TUNELES - SISTEMAS DE CLASIFICACION

TUNELES Sistemas de Clasificación.

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TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 1-5 2. OBJETIVOS ............................................................................................................................................ 2-7 3. CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Y RECOMENDACIONES DE SOPORTE DE UN

TÚNEL VIAL TRAMO I ....................................................................................................................... 3-8 4. CÁLCULOS TRAMO I .......................................................................................................................... 4-9 5. CLASIFICACIÓN ISRM (SOCIEDAD INTERNACIONAL DE MECÁNICA DE ROCAS),

1970 5-10 6. CLASIFICACIÓN DE TERZAGHI (1946) .......................................................................................... 6-11 7. CLASIFICACIÓN RSR (ROCK STRUCTURE RATING) ................................................................. 7-15 8. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BIENIAWSKI – RMR (ROCK MASS

RATING 1973, 1989) ........................................................................................................................... 8-19 9. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN Q (ROCK MASS QUALITY) ....................................................... 9-24 10. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GSI ............................................................................................... 10-35 11. CLASIFICACIÓN RMI (ÍNDICE DEL MACIZO ROCOSO) ........................................................... 11-40 12. DISEÑO DEFINITIVO DE SOPORTE DEL TÚNEL ....................................................................... 12-43 13. CLASIFICACIÓN INDIRECTA ........................................................................................................ 13-44 14. CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Y RECOMENDACIONES DE SOPORTE DE UN

TÚNEL VIAL TRAMO II ................................................................................................................. 14-45 15. CÁLCULOS TRAMO II ..................................................................................................................... 15-46 16. CLASIFICACIÓN ISRM (SOCIEDAD INTERNACIONAL DE MECÁNICA DE ROCAS),

1970 16-47 17. CLASIFICACIÓN DE TERZAGHI (1946) ........................................................................................ 17-48 18. CLASIFICACIÓN RSR (ROCK STRUCTURE RATING) ............................................................... 18-51 19. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BIENIAWSKI – RMR (ROCK MASS

RATING 1973, 1989) ......................................................................................................................... 19-54 20. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN Q (ROCK MASS QUALITY) ..................................................... 20-59 21. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GSI ............................................................................................... 21-69 22. CLASIFICACIÓN RMI (ÍNDICE DEL MACIZO ROCOSO –ROCK MASS INDEX) ................... 22-72 23. DISEÑO DEFINITIVO DE SOPORTE DEL TÚNEL ....................................................................... 23-75 24. CLASIFICACIÓN INDIRECTA ........................................................................................................ 24-76 25. DISEÑO MALLA DE PERFORACIÓN Y VOLADURA ................................................................. 25-77 26. RECOMENDACIONES PARA LA EXCAVACIÓN Y MANEJO DE ESCOMBROS ...................... 26-1 27. CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 28-12 28. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................. 29-13 29. ANEXOS ............................................................................................................................................... 30-1


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LISTA DE TABLAS

TRAMO I

Tabla 1. Datos iníciales del túnel....................................................................................................................... 3-8 Tabla 2. Datos Tramo I ..................................................................................................................................... 3-8 Tabla 3. Distintas Clasificaciones según autor ................................................................................................ 5-10 Tabla 4. Clasificación modificada por Deere et al (1970) sobre la de Terzaghi .............................................. 6-12 Tabla 5. Descripción y Clasificación por el parámetro RQD. ......................................................................... 6-13 Tabla 6. Recomendaciones de soporte para el túnel con base en el RQD ....................................................... 6-14 Tabla 7. Parámetro A: Aspectos Geológicos Generales .................................................................................. 7-15 Tabla 8. Parámetro B: Patrón de juntas y dirección de avance ....................................................................... 7-16 Tabla 9. Parámetro C: Agua subterránea y condición de la junta .................................................................... 7-16 Tabla 10. Clasificación geomecánica de macizos rocosos por el sistema RMR ............................................. 8-19 Tabla 11. Efecto de la discontinuidad, la dirección y el buzamiento en el túnel ............................................. 8-20 Tabla 12. Valores de ajuste para el RMR ........................................................................................................ 8-20 Tabla 13. Clasificación del macizo rocoso determinado a partir de la calificación total ................................. 8-21 Tabla 14. Características resistentes del macizo rocoso .................................................................................. 8-21 Tabla 15. Guía para excavación y soporte de un túnel en roca de acuerdo con la clasificación geomecánica RMR ................................................................................................................................................................ 8-23 Tabla 16. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jn) ....................................................................... 9-25 Tabla 17. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jr) ........................................................................ 9-27 Tabla 18. Índices de alteración de discontinuidades (Ja) ................................................................................. 9-28 Tabla 19. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jw) ....................................................................... 9-28 Tabla 20. Rango de variación de parámetros ................................................................................................... 9-30 Tabla 21. Calificaciones de la clasificación del sistema SRF .......................................................................... 9-31 Tabla 22. Clasificación de Barton de los macizos rocosos, Indice de Calidad Q ............................................ 9-31 Tabla 23. Valores supuestos de la relación de soporte de la excavación (ESR), según Barton ....................... 9-32 Tabla 24. Caracterización de macizos rocosos con base en su grado de fracturamiento y estado de las diaclasas (Hoek y Brown, 1997. ................................................................................................................................... 10-36 Tabla 25. Estimación del Índice GSI con base en descripciones geológicas (Hoek y Brown, 1997. ............ 10-37 Tabla 26. Calificación sistema RMI .............................................................................................................. 11-41 Tabla 27. Resumen comparativo de clasificaciones del macizo rocoso y recomendaciones de soporte del túnel vial ................................................................................................................................................................. 11-42


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TRAMO II

Tabla 28. Datos iníciales del túnel ................................................................................................................. 14-45 Tabla 29. Datos del Tramo II ........................................................................................................................ 14-45 Tabla 30. Distintas Clasificaciones según autor ............................................................................................ 16-47 Tabla 31. Clasificación modificada por Deere et al (1970) sobre la de Terzaghi .......................................... 17-48 Tabla 32. Descripción y Clasificación por el parámetro RQD. ..................................................................... 17-49 Tabla 33. Recomendaciones de soporte para el túnel con base en el RQD ................................................... 17-50 Tabla 34. Parámetro A: Aspectos Geológicos Generales .............................................................................. 18-51 Tabla 35. Parámetro B: Patrón de juntas y dirección de avance ................................................................... 18-51 Tabla 36. Parámetro C: Agua subterránea y condición de la junta ................................................................ 18-52 Tabla 37. Clasificación geomecánica de macizos rocosos por el sistema RMR ........................................... 19-54 Tabla 38. Efecto de la discontinuidad, la dirección y el buzamiento en el túnel ........................................... 19-55 Tabla 39. Valores de ajuste del RMR ............................................................................................................ 19-55 Tabla 40. Clasificación del macizo rocoso determinado a partir de la calificación total ............................... 19-56 Tabla 41. Características resistentes del macizo rocoso ................................................................................ 19-56 Tabla 42. Guía para excavación y soporte de un túnel en roca de acuerdo con la clasificación geomecánica RMR .............................................................................................................................................................. 19-58 Tabla 43. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jn) ..................................................................... 20-60 Tabla 44. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jr) ...................................................................... 20-61 Tabla 45. Índices de alteración de discontinuidades (Ja) ............................................................................... 20-62 Tabla 46. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jw) ..................................................................... 20-63 Tabla 47. Rango de variación de parámetros ................................................................................................. 20-65 Tabla 48. Calificaciones de la clasificación del sistema SRF ........................................................................ 20-65 Tabla 49. Clasificación de Barton de los macizos rocosos, Indice de Calidad Q .......................................... 20-66 Tabla 50. Valores supuestos de la relación de soporte de la excavación (ESR), según Barton ..................... 20-66 Tabla 51. Caracterización de macizos rocosos con base en su grado de fracturamiento y estado de las diaclasas (Hoek y Brown, 1997. ................................................................................................................................... 21-70 Tabla 52. Estimación del Índice GSI con base en descripciones geológicas (Hoek y Brown, 1997. ............ 21-71 Tabla 53. Calificación sistema RMI .............................................................................................................. 22-73 Tabla 54. Resumen comparativo de clasificaciones del macizo rocoso y recomendaciones de soporte del túnel vial ................................................................................................................................................................. 22-74


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Esquema de Terzaghi ....................................................................................................................... 6-11 Figura 2 .Esquistosidad. .................................................................................................................................. 7-16 Figura 3. Escala descriptiva de observación para determinar la rugosidad (Hoek, 1981) ............................... 9-25 Figura 4. Rugosidad del macizo ...................................................................................................................... 9-26 Figura 5. Perfiles tipo para la determinación del coeficiente de rugosidad de la discontinuidad, JRC ........... 9-26 Figura 7. Escala descriptiva de observación para determinar la rugosidad (Hoek, 1981) ............................. 20-60 Figura 8. Rugosidad del macizo .................................................................................................................... 20-60 Figura 9. Perfiles tipo para la determinación del coeficiente de rugosidad de la discontinuidad, JRC ......... 20-61


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LISTA DE GRÁFICAS

TRAMO I

Gráfica 1. Carta de Soporte para el Túnel ............................................................................................................... 7-17 Gráfica 2. Clasificación geomecánica de macizos rocosos para minería y túneles .................................................. 8-22 Gráfica 3. Relación entre la dimensión equivalente máxima de una excavación subterránea sin soporte y el índice Q de la calidad para túneles (NGI) ................................................................................................................ 9-33 Gráfica 4. Categorías de soporte estimadas basadas en el Índice de Calidad del Macizo Rocoso Q (Después de Grimstad y Barton, 1993) .................................................................................................................................... 9-34

TRAMO II Gráfica 5. Carta de Soporte para el Túnel ............................................................................................................. 18-53 Gráfica 6. Clasificación geomecánica de macizos rocosos para minería y túneles ................................................ 19-57 Gráfica 7. Relación entre la dimensión equivalente máxima de una excavación subterránea sin soporte y el índice Q de la calidad para túneles (NGI) .............................................................................................................. 20-67 Gráfica 8. Categorías de soporte estimadas basadas en el Índice de Calidad del Macizo Rocoso Q (Después de Grimstad y Barton, 1993) .................................................................................................................................. 20-67


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1. INTRODUCCIÓN Los túneles, en los países desarrollados, se han constituido como importantes elementos de desarrollo, involucrados dentro de la gestión de infraestructura, no solo han permitido trasladar personas y bienes de un lugar a otro, sino también, han participado en la resolución de conflictos de tráfico, de manejo y disposición de agua, incluso, para el aumento las áreas urbanas, posibilitando áreas adicionales, por debajo de la superficie de la corteza terrestre, dentro de estas excavaciones pueden ser construidas todo tipo de edificaciones e instalaciones públicas y privadas que mejoran el aprovechamiento del espacio público. En este documento, se establecerán algunos aspectos técnicos referentes al diseño de túneles, sistemas de clasificación geomecánicas que se hacen dentro del macizo rocoso, a fin de conocer las cualidades de resistencia y deformación, propias de la roca y con ello establecer las magnitudes de refuerzo y necesidades de sostenimiento. Actualmente se vienen adelantando trabajos de consultoría sobre proyectos que involucran túneles dentro de sus alineamientos, especialmente destinados a complementar desarrollos viales y en ciertas condiciones, proyectos hidroeléctricos y de trasporte de agua, la complejidad de la geología colombiana y el reciente desarrollo de la mecánica de rocas, así como la metodología de construcción de túneles, precisa aplicar una enorme gama de procedimientos de trabajo, con el ánimo de tener una mayor exactitud en los resultados obtenidos, adicionalmente conocer la forma más adecuada para arrancar, manipular y transportar la roca, producto de las excavaciones subterráneas, para realizar estos trabajos de campo, es necesario conocer la naturaleza del macizo rocoso. El presente trabajo contiene la clasificación del mencionado macizo por los sistemas ISRM, Terzaghi, RSR, RMR, Q, GSI y RMI. Así mismo los cálculos de tiempo y distancia de auto soporte y las características propias del macizo como son: módulo de young, cohesión y ángulo de fricción. Con los datos obtenidos y la caracterización propia de este macizo rocoso, se diseñará la malla de perforación y voladura más apropiada, a través de la cual se agilice la construcción del túnel, así como el volumen de material extraído y las recomendaciones para el manejo de éste.


