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Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos SAFEROCK

Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos SAFEROCKAutor:Dr. Ing. Alfonso Carvajal Rojas

Colaboradores:Eugenio Santander A. Jos Castillo M.

Editor:Carlos Rondon S.M. Diseo y Produccin Grfica: Casenave y Asociados Direccin de Arte: Soledad Casenave P. Diagramacin: Ernesto Amaya G.

Ilustraciones:Ingrid Aguilera A. Fotografa: Francisco Aguayo Jorge Brantmayer Matas del Campo Impresin: M y M Servicios Grficos S.A. Derechos Reservados (C) por Gerdau AZA S.A. La Unin 3070, Renca. Santiago de Chile. Copyright (C) MMVII, por Gerdau AZA S.A. SAFEROCK Marca Registrada N742199 Patente de Invencin 125-2005 Inscripcin en Propiedad Intelectual N 164.756. 1 Edicin: 2.000 ejemplares, junio de 2008 Impreso en Chile - Printed in Chile No est permitida la reproduccin total o parcial de este documento, ni su tratamiento informtico, ni la transmisin de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrnico, fotocopia, registro u otros medios, sin la aprobacin y por escrito de Gerdau AZA S.A.

Otros documentos tcnicos de Gerdau AZA S.A. disponibles para los usuarios interesados, son: Manual de Clculo de Hormign Armado Manual de Armaduras de Refuerzo para Hormign Manual de Diseo para Angulos Estructurales L-AZA Catlogo Tcnico de Barras y Perfiles Laminados Para consultas sobre nuestros productos y servicios, visite nuestra pgina web: www.gerdauaza.cl

Vista area de la Planta Renca de Gerdau AZA, instalacin donde son laminados los pernos SAFEROCK.

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Gerdau AZA, empresa per teneciente al Grupo Gerdau, tiene el agrado de presentar a la comunidad de profesionales y estudiantes de los sectores de la geotecnia, geomecnica, ingeniera de excavaciones, ingeniera civil estructural y construccin, la primera edicin de su Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos SAFEROCK , mediante el uso de barras de acero producidas por Gerdau AZA. El presente Manual, de 226 pginas, que consta de once captulos y un anexo, tiene su contenido orientado, fundamentalmente, hacia todos los profesionales vinculados con el diseo, clculo y ejecucin de excavaciones y la estabilizacin de estratos rocosos de taludes en minas de tajo abier to y en caminos de alta montaa, como tambin con la docencia de esta especialidad. Esperamos que sea un apor te valioso y necesario para todas las personas que lo utilicen como texto gua o como un documento de consulta permanente. Entre los temas abordados por el autor de este texto podemos destacar, la propuesta para la ingeniera de excavaciones, el mtodo de anlisis de riesgo, los procedimientos de diseo para tneles de roca, la descripcin y caractersticas del sistema de refuerzo de rocas, con su respuesta y evaluacin, el estudio

y anlisis del perno SAFEROCK, su instalacin y una serie de herramientas prcticas para el diseo. Agradecemos, muy sinceramente, el valioso apor te tcnico del autor y de su equipo interdisciplinario de colaboradores de la Facultad de Ingeniera de la Universidad de La Serena, a la empresa DSI SOPROFINT por su inapreciable colaboracin en el desarrollo del sistema de refuerzo SAFEROCK y a cada uno de los integrantes de la Superintendencia de Geomecnica de CODELCO Divisin El Teniente, cuyos apor tes y pruebas realizadas en terreno fueron decisivas para lograr las mejoras del producto SAFEROCK , al permitirnos contribuir a travs de este medio, con la ingeniera y la construccin de excavaciones en super ficie y subterrnea en Chile. A todos ellos, un sincero reconocimiento por el respaldo y la confianza que han depositado en nuestra empresa y de manera muy especial, a todas las personas que directa o indirectamente, da a da, especifican y utilizan nuestros productos, como tambin a aquellas que nos entreguen cualquier apor te, obser vacin o comentario que sir va para enriquecer estas pginas en futuras ediciones.

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El presente Manual es el producto de tres proyectos de investigacin encargados y financiados por Gerdau AZA. Uno de ellos consisti en analizar la literatura relacionada con los sistemas de refuerzo en roca, utilizando pernos de acero, extractando los principios y fundamentos, que en la consideracin del autor son los ms impor tantes, y otros que son incluidos por su temario, teora y principios sobre cmo se debe operar en la ingeniera de excavaciones. Los otros dos proyectos corresponden a investigaciones aplicadas, cuya finalidad fue lograr un producto que tenga mejores propiedades y compor tamiento bajo solicitaciones de carga. De esta manera, se estudi el diseo del perno SAFEROCK y el sistema propuesto por Gerdau AZA, cuyos resultados ms impor tantes aparecen en este trabajo. Este manual no pretende constituir una obra de anlisis profundo de los complejos fenmenos que se presentan en la naturaleza de las masas de roca, cuando son inter venidas por el hombre, sino ms bien el esfuerzo est orientado a entregar una visin de conjunto de la problemtica, dando pautas y formas de integracin de los distintos actores que inter vienen en la ingeniera de excavaciones, tales como el diseo de; la excavacin propiamente tal, la per foracin y voladura y el sistema de refuerzo y/o sopor te.

Del mismo modo, se entregan en forma grfica conceptos extractados de la literatura especializada, que forma la mayor parte de este trabajo, y proporciona algunas reglas empricas de uso prctico y el procedimiento de instalacin correspondiente. Lo anterior nos hace pensar que el texto puede ser usado tanto por estudiantes como por profesionales relacionados con construcciones o excavaciones, ya sean estas de superficie o subterrneas, como una herramienta para el diseo e instalacin del perno de refuerzo SAFEROCK y su sistema. El perno y la tuerca SAFEROCK, productos registrados por Gerdau AZA de acuerdo con la Patente de Invencin N 125-2005, han sido aplicados crecientemente y en forma satisfactoria en Chile, en la fortificacin de tneles y otras operaciones mineras de la empresa Codelco Divisin El Teniente y en tneles y estabilizaciones de suelos en construcciones del Metro de Santiago, entre otras importantes obras de infraestructura. La aceptacin y el xito que han tenido los pernos SAFEROCK y su sistema entre los usuarios, se debe a sus caractersticas y a las mejores tcnicas introducidas en el diseo y fabricacin del conjunto, lo que ha permitido ir desplazando paulatinamente a los pernos tradicionales existentes en el mercado.

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Alfonso Carvajal Rojas, Ingeniero de Minas, Master of Science (1994) y Doctorado (Sc.) (2003) con especialidad en geomecnica minera de la Universidad de Ciencia y Tecnologa de Polonia es, adems, Ingeniero de Ejecucin de la ex Universidad Tcnica del Estado, Sede La Serena. Se desempe en minera masiva durante diez aos en Codelco Chile Divisin El Teniente y minera selectiva en la Compaa Minera El Indio durante dos aos. Ha publicado 18 ar tculos tanto en Chile como en el extranjero, ha par ticipado en las redes temticas iberoamericanas de Ciencia y Tecnologa para el Desarrollo (CYTED), e invitado a par ticipar tanto en proyectos, dictar conferencias tcnicas, cursos de postgrado y visitas tcnico-cientficas en Per, Argentina, Venezuela, Cuba, Ecuador, Brasil, Polonia, Espaa, Inglaterra y la Repblica Checa.

En Chile ha participado en proyectos FONDEF y DIULS, consultoras, conferencias tcnicas y cursos de per feccionamiento en empresas e instituciones como: Codelco Chuquicamata, El Salvador, Andina y El Teniente, Minera Las Cenizas, Los Pelambres, Candelaria y el Instituto de Ingenieros de Minas. El doctor Car vajal ha sido profesor tutor de varias memorias de ttulo para ingenieros de ejecucin y civil de minas, profesor tutor en el programa de postgrado "Magster en Ingeniera de Recursos Minerales" para ingenieros del Per, y actualmente es director del Departamento de Ingeniera de Minas y de un proyecto de posttulo virtual, miembro del consejo acadmico de la Universidad de La Serena, profesor de los cursos de per foracin y tronadura, mtodos de explotacin y construcciones subterrneas y miembro permanente del comit cientfico del International Mining Forum de Polonia.

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Productos y procesos de calidad reconocida y certificada

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Captulo 11.1 1.2

INFORMACION GENERAL

Proceso de Fabricacin y Control de Calidad Identificacin, Dimensiones, Grados del acero y Caractersticas de los Elementos del Sistema SAFEROCK

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18

Captulo 22.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

GENERALIDADES El Refuerzo de Roca y la Calidad Total Seguridad en Excavaciones Control de Dao como Consecuencia de la Cada de la Roca Accidentabilidad Relacin Marco-Perno Historia de su Aplicacin en Minera 25 28 30 30 32 33

Captulo 33.1 3.2 3.3

LA INGENIERIA DE EXCAVACIONES Ingeniera de Rocas Propuesta para la Ingeniera de Excavaciones Mtodo de Anlisis de Riesgo 39 45 50

Captulo 44.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

PROCEDIMIENTO DE DISEO PARA TUNELES EN ROCA Revisin al procedimiento de Diseo para Tneles en Roca Procedimiento de Diseo de Tneles en Roca Control del Debilitamiento de las Excavaciones Subterrneas Tamao de la Excavacin y Nmero de Discontinuidades Nivel de Esfuerzos Diseo de Soporte para Rocas Sobrestresadas Definicin del Criterio de Falla Concepto Arco de Roca 57 59 61 62 62 67 68 71

9

Captulo 55.1 5.2 5.3 5.4

COMPUTACION APLICADA AL DISEO DE EXCAVACIONES Aspectos Generales Gua para el Modelamiento Numrico Clculo en dos o tres Dimensiones Resumen 75 77 80 81

Captulo 66.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8

SISTEMA DE REFUERZO DE ROCAS Conceptualidades del Refuerzo Tipos de Refuerzo Accin del Refuerzo Componentes del Sistema de Refuerzo SAFEROCK Clasificacin del Sistema de Refuerzo SAFEROCK Comportamiento del Sistema de Refuerzo Perno Tuerca SAFEROCK Elemento Externo - Planchuela (4) Lechada como Elemento de Adherencia en Sistema de Refuerzo 85 86 87 89 90 92 96 97

Captulo 77.1 7.2 7.3 7.4 7.5

RESPUESTAS DEL SISTEMA REFUERZO - ROCA Conceptos Fundamentales Interaccin en la Interfase Roca-Lechada Interaccin en la Interfase Lechada-Perno SAFEROCK Interfase de Tranferencia de Carga Roca-Refuerzo Modos de Falla Bajo Carga Axial del Sistema SAFEROCK 105 106 109 110 112

Captulo 88.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9

EVALUACION DEL SISTEMA DE REFUERZO Refuerzo de Roca Intacta Refuerzo en Roca Fracturada Diseo de Refuerzo Comportamiento del Refuerzo en Roca Fracturada Procedimiento para Refuerzo en Roca Fracturada Evaluacin de Estabilidad de Bloques no Reforzados Diseo de Refuerzo de Bloques Valorizacin de Estabilidad de Bloques Reforzados Teoras de Refuerzos 115 115 117 118 119 120 122 124 126

