Tunelera TBM

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA GEOLGICA, MINERA Y METALRGICA UNIDAD DE POSTGRADO

Las maquinas tuneleras tipo TBM como alternativa al sistema de perforacin y voladura para la excavacin de tuneles caso:desarrollo de tuneles en Yuncan

TESIS para optar el grado de Maestro en Ciencias con Mencin en Ingeniera de Minas

AUTOR Emiliano Mauro Giraldo Paredez

Lima-Per 2010

A Julia Ins y Epifanio, mis abnegados padres, in memoriam A Arthur, Ins e Itala, mi descendencia e inspiracin A Hugo e Iris Vargas Tello, familia que Dios puso en mi camino A Teodoro Garca-Blsquez Lara, ilustre maestro y amigo, in memoriam A Oscar Samanez Zavaleta, digno y entraable amigo, in memoriam

iv

AGRADECIMIENTOSEl autor Agradece a la Universidad Nacional de Ingeniera (UNI) y en particular a la Seccin Posgrado de la Facultad de Ingeniera Geolgica, Minera y Metalrgica, por la oportunidad dispensada para presentar y sustentar esta tesis. Anlogamente hace lo propio a los distinguidos maestros de esta seccin, por sus sabias enseanzas durante y despus de sus estudios, y en particular a los profesores David Crdova R. y Jaime Tumialn, por la oportuna y acertada asesora dispensada.

A la Ca. SKANSKA por la oportunidad y facilidades dispensadas para la ejecucin del presente estudio, durante el desarrollo de los tneles del proyecto hidroelctrico de Yuncan. Asimismo, a la Ca. ROBBINS por permitir al autor la toma de datos durante el montaje y puesta en marcha de las mquinas tuneleras TBM MK 12 y FORO 900S en el Proyecto Yuncan.

Agradece asimismo, a Ca. New Concept Mining a travs de la distinguida persona del Ing. Juan J. Quiroga, y a todos sus amigos y colegas por su colaboracin en la mejor culminacin y presentacin de la presente tesis.

v

INDICE DEL CONTENIDOPgina RESUMEN ABSTRACT AGRADECIMIENTOS I. INTRODUCCIN 1.1 ANTECEDENTES 1.2 OBJETIVOS 1.3 ALCANCES DEL ESTUDIO Y PLANTEAMINENTO DE LA SOLUCION DEL PROBLEMA 1.4 DESARROLLO DE LA TESIS MARCO TEORICO 2.1 EL MACIZO ROCOSO 2.1.1 Propiedades del Macizo Rocoso 2.1.2 Clasificacin del Macizo Rocoso 2.2 FRAGMENTACION DE ROCAS 2.3 LOS MINADORES CONTINUOS 2.4 LAS MAQUINAS TUNELERAS ii iii iv 11

3 3 4 6 6 6 8 13 32 42

II.

III.

PROYECTO HIDROELCTRICO DE YUNCAN Y LA MAQUINA TUNELERA TBM ATLAS COPCO JARVA MK 12 57 3.1 RESEA DEL PROYECTO HIDROELCTRICO DE YUNCAN (PAUCARTAMBO II) 57 3.2 DESCRIPCION BASICA DE LA TBM ATLAS COPCO JARVA MK 12 67 3.3 PRINCIPALES ESPECIFICACIONES DE LA TBM ATLAS COPCO JARVA MK 12 68 3.4 PRINCIPALES PARTES DE LA MAQUINA 70 OPERACION Y RENDIMIENTO DE LA MAQUINA TUNELERA TBM ATLAS COPCO JARVA MK 12 EN EL PROYECTO HIDROELCTRICO DE YUNCAN 104 4.1 MOVIMIENTOS CICLICOS DURANTE LA OPERACIN DE LA TBM ATLAS COPCO JARVA MK 12 104

IV.

vi 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 V. DESPLAZAMIENTO DEL EQUIPO EFECTOS PROVOCADOS POR LA OPERACION DEL EQUIPO PERSONAL NECESARIO PARA OPERAR EL SISTEMA ESTUDIO DE TIEMPOS Y MOVIMIENTOS TIEMPO POR CICLO DE OPERACIN DE LA TBM MK 12 VELOCIDAD DE CORTE O AVANCE DE LA TBM MK 12 EN YUNCAN RENDIMIENTO DEL EQUIPO GRANULOMETRIA DEL MATERIAL ARRANCADO DISPONIBILIDAD DEL EQUIPO CORTADORES USADOS POR LA TBM MK 12 EN YUNCAN 105 109 111 112 114 122 122 129 130 132