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2. OBJETIVOS

� Clasificar el macizo rocoso por los sistemas de ISRM, Terzaghi, RSR, RMR, Q, GSI y RMI.

� Determinar el tiempo y distancia de autosoporte.

� Determinar las características del macizo rocoso (módulo de young, cohesión, ángulo de fricción).

� Diseñar la malla de perforación y voladura para agilizar la construcción del túnel.

� Calcular el volumen de material extraído y sus recomendaciones para manejo dentro de las actividades de excavación.


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3. CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Y RECOMENDACIONES DE SOPORTE DE UN TÚNEL VIAL TRAMO I

Planteamiento del problema

Profundidad (cobertura) 800 m

Longitud 5000 m

Ancho 12 m

Altura 8 m

Características Camino de herradura,

Macizo Ígneo- metamórfico (diorita-esquisto-grafitico), 2.4 Ton/m3. Diaclasado en toda su longitud.

k σh/ σv = 1.3

Tabla 1. Datos iníciales del túnel

# de diaclasas/ m3 (jv) 20

(Is) 5 Mpa

Discontinuidad más evidente Esquistosidad

Buzamiento Normal al túnel con 70°en contra de su dirección de avance principal

Avance del Túnel dd= N-S/70°. Dirección Este – Oeste.

Presencia de agua media en el túnel 10L/min por c/100m

Diaclasas Abiertas 2 mm, material de relleno arcilloso

Tabla 2. Datos Tramo I

1. Clasificar el macizo rocoso directa e indirectamente con ISRM, Terzaghi, RSR, RMR, Q,

RMI, GSI. 2. Tiempo de autosoporte, distancia de autosoporte, características del macizo (módulo de

Young, cohesión, fricción), Diseño de autosoporte. 3. Diseño de la malla de perforación y voladura propuesta para agilizar la construcción del

túnel. 4. Calcular el volumen de material extraído y recomendaciones. 5. Hacer diagramas respectivos.


4-9

4. CÁLCULOS TRAMO I Cálculo del esfuerzo horizontal

�� = �� = ��× . �� /��

�� = �� /�

�� = �� ×�� × �

�� = ��/��

�� = �� = ��, ��

Cálculo del índice de calidad de la roca RQD (Rock Quality Designation) El RQD se calcula mediante la siguiente ecuación:

RQD = 115 − 3.3 × J# Donde: Jv es el número diaclasas por m3 = 20

$%& = 115 − 3.3 × 20

$%& = 49 Cálculo de la resistencia a la compresión simple

$+, = -20 − 24. × /0 (Se asume un valor de 20)

$+, = -20. × 5 = 100123


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5. CLASIFICACIÓN ISRM (SOCIEDAD INTERNACIONAL DE MECÁNICA DE ROCAS), 1970

La resistencia a compresión simple = 100 Mpa de la roca intacta proporciona un criterio, utilizado por muchos autores, para clasificar la roca (Tabla 3). Los criterios son dispares pero en general se acepta que resistencias inferiores a 1 MPa son ya típicas de los suelos. Con el valor de la Resistencia a la compresión simple (qu = 100Mpa), ingresamos a la Tabla No. 4, y según la clasificación ISRM, obtenemos un tipo de roca entre media y alta.

Tabla 3. Distintas Clasificaciones según autor


6-11

6. CLASIFICACIÓN DE TERZAGHI (1946) Terzaghi clasifica el terreno en diez categorías y proporciona la "carga de roca" o tensión vertical que soportarían las cerchas de sostenimiento de un túnel construido por procedimientos tradicionales. Refleja la práctica habitual de los años 1930-1970 en Norteamérica. Los conceptos de Terzaghi en relación con el comportamiento del terreno están sintetizados en la Figura 1. La clasificación original fue modificada por Deere et al (1970) y se recoge en la Tabla 4 Inadecuada cuando se utilizan las técnicas modernas de construcción de túneles en roca que hacen uso intensivo de hormigón proyectado y bulonado. La clasificación de la roca es poco objetivable.

Figura 1. Esquema de Terzaghi


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Tabla 4. Clasificación modificada por Deere et al (1970) sobre la de Terzaghi

Altura de presión de soporte ó carga de roca (Hp)

Para RQD = 49%, en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. la altura de presión de soporte o carga de roca inicial es:


6-13

45 = 0.6+ Donde:

+ = 7 849 Siendo:

B = Ancho del túnel = 12 m

Ht = Altura del túnel = 8 m

Entonces:

+ = 12 8 8 = 20; 45 = 0.6 × 20; = 12;

45 = 12; × 1<=0.3048; = 39.4<=

Condición del macizo rocoso:

� Se presenta en muchos bloques, diaclasado y fracturado. � Posee poca o ninguna presión lateral.

Teniendo en cuenta que para un RQD=49, la calidad de la roca es muy pobre (Tabla 5).

Tabla 5. Descripción y Clasificación por el parámetro RQD.

A partir del dato obtenido anteriormente, la Tabla 6, recomienda el tipo de soporte para túneles en toca (6m a 12m de diámetro), del cual se obtiene que:

RECOMENDACIONES DE SOPORTE PARA EL TÚNEL CON BASE EN EL RQD

CALIDAD DE MÉTODO SISTEMAS ALTERNATIVOS DE SOPORTE


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LA ROCA CONSTRUCTIVO DEL TÚNEL ARCOS METÁLICOS

PERNOS DE ANCLAJE

CONCRETO LANZADO

Pobre

25<RQD<50

Tuneladora

Arcos medianos circulares separados de 3 a 4 ft (0.91 m a 1.22 m) entre centros.

Carga de la roca= (1.0 – 1.6)B

Patrón de 3 a 5 ft (0.91 m a 1.52 m) entre centros.

4 a 6 in (0.10 a 0.15 m) en la clave y lados, combinado con pernos.

Convencional

Arcos medianos pesados separados de 2 a 4 ft (0.61 m a 1.22 m) entre ejes.


Patrón de 2 a 4 ft (0.61 m a 1.22 m) entre centros.

6 o más in (0.15 m o más) en la clave y lados, combinado con pernos.

Tabla 6. Recomendaciones de soporte para el túnel con base en el RQD


7-15

7. CLASIFICACIÓN RSR (ROCK STRUCTURE RATING) La propuesta del índice RSR en 1972 fue un avance importante en la clasificación de macizos rocosos. Por primera vez se construía un índice a partir de datos cuantitativos de la roca. Era pues, un sistema completo con menos influencia de aspectos subjetivos. Se calculaba sumando tres contribuciones (A, B y C) relacionados con aspectos geológicos generales (A), fracturación y dirección del avance (B) y condiciones de agua y de las juntas (C). Estas tablas no corresponden a la clasificación original (1972) sino a la versión actualizada de 1974 tal y como la recoge Bieniawski (1984). Este índice y las recomendaciones para el sostenimiento se basaron fundamentalmente en túneles sostenidos mediante cerchas. Los autores resumieron en gráficos correspondientes a diferentes diámetros de túnel el sostenimiento necesario para cada valor de RSR. Cálculo del parámetro A – Aspectos geológicos generales � Tipo de roca básico: Ígnea - Metamórfica � Estructura geológica: moderadamente fallada o plegada.

Tabla 7. Parámetro A: Aspectos Geológicos Generales

De acuerdo con la Tabla 7, el Parámetro A = 15, para la roca ígnea, para la roca metamórfica A = 10.

Cálculo del parámetro B – Fracturación y dirección del avance � El túnel es perpendicular, en contra del avance principal.

� Promedio de separación de juntas: Teniendo en cuenta que la calidad de la roca es pobre con

RQD=49, se estima que las juntas o discontinuidades están estrechamente unidas con separación entre 6 y 12 pulgadas (15 y 30 cm). Así mismo, debido a la esquistosidad presente en la roca, caracterizada por la disposición de los minerales en hojas alineadas, susceptibles de poder ser separadas por estos planos.


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Figura 2 .Esquistosidad.

� La inclinación de la estratificación (70 grados) es vertical, debido a que está en el rango 50-90

grados.

Tabla 8. Parámetro B: Patrón de juntas y dirección de avance

De acuerdo con la Tabla 8, el Parámetro B = 22 Cálculo del parámetro C – condiciones de agua y de las juntas calidad general del macizo rocoso, debido a los parámetros A y B combinados: � Parámetro A + B = 15 + 22 = 37 (Roca ígnea) � Parámetro A + B = 10+ 22 = 32 (Roca metamórfica) � El rango para ambos tipos de roca está entre 13 – 44. � Condición de la junta: pobre, debido a que está severamente erosionada y alterada. � Caudal = 10 lit/m/min, por c/100 m.

+3>?3@ = 10@A=100; ∗ ;AC ∗

1D3,7854118@A= ∗

0.3048;1<= = 0,0806 D

<= ∗ ;AC ∗ 1000<= = 8,06D2;

Tabla 9. Parámetro C: Agua subterránea y condición de la junta


7-17

De acuerdo con la Tabla 9, el Parámetro C = 9 Cálculo de RSR El número RSR, se calcula por medio de la ecuación: $,$ = F 8 7 8 +

$,$ = 15 8 22 8 9 = 46 (Roca Ígnea) $,$ = 10 8 22 8 9 = 41 (Roca Metamórfica)

Estimación del soporte del túnel Para estimar el soporte requerido para el túnel con RSR promedio = 46 + 41/2 = 44, se utiliza la Gráfica 1

Gráfica 1. Carta de Soporte para el Túnel

+3GD3?HGIJ3 = 2500 @K<=L ∗1MD2.2@K ∗

1<=L-30.48J;.L

+3GD3?HGIJ3 = 1.22 MDJ;L = 12.200MD;L

7.1.1 Soporte con arco de acero De acuerdo con la Gráfica 1, el arco de soporte seleccionado es 8 WF 31, separado 6.10 ft (1.90 m). Opcionalmente se pueden emplear: 7.1.2 Pernos de anclaje

De acuerdo con la Gráfica 1, los pernos de roca son de una (1) pulgada de diámetro (25 mm) espaciados cada 3.3 ft (1 m).


7-18

7.1.3 Concreto lanzado

De acuerdo con la Gráfica 1, el espesor de concreto lanzado es de 2.9 pul (7 cm).


8-19

8. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BIENIAWSKI – RMR (ROCK MASS RATING 1973, 1989)

En este sistema el índice RMR se obtiene como suma de cinco números que son a su vez función de: � La resistencia a la compresión simple de la roca matriz � RQD � Espaciamiento de las discontinuidades � Condición de las discontinuidades � Condición del agua � Orientación de las discontinuidades

Resistencia a la compresión simple de la roca matriz Para el valor de RCS=100 Mpa, se obtiene una calificación de 12.

Tabla 10. Clasificación geomecánica de macizos rocosos por el sistema RMR

Índice de calidad de la roca (RQD) Para el valor de RQD=49, se obtiene una calificación de 8. Espaciamiento de discontinuidades

Para RQD = 49%, el espaciamiento entre discontinuidades = 9 cm = 90 mm (Tabla 5), se obtiene una calificación de 8.