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Captulo 99.1 9.2

ESTUDIO DEL PERNO SAFEROCK Modelamiento Numrico de Pruebas de Pull Out (Software Flac) Ensayo de Pull Out, Perno SAFEROCK 135 145

Captulo 1010.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8

HERRAMIENTAS PRACTICAS DE DISEO Introduccin Reglas Empricas para Esfuerzos y Control de Terreno Mecanismos Tericos de Refuerzo Clasificacin de Refuerzos de Rocas para Tneles Indice de Calidad de Tneles Q Geological Strength Index GSI Indice de Masa Rocosa RMI Ejemplos PROCEDIMIENTOS DE INSTALACION SAFEROCK Procedimiento de Instalacin Perforacin Inyeccin Riesgos y Medidas de Control 197 197 201 203 153 153 156 159 160 171 182 192

Captulo 1111.1 11.2 11.3 11.4

AnexosA.1 A.2 A.3 Trminos y Definiciones Normas de Referencia y Alcance del Reglamento de SERNAGEOMIN Conversin de Unidades Bibliografa 211 213 222 224

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Captulo 1

Informacin General1.1 1.2 Pr oceso de Fabricacin y Control de Calidad Identificacin, Dimensiones, Grados del Acero y Caractersticas de los Elementos del Sistema Saferock

Captulo 1: Informacin General

1.1

PROCESO DE FABRICACION Y CONTROL DE CALIDAD

1.1.1

Proceso de Fabricacin del Acero Gerdau AZA

En Gerdau AZA, el proceso de fabricacin del acero se inicia con la seleccin, procesamiento y corte de trozos de acero en desuso, la chatarra, que es la materia prima bsica. Otros elementos que tambin son empleados en la fabricacin, son las ferroaleaciones, oxgeno, cal y fundentes, entre otros. En primer lugar, la materia prima se carga en cestas, en proporciones adecuadas para satisfacer las especificaciones del proceso de fabricacin del acero, las que son trasladadas a la Acera para alimentar el horno de arco elctrico. Toda la carga es fundida en el horno de 60 toneladas de capacidad, mediante la aplicacin de un arco elctrico que desarrolla una potencia de 45.000 kVA. mayor afinidad qumica de estos elementos, para formar Una vez terminado el proceso de fusin, en donde toda la carga pasa del estado slido al estado lquido, momento en el cual alcanza una temperatura de alrededor de 1.630C, el acero es trasladado a un Horno de Cuchara, donde se realizar la etapa de afino y se proceder a tomar muestras de acero para realizar el anlisis de espectrometra, con el propsito de conocer su composicin qumica. Durante toda la etapa de fusin, se inyectan al horno importantes cantidades de oxigeno para extraer y remover las impurezas y cumplir as con los estndares de calidad preestablecidos. Luego de conocido el informe sobre la composicin qumica, se realizan las correcciones necesarias mediante el proceso de afino, lo que permite obtener la composicin y purezas deseadas. De esta forma, los diferentes grados del acero Gerdau AZA se obtienen, de un cuidadoso control de la composicin y mediante la adicin de ferroaleaciones, como el ferromanganeso y ferrosilicio, aprovechando la 1.1.2 Colado del Acero Cuando el acero lquido cumple con las especificaciones requeridas, tanto de composicin qumica como de temperatura, ste es trasladado en la cuchara hasta la mquina de colada continua, donde se realizar el colado del acero. entre otros, xidos y sulfuros que pasan en mayor cantidad a la escoria.Figura 1.1: Operacin de Carga de Horno Elctrico, Planta Colina, Gerdau AZA.

Obtenido el acero en su estado lquido, ste debe solidificarse en la forma conveniente para su empleo posterior en los trenes de laminacin. Esto se hace mediante un equipo de colada continua, en el que se aplica un proceso que transforma el acero lquido en un producto semiterminado, llamado palanquilla, que son barras macizas de 130 x 130 mm de seccin. 15

Figura 1.2: Lneas de colada continua de acera, Planta Colina, Gerdau AZA.

El acero lquido que se encuentra en la cuchara de colada, es transferido a una ar tesa o distribuidor, desde donde pasa a las vas de colada. Desde el distribuidor, el acero cae dentro de tres lingoteras de cobre sin fondo, de doble pared y refrigeradas por agua, donde se inicia la solidificacin del acero, con la formacin de una delgada cscara super ficial endurecida, que contiene an su ncleo de metal en estado lquido.

Luego de esto, las palanquillas son inspeccionadas visualmente para detectar eventuales defectos super ficiales o de forma. Despus de aprobadas, las palanquillas son separadas por coladas, identificadas y almacenadas para la operacin siguiente: la laminacin en caliente.

1.1.3

Laminacin en Caliente de las Barras

La laminacin en caliente, es un proceso de transformacin Para ayudar a acelerar la formacin y engrosamiento de dicha cscara, las lingoteras tienen un movimiento de oscilacin ver tical que, adems, impide su adherencia a las paredes del molde y permite su transpor te hacia el mecanismo extractor. Despus de dejar las lingoteras, tres metros debajo de stas, el acero super ficialmente slido, es tomado por juegos de rodillos refrigerados con chorros de agua a alta presin, solidificndose completamente, y ya conver tido en palanquilla, cor tado automticamente mediante cizallas, a la longitud deseada. 16 En este proceso, la palanquilla es tratada mecnicamente, hacindola pasar sucesivamente por trenes de termomecnico, en donde se da la forma final a los productos siderrgicos. En el caso de los pernos SAFEROCK, el proceso es el siguiente: en la planta de laminacin, las palanquillas son seleccionadas segn el grado del acero del producto final y son cargadas a un horno de recalentamiento horizontal, donde alcanzan una temperatura uniforme de 1.200C, lo que permitir su deformacin plstica durante el proceso de laminacin en caliente.


laminacin, las cuales van reduciendo su seccin original y consecuentemente, aumentando la longitud inicial. De esta forma, se lleva la seccin transversal de la palanquilla cada vez ms prxima a la forma y dimetro final del perno SAFEROCK, con su geometra y dimensiones caractersticas y con la marca que identifica el origen o fabricante. En su planta ubicada en la comuna de Renca, Gerdau AZA posee un laminador de 100.000 toneladas anuales de capacidad, que permite controlar el enfriamiento de las barras, con lo cual las propiedades mecnicas finales de los pernos SAFEROCK , son determinadas con gran precisin. Cada uno de los pernos son conducidos hasta el final del tren de laminacin, a una parrilla o lecho de enfriamiento donde terminan de enfriarse, para luego proceder al cor te a la medida deseada y posteriormente ser empaquetados y almacenados. Al final del proceso de cor te se extraen las muestras para su aprobacin y cer tificacin de acuerdo a las normas vigentes.

1.1.4

Control de Calidad y Cer tificacin

Todo el proceso de fabricacin de los per nos SAFEROCK , est cer tificado bajo las normas ISO 9001, ISO 14001 y OHSAS 18001; de esta forma, a lo largo de todas las etapas de fabricacin del producto existen monitoreos, mediciones y ensayos de los procesos. Desde la seleccin de la chatarra y otros insumos, pasando por la fabricacin del acero lquido, su composicin qumica, hasta el control de las dimensiones finales obtenidas en la laminacin en caliente, conforman un complejo sistema que permite asegurar la obtencin de productos de calidad, de acuerdo a los actuales estndares. La cer tificacin de calidad del acero de todas las par tidas de pernos SAFEROCK en Gerdau AZA, da cumplimiento a la norma chilena NCh 204.Of2006. Esta exigencia establece la extraccin, identificacin y retiro de muestras por inspectores acreditados, normalmente de algn organismo de ensaye de materiales autorizado por el Estado. En el caso de Gerdau AZA, el cer tificado es entregado por el Instituto de Investigaciones y Ensaye de Materiales de la Universidad de Chile, IDIEM. Las muestras son preparadas para ser sometidas a ensayos normalizados de traccin, midindose las propiedades mecnicas ms relevantes, como la tensin de fluencia, la carga mxima y el alargamiento de rotura. Los resultados de los ensayes, se presentan en cer tificados de calidad, en los que se identifica el material ensayado y se entrega el veredicto de cumplimiento con la nor ma, constituyndose en 17

Figura 1.3: Sala de Control de Laminacin, Planta Renca, Gerdau AZA.

una garanta del producto para el usuario. Peridicamente y como una medida adicional de control, se efecta un anlisis estadstico de las propiedades mecnicas sobre toda la produccin de barras y a cada una de las coladas producidas.

1.2

IDENTIFICACION, DIMENSIONES, GRADOS DEL ACERO Y CARACTERISTICAS DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA SAFEROCKFigura 1.4: Laboratorio de Ensayes Mecnicos de IDIEM, en Gerdau AZA.

1.2.1

Identificacin y Dimensiones de los Elementos La identificacin exclusiva que utiliza nuestra empresa en este producto, consiste en caracteres bajo relieve, los cuales incluyen la marca de origen Gerdau AZA SAFEROCK. Otra identificacin visible de los pernos es el color amarillo en el extremo de la barra que recibe la tuerca.

Gerdau AZA, en sus instalaciones ubicadas en Santiago, produce y comercializa pernos y suelos. SAFEROCK, en barras rectas destinados al reforzamiento de estratos rocosos

Tabla 1.2.1 Identificacin y Dimensiones de los Elementos del Sistema de Refuerzo de Rocas Elemento Dimensiones mm Masa Unitaria Forma de entrega Esquema de los Elementos

Perno SAFEROCK

Diametro 22 (*)

2,85 kg/m

Barra Recta

Planchuela Estndar

200 x 200 x 5

1,6 kg/unid

Unidad

Tuerca SAFEROCK

45 x 45

0,215 kg/unid

Unidad

(*) Otros dimetros y largos, distintos a 6 m, estarn sujetos a previa consulta a Gerdau AZA

18


Adems de lo anterior, Gerdau AZA, identifica el contenido de todos los paquetes de los pernos SAFEROCK, mediante una etiqueta plstica, con todos los datos concernientes a la fabricacin de las par tidas del producto.

Descripcin del producto

Peso del paquete

Nmero de colada

Fecha y hora de fabricacin

Sello indica que los sistemas de gestin estn certificados de acuerdo a Normas ISO 9001, ISO 14001 y OHSAS 18001

Sello indica que los productos estn limpios y libres de contaminacin

Figura 1.5: Barra para Pernos SAFEROCK.

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1.2.2

Grado del Acero de los Elementos del Sistema

Tabla 1.2.2 Propiedades Mecnicas de los Elementos del Sistema de Refuerzo de Rocas SAFEROCK Elemento Perno SAFEROCK Planchuela Tuerca SAFEROCK Grado del Acero A440-280 A270ES Fundicin Nodular Dctil ASTM A536 457 46,6 320 32,6 ------Resistencia a la Traccin (Fu) MPa 440 410 a 5102 kgf/mm

Tensin de Fluencia (Fy) MPa 280 2702 kgf/mm

Alargamiento % 16% 20%

44,9 41,8 a 52,0

28,6 27,5

1.2.3

Relaciones Tensin-Deformacin

ensayes de traccin, en barras para pernos SAFEROCK para el grado A440-280, con una cur va en barras de 22 mm de dimetro. Esta curva presenta claramente una zona de fluencia, en donde una vez alcanzado el lmite elstico o tensin de fluencia, la probeta empieza a deformarse plsticamente bajo tensin constante.