ANALISIS TECNICO-ECONOMICO DE LA EXCAVACION DEL TUNEL N 4 CON LA TBM MK 12 EN YUNCAN 136 5.1 INVERSION EN EL EQUIPO E INSTALACIONES 136 5.2 VIDA DEL EQUIPO 137 5.3 COSTO DE LOS CORTADORES 137 5.4 ANALISIS DE COSTOS POR METRO DE AVANCE 138 5.5 LONGITUD ECONOMICA DE EXCAVACIN CON LA TBM MK 12 140 5.6 IMPACTO AMBIENTAL Y SU COSTO 141 5.7 ANALISIS ECONOMICO 143 ANALISIS TECNICO-ECONOMICO DE LA EXCAVACIN DEL TUNEL CON EL SISTEMA CONVENCIONAL DE PERFORACION Y VOLADURA EN YUNCAN 147 6.1 PERFORACIN 148 6.2 VOLADURA 149 6.3 EQUIPO DE CARGUIO 151 6.4 EQUIPO DE TRANSPORTE 152 6.5 OTROS EQUIPOS 152 6.6 ESTUDIO DE TIEMPOS DE EXCAVACIN DEL TUNEL N 4 CON PERFORACION Y VOLADURA 152 6.7 INVERSION EN EQUIPOS E INSTALACIONES 153 6.8 VIDA DE LOS EQUIPOS 153 6.9 ANALISIS DE COSTOS DE LA EXCAVACIN DEL TUNEL N 4 CON PERFORACION Y VOLADURA 153 6.10 LONGITUD ECONOMICA DE EXCAVACIN CON PERFORACIN Y VOLADURA 160 6.11 EL IMPACTO AMBIENTAL Y SU COSTO 160 6.12 ANALISIS ECONOMICO DE LA EXCAVACIN CON PERFORACIN Y VOLADURA 161 ANALISIS Y DISCUSION COMPARATIVA DE LA EXCAVACIN CON LA TBM MK 12 Y EL SISTEMA CONVENCIONAL DE PERFORACION Y VOLADURA EN YUNCAN 164

VI.

VII.

vii 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12 7.13 7.14 7.15 RANGOS DE LAS SECCIONES DE EXCAVACIN 164 TIEMPO DE ESPERA DE LOS PEDIDOS 165 EQUIPO E INSTALACIONES NECESARIAS 165 ASISTENCIA TCNICA Y EL PERSONAL NECESARIO 166 VELOCIDAD DE EJECUCIN DE LA EXCAVACIN 166 LONGITUD ADICIONAL DE EXCAVACIN POR LAS CURVAS 166 GRANULOMETRIA DEL MATERIAL ARRANCADO 167 CONTORNO DE LA EXCAVACIN 169 SOBRE EXCAVACIN Y PERTURBACION A LA ROCA REMANENTE 169 SOSTENIMIENTO Y REVESTIMIENTO DE LA EXCAVACIN 170 GENERACION DE GASES 170 COSTOS 171 LONGITUD ECONMICA DE EXCAVACIN 172 VENTAJAS Y DESVENTAJAS 173 SISTEMA MAS CONVENIENTE PARA LA EXCAVACIN DE TUNELES 176 180 180 183 184 189

VIII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 8.1 CONCLUSIONES 8.2 RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA ANEXOS