Condición de las discontinuidades

Para separación de diaclasas de 100 mm, se obtiene una calificación de 10.


8-20

Condición del agua subterránea El caudal de agua subterránea es de 10 lit/m/min por cada 100 m de longitud de túnel = 0,1lit/min), valor menor de 10lit/min, se obtiene una calificación de 10. Nota: El valor de la calificación de cada parámetro se tomó de la Tabla 10. Clasificación geomecánica de macizos rocosos por el sistema RMR Cálculo del RMR

$1$ = 12 8 8 8 8 8 10 8 10

$1$ = 48 Ajuste de la calificación por orientación de las discontinuidades El túnel avanza con el buzamiento de 70º en contra del avance principal. De acuerdo con la Tabla 11, cuando se avanza con el buzamiento de 70 en contra del avance principal, la condición es “menos favorable (Fair)”.

Tabla 11. Efecto de la discontinuidad, la dirección y el buzamiento en el túnel

De acuerdo a las condiciones obtenidas en la Tabla 12, se obtienen los siguientes valores para el ajuste del RMR:

Tabla 12. Valores de ajuste para el RMR

+IC?AJAóC;HCI0<3OIG3K@H$1$ = 48 − 5 = 43 Con el valor de RMR = 43, se evalúa la calidad del macizo rocoso, el cual está en el rango de 41-60, por tanto se obtiene Clase No. III, el cual corresponde a una regular. (Tabla 13)


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Tabla 13. Clasificación del macizo rocoso determinado a partir de la calificación total

Con la Clase No.III, se obtienen las características resistentes del macizo (Tabla 14) � Promedio de tiempo sin soporte = Una semana para una luz libre de 5m. � Cohesión del macizo rocoso = 200 – 300 KPa. � Ángulo de fricción del macizo rocoso = 25º – 35º

Tabla 14. Características resistentes del macizo rocoso

Presión de soporte (P) La presión de soporte se puede determinar a partir de la siguiente ecuación:

P = Q100 − $1$100 R ∗ S ∗ 7 = S ∗ T9 Donde: P, es la presión de soporte.

T9 = UVWWXYZYVWW [ ∗ 7,altura de la roca en metros

B, ancho del túnel en metros (B = 12 m). RMR, calificación del macizo rocoso a partir de la clasificación geomecánica (RMR = 37, menor valor, por ser la condición más desfavorable). S, densidad de la roca en kg/m3 (S = 2400 kg/m3).

P = Q100 − 43100 R ∗ 2400 MD;\ ∗ 12;

P = 164165 MD;L


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Módulo de Young del macizo rocoso (EM)

Para RMR < 50, se tiene que:

]Z = 10YZYXVW^W _P3

]Z = 10^\XVW^W _P3

]Z = 6,7_P3

En la Gráfica 2, para un RMR = 43 se tiene que el tiempo sin soporte y la luz libre del techo, en promedio están en rangos cercanos a los indicados en la Tabla 14.

Gráfica 2. Clasificación geomecánica de macizos rocosos para minería y túneles

Recomendaciones de soporte de acuerdo con la clasificación geomecánica RMR Teniendo en cuenta el valor de RMR obtenido, se obtienen las recomendaciones de soporte (Tabla 15)

CLASE DE MACIZO ROCOSO

EXCAVACIÓN PERNOS (20 mm de diámetro inyectados

SOPORTE CON CONCRETO LANZADO

ARMADURA EN ACERO

III. Roca Regular RMR: 41 - 60

Galería superior: 1.5 - 3 m de avance en media

sección. Inicio del soporte después de cada voladura. Soporte completo a 10 m

del frente.

Pernos sistemáticos, 4 m

de longitud espaciados 1.5 - 2 m en la corona y

hastiales con malla en la corona

50 - 100 mm en la corona y 30

mm por los lados Ninguno


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Tabla 15. Guía para excavación y soporte de un túnel en roca de acuerdo con la clasificación

geomecánica RMR


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9. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN Q (ROCK MASS QUALITY) El índice Q se obtiene mediante la siguiente expresión:

Donde, además del RQD, se introducen los parámetros siguientes:

� 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 asociado al agua en juntas

� SRF factor asociado al estado tensional (zonas de corte, fluencia, expansividad, tensiones “in

situ”)

La asociación de factores permite dar un sentido físico a cada uno de ellos:

• Jn/RQD Representa el tamaño del bloque medio.

• Ja/Jr Reúne términos de rugosidad, fricción y relleno de las juntas y representa

la resistencia al corte entre bloques.

• Jw/SRF Combina Condiciones de agua y tensión y, por tanto, puede representar

una tensión activa o eficaz.

Aunque en el índice Q no se menciona explícitamente la orientación de las juntas, señalan sus autores que los valores de Jr y Ja se han de referir a la familia de juntas que con más probabilidad puedan permitir el inicio de la rotura. Índice de calidad de la roca, RQD

El índice de calidad de roca (RQD) determinado es de 43, equivalente a una roca pobre, según la Tabla 5

Número de familias de discontinuidades, Jn

Teniendo en cuenta que el macizo se encuentra diaclasado en toda su longitud, se toma el valor de 12 (tres familias de diaclasas + una que no es persistente, el valor estaría entre 9 y 12, por seguridad se toma 12), Tabla 16


9-25

Tabla 16. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jn)

Número de rugosidad de las discontinuidades, Jr

La rugosidad es una medida de la forma de las superficies que conforman la discontinuidad. Una clasificación cualitativa de la rugosidad se basa en la observación de la superficie en dos escalas descriptivas. La escala intermedia (varios metros) que se divide en tres grados: escalonada, ondulada y plana y una escala pequeña (varios centímetros) que divide cada grado de la escala intermedia en: rugosa, lisa y pulida. La Figura 3 presenta una escala descriptiva comúnmente utilizada para clasificar el tipo de rugosidad. El coeficiente de rugosidad de la discontinuidad, JRC = 6 a 8 (Figura 5).

Figura 3. Escala descriptiva de observación para determinar la rugosidad (Hoek, 1981)


9-26

Figura 4. Rugosidad del macizo

Figura 5. Perfiles tipo para la determinación del coeficiente de rugosidad de la discontinuidad, JRC

La junta con un JRC = 6 – 8 es rugosa o irregular, planar, se estima por comparación de perfiles mostrados en la figura y teniendo en cuenta las características del macizo. A partir de este dato se determina Jr = 1.5, (Tabla 17), basado en la relación o el contacto entre las dos caras de la junta con poco desplazamiento lateral de menos de 10 cm.


9-27

Tabla 17. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jr)

Número por la alteración de las discontinuidades, Ja

Según la Tabla 18, para contacto entre 2 caras de la diaclasa con < de 10 cm desplazamiento lateral, y teniendo en cuenta que las diaclasas están abiertas 2 mm y rellenas de material arcilloso, se tiene que:

9.1.1 Sobreconsolidación media a baja, blandos, rellenos de minerales arcillosos. Los recubrimientos son continuos de < de 5 mm de espesor.

Para el presente macizo se adopta el numeral 7.4.2 por lo tanto Ja = 8


9-28

Tabla 18. Índices de alteración de discontinuidades (Ja)

Factor de reducción por presencia de agua, Jw

Teniendo en cuenta que el caudal de aguas de infiltración es de 10lit/ /min por c/100m de túnel (Tabla 19) se presenta una fluencia pequeña o presión baja, < 5 l/min, por lo tanto, Jw = 1

Tabla 19. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jw)

Factor de reducción por los esfuerzos, SRF

De acuerdo con la Tabla 21, la roca es competente con problemas de esfuerzos (numeral b). Se determinan las siguientes relaciones:


9-29

1. a V

Donde: a = 1001P3, $H0A0=HCJA33@3JI;2GH0AóC0A;2@H a = 100 ∗ 10 = 1000 MDJ;L

V = S ∗ T9 Donde:

S = 2.4 =;\ , &HC0A?3??H@3GIJ3

T9 = 800;, PGI<>C?A?3??H@=úCH@

V = 2.4 =;\ ∗ 800; = 1920 =

;L ∗1000MD1= ∗ 1;L

-100J;.L

V = 192 MDJ;L

a V=1000 MDJ;L192 MDJ;L

a V= 5.21

Según la Tabla No. 26, cdce = 5.56,está en el rango 10 – 5, que corresponde al numeral K

(Tensiones altas, estructura muy compacta, favorable para la estabilidad, puede ser desfavorable para la estabilidad de los hastiales), por lo tanto el número SRF están en el rango 0.5 – 2 → SRF = 2.

2. 9 V

Donde:

9 = VWWVW 1P3 = 10123, $H0A0=HCJA3?H@3GIJ33@3fG3JJAóC,la cual es la décima parte de

la Resistencia a la compresión simple.

9 = 10 ∗ 10 = 100 MDJ;L

V = 192 MDJ;\

Entonces:


9-30

9 V=100 MDJ;L192 MDJ;\

9V= 0.52

Según la Tabla 21, cgce = 0.52está en el rango 0.66 – 0.33, que corresponde al numeral K

(Tensiones altas, estructura muy compacta, favorable para la estabilidad, puede ser desfavorable para la estabilidad de los hastiales), por lo tanto el número SRF están en el rango 0.5 – 2 → Se toma SRF = 2, igual que para la relación

cdce .

Índice Q de calidad NGI

% = $%&hi ∗ hjhk ∗hl,$m

% = 4312 ∗1.58 ∗ 10,5

% = 1,3

El valor obtenido (Q=1,3), de acuerdo a la Tabla 22. Clasificación de Barton de los macizos rocosos, Indice de Calidad Q, clasifica como mala, si se reemplaza el valor de SRF por 2, se obtiene un valor de Q = 0,3, lo cual clasifica como una roca muy mala.

RQD 0-100

Jn 0,5-20

Jr 0,5-4

Ja 0,75-20

Jw 0,05-1

SRF 0,5-20

Tabla 20. Rango de variación de parámetros


9-31

Tabla 21. Calificaciones de la clasificación del sistema SRF

TIPO DE ROCA VALOR DE Q

Excepcionalmente Mala 0,001 - 0,01

Extremadamente Mala 0,01 - 0,1

Muy mala 0,1 - 1

Mala 1 - 4

Media 4 - 10

Buena 10 - 40

Muy Buena 40 - 100

Extremadamente Buena 100 - 400

Excepcionalmente Buena 400 - 1000

Tabla 22. Clasificación de Barton de los macizos rocosos, Indice de Calidad Q


9-32

9.1.2 Cálculo de la luz libre sin soporte del túnel

Ecuación:

&n = o>p@AKGH-;.$H@3JAóC?H0I2IG=H?H@3HqJ3O3JAóC],$

Donde:

ESR, es la relación de soporte de la excavación, la cual tiene que ver con el uso que se pretende dar a la excavación y hasta dónde se le puede permitir cierto de grado de inestabilidad. Barton da los valores supuestos para ESR. Indicados en la Tabla 23

Tabla 23. Valores supuestos de la relación de soporte de la excavación (ESR), según Barton

Para el presente ejercicio, correspondiente a un túnel carretero pequeño, ESR = 1.3.