El ensaye de traccin se realiza sobre muestras de pernos SAFEROCK en su seccin completa, de la forma como salen de la laminacin, dando as cumplimiento a la norma oficial chilena NCh200. En el grfico siguiente se muestran los resultados de

Grfico 1.2.3 Curva Tensin-Deformacin Barras para Pernos SAFEROCK, grado A440-280, 22 mm800 700 600 s, MPa 500 400 300 200 100 0 0,050 0,100 0,150

0,200

0,250

0,300

Fuente: Laboratorio de Ensayos IDIEM

20


1.2.4

Certificado de Calidad

las etiquetas de los atados o paquetes de barras recibidos.

A requerimiento del ingeniero responsable del proyecto, el propietario, la empresa minera o constructora, el contratista instalador o del inspector tcnico de la obra, Gerdau AZA, est en condiciones de entregar, sin costo adicional, un Cer tificado de Calidad para los pernos SAFEROCK , emitido por un organismo de ensaye de materiales autorizado por el Estado, que permite cer tificar y autorizar el uso de las par tidas de acero en obras de refor zamiento de rocas y suelos de acuerdo a las especificaciones proyecto. Se recomienda a quin recibe las barras en la obra, que exija a sus proveedores las par tidas identificadas con ante sus respectivas duda etiquetas. De esta forma, cualquier posterior, se facilitar chequear la cer tificacin entregada, con el material respectivo. Impor tante: En el caso de barras de origen o procedencia desconocida, se deber tomar la precaucin de verificar que la informacin del cer tificado de calidad sea coincidente con los datos contenidos enFigura 1.6: Facsmil del Certificado de Calidad IDIEM barras SAFEROCK.

A continuacin, se adjunta un facsmil de cer tificado de calidad, emitido por el IDIEM, el que describe los controles necesarios a que son sometidas los pernos SAFEROCK , y los resultados obtenidos en los ensayes

del

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Captulo 2

Generalidades2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 El Refuerzo de Roca y la Calidad Total Seguridad en Excavaciones Control del Dao como Consecuencia de la Cada de la Roca Accidentabilidad Relacin Marco-Perno Historia de su Aplicacin en Minera

Captulo 2: Generalidades

2.1

EL REFUERZO DE ROCA Y LA CALIDAD TOTAL

excavacin sometida a esfuerzos, de manera que acte como un todo, es decir, fijando cualquier tipo de roca suelta o estrato, anclndola profundamente a la roca madre o mejorando la friccin entre las discontinuidades. El mejoramiento continuo para estos sistemas se obtiene cuando todos los involucrados, es decir, clientes, empresa productora y trabajadores, estn orientados hacia el mismo propsito de calidad; este propsito no es otro que entender las necesidades del cliente, satisfacerlas y de ser posible excederlas. Por otro lado, el cliente debe utilizar estos sistemas apropiadamente; lo mismo ocurre con su instalacin, la que debe ser controlada eficientemente para cumplir con los procedimientos de manera correcta. Lo anterior permitir obtener el mximo de rendimiento del sistema. En el mercado globalizado actual se debe competir en

Las empresas creadoras de bienes y/o ser vicios, enfrentan actualmente una fuer te competencia por efecto de la globalizacin de los mercados y de la utilizacin de las modernas tecnologas de la comunicacin, que han permitido el acceso a la informacin y contacto con cualquier empresa productora en el mercado. La situacin anterior ha llevado a las empresas productoras de bienes a cambiar la for ma de relacionarse con el cliente, interactuando con ellos, con la finalidad de buscar la manera de mejorar los productos, no slo para el proceso de venta, sino tambin para ofrecer un ser vicio de postventa que le permita mantener el liderazgo en el mercado, revisando y mejorando constantemente los procesos involucrados. Lo anterior exige a los productores realizar un mejoramiento continuo en el proceso, siendo proactivos para evitar situaciones de crisis que les puedan provocar los productos o servicios de postventa en los mercados en los que actan, como asimismo anticiparse a problemas derivados de la competencia, las materias primas, prdidas por desechos, prdidas de tiempo en la fabricacin de productos, etc. En este caso par ticular, la fabricacin de pernos para reforzamiento de rocas no puede abstraerse al concepto de calidad total y mejoramiento continuo, considerando el ser vicio que presta para mantener la seguridad en faenas mineras subterrneas, tneles rodoviarios y ferroviarios, estabilizacin de taludes, etc., es decir, evitar accidentes en aquellos lugares de alto trnsito que, de no mediar algn tipo de for tificacin, seran zonas de alto riesgo. Estos pernos permiten mantener la integridad de la

igualdad de condiciones con empresas tanto nacionales como internacionales, en trminos del diseo del producto, costo y calidad. Esto ltimo involucra la facilidad, tanto en el transpor te como en la operacin misma; por lo tanto, el fabricante de pernos debe tener presente las necesidades reales del cliente para entregar productos de alta calidad y competitivos en materia de costos. Por otra par te, la relacin de confianza que se va generando entre productor y cliente en un mercado globalizado es frgil, por las infinitas opciones de compra y ser vicio integral que posee el cliente. De esta manera, la empresa fabricante de pernos, el distribuidor y el cliente, si no son capaces de detectar (Control de Calidad), prevenir (Garanta de Calidad) y mejorar continuamente (Calidad Total) las fallas en los productos, por muy mnimas que stas sean, puede hacer naufragar la sociedad empresa- proveedor-cliente. (Ver figuras 2.1, 2.2 y 2.3). 25

Mejora de la calidad

Calidad total

Mejora continua

Garanta de calidad

Prevenir defectos

Control de calidad

Detectar defectos

1980

1990

2000

Tiempo

Figura 2.1: Evolucin de la calidad en el tiempo.

Figura 2.3: Ruptura de la tuerca.

a una mayor cantidad de pares, si la comparamos con un cliente satisfecho. Por otro lado, el cliente puede perder la opor tunidad de utilizar, tal vez, un producto de alta calidad y rendimiento por el solo hecho de no manejar la informacin adecuada, los principios esenciales y los fundamentos que rigen el compor tamiento de estos sistemas. La calidad total nos lleva a detectar los puntos dbiles y a corregirlos no slo en normas y medidas, sino tambin con cambios en la mentalidad de trabajoFigura 2.2: Deformacin de planchuelas debido a cargas.

y con un mayor cuidado en la forma en que se debe enfrentar el trabajo ante la necesidad del cliente.

La gravedad que puede tener un perno que se fatigue sin mediar una causa que lo explique, que podra ser producto de una mezcla deficiente en las materias primas de la produccin del acero, o una mezcla de cemento - agua no apropiada por par te del operador, puede amenazar fuer temente la permanencia de la empresa productora en el mercado, ya que un cliente insatisfecho transmitir la informacin de esta situacin En el caso de las excavaciones, quienes las construyen pasan a formar par te de un ser vicio de construccin minera, cuya clientela estar constituida por los diversos usuarios que existen en las obras civiles (generacin de electricidad, trfico de vehculos, galeras mineras etc.). Por lo anterior, en este texto se presentan los elementos principales

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de ingeniera para el anlisis de reforzamiento de excavaciones. Gunnar Nord (2005), en Controllable Rock Reinforcement cita el ejemplo de un tnel de 80 m2 de seccin el que est siendo desarrollado en caliza fracturada con estratos arcillosos, a travs de un par de fallas mayores, con 350 m de sobrecarga y un significativo flujo de agua; la fase de per foracin ha decrecido desde 40%, del tiempo total de per foracin hace 20 aos, a slo el 20% en la actualidad. La figura 2.4 muestra el desarrollo de la per foracin y operaciones auxiliares en 25 aos. Ntese que las diferentes fases del ciclo han tenido el mismo desarrollo. El shotcreting muestra una positiva tendencia a reducir el tiempo, mientras que el carguo de limpieza presenta un notable menor avance. Si se consideran pernos con lechada a columna completa e instalados con un Jumbo o con un equipo automtico para aper nado, el incr emento en productividad no guarda relacin con la fase de per foracin. En el caso tratado se registra un 10% solamente. Lo anterior verifica que esta fase es un cuello de botella para el ciclo de excavacin, donde queda an mucho por hacer.

Figura 2.4: Cambios en los tiempos de cada componente del ciclo de excavacin en los ltimos 25 aos. Gunnar Nord 2005.

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2.2 2.2.1

SEGURIDAD EN EXCAVACIONES Reduciendo la Exposicin por Cada de Roca

La mayor o menor gravedad de las consecuencias de este planchoneo depende nicamente de la previsin o medidas de control adoptadas. Controlar los riesgos de accidentes a personas, equipos y prdidas de materiales producto de la inestabilidad que presenta una labor durante su apertura, constituye una preocupacin primordial que debe ser considerada en la planificacin de las labores mineras.

La cada de roca es uno de los mayores riesgos para los trabajadores de la industria minera subterrnea. El desarrollo y la implementacin de un efectivo Programa de Gestin para reducir los accidentes por cada de roca, o un sistema de gestin que incorpore un equipo de trabajo conformado por la gerencia, staf f de ingenieros, operarios, y asesores, puede ayudar a reducir los riesgos asociados a la cada de roca, y en cier tos casos eliminarlos.

