del mármol:

Pesoespecifico aparente=2.8 ton /m3 ρ=2.8 ton/m3

Resistencia ala compresión=200 Mpa σc=200 Mpa

ρ=2.8 tonm 3

× 1000 kg1ton

=2800 kg /m3

Calculo de σ 1

σ 1=ρ×ϑ ×P

σ 1=2800 kg /m3×10m /seg2×150m

σ 1=42000 kgm2 =4.2Mpa

σc

σ1=200Mpa

4.2Mpa=47.6

En base al resultado obtenido tenemos que las zonas débiles del macizo rocoso intersecan a la excavación, pudiendo producirse desprendimiento de roca a medida que la excavación del tune va avanzando, por lo SRF toma un valor de 2.5.

Calculo de Q:

R .Q. D .=75Jn=2Jr=1.5Ja=2Jw=1S .R . F .=2.5

Q=752× 1.5

2× 1

2.5Q=11.25

Calculo de diámetro equivalente

Considerando la opción D y siendo un túnel de carretera primaria tomamos un valor de ESR de 0.9 a 1.1.

Calculo de diámetro equivalente:

Considere un ESR de 1.1.

ancho de la sección=15m

De=anchura ,diámetro oalturamESR

De=15m1.1

De=13.63

Con el valor de De y Q podemos aproximar un paquete de soportes y fortificaciones que

nos puedan ayudar a la estabilización de nuestra excavación, son resultados empíricos que

se basan en una serie de investigaciones previas por lo tanto es una idea de lo que podemos

hacer únicamente para calcular tiempos y costos.

Fortificación requerida

Q=11.25

De=13.63

Interceptando los valores que obtuvimos de ambas ecuaciones tenemos un tipo de roca

buena con un soporte que considera bulones sistemáticos como se ve en la zona 3B, de 4

metro de longitud y un espaciamiento de 2.5 metros entre cada bulón.

Calculo de longitud de pase de la zona 3

Para tener un resultado apegado a la zona 2 calcularemos cuanto equivale la clasificación Q

a la clasificación RMR.

RMR=9 LnQ+44

RMR=9 ln(11.25)+44

RMR=¿65.7

Gracias a las siguiente grafica podemos corroborar los cálculos anteriores, podemos ver que

nos da un valor parecido al de la zona 2, con este valor de RMR=65.7 nos vamos a la

misma tabla donde calculamos la longitud de pase del macizo rocoso de granito.

Longitud sin sostenimiento

Tenemos una longitud de pase de 2.4 a 15m con un tiempo sin sostenimiento de 1.2

a 2.8 meses. Tomando en cuenta los resultados y para igualar el proceso constructivo de la

zona 2 se harán 3 disparadas con avance de 3.6m después de colocar el sostenimiento,

teniendo una longitud de 10.8m de spam con 3 días como máximo, colocando bulones de 4

metros de longitud, instalados en el techo del túnel con un espaciamiento de 2 m, sin

concreto lanzado.

Zona 4.

El granito que corta a los mármoles crea una zona de skan en las que puede haber mineralización de scheelita que afloran en el cerro de la Antigua cementera, y que es el

causante del metamorfismo de contacto que se encuentra muy desarrollado en el cerro, y también se encuentran diques de lamprófidos en el área. Su espesor es de 4.0 m. (Fig. 2) y se ocurren en segmentos en el orden de algunos cientos de metros de longitud. Los diques ocurren en un enjambre que se encuentra cortado por una falla de rumbo aproximado E-W, que está delineada por la traza del Río Sonora.

Figura 2.Afloramiento sobre el periférico oriente frente a la zona de espesor aparente mayor al real, debido a la interacción del rumbo del dique y la superficie de corte como puede apreciarse el dique tiene dimensiones de 3 a 4 metro de grosor.

En esta zona usaremos la clasificación corregida de LAUBSCHER y TAYLOR ya que siento el contacto de la misma roca de las zonas anteriores tomaremos el mismo valor de RMR, ellos propusieron algunas modificaciones a la clasificación geomecanica de Bieniawski y recomendaciones para el sostenimiento. Los ajustes que proponen consisten en la modificación del valor original, siendo los siguientes:

Meteorización

Esfuerzos In situ e inducidos

Cambios de los esfuerzos

Influencia de las orientaciones del rumbo y buzamiento

Efectos de Voladura

Ajustes Combinados

El valor original del las 2 zonas anteriores es 65, esta puntuación será sometida a correcciones para tener una mejor estimación y seguridad en el contacto de las dos rocas del área de nuestra obra.

Corrección por meteorización

Algunos tipos de roca se meteorizan rápidamente cuando entran en contacto con el aire, afectando algunos Parámetros:

Meteorización. Afecta al IRS, RQD, JC. Rangos entre 50% a 100%.

R.Q.D. DISMINUYE HASTA 95%

LA ROCA AUMENTA SUS

FRACTURAS

MRMR=65×95 %=62

Corrección por Esfuerzos In situ e inducidos

Los esfuerzos, tanto In Situ como inducidos pueden incidir sobre las fisuras, manteniendo sus superficies en compresión o permitiendo que las fisuras se aflojen, y aumenten el riesgo de un movimiento cortante.

CONDICION DE JUNTAS

DISMINUYE HASTA 90%

SI EL RIESGO DE UN MOVIIENTO

CORTANTE AUMENTA

MRMR=62×90 %=56

Corrección por cambios de los esfuerzos

Cuando hay cambios importantes por operaciones mineras, la situación de las fisuras es afectada.

CONDICION DE JUNTAS

DISMINUYE HASTA 60%

CAUSA MOVIMIENTOS CORTANTES IMPORTANTES.

Consideramos un 83 %:

MRMR=56×83%=46

Corrección por Influencia de las orientaciones del rumbo y buzamiento

Se propone además los siguientes ajustes para los valores del espaciado de juntas, para las zonas de cortantes que se ubican en operaciones mineras:

MRMR=46×84 %=¿39

Corrección por efecto de voladura

Las voladuras crean nuevas fracturas y provocan movimientos en las fisuras existentes. Se propone las siguientes reducciones para los valores del RQD y la condición de juntas.

Voladuras convencional buena 94%

MRMR=39×94 %=37

Corrección por Ajustes Combinados

Factor de seguridad del 90%:

MRMR=37×90 %=33

Resultados:

Tomo un rango de valore de 30-40, asignando las letras f, g, y j como opciones de sostenimiento.

F: cuadricula de pernos cementados con espaciamiento de 0.75 y 100 mm de concreto lanzado. G: cuadricula de pernos cementados con espaciamiento de 0.75 m y 100 mm de concreto lanzado y malla. J: estabilizar con refuerzos de cable protector y concreto de 450 mm de espesor si los cambios en los esfuerzos no son excesivos.