Entonces:

o>p@AKGH = &n ∗ 1.3

En la Gráfica 3, para un Q = 1,3 se obtiene &n = 2,5


9-33

Gráfica 3. Relación entre la dimensión equivalente máxima de una excavación subterránea sin soporte y el índice Q de la calidad para túneles (NGI)

Entonces:

o>p@AKGH = 2,5 ∗ 1.3 = 3,25;

9.1.3 Clasificación y recomendaciones de soporte de acuerdo con el sistema de clasificación Q � Índice de calidad del macizo rocoso, % = 1,3

� Dimensión equivalente, &n = rsáun9jvwnx9úinxu.Ynxkasóiwnyv5vj9nwnxknzak{kasói|}Y =

VLV.\ = 9,23


9-34

Gráfica 4. Categorías de soporte estimadas basadas en el Índice de Calidad del Macizo Rocoso Q (Después de Grimstad y Barton, 1993)

De acuerdo con la Gráfica 4, se tiene la siguiente clasificación y recomendaciones de soporte:

9.1.3.1 Clasificación del macizo rocoso

Macizo rocoso pobre

9.1.3.2 Tipo de Soporte • Categoría de refuerzo: 5, Concreto lanzado de 5 cm de espesor con malla. • Pernos de anclaje:

- En malla, separación 1.70 m. - Longitud del perno (L): 2.9 m para ESR = 1


10-35

10. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GSI Hoek, et al (1995) han propuesto un índice geológico de resistencia, GSI (geological strength index), que evalúa la calidad del macizo rocoso en función del grado y las características de la fracturación, estructura geológica, tamaño de los bloques y alteración de las discontinuidades. Teniendo en cuenta las características del macizo se tiene una roca pobre P (Superficies de cizalla muy alteradas con rellenos compactados que contienen fragmentos rocosos), con bloques y capas (BC) (Macizo alterado, plegado y fracturado, con múltiples diaclasas que forman bloques angulosos y con baja proporción de finos). Con la relación BC/P, obtenemos un valor de GSI de 35, Los valores del GSI varía desde cerca de 10, para macizos rocosos extremadamente malas, hasta 100, para la roca intacta. Hoek y Brown y su equivalencia con el criterio de falla de Mohr Coulomb

CARACTERIZACIÓN DEL MACIZO ROCOSO PARA ESTIMAR SU RESISTENCIA

CO

ND

ICI

ÓN

DE

L

FR

EN

TE

M

UY

B

UE

NA

(M

B)

es m

uy

rugo

sas

sin

BU

EN

A

(B) nt

e al

tera

das,

co

n M

ED

IA

(M)

es s

uave

s m

oder

adam

ente

P

OB

RE

(P

) con

rell

enos

co

mpa

cta

MU

Y

PO

BR

E

(MP

) ci

zall

a m

uy

alte

rada

s co

n


10-36

Basándose en el aspecto de la roca, se elege la categoría que mejor describa las condiciones del macizo previo a la excavación. Tenga en cuenta que las voladuras pueden crear una impresión falsa sobre la calidad del macizo rocoso, en cuyo caso será necesario realizar algún tipo de ajuste por daños debidos a voladuras; la observación de núcleos de perforación y de exposiciones de roca en zonas afectadas y no afectadas por voladuras, pueden ser de gran ayuda. Para la definición del grado de fracturamiento, debe considerarse la relación entre el tamaño del bloque y la dimensión del frente de excavación.

ESTRUCTURA

BLOQUES REGULARES (BR)

BR/MB BR/B BR/M BR/P BR/MP Macizo rocoso sin alterar. Bloques en contacto de forma cúbica formados por tres familias de diaclasas ortogonales, sin relleno

BLOQUES IRREGULARES (BI)

BI/MB BI/B BI/M BI/P BI/MP Macizos rocosos parcialmente alterados. Bloques angulares en contacto formados por cuatro o más familias de diaclasas con rellenos de baja proporción de finos

BLOQUES Y CAPAS (BC)

BC/MB BC/B BC/M BC/P BC/MP Macizo alterado, plegado y fracturado, con múltiples diaclasas que forman bloques angulosos y con baja proporción de finos

FRACTURACIÓN INTENSA (FI)

FI/MB FI/B FI/M FI/P FI/MP Macizo rocoso muy fracturado formado por bloques angulosos y redondeados, con alto contenido de finos

Tabla 24. Caracterización de macizos rocosos con base en su grado de fracturamiento y estado de las diaclasas (Hoek y Brown, 1997.

NDICE GEOLÓGICO DE RESISTENCIA GSI (Geolgical Strenght Index)

CO

ND

ICIÓ

N

DE

L

FR

EN

TE

B

UE

NA

m

uy

rugo

sas

sin

B

UE

NA

(B

) m

ente

al

tera

das,

M

ED

IA

(M) s

mod

era

dam

PO

BR

E

(P)

rell

enos

co

mp

acta

dP

OB

RE

a

muy

al

tera

das

con


10-37

A partir de la clasificación de la tabla anterior, se selecciona el recuadro correspondiente y se

obtiene, en este ábaco, el valor medio del GSI.

ESTRUCTURA


Macizo rocoso sin alterar. Bloques en contacto de forma cúbica formados por tres familias de diaclasas ortogonales, sin relleno


Macizos rocosos parcialmente alterados. Bloques angulosos en contacto formados por cuatro o más familias de diaclasas con rellenos de baja proporción de finos.


Macizo alterado, plegado y fracturado con múltiples diaclasas que forman bloques angulosos y con baja proporción de finos


Macizo rocoso muy fracturado, formado por bloques angulosos y redondeados, con alto contenido de finos.

Tabla 25. Estimación del Índice GSI con base en descripciones geológicas (Hoek y Brown, 1997.

Hoek y Brown y su equivalencia con el criterio de falla de Mohr Coulomb PROCEDIMIENTO Una vez establecidos sci, mi y el Índice GSI, se calculan los parámetros que describen las características de resistencia del macizo rocoso, mediante las siguientes ecuaciones:

80

70

60

50

40

30 20

10

−=

28

100exp

GSImm ib


10-38

Cuando GSI > 25 (macizo rocoso de calidad entre buena y razonable): Cuando GSI < 25 (macizo rocoso de calidad muy pobre): La resistencia a la tensión del macizo rocoso, se estima como:

mb = 1,67

s = 0,0007

a = 0,5

stm = -0,04 MPa

Esfuerzo máximo efectivo en la falla Cuando GSI > 0.25 (a = 0.5): Cuando GSI < 25: Relación entre el esfuerzo normal y el esfuerzo cortante en términos de los esfuerzos principales efectivos Relación entre el esfuerzo normal y el esfuerzo cortante en términos de los esfuerzos principales efectivos

−=

9

100exp

GSIs 0=a

20065.0

GSIa −=0=s

+−= smm bb

citm 4

22σ

σ

a

ci

bci sm

++=

σ

σσσσ

''' 3

31

( )''21'

'

313

1

σσ

σσ

σ−

+=∂

∂ cibm 1

3

3

1'

1''

−

+=

∂∂

a

ci

a

bmaσ

σσ

σ

1''

''''

3

1

313

+∂∂

−+=

σσ

σσσσ n

( ) ''''

3

131 σ

σσστ∂

∂−=

=

ci

Yσ

τlog

−=

ci

tmnXσ

σσ 'log

( )TXX

TYXXYB

/)(

/22 Σ−Σ

ΣΣ−Σ= ( ))/(/^10 TXBTYA Σ−Σ=

XBAY += log


10-39

Esfuerzo cortante en la envolvente de resistencia de Mohr Parámetros de la envolvente de Mohr Angulo de fricción en la envolvente recta de Mohr-Coulomb Resistencia cohesiva en la envolvente recta de Mohr-Coulomb

B

ci

tmncic A

−=

σ

σσστ

'

1

1'sin

+

−=

k

kφ

( )'cos2

'sin1'

φ

φσ −= cmc


11-40

11. CLASIFICACIÓN RMI (ÍNDICE DEL MACIZO ROCOSO) El método de sostenimiento RMI (Índice del Macizo Rocoso –Rock Mass index) fue introducido en 1995 como resultado de una Tesis Doctoral que optaba al grado de Ph.D., llevada a cabo en la Universidad de Oslo, Noruega. El método pide como datos de entrada, los principales rasgos que influencian las propiedades del macizo rocoso; para ser expresados como la resistencia a la compresión uniaxial del macizo rocoso, el RMi puede utilizarse en varias aplicaciones, adicionales a su uso en la estimación del sostenimiento, tales como:

� Caracterización de la resistencia y deformabilidad del macizo rocoso. � Cálculo de las constantes del criterio de rotura de Hoek y Brown para macizos

rocosos � Valoración o estimación del grado de penetración de máquinas tuneladoras a

sección completa (TBM).

El índice del macizo rocoso (RMi, Rock Mass index). El índice del macizo rocoso es un parámetro volumétrico que indica, de forma aproximada, la resistencia uniaxial a compresión de un macizo rocoso. Se expresa cómo:

Los símbolos en las expresiones anteriores representan: σc = La resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta, medida sobre muestras de

50 mm de diámetro. (100 MPa) JC Factor de estado (o condición) de las diaclasas, el cual es una medida combinada de:

el factor de tamaño y continuidad de las diaclasas (jL), el factor de rugosidad de las diaclasas (jR), y del factor de la alteración de las diaclasas (JA); expresado como:

h+ = ho × h$hF = 3 ×1.58.0 = 0,6

Vb: El volumen del bloque medido o expresado en m3; Nota: Teniendo en cuenta que el macizo presenta zonas que contienen principalmente arcillas, la estimación aproximada del sostenimiento puede llevarse a cabo, usando un volumen de bloque mínimo nominal de Vb =1 cm3 (0.01m3) JP: El parámetro del diaclasado, el cual incorpora los principales rasgos del macizo

rocoso.

& = 0.37 × h+XW.L = 0.37 × 0.6XW.L = 1.12

hP = 0,2~h+ × �Kr


11-41

$1/ = 100 × 0.2 ×√0.6 × 0.01V.VL = 0.09

De acuerdo a la Tabla 26 el RMI es bajo.

RMI CALIFICACIÓN MUY BAJO <0.01

BAJO 0.01 – 0.1 MODERADO 0.1 – 1

ALTO 1 – 10 MUY ALTO <10

Tabla 26. Calificación sistema RMI

SISTEMA DE CLASIFICACIÓN

CLASIFICACIÓN DEL MACIZO

ROCOSO

RECOMENDACIONES GENERALES

RECOMENDACIONES DE SOPORTE

PERNOS DE

ANCLAJE

CONCRETO LANZADO

ARCOS METÁLICOS

ISRM Media - Alta

TERZAGHI

Se presenta en muchos bloques, diaclasado y

fracturado.


11-42

Posee poca o ninguna presión lateral.

RSR

RSR = 46 (Roca ígnea), RSR =41 (Roca metamórfica)

Una (1) pulgada de

diámetro (25 mm)

espaciados cada 3.3 ft (1

m).

espesor de 2.9 pul (7 cm).

8 WF 31, separado 6.10 ft (1.90 m). Roca pobre. Carga de

roca = 12,200kg/m2

RMR

RMR = 48 Galería superior: 1.5 -

3 m de avance en media sección. Inicio

del soporte después de cada voladura. Soporte

completo a 10 m del frente.

Sistemáticos, 4 m de

longitud espaciados 1.5 - 2 m en la corona y

hastiales con malla en la

corona

50 - 100 mm en la corona y

30 mm por los lados

Ninguno

Clase III: Roca Regular

Cohesión = 200 – 300 KPa

Ángulo de fricción = 25 – 35°

Q

Q = 1,3 Luz libre sin soporte =

3,25 m.

En malla separados

cada 1.70 m 5 cm de espesor con

malla.

Macizo rocoso pobre Longitud del perno 2,9 m para ESR= 1

GSI 35, Macizo rocoso malo.