2.2.2

Factores que Inciden en la Cada de Roca

A continuacin se indican algunos factores relacionados La base de datos que se ha generado a par tir de los resultados de las investigaciones realizadas, tanto por los organismos fiscalizadores estatales, como por las investigaciones internas que llevan acabo los profesionales responsables de la gestin de Prevencin de Riesgo y Seguridad al interior de las empresas, permiten indicar que existe una serie de elementos agentes comunes, que contribuyen o son factores relevantes en las causas que generan los eventos de cada de roca. Por qu ocurre la cada de roca? La cada de roca o planchones se produce cuando por razones diversas, el macizo rocoso colapsa o falla, lo que genera una inestabilidad y por accin de la gravedad esta masa se desliza en forma repentina, por ello el objetivo principal del diseo de los sistemas de refuerzo para las excavaciones subterrneas, es ayudar al macizo rocoso a sopor tarse, es decir, bsicamente estn orientados a controlar la "cada de rocas" que es el tipo de inestabilidad que se manifiesta de varias maneras, siendo las ms impor tantes las fracturas debidas a situaciones del tipo: Gravitatorio (desprendimiento y/o desplazamiento) Violentas o Explosivas (Rock Burst) 28 Mtodo de explotacin: Un mtodo de explotacin inapropiado al tipo y calidad de roca, influye en la Campo de esfuerzo: Cuando las excavaciones llegan a grandes profundidades se originan grandes esfuerzos en la masa rocosa, lo que origina fracturas y luego la cada de rocas. Factores ambientales: Los cambios bruscos de temperatura, la humedad y la presencia de agua subterrnea, son factores que contribuyen a debilitar la roca. Factores geolgicos: Se relacionan directamente a las caractersticas del macizo rocoso; tipo de roca, alteraciones, fallas, discontinuidades o diaclasas, lo que origina el debilitamiento y luego el desprendimiento de rocas. con aquellos aspectos operativos y otros agentes mecnicos que han sido identificados como elementos recurrentes en los resultados de las investigaciones realizadas, no todos son causantes del fenmeno de cada de roca, pero han contribuido en cierto grado como parte del o los mecanismos que origin la cada de roca.


inestabilidad de la excavacin y del entorno del macizo rocoso. Efectos por tronadura: El uso excesivo de explosivos en una tronadura debilita las paredes y el techo de la excavacin, lo que provoca la generacin de microfracturas y aper tura de diaclasa, las que pueden provocar cada de roca. Per foracin deficiente: No conser var el paralelismo de las per foraciones contribuye a formar zonas de sobreexcavacin y cuas que pueden desprenderse. Corrosin del elemento estructural Uso de acero negro, sin encapsulado en ambientes agresivos. Fracturas del grout en ter renos sujetos a permanentes cambios de tensiones y por no considerar un pre-tensado del elemento. Prdida de grout por un encapsulado incompleto del elemento, lo que permite que la infiltracin de agua erosione el grout . Cambio del pH, volumen y propiedades qumicas, de las aguas de infiltracin subterrnea. Incorrecta instalacin del sistema de estabilizacin Pernos instalados con equipo mecanizado tipo Jumbo en excavaciones pequeas con ngulos menores a la nor mal de la super ficie (subhorizontal). Longitud de encapsulado menor que la especificada. Dosificacin incorrecta del grout o lechada de cemento. Longitud de anclaje insuficiente en roca sana. Dimetro de per foracin inadecuado para el tipo de sostenimiento a emplear (anclaje por friccin, perno resina). Diseo incorrecto y/o aplicacin inapropiada del sistema de estabilizacin Escasa capacitacin del personal (incluidos ingenieros

y operador) en la identificacin de cuas y otras estructuras geolgicas riesgosas. Personal no competente para el anlisis, evaluacin e inspeccin visual de condiciones de riesgo del macizo rocoso. Colapso y cada de roca daada por la efecto del proceso tronadura y un mal proceso de saneamiento al iniciar el proceso de apernado. Aplicacin del perno de anclaje por friccin para el control de grandes bloques. Uso solo de perno de anclaje como refuerzo para la estabilizacin, en zonas donde se requiere una combinacin de refuerzo + sopor te, mediante la aplicacin de shotcrete y malla u otro elemento a ser colocado en la superficie para prevenir el colapso de la roca. Instalacin insuficiente del nmero de anclajes para obtener un factor de seguridad adecuado a las condiciones del rea a estabilizar. Instalacin y orientacin inadecuada con respecto a la superficie a estabilizar. Cambio del mecanismo de carga en el anclaje: Alteracin del mecanismo de carga sobre el anclaje, debido al movimiento de una estructura geolgica o a cambios en el campo de esfuerzo. Esto genera una alta probabilidad de falla del sistema de refuerzo, porque este fenmeno no es evaluado objetivamente y oportunamente por parte de la operacin minera. Exper ticia del recurso humano de operacin: Bajo conocimiento especifico sobre los objetivo de las labores de control y calidad, en las operaciones orientadas a mantener la estabilidad de las excavaciones subterrneas, a nivel de todo el recurso humano involucrado en las actividades de estabilizacin, sean super visores y operadores.

29

Alineamiento de los objetivos de la for tificacin: Existencia de un desalineamiento entre los objetivos que persigue el diseador de los sistemas y los instaladores u operadores, lo que lleva a tener malos resultados en la gestin global de la estabilidad de las excavaciones. Interaccin de factores crticos: La coexistencia de alguno o varios de los factores enumerados anteriormente, que pueden contribuir en diferente grado de impor tancia a generar condiciones de inestabilidad sobre el macizo rocoso en el tiempo, por ejemplo; la falta de monitoreo y retroalimentacin de la existencia de eventos de riesgo por parte de la operacin ya sea de eventos individuales o colectivos a consecuencia de factores tales como: presencia de agua, lajamiento y eventos ssmicos por incremento del campo de esfuerzo, y daos en los sistemas a consecuencia de las operaciones productivas, todos estos factores crticos sumados, evidentemente generan condiciones de riesgo y de colapsos de las excavaciones subterrneas y de superficie.

nmero de eventos en los frentes de operacin donde normalmente se produca el mayor nmero de colapsos, ahora se producen en otras reas de las operaciones mineras y a consecuencia de otros fenmenos, bsicamente relacionados con eventos de origen cintico y deslizamientos de grandes cuas.

2.4

ACCIDENTABILIDAD

La falla del techo es la inestabilidad ms comn que aparece en la mayora de las excavaciones de obras civiles y minas subterrneas, ya sean stas de pequea o gran escala y para distintas especies explotadas. Del mismo modo, podemos afirmar, y as lo muestran las estadsticas, que una gran par te de los accidentes fatales son asociados a falla del techo. La estadstica de seguridad minera del ao 2004 proporcionada por el Ser vicio Nacional de Geologa y Minera, SERNAGEOMIN, muestra que la accidentabilidad no ha variado mayormente en comparacin con los aos anteriores, esto es, la accidentalidad se mantiene

2.3

CONTROL DEL DAO COMO CONSECUENCIA DE LA CAIDA DE ROCA

en valores controlados; sin embargo, igual pueden ocurrir hechos no esperados. As lo demuestra el grfico 2.1, donde la tendencia en general muestra un descenso en los ndices. En 1975 la frecuencia de los accidentes incapacitantes fue de 37, mientras que en el ao 2004 fue de 7,5. Es muy significativo que durante siete aos consecutivos se registren valores de un solo dgito. Una especie de Montaa Rusa se visualiza en el grfico. Se muestran all distintos perodos anuales en los que, cada cierto tiempo de descenso aparece una brusca subida. Esto nos hace reflexionar que an se manifiestan accidentes significativos, los que deben ser controlados para llegar a la tasa ideal de "cero".

Mecanizacin de la operacin de fortificacin Los eventos de colapso de la roca si bien es cier to normalmente se producen en frentes en desarrollo y en cmaras de explotacin, tambin pueden presentarse en reas previamente estabilizadas. Es por ello que la mayora de las operaciones mineras estn tendiendo a convertir la operacin manual de estabilizacin en una operacin totalmente mecanizada, de manera de conseguir una mayor productividad y, lo ms importante, evitar exponer al trabajador a una rea que an no est estabilizada. En operaciones mineras donde se ha llevado a mecanizar las operaciones de estabilizacin, se ha reducido el 30


Del grfico 2.2, se desprende que las empresas contratistas han mantenido una tasa con poca variacin en los ltimos 7 aos; sin embargo, en el ao 2004 las empresas mandantes subieron a una tasa cercana a dos dgitos. De todas formas, una consideracin importante es el hecho que, mientras ms pequeas son las empresas, ya sean stas mandantes o contratistas, la tasa sube. Lo anterior lleva a meditar sobre la necesidad de capacitar y controlar aquellas empresas ms pequeas que se han incorporado a la industria, especialmente en los aos 2005 y 2006, cuando se alcanzaron valores histricos en el precio de los metales (sobre los 3,4 dlares la libra de Cu). As se han puesto en marcha yacimientos de escalas menores y las empresas mandantes, por lo general, son contratistas y subcontratistas con menos de 12 personas. Por otro lado, en general, estas empresas han aumentado el registro de accidentabilidad en un 35% en dos aos, con una alta tasa de frecuencia. La tendencia es claramente conocida en el sentido que en el ltimo tiempo las empresas contratistas han crecido exponencialmente

y que desde el ao 2000 prcticamente las horas hombres de contratistas han superado a las horas hombres de las empresas mandantes. En cuanto a la tasa de fatalidad, sta se ha mantenido en valores bajo 0,2 muertes por milln de horas hombres trabajadas en los ltimos 4 aos. Dicha tasa es atingente principalmente a la pequea minera y a la minera artesanal. En general, los accidentes por desprendimiento de rocas, si bien han disminuido, comparado con dcadas pasadas, sigue constituyendo una de las cuatro o cinco categoras de las principales causales de los accidentes ocurridos en la minera. Cabe destacar que esta disminucin, por supuesto, se ha debido a la capacitacin de los operarios y, en forma muy impor tante, a la implementacin de elementos de soporte y reforzamiento de las masas rocosas. De all la impor tancia de los sistemas de refor zamiento en situaciones estructuralmente controlados y presencia de altos niveles de esfuerzos.

Grfico 2.1 Tasa de Frecuencia de accidentes incapacitantes (Aos 1975 - 2004)

40

Tasa Frecuencia

30

20

10

75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 AosFuente: SERNAGEOMIN

31

Grfico 2.2 Tasa de Frecuencia de accidentes incapacitantes. Empresas mandantes v/s Contratistas (Aos 1998 - 2004)

1211,5 9,5 9,3

Tasa Frecuencia

9,1 8,6

10 8 6 4 27,8

Mandantes Contratistas Total8,6 8,6 8,6 8,0 8,0 7,3 7,9

8,0 7,5 7,7

9,5

6,6

6,5

1998Fuente: SERNAGEOMIN

1999

2000

2001 Aos

2002

2003

2004

2.5

RELACIN MARCO - PERNO

Estos sistemas requieren un gran volumen y peso de material que es necesario muchas veces transpor tar a grandes distancias, subiendo los costos involucrados y, adems, necesitan una constante manutencin; dependiendo de la condicin geomecnica del terreno, 5 6 per nos SAFEROCK pueden reemplazar eficientemente un marco de acero o madera que, segn se desprende desde la prctica e informaciones obtenidas de terreno, estos ltimos no son muy efectivos en el control de la estabilidad (Ver figuras 2.7a y 2.7b).

Con certeza se puede decir que se han hecho grandes esfuerzos para desarrollar mejores sistemas de soporte y lograr mejor estabilidad. Uno de estos aportes lo constituye el trabajo que se presenta y que tiene relacin con un mejoramiento general del sistema de refuerzo usando, tuerca y perno SAFEROCK, sistema diseado y fabricado por Gerdau AZA, y su planchuela. Por largo tiempo los sistemas de soporte fueron pasivos de piso a techo, tal como son los marcos en madera y acero. (Ver figuras 2.5 y 2.6).