viii

LISTA DE CUADROSCuadro Pgina 2-1 Modelo para determinar el VHNR 20 2-2 Intervalos de categoras para el DRI, BWI y CLI. 21 2-3 Ecuaciones para determinar la velocidad de penetracin (Vp) 22 2-4 Parmetros para determinar el RME y sus respectivas calificaciones 24 2-5 Relaciones para determinar la ARA en funcin de la RME 25 2-6 Calificacin de los parmetros geomecnicos para determinar el ndice de volabilidad, Lilly (1986, 1992) 27 2-7 Perforadoras martillo en cabeza neumticas Vs hidrulicas 31 2-8 Caractersticas de algunos DTH 31 2-9 Distribucin de tiempos de los RHs Paurat E-134 (SIMSA, Per) y Alpine Miner AM-50 (SIDERMEX, Mxico) 51 3-1 Principales tneles de aduccin en Yuncan, mtodos de excavacin y sus longitudes 59 3-2 Definicin de los factores geolgicos para la clasificacin del macizo rocoso 63 3-3 Clasificacin del macizo rocoso en Yuncan 64 3-4 Equipo y tipo de shotcrete empleado en Yuncan 66 3-5 Tipos y nmero de Cortadores de la TBM MK 12 71 3-6 Frecuencia de engrasado manual de las diversas partes de la TBM 97 3-7 Aceites recomendados para TBM, su demanda y vida til 97 3-8 Aceites hidrulicos de diversos fabricantes recomendados para TBMs 99 3-9 Grasas recomendables tanto para el engrasado automtico como manual 99 4-1 Distribucin de tiempos en horas y en porcentaje de la operacin de la TBM MK 12 en el Proyecto Hidroelctrico de Yuncn. 116 4-2 Rendimiento de la TBM MK 12 en el proyecto hidroelctrico de Yuncn (Paucartambo II), por da (mp/da) 119 4-3 Demanda de tiempo por metro de excavacin de acuerdo al tipo de roca 123 4-4 Disponibilidades de la TBM MK 12 131 4-5 Vida de los componentes de los cortadores en funcin del nmero de cambios de los discos y requerimientos para su ensamblaje 133 5-1 Inversin en TBM MK 12, sus componentes e instalaciones en Yuncn 137 5-2 Vida promedio de los cortadores en metros de excavacin 138 5-3 Costo de cortadores por metro de avance para la TBM MK 12 en Yuncan 138 5-4 Inversin en la TBM MK 12 incluyendo su Backup y conveyor 140 5-5 Datos para el clculo de los costos de propiedad y operacin de la TBM MK 12 141 5-6 Anlisis del costo por metro excavado con la TBM MK 12 en $/ME 142

ix 5-7 5-8 5-9 5-10 6-1 6-2 6-3 6-4 6-5 6-6 6-7 6-8 6-9 6-10 6-11 6-12 6-13 6-14 6-15 6-16 7-1 7-2 7-3 7-4 7-5 Tiempo necesario para la excavacin de un tnel de 10 km con la TBM MK-12 y el costo de operacin anual. Ingreso bruto estimado por la generacin de energa elctrica en Yuncn Flujo de caja para los primeros 8 aos (USD) Valor actual Neto (VAN) para los primeros 8 aos Especificaciones tcnicas bsicas de la perforadora Jumbo hidrulico Rocket Boomer 282 Dimensiones del tnel N 4 y los parmetros de perforacin Vida til y frecuencia de afilado en metros perforados de los aceros de perforacin (fuente: Atlas Copco) Dimensiones y caractersticas de las dinamitas Semexsa 65 en Yuncan Promedios de los parmetros de voladura de Abril y Mayo de 2001 Tiempos promedios de de las unidades operativas por disparo Inversin en equipo en funcin de la longitud del tnel Anlisis del costo de perforacin en la excavacin del tnel N 4 de Yuncn Anlisis del costo de voladura Anlisis de costo de carguo a camiones Costo horario de cada camin Anlisis del costo de camiones en funcin de la longitud del tnel Costo total por metro de avance en funcin de la longitud del tnel Tiempo necesario para la excavacin de un tnel de 10 km con Perforacin y Voladura y el costo de operacin anual Flujo de caja para los primeros 8 aos (USD) Valor actual Neto (VAN) para los primeros 8 aos Valor actual neto (VAN) asumiendo la longitud del tnel N 4 de Yuncan de 10 km en roca tipo II Revestimiento en roca tipo IV en el tnel N 4 en Yuncn Costo por metro de excavacin ($/ma) Escala de valores y ponderacin Anlisis y evaluacin numrica comparativa de la TBM y la Perforacin y Voladura (P&V) para seleccionar el sistema ms conveniente de excavacin de tneles.

145 145 145 146 148 149 150 151 151 153 154 155 156 157 157 158 159 162 162 163 167 171 172 177

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LISTA DE GRAFICOSFigura 4-1 Ciclo de excavacin de la TBM MK 12 por metro de avance Vs. tipo de roca Tiempo promedio por sostenimiento de roca en funcin del tipo de roca Demanda de tiempo de excavacin en (Hr/m) y porcentaje (%) en roca tipo B (Clase II) Demanda de tiempo de excavacin en (Hr/m) y porcentaje (%) en roca tipo CH (Clase III) Demanda de tiempo de excavacin en (Hr/m) y porcentaje (%) en roca tipo CM (Clase IV) Demanda de tiempo de excavacin en (Hr/m) y porcentaje (%) en roca tipo D (Clase V) Tiempo neto de excavacin de la TBM MK 12 de acuerdo al tipo de roca Avance de la excavacin promedio por da con la TBM MK 12 Vs tipo de roca Velocidad de penetracin en m/Hr de acuerdo al ti