RMI 0,09, Macizo rocoso malo

Tabla 27. Resumen comparativo de clasificaciones del macizo rocoso y recomendaciones de soporte del túnel vial


12-43

12. DISEÑO DEFINITIVO DE SOPORTE DEL TÚNEL De acuerdo con las recomendaciones de soporte del túnel vial, obtenidas de los diferentes sistemas de clasificación, a continuación se presenta el diseño definitivo de soporte del túnel: Pernos de anclaje:

� En malla separados cada 1.70 m � Longitud del perno 2,9 m para ESR= 1

Concreto lanzado:

� 5 cm de espesor con malla. Arcos metálicos

� 8 WF 31, separado 6.10 ft (1.90 m).


13-44

13. CLASIFICACIÓN INDIRECTA

Correlación entre RSR y Q y entre RMR y Q

1) Correlación entre RSR y Q $,$ = 13.3@ID% 8 46.5

Se tiene que:

oID% = $,$ − 46.513.3

Roca ígnea:

oID% = 46 − 46.513.3

% = 0.917 Roca metamórfica:

oID% = 41 − 46.513.3

% = 0.386 2) Correlación entre RMR y Q

$1$ = 13.5@ID% 8 43 Se tiene que:

oID% = $1$ − 4313.5

oID% = 43 − 4313.5

% = 1

El valor obtenido por medio de la clasificación fue de 1.3, y de acuerdo a la desviación estándar para ambos, (7.0 y 9.4 respectivamente) está dentro del rango.


14-45

14. CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Y RECOMENDACIONES DE SOPORTE DE UN TÚNEL VIAL TRAMO II

Planteamiento del problema

Profundidad (cobertura) 800 m

Longitud 5000 m

Ancho 12 m

Altura 8 m

Características Camino de herradura,

Macizo Ígneo- metamórfico (diorita-esquisto-grafitico), 2.4 Ton/m3. Diaclasado en toda su longitud.

k σh/ σv = 1.3

Tabla 28. Datos iníciales del túnel

Longitud 500 m

Kinicio K2+500

# de diaclasas/ m3 (jv) 30

(Is) 2 Mpa

Avance del Túnel dd= Este – Oeste 70°

Presencia de agua media en el túnel 25L/min por c/100m

Apertura de diaclasas

Tipo de Avance Con explosivos

Tabla 29. Datos del Tramo II


15-46

15. CÁLCULOS TRAMO II Cálculo del esfuerzo horizontal

�� = �� = ��× . �� /��

�� = �� /�

�� = �� ×�� × �

�� = ��/��

�� = �� = ��, ��

Cálculo del índice de calidad de la roca RQD (Rock Quality Designation) El RQD se calcula mediante la siguiente ecuación:

RQD = 115 − 3.3 × J# Donde: Jv es el número diaclasas por m3 = 20

$%& = 115 − 3.3 × 30

$%& = 16 Cálculo de la resistencia a la compresión simple

$+, = -20 − 24. × /0 (Se asume un valor de 20)

$+, = -24. × 2 = 48123


16-47

16. CLASIFICACIÓN ISRM (SOCIEDAD INTERNACIONAL DE MECÁNICA DE ROCAS), 1970 Con el valor de la Resistencia a la compresión simple = 48Mpa, ingresamos a la Tabla 30, y según la clasificación ISRM, obtenemos un tipo de roca entre moderada y media.

Tabla 30. Distintas Clasificaciones según autor


17-48

17. CLASIFICACIÓN DE TERZAGHI (1946)

Tabla 31. Clasificación modificada por Deere et al (1970) sobre la de Terzaghi

Altura de presión de soporte ó carga de roca (Hp)

Para RQD = 16%, en la Tabla 31, la altura de presión de soporte o carga de roca inicial es:


17-49

45 = 1.1+ Donde:

+ = 7 849 Siendo:

B = Ancho del túnel = 12 m

Ht = Altura del túnel = 8 m

Entonces:

+ = 12 8 8 = 20; 45 = 1.1 × 20; = 22;

45 = 22; × 1<=0.3048; = 72.18<=

Condición del macizo rocoso:

� Completamente triturado. � Posee poca o ninguna presión lateral.

Teniendo en cuenta que para un RQD=16, la calidad de la roca es muy pobre (Tabla 32).

Tabla 32. Descripción y Clasificación por el parámetro RQD.

A partir del dato obtenido anteriormente, la Tabla 33, recomienda el tipo de soporte para túneles en toca (6m a 12m de diámetro), del cual se obtiene que:


CALIDAD DE LA ROCA

MÉTODO CONSTRUCTIVO

DEL TÚNEL

SISTEMAS ALTERNATIVOS DE SOPORTE

ARCOS METÁLICOS PERNOS DE ANCLAJE

CONCRETO LANZADO


17-50


CALIDAD DE LA ROCA

MÉTODO CONSTRUCTIVO

DEL TÚNEL

SISTEMAS ALTERNATIVOS DE SOPORTE

ARCOS METÁLICOS PERNOS DE ANCLAJE

CONCRETO LANZADO

Muy pobre

RQD<25

Tuneladora

Arcos medianos circulares separados de 3 ft entre centros.


Patrón de 2 a 4 ft entre centros.


Convencional (Perforación y

voladura)

Arcos pesados separados de 2 ft entre centros.


Patrón de 3 ft entre centros.


Tabla 33. Recomendaciones de soporte para el túnel con base en el RQD


18-51

18. CLASIFICACIÓN RSR (ROCK STRUCTURE RATING) Cálculo del parámetro A – Aspectos geológicos generales � Tipo de roca básico: Ígnea - metamórfica � Estructura geológica: moderadamente fallada o plegada.

Tabla 34. Parámetro A: Aspectos Geológicos Generales

De acuerdo con la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.Tabla 34, el Parámetro A = 15, para la roca ígnea, para la roca metamórfica A = 10.

Cálculo del parámetro B – Fracturación y dirección del avance � El túnel es perpendicular, en contra del avance principal.

� Promedio de separación de juntas: Teniendo en cuenta que la calidad de la roca es muy pobre

con RQD=16, se estima que las juntas o discontinuidades están estrechamente unidas con separación entre 2 y 6 pulgadas (5 y 15 cm).

� La inclinación de la estratificación (70 grados) es vertical, debido a que está en el rango 50-90 grados.

Tabla 35. Parámetro B: Patrón de juntas y dirección de avance


18-52

De acuerdo con la Tabla 35, el Parámetro B = 17 Cálculo del parámetro C – condiciones de agua y de las juntas calidad general del macizo rocoso, debido a los parámetros A y B combinados: � Parámetro A + B = 15 + 17 = 32 (Roca ígnea) � Parámetro A + B = 10+ 17 = 27 (Roca metamórfica) � El rango para ambos tipos de roca está entre 13 – 44. � Condición de la junta: pobre, debido a que está severamente erosionada y alterada. � Caudal = 25 lit/ /min, por c/100 m �

+3>?3@ = 25@A=100; ∗ ;AC ∗

1D3,7854118@A= ∗

0.3048;1<= = 0,02158 D

<= ∗ ;AC ∗ 1000<= = 20,16D2;

Tabla 36. Parámetro C: Agua subterránea y condición de la junta

De acuerdo con la Tabla 36, el Parámetro C = 9 Cálculo de RSR El número RSR, se calcula por medio de la ecuación: $,$ = F 8 7 8 +

$,$ = 15 8 17 8 9 = 41 (Roca Ígnea) $,$ = 10 8 17 8 9 = 38 (Roca Metamórfica)

Estimación del soporte del túnel Para estimar el soporte requerido para el túnel con RSR = 41+38/2= 40, se utiliza la Gráfica 5


18-53

Gráfica 5. Carta de Soporte para el Túnel

+3GD3?HGIJ3 = 3000 @K<=L ∗1MD2.2@K ∗

1<=L-30.48J;.L

+3GD3?HGIJ3 = 1.47 MDJ;L = 14.700MD;L

18.1.1 Soporte con arco de acero De acuerdo con la Gráfica 5, el arco de soporte seleccionado es 8 WF 31, separado 4.80 ft (1.46 m). Opcionalmente se pueden emplear: 18.1.2 Pernos de roca

De acuerdo con la Gráfica 5, los pernos de roca son de una (1) pulgada de diámetro (25 mm) espaciados cada 2.8 ft (0.90 m). 18.1.3 Concreto lanzado

De acuerdo con la Gráfica 5, el espesor de concreto lanzado es de 3.4 pul (8.6 cm).


19-54

19. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BIENIAWSKI – RMR (ROCK MASS RATING 1973, 1989)

En este sistema el índice RMR se obtiene como suma de cinco números que son a su vez función de: � La resistencia a la compresión simple de la roca matriz � RQD � Espaciamiento de las discontinuidades � Condición de las discontinuidades � Condición del agua � Orientación de las discontinuidades

Resistencia a la compresión simple de la roca matriz Para el valor de RCS=40 Mpa, se obtiene una calificación de 4.

Tabla 37. Clasificación geomecánica de macizos rocosos por el sistema RMR

Índice de calidad de la roca (RQD) Para el valor de RQD=16, se obtiene una calificación de 3. Espaciamiento de discontinuidades

Para RQD = 49%, el espaciamiento entre discontinuidades = 7 cm = 70 mm (Tabla 5), se obtiene una calificación de 8.

Condición de las discontinuidades

Para separación de diaclasas de 70 mm, se obtiene una calificación de 8.


19-55

Condición del agua subterránea El caudal de agua subterránea es de 25 lit/m/min por cada 100 m de longitud de túnel, valor que menor de 10 lit/min, se obtiene una calificación de 10 Nota: El valor de la calificación de cada parámetro se tomó de la Tabla 37. Clasificación geomecánica de macizos rocosos por el sistema RMR Cálculo del RMR

$1$ = 4 8 3 8 8 8 10 8 10 $1$ = 35

Ajuste de la calificación por orientación de las discontinuidades El túnel avanza con el buzamiento de 70º en contra del avance principal. De acuerdo con la Tabla 38, cuando se avanza con el buzamiento de 70 en contra del avance principal, la condición es “menos favorable (Fair)”.

Tabla 38. Efecto de la discontinuidad, la dirección y el buzamiento en el túnel

De acuerdo a las condiciones obtenidas en la Tabla 39, se obtienen los siguientes valores para el ajuste del RMR:

Tabla 39. Valores de ajuste del RMR

+IC?AJAóC;HCI0<3OIG3K@H$1$ = 35 − 5 = 30 Con el valor de RMR=30, se evalúa la calidad del macizo rocoso, el cual es < de 20, por tanto se obtiene Clase No. IV, el cual corresponde a una roca muy pobre. (Tabla 40)


19-56

Tabla 40. Clasificación del macizo rocoso determinado a partir de la calificación total

Con la Clase No. IV, se obtienen las características resistentes del macizo (Tabla 41) � Promedio de tiempo sin soporte = 10 horas para una luz libre de 2,5 m. � Cohesión del macizo rocoso = 100 - 200 KPa. � Ángulo de fricción del macizo rocoso = 15º - 25°

Tabla 41. Características resistentes del macizo rocoso

Presión de soporte (P) La presión de soporte se puede determinar a partir de la siguiente ecuación:

P = Q100 − $1$100 R ∗ S ∗ 7 = S ∗ T9 Donde: P, es la presión de soporte.

T9 = UVWWXYZYVWW [ ∗ 7,Altura de la roca en metros

B, ancho del túnel en metros (B = 12 m). RMR, calificación del macizo rocoso a partir de la clasificación geomecánica (RMR = 30, menor valor, por ser la condición más desfavorable). S, densidad de la roca en kg/m3 (S = 2400 kg/m3).