Figura 2.5: Marco de Madera (Thomas Imgrund 2002)

Figura 2.6: Marco de Acero

32

6,2

7,5


Figura 2.7a: Pernos SAFEROCK

Figura 2.7b: Equivalencia Pernos y Marco

2.6

HISTORIA DE SU APLICACIN EN MINERA

propuso los conceptos bsicos de apernado como un mtodo sistemtico de soporte de techos dbiles. De esta manera nacen las primeras aproximaciones tericas de refuerzo interno de masas rocosas. Algunas de estas ideas, tal como se dijo anteriormente acerca del apernado del techo, son an los fundamentos de modernas teoras y manuales de apernado de rocas. Las varillas de madera se idearon para no daar la maquinaria de cor te de carbn y las cintas traspor tadoras; tambin se usaron en tiempos de escasez de acero durante la guerra. Estas varillas sin tensar slo sir vieron para refuerzo muy ligero. Se colocaban varillas secas a los techos en

Histricamente, antes de 1900, los tpicos sistemas de soporte de techo en minas fueron postes de madera y vigas. Entonces, tempranamente hacia 1905, pernos al techo fueron repor tados en minas de carbn en los Estados Unidos. Ms tarde, en 1920, sistemas de reforzamiento ms completos fueron aplicados, dando origen al principio de "sopor te por suspensin de techo" y al principio de sustento de "viga", ambos dieron la base a los principales fundamentos modernos de reforzamiento de rocas. Esas fueron las primeras informaciones sobre el uso de reforzamiento interno en la masa rocosa y fue aplicado en una geologa estratiforme; de esta manera el sopor te pas a ser activo. En aquel entonces, la idea tal vez vino del simple hecho de que un perno pudo atar la roca, tal como un perno y tuerca unen dos piezas aisladas. Este hecho fue considerado como una tecnologa revolucionaria en el control de terrenos o super ficies expuestas en una excavacin. En 1943, Weigel, en el Engineering and Mining Journal,

per foraciones ajustadas, de tal manera que sta se expanda debido a la humedad de la roca. Este aumento de volumen produca fuerzas radiales traducidas finalmente a friccin, impidiendo que la roca resbalara sobre la madera. En Australia se utilizaron para reducir la dilucin y disminuir el dao a las cintas transpor tadoras. En Chile fueron usadas como refuerzo temporal en los niveles de hundimiento, donde las galeras tienen corta vida til, esto es, hasta iniciado el hundimiento mediante

33

voladura de la base del bloque, desde donde se realizan las per foraciones radiales. Se emplean muy poco en la actualidad. En 1945, el anclaje de expansin apareci en Inglaterra, Holanda y USA, y en 1949 se hace popular el reemplazo de marcos en forma muy rpida. Con la intencin de reducir el nmero de accidentes causados por falla del techo, el USBM (U.S. Bureau of Mines) fue par tidario del uso de la tecnologa de apernado del techo en 1947. Debido a su efectividad, en ms de 200 minas en USA se emple este nuevo mtodo de sopor te de techo en menos de dos aos. En 1952 el consumo anual haba alcanzado 25 millones de pernos. En Canad el uso de pernos se inici en 1950. Entre 1952 y 1962 se comienzan a usar barras con resaltes colocadas en barrenos con lechada de cemento. En 1960 aparecen las resinas como elemento de unin entre el perno y la roca. En 1968, 55 millones de pernos fueron usados anualmente en USA por 912 minas de carbn y el 60% de la produccin de carbn fue realizada en condiciones de soporte utilizando techos apernados. En 1970, esta tecnologa alcanz un alto nivel de desarrollo.

En 1979, J.J. Scout, introdujo el sistema Splitset, y en 1980 Atlas Copco hizo lo propio con el sistema Swellex. Estos dos productos utilizan el anclaje mediante la friccin del elemento con el macizo rocoso alrededor de las excavaciones. Durante la dcada de los 80 el Conebolt para estallido de rocas, fue introducido en las minas sudafricanas y su aplicacin en otros continentes est an en desarrollo. En 1984, el USBM estim que se haban utilizado cerca de 120 millones de pernos y que ms del 90% de la produccin de carbn haba sido realizada bajo techos apernados (Bieniawski, 1987). Atlas Copco, en 1997, introdujo el perno cedente EXL Swellex. En el 2003 Atlas Copco junto a MAI presentan el Swellex Pm Line y el sistema de instalacin mecanizada SDA. Sin embargo, se dice que un gran nmero de estos sistemas de refuerzo puede no estar logrando las expectativas de diseo esperada, debido principalmente a los conceptos errneos que se manejan, producto de la desinformacin y, por otro lado, a los problemas asociados con las operaciones de instalacin, agudizado todo esto por el poco control. El apernado de techo (Ver figura 2.8) gan rpidamente

Estos antecedentes fueron siendo conocidos por la mayor parte de las compaas mineras, lo que permiti que los techos y paredes de las vas principales en las minas fueran reforzadas con estos sistemas para proteger personas y equipos ante fallas de estas super ficies expuestas. Posteriormente, el apernado de techo fue aceptado y ampliamente usado en la industria minera del carbn, lo que se manifest en una reduccin considerable en los accidentes y al mismo tiempo en un gran incremento de la productividad. 34

mucha popularidad debido, no solo al patrocinio del USBM, sino tambin, principalmente, a su control efectivo del terreno y a la reduccin de costos. Veamos algunas ventajas del apernado sobre otros sistemas tradicionales. Reduccin de los requerimientos de almacenaje y transporte. Reduccin de las aberturas que es necesario lograr para un claro dado. Prevencin de deformaciones del techo mediante una instalacin rpida despus de la excavacin.


Mejoramiento de la ventilacin y prdida de la resistencia en la va del aire por eliminacin de obstrucciones, tales como marcos, postes y vigas. Entregar mas liber tad para vehculos sin riesgo de daar el soporte. Entregar soporte natural para colgar caeras, tubos y cables elctricos. Hoy, el apernado de rocas no solo es ampliamente usado en minas subterrneas de carbn, sino tambin, se encuentran aplicaciones en minera de superficie, minera en roca dura, tneles, ingeniera civil, y en la mayor parte donde se requiere estabilidad del terreno. Durante los primeros aos de la explotacin de una En Chile su uso es bastante difundido, donde se han realizado esfuerzos por mejorar estos sistemas y a la vez, proporcionar apoyo tcnico en terreno y adems mediante difusin escrita. En minera los laboreos permanentes tales como chimeneas, subestaciones de carguo, transporte, rampas, subestacin de chancado, subestaciones de manutencin de equipos, subestaciones elctricas, requieren de un sistema de estabilizacin segura durante la vida til de la mina. Lo mismo ocurre en excavaciones de obras civiles que utiliza una alta densidad de sistema de estabilizacin. La diferencia entre ambos es que las aberturas mineras tienden a tener grandes deformaciones como resultado de los esfuerzos inducidos debido al progreso del minado. Por lo general, estos diseos tienden a ser bastante conservadores con la finalidad de disminuir al mnimo la manutencin y rehabilitacin, la que puede ser muy dificultosa y de altos costos. Los sistemas de monitoreo en estos casos pasan a ser una herramienta muy til, con la finalidad de controlar el comportamiento de los sistemas que permitan realizar los cambios en el momento oportuno. Sin embargo, cuando las cmaras o bloques son explotados y los puntos de extraccin estn en la operacin, el cambio de esfuerzos, debido a la creacin de una nueva excavacin y las fuerzas dinmicas producto del movimiento de mena fragmentada, puede resultar en un alto nivel de sobre-tensionado de la roca alrededor de estos puntos de extraccin. Los puntos de extraccin estn por lo general en masas de roca estable, donde no se requiere sistema de estabilizacin. Un ejemplo claro de esto es la pre-instalacin de sistemas de estabilizacin en puntos de extraccin, donde estos son desarrollados o preparados, antes que la cmara localizada sobre ellos, sea explotada. (Ver figura 2.9). mina, las cmaras suelen ser pequeas y aisladas, por lo que es posible mantener la seguridad y minimizar la dilucin con un modesto sistema de estabilizacin. Es muy impor tante por otro lado, el anlisis de cambios en el campo de esfuerzos, siendo ideal instalar los sistemas de estabilizacin previo a que aparezcan las inestabilidades de la roca durante la etapa ms avanzada del minado.Figura 2.8: Galera slo con pernos

35

Cuando estos cambios son advertidos con anticipacin y la roca ha sido reforzada suficientemente, la estabilidad de los puntos de extraccin puede mantenerse durante la vida til de la cmara o bloque. Cuando la mina subterrnea alcanza un nivel alto de explotacin y la cantidad de material removido ha sido desplazado hacia los puntos de extraccin y adems se han recuperado pilares en las reas mas avanzadas, los problemas en los sistemas de estabilizacin alcanzan niveles muy severos y complejos. Entonces aqu el ingeniero debe recurrir a su experiencia ganada en las primeras etapas de explotacin para lograr que se contine dando seguridad en los accesos y manteniendo los niveles de dilucin en valores econmicamente aceptables. Dependiendo de la naturaleza y escala de los problemas, stos pueden mantenerse en el mismo nivel que en las etapas iniciales de explotacin o, en otros casos, se aplican diseos innovativos. En esta etapa se puede justificar tcnica y econmicamente el uso de sistemas ms sofisticados. Del mismo modo, en esta etapa de minado, el departamento de ingeniera debe contar con una base de datos geotcnicos. stos pueden incluir los resultados de las obser vaciones y medidas de las deformaciones que han ocurrido en la excavacin, la En el caso particular de refuerzo de rocas el objetivo es mejorar la resistencia a la tensin y al corte de las masas rocosas adyacentes a la superficie de las excavaciones. Las diversas maneras de mejoramiento de la masa rocosa, tales como inyecciones qumicas o de cemento, congelamiento del terreno, y otras, tienen por finalidad incrementar la resistencia o disminuir las caractersticas de deformacin de una masa de roca.Figura 2.9: Punto de extraccin

magnitud de la falla del macizo rocoso y el rendimiento de los sistemas de estabilizacin.

36

Captulo 3

La Ingeniera de Excavaciones3.1 3.2 3.3 Ingeniera de Rocas Propuesta para la Ingeniera de Excavaciones Mtodo de Anlisis de Riesgo

Captulo 3: La Ingeniera de Excavaciones

3.1

INGENIERIA DE ROCAS

civil, mecnica y minera, que se combinan entre s para crear el proceso del diagrama 3.1.

La Mecnica de Rocas o Geomecnica es un trmino a menudo usado para incluir todas las etapas que llevan a definir y controlar el comportamiento de la roca alrededor de una excavacin. Desde las definiciones geolgicas y mecnicas, a travs de la caracterizacin de macizos rocosos, al diseo de reforzamiento y clculo de factores de seguridad, la mecnica de rocas entrega las bases para la valoracin de la estabilidad de una excavacin (cuantificacin de las necesidades de reforzamiento). En el contexto de definiciones, es mejor hablar de ingeniera de rocas como los componentes de ingeniera geolgica, Este proceso global puede ser muy detallado o igualmente bsico, dependiendo de la magnitud de la operacin minera y de los recursos disponibles. En lo fundamental debe incluir: definicin estructural del macizo rocoso incluyendo aspectos tales como, discontinuidades, fallas, zonas de cizalla, evaluacin de los parmetros fisicomecnicos de la roca intacta y estructuras; identificacin y cuantificacin de los modos de fallas basado en anlisis estructural y de esfuerzos; el modo de influencia de la excavacin y el diseo del reforzamiento de rocas.