P = Q100 − 30100 R ∗ 2400 MD;\ ∗ 12;

P = 21060 MD;L Módulo de Young del macizo rocoso (EM)

Para RMR < 50, se tiene que:


19-57

]Z = 10YZYXVW^W _P3

]Z = 10\WXVW^W _P3

]Z = 3,2_P3

En la Gráfica 6, para un RMR = 30 se tiene que el tiempo sin soporte y la luz libre del techo, en promedio están en rangos cercanos a los indicados en la Tabla No. 16

Gráfica 6. Clasificación geomecánica de macizos rocosos para minería y túneles

Recomendaciones de soporte de acuerdo con la clasificación geomecánica RMR Teniendo en cuenta el valor de RMR obtenido, se obtienen las recomendaciones de soporte (Tabla 42)

EXCAVACIÓN PERNOS (20 mm de diámetro inyectados

SOPORTE CON CONCRETO LANZADO

ARMADURA EN ACERO

Galería superior: 1 - 1,5 m de avance en media

sección. Inicio del soporte después de cada voladura. Soporte completo a 10 m

del frente.

Pernos sistemáticos, 4 m de longitud

espaciados 1.5 - 2 m en la corona y

hastiales con malla en la corona

100 - 150 mm en la corona y 30 mm por

los lados

Ligera a media, espaciadas 1,5 m donde

se requiera.


19-58

Tabla 42. Guía para excavación y soporte de un túnel en roca de acuerdo con la clasificación

geomecánica RMR


20-59

20. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN Q (ROCK MASS QUALITY) El índice Q se obtiene mediante la siguiente expresión:

Donde, además del RQD, se introducen los parámetros siguientes:

� 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 asociado al agua en juntas

� SRF factor asociado al estado tensional (zonas de corte, fluencia, expansividad, tensiones “in

situ”)

La asociación de factores permite dar un sentido físico a cada uno de ellos:

• Jn/RQD Representa el tamaño del bloque medio.

• Ja/Jr Reúne términos de rugosidad, fricción y relleno de las juntas y representa

la resistencia al corte entre bloques.

• Jw/SRF Combina Condiciones de agua y tensión y, por tanto, puede representar

una tensión activa o eficaz.

Aunque en el índice Q no se menciona explícitamente la orientación de las juntas, señalan sus autores que los valores de Jr y Ja se han de referir a la familia de juntas que con más probabilidad puedan permitir el inicio de la rotura. Índice de calidad de la roca, RQD

El índice de calidad de roca (RQD) determinado es de 30, equivalente a una roca muy pobre, según la Tabla 32

Número de familias de discontinuidades, Jn

Teniendo en cuenta que el macizo se encuentra diaclasado en toda su longitud, se toma el valor de 15 (tres familias de diaclasas + una que no es persistente, el valor estaría entre 9 y 12, por seguridad se toma 12), Tabla 43.


20-60

Tabla 43. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jn)

Número de rugosidad de las discontinuidades, Jr

La rugosidad es una medida de la forma de las superficies que conforman la discontinuidad. Una clasificación cualitativa de la rugosidad se basa en la observación de la superficie en dos escalas descriptivas. La escala intermedia (varios metros) que se divide en tres grados: escalonada, ondulada y plana y una escala pequeña (varios centímetros) que divide cada grado de la escala intermedia en: rugosa, lisa y pulida. Figura 6 presenta una escala descriptiva comúnmente utilizada para clasificar el tipo de rugosidad. El coeficiente de rugosidad de la discontinuidad, JRC = 6 a 8 (Figura 8).

Figura 6. Escala descriptiva de observación para determinar la rugosidad (Hoek, 1981)

Figura 7. Rugosidad del macizo


20-61

Figura 8. Perfiles tipo para la determinación del coeficiente de rugosidad de la discontinuidad, JRC

La junta con un JRC = 6 – 8 es rugosa o irregular, planar, se estima por comparación de perfiles mostrados en la figura y teniendo en cuenta las características del macizo. A partir de este dato se determina Jr = 1.5, (Tabla 44), basado en la relación o el contacto entre las dos caras de la junta con poco desplazamiento lateral de menos de 10 cm.

Tabla 44. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jr)


20-62

Número por la alteración de las discontinuidades, Ja

Según la Tabla 45, para contacto entre 2 caras de la diaclasa con < de 10 cm desplazamiento lateral, y teniendo en cuenta que las diaclasas están abiertas 2 mm y rellenas de material arcilloso, se tiene que:

20.1.1 Sobreconsolidación media a baja, blandos, rellenos de minerales arcillosos. Los recubrimientos son continuos de < de 5 mm de espesor.

Para el presente macizo se adopta el numeral 7.4.1 por lo tanto Ja = 8.

Tabla 45. Índices de alteración de discontinuidades (Ja)

Factor de reducción por presencia de agua, Jw

Teniendo en cuenta que el caudal de aguas de infiltración es de 25lit/ /min por c/100m de túnel (Tabla 47) se presenta una fluencia pequeña o presión baja < 5 l/min, por lo tanto, Jw = 1


20-63

Tabla 46. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jw) Factor de reducción por los esfuerzos, SRF

De acuerdo con la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., la roca es competente con problemas de esfuerzos (numeral b). Se determinan las siguientes relaciones:

1. a V

1. a V

Donde: a = 481P3, $H0A0=HCJA33@3JI;2GH0AóC0A;2@H a = 48 ∗ 10 = 480 MDJ;L V = S ∗ T9

Donde:

S = 2.4 =;\ , &HC0A?3??H@3GIJ3

T9 = 800;, PGI<>C?A?3??H@=úCH@ V = 2.4 =

;\ ∗ 800; = 1920 =;L ∗

1000MD1= ∗ 1;L

-100J;.L

V = 192 MDJ;L

a V=480 MDJ;L192 MDJ;L

a V= 2,50

Según la Tabla 48, cdce = 2,50,está en el rango de 2,5 a 5,0 que corresponde al numeral L (Roca

solida), por lo tanto el número SRF están en el rango 5 - 10 → SRF = 10


20-64

2. 9 V

Donde:

9 = ^�VW1P3 = 4,8123, $H0A0=HCJA3?H@3GIJ33@3fG3JJAóC,la cual es la décima parte de

la Resistencia a la compresión simple.

9 = 4,8 ∗ 10 = 48 MDJ;L

V = 192 MDJ;\

Entonces:

9V=48 MDJ;L192 MDJ;\

9V= 0.25

Según la Tabla 48, cgce = 0.21,está en el rango 0.16 – 0.33, que corresponde al numeral L (Roca

sólida), por lo tanto el número SRF están en el rango 5 - 10 → Se toma SRF = 10, igual que para la relación

cdce .

Índice Q de calidad NGI

% = $%&hi ∗ hjhk ∗hl,$m

% = 3012 ∗1.58 ∗ 110

% = 3,0

El valor obtenido (Q=3,0), de acuerdo a la Tabla 49. Clasificación de Barton de los macizos rocosos, Indice de Calidad Q, clasifica como muy mala.

RQD 0-100

Jn 0,5-20

Jr 0,5-4


20-65

Ja 0,75-20

Jw 0,05-1

SRF 0,5-20

Tabla 47. Rango de variación de parámetros

Tabla 48. Calificaciones de la clasificación del sistema SRF

TIPO DE ROCA VALOR DE Q

Excepcionalmente Mala 0,001 - 0,01

Extremadamente Mala 0,01 - 0,1

Muy mala 0,1 - 1

Mala 1 - 4

Media 4 - 10

Buena 10 - 40

Muy Buena 40 - 100

Extremadamente Buena 100 - 400

Excepcionalmente Buena 400 - 1000


20-66

Tabla 49. Clasificación de Barton de los macizos rocosos, Indice de Calidad Q

20.1.2 Cálculo de la luz libre sin soporte del túnel

Ecuación:

&n = o>p@AKGH-;.$H@3JAóC?H0I2IG=H?H@3HqJ3O3JAóC],$

Donde:

ESR, es la relación de soporte de la excavación, la cual tiene que ver con el uso que se pretende dar a la excavación y hasta dónde se le puede permitir cierto de grado de inestabilidad. Barton da los valores supuestos para ESR. Indicados a continuación en la Tabla 50

Tabla 50. Valores supuestos de la relación de soporte de la excavación (ESR), según Barton

Para el presente ejercicio, correspondiente a un túnel carretero pequeño, ESR = 1.3.

Entonces:

o>p@AKGH = &n ∗ 1.3

En la Gráfica 7, para un Q = 1,3 se obtiene &n = 2,5


20-67

Gráfica 7. Relación entre la dimensión equivalente máxima de una excavación subterránea sin soporte y el índice Q de la calidad para túneles (NGI)

Entonces:

o>p@AKGH = 2,5 ∗ 1.3 = 3,25;

20.1.3 Clasificación y recomendaciones de soporte de acuerdo con el sistema de clasificación Q � Índice de calidad del macizo rocoso, % = 1,3

� Dimensión equivalente, &n = rsáun9jvwnx9úinxu.Ynxkasóiwnyv5vj9nwnxknzak{kasói|}Y =

VLV.\ = 9,23

Gráfica 8. Categorías de soporte estimadas basadas en el Índice de Calidad del Macizo Rocoso Q

(Después de Grimstad y Barton, 1993)

De acuerdo con la Gráfica 8, se tiene la siguiente clasificación y recomendaciones de soporte:

20.1.3.1 Clasificación del macizo rocoso

Macizo rocoso pobre

20.1.3.2 Tipo de Soporte


20-68

• Categoría de refuerzo: 5, Concreto lanzado de 5 cm de espesor con malla. • Pernos de anclaje:

- En malla, separación 1.70 m. - Longitud del perno (L): 2.9 m para ESR = 1


21-69

21. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GSI

Hoek, et al (1995) han propuesto un índice geológico de resistencia, GSI (geological strength index), que evalúa la calidad del macizo rocoso en función del grado y las características de la fracturación, estructura geológica, tamaño de los bloques y alteración de las discontinuidades. Teniendo en cuenta las características del macizo se tiene una roca muy pobre MP (Superficies de cizalla muy alteradas con rellenos arcillosos), con fracturación intensa (FI) (Macizo rocoso muy fracturado formado por bloques angulosos y redondeados, con alto contenido de finos). Con la relación FI/MP, obtenemos un valor de GSI de 15, Los valores del GSI varía desde cerca de 10, para macizos rocosos extremadamente malas, hasta 100, para la roca intacta.

CARACTERIZACIÓN DEL MACIZO ROCOSO PARA ESTIMAR SU RESISTENCIA

CO

ND

ICI

ÓN

DE

L

FR

EN

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M

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B

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(M

B)

es m

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(B) nt

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zall

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uy

alte

rada

s co

n


21-70

Basándose en el aspecto de la roca, se elege la categoría que mejor describa las condiciones del macizo previo a la excavación. Tenga en cuenta que las voladuras pueden crear una impresión falsa sobre la calidad del macizo rocoso, en cuyo caso será necesario realizar algún tipo de ajuste por daños debidos a voladuras; la observación de núcleos de perforación y de exposiciones de roca en zonas afectadas y no afectadas por voladuras, pueden ser de gran ayuda. Para la definición del grado de fracturamiento, debe considerarse la relación entre el tamaño del bloque y la dimensión del frente de excavación.

ESTRUCTURA


BR/MB BR/B BR/M BR/P BR/MP Macizo rocoso sin alterar. Bloques en contacto de forma cúbica formados por tres familias de diaclasas ortogonales, sin relleno


BI/MB BI/B BI/M BI/P BI/MP Macizos rocosos parcialmente alterados. Bloques angulares en contacto formados por cuatro o más familias de diaclasas con rellenos de baja proporción de finos


BC/MB BC/B BC/M BC/P BC/MP Macizo alterado, plegado y fracturado, con múltiples diaclasas que forman bloques angulosos y con baja proporción de finos


FI/MB FI/B FI/M FI/P FI/MP Macizo rocoso muy fracturado formado por bloques angulosos y redondeados, con alto contenido de finos

Tabla 51. Caracterización de macizos rocosos con base en su grado de fracturamiento y estado de las diaclasas (Hoek y Brown, 1997.