Caracterizacin de las Masas rocosas Estabilidad controlada por: Geologa Estructural Esfuerzos Meteorizacin Flujos de Agua

Tipos de inestabilidad Formacin de bloque y/o cuas Ambiente de altos Meteorizacin provoca esfuerzos in-situ e expansiones y inducidos que contracciones de la superan la resistencia roca de la roca Estudios y acciones recomendadas Anlisis de esfuerzos Realizar ensayos de en zonas fracturadas durabilidad y Comparar esfuerzos expansin a testigos medidos con el criterio de roca de fractura Objetivo del diseo Secuencia de Prevenir fallas por excavacin para gravedad y reforzar retardar al mnimo el zonas de potencial tiempo entre falla excavacin y proteccin Influencias de eventos dinmicos Diseo de reforzamiento Diagrama 3.1: Procedimiento analtico del diseo de reforzamiento. Excesiva presin y flujos de agua en poros y discontinuidades

Anlisis de resistencia al corte de las discontinuidades

Instalar piezmetros para determinar presin de agua y su distribucin

Prevenir fallas por gravedad o deslizamiento de bloques o cuas

Drenar y/o inyectar mezclas para controlar presiones y flujos de aguas

39

Se puede decir que los dos factores ms importantes que afectan la estabilidad de cualquier excavacin, son los esfuerzos y las estructuras de la roca. La combinacin de varios regmenes de esfuerzos y fragmentacin podr dictar el comportamiento de la excavacin, como se ver en el procedimiento de diseo. La intensidad de los esfuerzos puede variar de muy baja, a muy alta y la intensidad de fragmentacin desde la roca masiva a estructuras como cubos de azcar o intensamente diaclasado. La roca masiva presenta alta resistencia, pero tambin acumula carga y puede fallar violentamente. La roca muy fracturada tiende a deformarse bajo esfuerzos y de forma muy compleja. Obviamente, la forma y tamao de la excavacin tambin afectan la respuesta de la excavacin. Lo anteriormente expuesto ser analizado con ms detalle en el procedimiento de diseo.

La utilizacin de la mecnica de rocas ayuda a entender de mejor manera el comportamiento de macizos rocosos, siendo esperable una ms efectiva y segura operacin. Los anlisis de esfuerzos son realizados en el sitio y los resultados son ms fciles de evaluar gracias a poderosas herramientas computacionales. Es muy importante repetir el proceso de diseo en etapas posteriores de minado. Por ejemplo, cuando una roca masiva dura falla, produce pequeos fragmentos y, a menudo, es seal de que la roca est sobreestresada y se est rompiendo de una manera frgil incontrolable. Esto podra ser precursor de un evento ssmico y falla dinmica que la mayora de los refuerzos de rocas son incapaces de controlar. De la informacin que se maneja, debido a la gran variedad de elementos de soporte existente en el mercado, parece ser improbable que los materiales del sistema de refuerzo fallen debido a la calidad, sino ms bien, la falla se produce por mala aplicacin o instalacin. Hoek (1996) presenta un resumen de distintos tipos de

3.1.1 Excavacin Optimizada La Mecnica de Rocas es una ciencia relativamente nueva, es inseparable al comportamiento mecnico del material de roca y se usa en la actualidad para optimizar el rendimiento de las excavaciones mineras en roca.

problemas de inestabilidad, los parmetros crticos que los gobiernan, mtodos de anlisis y criterio de aceptabilidad tanto para tneles de obras civiles como excavaciones mineras, taludes y fundaciones. Las tablas 3.1a y 3.1b presenta los dos primeros, que son de inters para este texto.

40


Tabla 3.1a Problemas tpicos y parmetros crticos en excavaciones de Ingeniera Civil (Hoek 1996, modificado) Estructura Tneles en rocas blandas Problemas Tpicos Falla de roca cuando la resistencia es excedida por los esfuerzos inducidos. Parmetros Crticos Resistencia del macizo y de las caractersticas estructurales individuales. Potencial expansin, particularmente rocas sedimentarias. Secuencia y mtodos de excavacin Capacidad y secuencia de instalacin de sistemas de soporte.

Tneles superficiales en rocas fracturadas

La gravedad provoca falla en cada libre Orientacin, inclinacin y resistencia al o deslizamiento de cuas o bloques definidos por la interseccin de soportado inadecuadamente. corte de las discontinuidades en el macizo rocoso. Calidad de perforacin y voladura durante la excavacin. Capacidad y secuencia de instalacin del sistema de soporte.

discontinuidades. Derrumbe de material Forma y orientacin de la excavacin.

Grandes cavernas en roca fracturada

La gravedad provoca falla o deslizamiento Forma y orientacin de la caverna en de cuas o fallas de corte o tensin en relacin a la orientacin, inclinacin y el macizo rocoso, dependiendo del y magnitud de los esfuerzos in-situ. resistencia al corte de las estructuras Esfuerzos in-situ en el macizo rocoso. Excavacin y secuencia de soporte y calidad de la perforacin y voladura. espaciamiento y caracterstica estructural en el macizo rocoso.

41

Tabla 3.1a (conclusin) Problemas tpicos y parmetros crticos en excavaciones de Ingeniera Civil (Hoek 1996, modificado) Estructura Cmaras en corte y relleno Problemas Tpicos desde el techo y pared pendiente. Parmetros Crticos corte de estructuras en la masa rocosa. Fallas de cuas y bloques estructurales Orientacin, inclinacin y resistencia al Fallas por esfuerzos inducidos y estallido Esfuerzos in-situ en la masa rocosa. de rocas en ambientes de altos esfuerzos. Forma y orientacin de la cmara. Calidad, ubicacin y drenaje del relleno.

Accesos de cmaras

Dilucin del mineral debido a fallas del

Calidad y resistencia de la roca.

techo y paredes. Estallido de rocas o falla Esfuerzo in-situ e inducidos en la roca progresiva inducida por altos esfuerzos alrededor de la excavacin. de los pilares entre cmaras. Calidad de perforacin y voladura en la excavacin.

Puntos de extraccin y piques Fallas locales del macizo rocoso debido Calidad y resistencia de la roca. de traspaso a la abrasin y desgaste de los sistemas Esfuerzos in-situ e inducidos por la dbiles de soporte en piques y puntos de extraccin. En casos extremos esto puede llevar a perder las cmaras o piques. construccin de la excavacin y cambios de esfuerzos debido a la explotacin. Seleccin y secuencia de instalacin del soporte.

42


Tabla 3.1b Mtodos de anlisis y criterios de aceptabilidad para excavaciones de Ingeniera Civil. (Hoek 1996, modificado) Estructura Tneles en rocas blandas Mtodos de Anlisis Anlisis de esfuerzos usando mtodos de la zona de falla y posibles desplazamientos en la masa rocosa. Criterios de Aceptacin La capacidad de soporte instalado, macizo rocoso y limitar la deformacin en un nivel aceptable. Mquinas de

numricos para determinar la extensin debera ser suficiente para estabilizar el

Anlisis de interaccin usando mtodos tunelera y estructuras internas deben numricos para determinar la capacidad ser diseados para una deformacin del y secuencia de instalacin del soporte y estimar desplazamiento en el macizo rocoso. tnel debido a expansin o deformacin dependiente del tiempo. Monitoreo de deformacin es un aspecto importante de control de la construccin.

Tneles superficiales en rocas Tcnicas de proyeccin estereogrfica o Factor de seguridad incluyendo los efectos fracturada mtodos analticos son usadas para la determinacin y visualizacin de todas alrededor del tnel. Anlisis de equilibrio lmite de cuas crticas son usadas para estudios paramtricos sobre el modo de falla, soporte. del reforzamiento, debe exceder 1.5 para deslizamientos y 2.0 para cada de cuas Secuencia de instalacin de soporte es crtico. Cuas y bloques deben ser identificados y soportados antes que ellos sean

las cuas potenciales en el macizo rocoso y bloques.

factor de seguridad y requerimientos de expuestos totalmente por la excavacin.

Grandes cavernas en roca fracturada

Tcnicas de proyeccin esfrica o mtodos analticos son usados para la determinacin y visualizacin de todas las cuas potenciales en el macizo rocoso. por cada etapa de la excavacin de la caverna son determinados por anlisis requerimientos de soporte para las paredes y techo de la caverna.

Un diseo aceptable es logrado cuando el modelo numrico indica que la extensin de la falla ha sido controlada por el soporte instalado, que el soporte no es sobre-estresado y que los han estabilizado. El monitoreo de desplazamientos es diseo.

Esfuerzos y desplazamientos inducidos desplazamientos en la masa rocosa se

numrico y son usados para estimar los esencial para confirmar la prediccin del

43

Cmaras en corte y relleno

Anlisis numrico de esfuerzos y desplazamientos para cada etapa de la excavacin dar una indicacin de los problemas potenciales. Modelos numricos mas sofisticados permitir incluir el soporte suministrado por el relleno o el reforzamiento de roca por medio de cables o pernos cementados.

La inestabilidad local debe ser controlada por la instalacin de pernos o cables cementados para proporcionar seguridad y minimizar dilucin. La inestabilidad es controlada por la geometra y secuencia de excavacin de las cmaras, la calidad y secuencia de relleno. Condiciones aceptables de minado son alcanzadas cuando la mena es recuperada en forma segura.

Accesos de cmaras

Algunas reglas empricas, basadas en la clasificacin de masas rocosas, son disponibles para estimar las dimensiones de la cmara. Anlisis numrico del trazado de la cmara y secuencia de minado, usando anlisis tridimensional para yacimientos de formas complejas, entregar indicaciones de problemas potenciales y estimacin de los requerimientos de soporte.

Un diseo de este tipo puede ser considerado aceptable cuando la seguridad y los bajos costos de recuperacin de una gran parte o porcentaje del yacimiento ha sido alcanzado. Fallas en piques y galeras de transporte con factor de seguridad inaceptable requieren de patrones de soporte. En condiciones de alto esfuerzos, destrezamiento locales pueden ser usados para reducir los estallidos de rocas. La forma de las aberturas deben ser mantenidas durante su vida til. Prdidas de control pueden resultar en una dilucin seria del mineral y abandono de la excavacin. Sistemas resistentes tal como pernos o cables cementados, pueden ser instalados durante la excavacin de la cmara. En estos casos, un sistema de control de inestabilidad puede ser muy til.

Puntos de extraccin y piques Equilibrio lmites anlisis numrico no de traspaso son particularmente tiles si los procesos de desgaste y abrasin no son incluidos en estos modelos. Diseos empricos basados en experiencias anteriores o mtodos de prueba y error pueden ser usados.