NDICE GEOLÓGICO DE RESISTENCIA GSI (Geolgical Strenght Index)

CO

ND

ICIÓ

N

DE

L

FR

EN

TE

B

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co

mp

acta

dP

OB

RE

a

muy

al

tera

das

con


21-71

A partir de la clasificación de la tabla anterior, se selecciona el recuadro correspondiente y se

obtiene, en este ábaco, el valor medio del GSI.

ESTRUCTURA


Macizo rocoso sin alterar. Bloques en contacto de forma cúbica formados por tres familias de diaclasas ortogonales, sin relleno


Macizos rocosos parcialmente alterados. Bloques angulosos en contacto formados por cuatro o más familias de diaclasas con rellenos de baja proporción de finos.


Macizo alterado, plegado y fracturado con múltiples diaclasas que forman bloques angulosos y con baja proporción de finos


Macizo rocoso muy fracturado, formado por bloques angulosos y redondeados, con alto contenido de finos.

Tabla 52. Estimación del Índice GSI con base en descripciones geológicas (Hoek y Brown, 1997.

80

70

60

50

40

30 20

10


22-72

22. CLASIFICACIÓN RMI (ÍNDICE DEL MACIZO ROCOSO –ROCK MASS INDEX)

El método de sostenimiento RMI (Índice del Macizo Rocoso –Rock Mass index) fue introducido en 1995 como resultado de una Tesis Doctoral que optaba al grado de Ph.D., llevada a cabo en la Universidad de Oslo, Noruega. El método pide como datos de entrada, los principales rasgos que influencian las propiedades del macizo rocoso; para ser expresados como la resistencia a la compresión uniaxial del macizo rocoso, el RMi puede utilizarse en varias aplicaciones, adicionales a su uso en la estimación del sostenimiento, tales como:

� Caracterización de la resistencia y deformabilidad del macizo rocoso. � Cálculo de las constantes del criterio de rotura de Hoek y Brown para macizos

rocosos � Valoración o estimación del grado de penetración de máquinas tuneladoras a

sección completa (TBM).

El índice del macizo rocoso (RMi, Rock Mass index). El índice del macizo rocoso es un parámetro volumétrico que indica, de forma aproximada, la resistencia uniaxial a compresión de un macizo rocoso. Se expresa cómo:

Los símbolos en las expresiones anteriores representan: σc = La resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta, medida sobre muestras de

50 mm de diámetro. (100 MPa) JC Factor de estado (o condición) de las diaclasas, el cual es una medida combinada de:

el factor de tamaño y continuidad de las diaclasas (jL), el factor de rugosidad de las diaclasas (jR), y del factor de la alteración de las diaclasas (JA); expresado como:

h+ = ho × h$hF = 3 ×1.58.0 = 0,6

Vb: El volumen del bloque medido o expresado en m3; Nota: Teniendo en cuenta que el macizo presenta zonas que contienen principalmente arcillas, la estimación aproximada del sostenimiento puede llevarse a cabo, usando un volumen de bloque mínimo nominal de Vb =1 cm3 (0.01m3) JP: El parámetro del diaclasado, el cual incorpora los principales rasgos del macizo

rocoso.

& = 0.37 × h+XW.L = 0.37 × 0.6XW.L = 1.12


22-73

hP = 0,2~h+ × �Kr

$1/ = 48 × 0.2 ×√0.6 × 0.01V.VL = 0.04

De acuerdo a la Tabla 53. Calificación sistema RMI, el RMI es bajo.

RMI CALIFICACIÓN MUY BAJO <0.01

BAJO 0.01 – 0.1 MODERADO 0.1 – 1

ALTO 1 – 10 MUY ALTO <10

Tabla 53. Calificación sistema RMI

SISTEMA DE CLASIFICACIÓ

N

CLASIFICACIÓN DEL MACIZO

ROCOSO

RECOMENDACIONES GENERALES

RECOMENDACIONES DE SOPORTE

PERNOS DE

ANCLAJE

CONCRETO

LANZADO

ARCOS METÁLICO

S

ISRM Moderada - Media

TERZAGHI Completamente

triturado.


22-74

Posee poca o ninguna presión lateral.

RSR

RSR = 41 (Roca Ignea)

una (1) pulgada de diámetro (25 mm)

espaciados cada 2.8 ft (0.90 m).

espesor de 3.4 pul (8.6

cm).

8 WF 31, separado 4.80 ft (1.46 m).

RSR = 38 (Roca metamórfica)

Carga de roca: 14700 Kg/cm2

RMR

RMR=30

Galería superior: 1 - 1,5 m de avance en media

sección. Inicio del soporte después de cada

voladura. Soporte completo a 10 m del

frente.

Pernos sistemáticos

, 4 m de longitud

espaciados 1.5 - 2 m en la corona y hastiales con malla

en la corona

100 - 150 mm en la

corona y 30 mm por los

lados

Ligera a media,

espaciadas 1,5 m donde se

requiera.

Macizo rocoso Clase IV (Roca Pobre)

Promedio de tiempo sin soporte = 10 horas para una luz libre de 2,5 m.

Cohesión: 100 - 200 KPa.

Angulo de fricción: 15º - 25°

Q

Q = 1,3

Luz libre sin soporte = 3,25 m.

En malla separados

cada 1.70 m 5 cm de espesor con

malla.

Macizo rocoso pobre

Longitud del perno 2,9 m para

ESR= 1

GSI 15, Macizo rocoso

extremadamente malo.

RMI 0,04, Macizo rocoso

malo

Tabla 54. Resumen comparativo de clasificaciones del macizo rocoso y recomendaciones de soporte del túnel vial


23-75

23. DISEÑO DEFINITIVO DE SOPORTE DEL TÚNEL De acuerdo con las recomendaciones de soporte del túnel vial, obtenidas de los diferentes sistemas de clasificación, a continuación se presenta el diseño definitivo de soporte del túnel: Pernos de anclaje:

� En malla separados cada 1.70 m � Longitud del perno 2,9 m para ESR= 1

Concreto lanzado:

� 5 cm de espesor con malla. Arcos metálicos

� 8 WF 31, separado 6.10 ft (1.90 m).


24-76

24. CLASIFICACIÓN INDIRECTA

Correlación entre RSR y Q y entre RMR y Q

1) Correlación entre RSR y Q $,$ = 13.3@ID% 8 46.5

Se tiene que:

oID% = $,$ − 46.513.3

Roca ígnea:

oID% = 41 − 46.513.3

% = 0.386 Roca metamórfica:

oID% = 38 − 46.513.3

% = 0.230 2) Correlación entre RMR y Q

$1$ = 13.5@ID% 8 43 Se tiene que:

oID% = $1$ − 4313.5

oID% = 35 − 4313.5

% = 0.256

El valor obtenido por medio de la clasificación fue de 1.3, y de acuerdo a la desviación estándar para ambos, (7.0 y 9.4 respectivamente) está dentro del rango.


25-77

25. DISEÑO MALLA DE PERFORACIÓN Y VOLADURA

DECRIPCION DATOS

Anchura de Tunel (m): 12

Altura de Hastiales (m): 6

Flecha de Arco (m): 2

Dens. de la Roca (gr/cm3): 2,4

Diametro de Perf. (mm): 45

Barreno Vacio (mm): 102

Long. de Perforación (m): 3,6

Dist. de Maniobrabilidad (m): 5

Dens. de Explosivo (gr/cm3): 1,2

Dim. de cartucho (mm): 38x250

Dia. de Cart. Explosivo (mm): 38

CALCULO DE CUELE

Seccion de Cuele Valor de la Piedra

(mm) Lado de la Sección

(mm) Retacado

(m) Long. de Carga

(m) Q Total

(Kg/barreno) # de

barrenos Q Total

(Kg/barrenos)

Primera 153 216 0,4 3,2 4,4 4,0 17,5

Segunda 216 459 0,4 3,2 4,4 4,0 17,5

Tercera 459 974 0,4 3,2 4,4 4,0 17,5

Cuarta 974 2066 0,4 3,2 4,4 4,0 17,5

Q Total de Cuele (Kg/Cuele) 16,0 70,1

Barrenos de Recorte (38 mm) 0,50 1,8 1,8 49,0 86,5

Concentración lineal Carga de Fondo (Kg/m)

1,36 0,98

Piedra B (m) 0,98


25-2

DISEÑO DE VOLADURA Y CALCULO DE EXPLOSIVO DE DESTROZA, CONTORNO Y ZAPATERA

Zona de Voladura Piedra

(m)

Esp

acia

mie

nto

(m)

Lon

g. C

arga

de

Fon

do (

m)

Lon

g. C

arga

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Ret

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o (m

)

Concentración de carga

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Q d

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Q T

otal

(K

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o)

# de

bar

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s

Q T

otal

(K

g/ba

rren

os)

Fondo Columna Piso 1,0 1,1 1,2 2,2 0,2 1,4 1,4 1,6 3,0 4,6 12,0 55,6

Hastiales 0,9 1,1 0,6 2,5 0,5 1,4 0,5 0,8 1,4 2,2 12,0 26,2

Techo 0,9 1,1 0,6 2,5 0,5 1,4 0,5 0,8 1,2 2,0 10,0 20,5

DESTROSA

Hacia Arriba 1,0 1,1 1,2 1,9 0,5 1,4 0,7 1,6 1,3 2,9 16,0 46,9

Horizontales 1,0 1,1 1,2 1,9 0,5 1,4 0,7 1,6 1,3 2,9 18,0 52,8

Hacia Abajo 1,0 1,2 1,2 1,9 0,5 1,4 0,7 1,6 1,3 2,9 12,0 35,2

Metros cubicos/Voladura 328,3

Q Total (Kgs) 145,0 393,6

Q especifico (Kg/m3) 1,20 Metros lineales de perf. (m)

522,0

Metros lineales/Metro cubico

1,59

26. RECOMENDACIONES PARA LA EXCAVACIÓN Y MANEJO DE ESCOMBROS

Un sistema eficiente de transporte y extracción del escombro reduce el tiempo de los ciclos de trabajo y el coste de la propia obra. Esto es debido a que en una excavación subterránea se dispone siempre de poco espacio y, además, el acceso al frente de excavación es muy restringido (únicamente a lo largo del túnel ya excavado). Es fundamental, pues, quitar el escombro rápidamente para que puedan iniciarse las tareas de sostenimiento, extrayéndolo para que no dificulte el movimiento de máquinas y materiales por el túnel. El sistema que se debe emplear dependerá de la cantidad de material a transportar por ciclo y de la longitud de transporte. En túneles de carretera las secciones de excavación son grandes (entre 80 y 110 m² por lo general), con lo que el volumen de escombro es importante. Esto hace que no se usen en general los sistemas de transporte mediante cinta o vagonetas, sino los sistemas mediante maquinaria sobre neumáticos. Los métodos más usuales, en función de la distancia de transporte, son los siguientes: Palas cargadoras de perfil bajo: Para distancias cortas (inferiores a unos 500 metros) y túneles de pequeña y mediana sección, se utiliza una pala con un cazo de gran capacidad (3m³) que carga el escombro del frente y lo lleva hasta el exterior. No es necesario girar la máquina ya que el maquinista se sienta lateralmente y puede conducir igualmente en ambos sentidos. Para distancias más largas se utilizan zonas de acopio intermedio de escombros. Palas cargadora + camión dumper: Se usa en distancias mayores de 500 metros en túneles de gran sección (>70 m²). Una pala cargadora sobre neumáticos recoge el escombro y lo carga sobre el camión, que lo saca fuera del túnel. La pala suele ser articulada para facilitar sus movimientos dentro del túnel. Si la distancia es muy grande, se pueden habilitar zonas de ensanche a lo largo del túnel que permiten el cruce de camiones dumper o emplear dumpers formados por una cabeza tractora y cajas desacoplables. Cuando la excavación se realiza con máquina tuneladora y para túneles de gran sección, la extracción se escombros se realiza con camiones dumper que son cargados en el frente por la cinta porticada del topo.