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3.2

PROPUESTA PARA LA INGENIERIA DE EXCAVACIONES

y, algunas veces, sin consideracin de efectos sobre los otros. Sin embargo, una simple metodologa de diseo puede ser desarrollada para integrar los procesos de diseo y sus interacciones, de manera tal que pueda ser posible realizar pequeos ajustes en el diseo para el rendimiento de la voladura, reducir la inestabilidad de la excavacin y, consecuentemente, decrecer los requerimientos de refuerzo. Una metodologa para enfrentar este problema requiere de una descripcin uniforme, clculo y presentacin de herramientas para el uso de las diferentes disciplinas que intervienen en el diseo. En concordancia con los autores de la publicacin, el problema de ingeniera en excavaciones mineras puede ser dividido en tres procesos de diseo principales: 1. Diseo de Excavacin 2. Diseo de Voladura 3. Diseo de Refuerzo En la industria minera estas tareas a menudo son atendidas por personal diferente con un exper ticia especfica, quienes conducen su trabajo usando datos de entrada particular y clculos de ingeniera, presentando sus resultados tambin en forma particular. En forma muy clara, ellos asocian este problema de ingeniera de excavaciones a los trminos de teora de conjunto. La ingeniera de excavacin puede ser aproximadamente descrita como la "unin" de los diseos de excavacin, de voladura y de refuerzo. Similarmente, el volumen de interaccin y colaboracin entre estos procesos puede ser proporcionado por la "interseccin" de los tres conjuntos. Para los tres procesos de diseo, su unin (U = DE < DR) y su interseccin (I = DE > DV > DR) se muestran esquemticamente en el diagrama de Venn. (Ver figura 3.1).

3.2.1 Conceptualizacin En la minera, donde las circunstancias laborales lo impiden, las excavaciones son desarrolladas con herramientas diferentes para cada etapa del proceso. Un interesante trabajo se ha realizado en el Australian Mineral Industries Research Association (AMIRA) y que se recomienda desarrollar basado en parmetros propios. En los siguientes prrafos, se presenta un resumen de esta filosofa, que est basada en el paper "Excavation Engineering - The Integration of Excavation Design" (C.R. Windsor, A.G. Thompson and G.P Chitombo). La ingeniera de excavacin envuelve tres procesos de diseo: diseo de excavacin, diseo de voladura y diseo de reforzamiento. La ingeniera de excavacin pretende la integracin y simulacin de estos tres procesos de diseo. Los autores de la publicacin consideran que el diseo de minas, canteras o excavaciones civiles requieren la interaccin de los diferentes diseos. Los elementos dominantes para la minera son la geometra del yacimiento, las leyes y esquemas de extraccin. El trazado geomtrico, la seguridad y el propsito, son los elementos dominantes para las excavaciones de ingeniera civil. Es sabido que los efectos del diseo de excavacin estn asociados a las estrategias de voladuras y requerimientos de soporte y refuerzo artificial. Un ptimo diseo pretende maximizar la extraccin y la eficiencia en voladura y minimizar la dilucin, sobrequiebre y requerimientos de refuerzo o soporte. En realidad, los procesos de diseo son complicados, por lo que son llevados generalmente en forma separada

45

3.2.2 DE

Sistema Universal de Clasificacin de Rocas de Masas Rocosas

La literatura de mecnica de rocas muestra numerosos sistemas de clasificacin que han sido propuestos en I ingeniera de rocas. Algunos de los ms conocidos son: RQD Q DV= Unin ( 0,6 a 2 m >2m Espaciado y rugosidad diaclasas (ER) Espaciado > 5 mm, continua relleno arcilla Espaciado < 5 mm, superficie potencial deslizamiento Espaciado < 1 mm, superficie alterada Cerrada, sin alteracin rugosidad Humedad de fisuras (HF) Corriente de agua Goteo de agua Hmeda Seca Direccin estructural respecto al frente (DIR) < 5 Desde 5 hasta menos de 15 Desde 15 hasta menos de 30 30 Inclinacin de fisuras respecto al frente (PEN) desde -15 a menos de -5 desde -5 a menos de 5 desde 5 a 15 > 15 Indice de Sensibilidad (S = 4PF + 2ER + HF + DIR + 2PEN) Muy favorable Favorable Desfavorable Muy desfavorable 3 2 1 0 Rating de "S" S < 25 25 S < 50 50 S < 75 S 75 3 2 1 0 3 2 1 0 3 2 1 0 3 2 1 0 Valor asignado

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Tabla 3.3b Probabilidad de riesgo segn la clase de actividad y sustentabilidad Clases de actividad (Tabla 3.2) Actividad Dormida Inactiva Fresca Activa Muy Favorable Insignificante Baja Intermedia Alta Indice de Sensibilidad (Tabla 3.3a) Favorable Baja Baja Intermedia Alta Desfavorable Baja Intermedia Alta Alta Muy Desfavorable Intermedia Intermedia Alta Alta

Tabla 3.4 Ejemplo de razonamiento de riesgo. (Intensidad y probabilidad como input y riesgo como output) Intensidad del fenmeno Falla de la roca Falla de bloques Colapso Colapso mayor Intensidad del fenmeno Falla de la roca Falla de bloques Colapso Colapso mayor En un tpico diseo de un sistema geotcnico, el ingeniero debe obtener una estimacin de los parmetros que se utilizarn en el sitio, seleccionar los mtodos ms apropiados, e interpretar los resultados del anlisis. Insignificante Bajo Bajo Intermedio Probabilidad de ocurrencia Bajo Bajo Intermedio Intermedio Bajo Intermedio Intermedio Alto Intermedio Intermedio Alto Alto (m3) < 10-3 desde 10-3 a 1 >1 > 10

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Captulo 4

Procedimiento de Diseo para Tneles en Roca4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 Revisin al Procedimiento de Diseo para Tneles en Roca Procedimiento de Diseo de Tneles en Roca Control del Debilitamiento de las Excavaciones Subterrneas Tamao de la Excavacin y Nmero de Discontinuidades Nivel de Esfuerzo Diseo de Soporte para Rocas Sobrestresadas Definicin del Criterio de Falla Concepto Arco de Roca

Captulo 4: Procedimiento de Diseo para Tneles en Roca

4.1

REVISION AL PROCEDIMIENTO DE DISEO PARA TUNELES EN ROCA

aproximacin muy confiable del compor tamiento bajo las condiciones en que se encuentra la masa rocosa de la construccin subterrnea. La instrumentacin es otra componente impor tante de verificacin. Tal como el caso de las fundaciones de los puentes, los mtodos de anlisis consideran el comportamiento del conjunto del sistema; en otras palabras, el acero del perno, la lechada de cemento y la roca. La naturaleza de las discontinuidades permite tener presente distintos modos de falla y que aparentemente puede ser una situacin compleja, situacin que en la actualidad se ha superado con el uso de modernas tcnicas de anlisis. Del mismo modo, es posible pensar que las excavaciones en roca siempre estn bajo condiciones de esfuer zo-deformacin, que generalmente estn en equilibrio antes de que la excavacin sea efectuada. Distinto es el caso en unidades geolgicas cuyas rocas tienen muy alta resistencia a la compresin que pueden acumular un alto nivel de energa, la que despus de un cier to lmite esta energa es liberada abruptamente, generando estallidos de roca (rockburst). (Ver Figura 4.1).

4.1.1

Introduccin

En las ltimas dcadas, la construccin subterrnea ha experimentado a nivel mundial un impor tante incremento, tanto en el nmero de obras como en su tecnologa. Los propsitos pueden ser tambin muy diversos, entre los que se cuentan: tneles carreteros y de ferrocarriles, proyectos hidroelctricos, grandes cavernas como recintos depor tivos y aparcamiento de vehculos, accesos a la explotacin de yacimientos mineros, etc. Del mismo modo, los motivos para generar estos espacios subterrneos pueden ser muy diversos, entre los que se incluyen los problemas de espacio en las grandes ciudades y las r estricciones medioambientales, tanto en obras civiles como en explotaciones mineras. Las metodologas de diseo permanecieron por mucho tiempo invariables hasta que las condiciones de las masas rocosas fueron ms adversas y fue necesario introducir nuevas tecnologas, tanto de diseo como de sistemas de sopor te. As ha ocurrido en la minera subterrnea en Chile, donde en las ms impor tantes minas (El Teniente, Andina y El Salvador), los niveles de esfuerzos y profundidades son cada vez mayores. Las investigaciones en el campo de la ingeniera geotcnica ha ido incorporando nuevas y potentes herramientas que han contribuido al desarrollo de la disciplina, especialmente en lo referido a modelacin numrica, utilizando para ello diversos softwar es que emplean elementos finitos o diferencias finitas (FLAC, PHASE), logrando una

Gentileza de David Regalado, 2005

Figura 4.1: Estallido de Roca Uchucchacua, Per.

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En el diseo del refuerzo se debe dar primeramente nfasis al control de los ms probables modos de falla que pueden conducir a un colapso. La informacin necesaria para el diseo no se encuentra normalmente en las etapas previas, pero se debe tratar de obtener durante el tiempo de investigacin geolgica para la exploracin, diseo y etapa de constr uccin del proyecto. El diseador de sistemas de refuerzo debe, por lo tanto, dar ms nfasis a los modos de defor macin que a los clculos de esfuer zos, deformaciones y car gas. Los procedimientos de construccin y el suministro de especificaciones deben ser tambin considerados como par te del proceso de diseo para asegurar sus requerimientos. Lo anterior es de vital impor tancia cuando existen de por medio situaciones contractuales de trabajo con terceros, que puede tener un significativo efecto econmico para ambas par tes en el proyecto.

proyecto dado. En este punto del diseo es muy til la infor macin acumulada de otros proyectos similares. Seguramente desde la etapa de exploracin y programas de sondajes, an no se disponga de la informacin detallada y necesaria para el anlisis de detalle y diseo; por esto, el ingeniero diseador debe conocer tcnicas de estabilizacin que se han empleado y han sido exitosas. Este conocimiento debe incluir conocimiento de mecnica de rocas y estabilizacin que pueden ser proporcionados por libros, publicaciones tcnicas, etc. Debe incluir, del mismo modo, una revisin de planos, especificaciones tcnicas y experiencia en trabajos similares al considerado en el proyecto. Las alternativas de refuerzo y esquemas de excavacin son, en general, considerados en el diseo final.

4.1.3 Etapa de Diseo Final El procedimiento de diseo de un refuerzo de roca no debe restringirse slo a los elementos del sistema, sino que tambin debe ser considerado como un elemento integrado a las estructuras de roca. En las siguientes secciones se entregarn primeramente las diferentes etapas del diseo; luego, las caractersticas bsicas del diseo; en tercer lugar, los procedimientos o guas empricas basadas en experiencias de otros proyectos; y por ltimo, las tcnicas analticas que pueden ser usadas para asistir al diseador. Una vez que se dispone de la informacin de geologa e ingeniera de rocas y ha finalizado el plan del proyecto, recin puede ser entregado un diseo detallado. Este debera contener un set de planos y especificaciones que haya indicado el contratista o el departamento de construccin y el refuerzo que el diseador considerar necesario para estabilizar la estructura de roca. El diseo no debe incluir slo el nmero, el largo, el tamao y la orientacin de los elementos de refuerzo, sino que tambin la secuencia de excavacin-refuerzo y los requerimientos detallados de la instalacin. Esta ltima condicionante juega un papel impor tante en el desempeo del sistema, puesto que la operacin de 4.1.2 Etapa Preliminar de Diseo Los esfuerzos primeramente deben estar orientados a la determinacin en forma aproximada del tipo y volumen de refuerzo que puede ser requerido en un instalacin debe ser realizada de acuerdo con procedimientos y normas de calidad de los elementos que envuelve el sistema. (Ver captulo Procedimiento de Instalacin). Los anlisis de los posibles modos de deformacin son realizados en esta etapa, con el fin

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de tener un conocimiento detallado acerca de la roca. El estudio detallado debe ser realizado a recientes proyectos, para asegurar que mejores mtodos no hallan sido revisados. Una serie de test en laboratorio e insitu debera ser considerado para verificar que los elementos y procedimientos sean aceptables desde el punto de vista prctico. Las especificaciones deben considerar cierta flexibilidad en los requerimientos del sistema de refuerzo de roca de manera tal que sea econmicamente factible.

La segunda etapa considera un estudio de factibilidad donde se efecta la clasificacin de la masa rocosa de la regin. En esta etapa se pueden usar diferentes metodologas de clasificacin, con el objetivo de tener una aproximacin de los sistemas de sopor te que se emplearn. En esta etapa tambin se realiza un examen crtico de los problemas del tnel, se confeccionan secciones transversales y se definen los mtodos alternativos de construccin. La tercera etapa considera la caracterizacin de detalle

Las especificaciones del sistema de refuerzo ser virn no solamente como gua para el operador o instalador del sistema y requerimientos de control de calidad, sino que tambin proveer un medio de informacin para el contratista y el inspector con los requerimientos del sistema para cada parte del proyecto. Algunos estudios de proyectos precisan los requerimientos de refuerzo adicional a los patrones bsicos de instalacin.

del sitio bajo un plan de trabajo que involucra mapeo de detalle geolgico, perforacin de exploracin y, si es necesario, construccin de algunas galeras auxiliares. Los test pueden ser geofsicos, de laboratorio e in-situ. La determinacin de los esfuerzos actuantes y la condicin de aguas subterrneas aportan antecedentes para el estudio de estabilidad de la excavacin. La cuarta etapa considera el anlisis de estabilidad. Con este anlisis se logra la clasificacin de masa rocosa,

4.2

PROCEDIMIENTO DE DISEO DE TUNELES EN ROCA

la cual nos entrega informacin sobre los mecanismos de control de la excavacin. Estos mecanismos de control pueden ser: estructurales, esfuer zos, tiempo y meteorizacin provocada especialmente por el excesivo flujo y presin de las aguas subterrneas. La quinta etapa envuelve el diseo final y la construccin, consistente en la preparacin de dicho diseo final y en la explicitacin de los mtodos alternativos de construccin. Luego, se podra incluir una sexta etapa, que considera el diseo de un programa de monitoreo para validar el modelo o solucionar algunos requerimientos tcnicos. Finalmente se preparan los contratos y estiman los costos involucrados.

El procedimiento de diseo de tneles en roca incorpora cinco etapas que involucran los estudios previos y la construccin final. La primera etapa considera la adquisicin de datos preliminares, en la que el propsito del tnel definir su forma y tamao. Por otro lado, la informacin de geologa y topografa son elementos impor tantes que deben estar a disposicin de los diseadores desde el principio. Posteriormente se debe realizar una caracterizacin geotcnica preliminar con un plan de investigacin involucrando mapeo de super ficie, exploracin geofsica y valorizacin de parmetros geotcnicos a par tir de muestras tomada en terreno.

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4.2.1 Fundamentos y Principios La filosofa del diseo de refuer zo envuelve dos aspectos que se consideran en el fallamiento de las excavaciones subterrneas. Por un lado, la estabilidad depende de la situacin geomtrica en el mbito general de la mina. Es decir, el fallamiento depende de la distribucin espacial de todas las excavaciones y de la secuencia con que se desarrollan y, por otro lado, la estabilidad depende de las condiciones especficas locales, tales como el nivel de esfuerzos y la calidad del macizo rocoso circundante a la excavacin. La zonificacin del macizo rocoso desde el punto de vista geomecnico es de vital impor tancia en la etapa del diseo.

comnmente se denomina "Infraestructura de la Mina". Dependiendo del sistema de explotacin, ser necesaria la construccin de galeras, piques, chimeneas, cmaras de explotacin dinmica, etc. Esta infraestructura se puede ver afectada en su estabilidad en cualquiera de sus casos, como se ver ms adelante. En general, este diseo minero puede usar tanto metodologas manuales como computacionales. A continuacin, se presentan los principales aspectos considerados (Hoek, Kaiser y Bawden 1995).

4.2.2 Riesgo de Diseo El riesgo aceptable muchas veces es de dificultosa

Esta zonificacin se puede realizar sobre la base de una caracterstica especfica de resistencia del macizo rocoso (Resistencia a la Compresin Simple, "RQD" Rock Quality Designation, etc.), o utilizando sistemas de clasificacin de macizos rocosos ms completos, como los sealados en el captulo 3 Ingeniera de Excavaciones. Esta categorizacin ser vir para estandarizar el uso de sistemas de refuerzo para cada unidad geotcnica definida. Sin embargo, en la minera vetiforme la estandarizacin es ms difcil debido al cambio continuo de las calidades de roca a cor ta distancia. Hoy da se recomienda la utilizacin del anlisis Fuzzy para definir los valores de los parmetros. La explotacin de cuerpos mineralizados necesita para la extraccin de la especie til, la preparacin y desar rollo de una serie de excavaciones subter rneas. Lo anterior constituye lo que

definicin para la pequea y mediana minera y obras civiles de pequea envergadura, especialmente por su relacin directa a los costos. La figura 4.2 muestra los dos extremos de esta situacin. Por un lado, el refuerzo del tnel del lado derecho es econmicamente inaceptable y en el lado izquierdo hay una clara violacin a los estndares de seguridad.

4.2.3

Factor de Seguridad

Una aproximacin clsica usada, para determinar el factor de seguridad es la relacin entre la capacidad "C" de sopor te (fuerzas resistentes) y la demanda "D" (fuerzas que favorecen el fallamiento). En donde: F= C (Factor de Seguridad) D

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Figura 4.2: Variantes de riesgo.

Un factor F = 1,3 puede ser utilizado para labores temporales y un factor de 1,5 a 2,0 para labores permanentes.

bloques, etc.), que al inter ceptar la seccin desarrollada de una excavacin, provoca su cada o deslizamiento al interior de la misma. Lo anterior se debe a que la roca estresada ha sido removida permitiendo que la roca remanente se mueva debido

4.2.4

Estudio de Sensibilidad

a la descarga. B. Los Esfuer zos: Los macizos rocosos estn sometidos a esfuerzos, producto de la sobrecarga y del origen tectnico. Cuando se realiza una excavacin se produce una redistribucin de estos esfuerzos, que se denominan esfuerzos inducidos. Generalmente, esto considera una mayor per turbacin

Este estudio envuelve una serie de clculos en los que cada parmetro significativo es variado sistemticamente hasta un rango mximo creble, en orden a determinar su influencia sobre el factor de seguridad.

4.3

CONTROL DEL DEBILITAMIENTO DE LAS EXCAVACIONES SUBTERRANEAS

del campo de esfuerzos preexistentes tanto en su magnitud, como en su orientacin. Si estas fuerzas superan la resistencia del macizo rocoso, el fallamiento es posible. C. El Tiempo y Meteorizacin: La capacidad de deformacin del macizo al estar sometido a un cier to nivel de esfuerzo durante un tiempo "t" y la meteorizacin provocada especialmente por el agua, son elementos que deben ser considerados en la estabilidad de la excavacin. En los alrededores de

Tal como se expresara en la seccin 3.1, Ingeniera de Rocas, para entender los desplazamientos que ocurren en una masa rocosa es de vital impor tancia identificar los tres ms impor tantes debilitamientos, que pueden estar controlados por: A. Las Estructuras: La interseccin en discontinuidades de cualquiera de sus tipos, puede configurar diversas for mas geomtricas (cuas,

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una excavacin abier ta a la atmsfera, cualquier presin de fluido existente en la masa de roca ser reducida a cero (o ms estrictamente, a la presin atmosfrica). Esto hace que la excavacin actu como un sumidero, y cualquier fluido dentro de la masa de roca tender a infiltrar hacia la excavacin (Ver figura 4.3).

4.4

TAMAO DE LA EXCAVACION Y NUMERO DE DISCONTINUIDADES

De hecho, todos los macizos rocosos estn fracturados y es muy raro el caso donde el espaciamiento entre discontinuidades es apreciablemente ms grande que las dimensiones de un proyecto de excavacin. En general, la estabilidad de una excavacin cumple con las siguientes relaciones: Estabilidad =1/N de discontinuidades Estabilidad =1/tamao de la excavacin La figura 4.4 muestra que, en la medida que aumenta de tamao la excavacin, en un mismo macizo rocoso, aumenta el nmero de bloques y/o cuas potenciales a fallar. En la mayora de los casos las discontinuidades se presentan en forma bi-dimensional, por lo que es necesario apoyarse en tcnicas como la "Lnea de Detalle", "Mapeo de Celdas" otros aparatos ms sofisticados como es la "Bore Hole Camera", para realizar proyecciones espaciales de estas discontinuidades (Ver figura 4.5). ms all de 200 m de profundidad, por lo que los niveles de esfuerzos son relativamente bajos (no mayor a 10 MPa). As, en rocas masivas las excavaciones no sufren daos por este concepto y por lo tanto no requieren refuerzo, excepto localmente o para satisfacer reglamentos 4.5 NIVEL DE ESFUERZOS de seguridad internos de la empresa. En rocas fisuradas asociada a bajos esfuer zos, normalmente se presentan desprendimientos y/Figura 4.4: Efecto del tamao de la excavacin y el nmero de discontinuidades.C B A

Figura 4.3: Filtracin de agua en tneles.

La mayora de los cuerpos vetiformes que se explotan en el mbito de la pequea minera, estn localizados no 62


Figura 4.5: Cmara Introscpica.

deslizamientos de bloques menor es debido principalmente a efectos gravitatorios. El apernado debe ser diseado para sopor tar el peso muer to de las cuas y/o bloques. En r ocas altamente fisuradas, se pr oducen desprendimientos y/ deslizamientos de pequeas cuas y/ bloques formados por la interseccin de las discontinuidades. Este fenmeno puede continuar propagndose hasta formar grandes cavidades si no se adopta oportunamente un sistema de refuerzo. En este caso, el shotcrete con malla y apernado proporcionan un adecuado sopor te. Diferentes modos de falla se muestran en la figura 4.6.

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Figura 4.6: Tipos de fallas que ocurren en diferentes niveles de esfuerzos y calidades de masas rocosas (modificada desde Martn et al., 1999).

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Figura 4.6 (Continuacin): Tipos de fallas que ocurren en diferentes niveles de esfuerzos y calidades de masas rocosas (modificada desde Martn et al., 1999).

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Figura 4.6 (Conclusin): Tipos de fallas que ocurren en diferentes niveles de esfuerzos y calidade

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