Vagonetas sobre vía: Para túneles muy largos y de secciones medianas, la extracción de escombros se realiza con vagonetas sobre vía. Son recomendables para distancias de transporte superiores a los 1500 m. Para elegir el sistema de excavación a emplear en un determinado túnel se manejan varios criterios, algunos de índole técnica y otros económica. A continuación mostramos los aspectos que se tienen


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en cuenta en cada uno de ellos. Por supuesto, en cada caso concreto puede tener condicionantes de otro tipo que obliguen a una determinada solución. Resistencia del terreno. Cuando la roca tiene una alta resistencia es obligado a emplear la excavación mediante explosivos, mientras que si la resistencia es media o baja pueden emplearse indistintamente la voladura o la excavación mecánica. Forma y dimensiones de la sección. La sección tipo del túnel puede ser un condicionante por alguno de los siguientes motivos: Los topos permiten únicamente perforar túneles de forma circular, por lo que en túneles de carretera, que necesitan una base plana, se desaprovecha mucho espacio. Hoy en día ya se fabrican topos con varias cabezas que proporcionan secciones ovaladas, pero son relativamente caros y sus uso está limitado a suelos o rocas blandas. En la excavación de túneles de carretera en roca, los topos se usan en ciertas ocasiones en la ejecución de galerías piloto. Estas galerías sirven para el reconocimiento del terreno y actúan como un gran cuele que facilita la excavación posterior del resto de la sección con perforación y voladura o con cualquier otro sistema de excavación. Actualmente los topos más grandes existentes en el mercado alcanzan los 12 m. de diámetro y las rozadoras de mayor envergadura de brazo alcanzan los 7,50 m. de altura de corte. Los túneles de carretera, por su gran sección, generalmente se excavan en fases, usándose mayoritariamente el método de perforación y voladura para rocas duras y las rozadoras y excavadoras hidráulicas para rocas blandas.

Costo de la maquinaria. Los topos tienen un coste elevado de inversión inicial. Esta inversión resultará rentable para un determinado número de metros lineales de túnel perforado, lo que exigirá un proyecto con importantes longitudes de túneles que permitan la amortización del topo. Para secciones normales, existe un amplio mercado de topos de segunda mano que, convenientemente readaptados pueden ser utilizados en régimen de alquiler o compra con unos costes razonables. Vibraciones. Los explosivos producen unas vibraciones que los hacen muy complicados de utilizar en zonas urbanas o próximos a edificios habitados o de interés. Incluso pueden existir problemas cuando la voladura se efectúa en la proximidad de vías de circulación en uso como carreteras, ferrocarriles, etcétera. En tales casos, normalmente se prefiere utilizar medios mecánicos de excavación por razones de seguridad con el fin de evitar posibles daños


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MANEJO DEL MATERIAL EXCAVADO Se debe tener en cuenta que este material puede ser almacenado y reutilizado, teniendo en cuenta que se trata de material de origen ígneo que, puede ser usado en:

1. Material para inyección del sostenimiento 2. Material para los concretos del revestimiento del túnel 3. Material para bases, sub bases, nivelaciones dentro del túnel 4. Material para la elaboración de los concretos asfálticos de la carretera 5. Materiales para concretos de revestimientos y construcción de los portales. 6. Materiales para sistemas de protección de los taludes, concreto inyectado,

gaviones y muros de contención, si es el caso.

Volumen de material proveniente de los procesos de excavación:

Como se observa se puede tener una disponibilidad de material de cerca de 500 mil metros cúbicos, para ser reutilizados en la construcción de la obra, revestimientos, acabados, etc.


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Debido a que se trata de una excavación con dinamita, se consigue una granulometría heterogénea, por lo que luego de extraída de la excavación deberá ser clasificada, y si es el caso, sometida a un proceso de trituración y clivaje y así este 10 a 15% de granular excavado puede ser utilizado. El resto de material se puede emplear para la pavimentación de 18 kilómetros con una estructura similar. Por lo anterior, el ahorro en materiales para mezclas de concreto hidráulico y asfáltico es: Concreto hidráulico m3 $700.000 Ahorro 60% $12.000 millones Concreto asfáltico m3 $650,000 Ahorro 60% $ 2,300 millones Granulares BG-1 m3 $110,000 Ahorro 90% $ 1,200 millones Rellenos / rajón m 3 $ 80,000 Ahorro 95 % $ 680 millones TOTAL $16,180 millones Respecto del valor del material dentro del proceso de construcción de la vía, seria: $4,180 millones * 3,6 = $15,048 millones. Por lo anterior, el ahorro al que se podría llegar, utilizando los materiales resultantes de la excavación del túnel, debidamente procesado, estaría cercano a los $31 mil millones de pesos, esto sin tener en cuenta el notorio aporte al impacto ambiental, ya que se dejarían de explotar una gran cantidad de materiales de cantera. COSTOS APROXIMADOS DE LA CONSTRUCCIÓN A un costo aproximado de $20 mil dólares el metro lineal del túnel, en Colombia y construido con el método planteado, estaríamos cercanos a los 100 millones de dólares, por lo tanto, el ahorro en los materiales del túnel, calculados en el numeral anterior, seria del 8%, sin contar lo que respecta a la aplicación de los materiales en la construcción de la carretera, ya que con este valor se llegaría a un 16%.


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27. INTERACCIÓN TUNEL SOSTENIMIENTO Con el objeto de establecer la interacción terreno – sostenimiento, se debe realizar un análisis simplificado de los parámetros fundamentales; módulo elástico, criterios de rotura, deformabilidad y del sostenimiento; rigidez y resistencia última,

Po = esfuerzos tensionales del macizo A-A’ = Sección del túnel en proyección, sin excavar y sin deformación (Ui) Ui = Desplazamiento radial B-B’ = Sección excavada, Po, en este punto desaparecio y se generó Ui Pi = Presión ipotética contraria que genera un Ui, generando Pi = Po d = Distancia de colocación del sostenimiento desde el frente C-C’ = Sección de inicio de sostenimiento D-D = Posición única de equilibrio La curva de sostenimiento depende de las propiedades del terreno y a la distancia d, se colocará el sistema de sostenimiento especificado en este documento. La primera aproximación de dicho revestimiento, reaccionara con una determinada rigidez constante (k), frente a las deformaciones impuestas, y se coloca luego de la deformación Ud, la respuesta del revestimiento esta dada por la curva de confinamiento:

PA = M-�A − �?. El desplazamiento Ud, corresponde a una determinada presión virtual sobre el túnel Pd. Túnel y revestimiento alcanzan un equilibrio (D-D), cuando se llegue a la presión Peq y el desplazamento Ueq, comunes a las dos curvas CC y CF. Para determinar la curva CC, existen 2 posibilidades, colocar el revestimiento muy proximo al frente Ud1, o lejos del Ud2, o tambien elegir la rigidez del sostenimiento; rígido k1 o deformable kn. Importante tener presnte, cuanto más rápido sea un sostenimiento y más


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proximo al frente, mayor será la presión de equilibrio que ha de soportar y menor el desplazamento radial o la convergencia del tunel.

Parametros de trabajo

1. Determinar la curva CC (que sólo depende de las características del terreno) 2. Determinar la rigidez del sostenimiento (k). 3. Determinar la deformación del túnel u

d (o de forma equivalente, p

d) correspondiente

a la instalación del sostenimiento.

Para determinar la curva característica del terreno se considerará sucesivamente el comportamiento elástico y elastoplástico del terreno. Se presentan soluciones para dos criterios de rotura: • Criterio de Mohr-Coulomb, por ser de uso generalizado, tanto en macizos rocosos como en

suelos. Permite de forma natural tratar las condiciones no drenadas (c = cu, ϕ = 0) y

puramente friccionales (c = 0, ϕ). • Criterio de Hoek-Brown, por su fidelidad para reproducir las envolventes de rotura no

lineales observadas en rocas. Se examinará el caso de túnel circular en deformación plana y el caso esférico (comportamiento elástico y criterio de Mohr-Coulomb). La cavidad esférica, aparte del interés que tiene en si misma para el análisis de excavaciones subterráneas de formas diversas, es una aproximación interesante al comportamiento en las proximidades del frente y proporcionan información útil para entender sus condiciones de estabilidad.


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28. CONCLUSIONES � Los sistemas de clasificación más utilizados y particularmente en Colombia son RMR y

Q, los cuales incorporan parámetros geológicos, geotécnicos y propios del macizo rocoso.

� Existen parámetros que requieren mucha experiencia para poder definirlo, por ello se debe hacer la clasificación del macizo por diferentes sistemas, lo cual permitirá obtener una mayor cantidad de datos y parámetros, que ayudarán a definir los procedimientos para el diseño y construcción del túnel, así como el soporte y sostenimiento del túnel.

� La clasificación de los macizos rocosos es de gran utilidad en el campo de la ingeniería de obras subterráneas, ésta herramienta permite obtener las características del macizo, de tal forma que el ingeniero pueda tener criterios y argumentos para la toma de decisiones y soluciones en el momento de diseñar y construir un túnel.

� En general, se clasificó el macizo por diferentes sistemas, pero la variación en la calidad

del macizo fue muy poco, por lo que la utilización de todos los sistemas permite verificar los procedimientos realizados en cada uno de ellos, aunque en unos se obtengan más parámetros característicos del macizo que en otros.

� El tipo de explosivo a utilizar en una voladura depende de las características de la roca, del volumen de roca a excavar, del entorno, factores ambientales, profundidad de la excavación y del precio del explosivo principalmente.

� En la construcción de un túnel uno de los principales problemas que se presentan es el relacionado con el manejo de escombros, para ello deben utilizarse los equipos adecuados para su disposición, botaderos debidamente acondicionados y aprobados por el ente ambiental encargado. Así mismo se debe tener en cuenta el transporte, tiempos de acarreos y el costo respectivo.


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29. BIBLIOGRAFÍA

� EMPIRICAL METHODS OF DESIGN.

� ROCK MASS CLASSIFICATION.

� MÉTODOS DE EXTRACCIÓN DE ESCOMBROS EN EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS. PUBLICADO EL 28 MAR, 2010 POR JULIO GONZÁLEZ EN CONSTRUCCIÓN. Consultado en: http://www.fierasdelaingenieria.com/metodos-de-extraccion-de-escombros-en-excavaciones-subterraneas/

� EL SOSTENIMIENTO DE TÚNELES BASADO EN LAS CLASIFICACIONES

GEOMECÁNICAS. E.T.S.E.C.C.P.B. - U.P.C.

� ARILD PALMSTRÖM. RECIENTES DESARROLLOS EN LA ESTIMACIÓN DEL SOSTENIMIENTO EN ROCA MEDIANTE EL RMI

30. ANEXOS

GEOMETRIA DEL TUNEL

SECCIÓN TRANSVERSAL TÚNEL


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TRAMO ABSISAS 1 K00+000 – K02+500 2 K02+500 – K03+000 3 K03+000 – K05+000

FAMILIA DE DIACLASAS


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Technology

TUNELES - SISTEMAS DE CLASIFICACION