5.metodo de excavacion de tuneles perforacion voladura i

Ing. VICTOR TOLENTINO YPARRAGUIRRE Msc.

METODOS DE EXCAVACION DE

TUNELES

PERFORACION Y VOLADURA

CURSO METODOS DE

EXCAVACION DE TUNELES

¡El arte de

excavar túneles

radica en ser capaz de

colocar el sostenimiento

adecuado a la distancia del

frente adecuada¡

EXCAVACION SUBTERRANEA

• Cuando las excavaciones subterráneas son desarrolladas de manera artesanal, se conceptúa a la excavación como el “SOCAVON”, que es una labor efectuada con la mínima sección posible de excavación, para permitir el tránsito del hombre o de acémilas para realizar la extracción del material desde el frontón hasta la superficie.

• Cuando las excavaciones se ejecutan controlando la sección de excavación, de manera que se disturbe lo menos posible la roca circundante considerando la vida útil que se debe dar a la roca, es cuando aparece el concepto de “TUNEL”, que abarca, globalmente, al proceso de excavación, control de la periferia, sostenimiento, revestimiento y consolidación de la excavación.

• El éxito de una correcta y económica obra de tunelería dependerá de la buena combinación que se efectúe entre estos factores.

“UN TUNEL NO ES UN AGUJERO MAS EN LA TIERRA. EN TERMINOS ESTRICTAMENTE PRACTICOS SE TRATA SE UNA OBRA DE INGENIERIA EXTRAORDINARIAMENTE SOFISTICADA Y NUNCA FUE SENCILLA NI SEGURA”

Nordlund, “Muerte en el Túnel”

EXCAVACIONES SUBTERRANEAS

EL OBJETIVO DE

LA OBRA

SUBTERRANEA

EL SISTEMA

CONSTRUCTIVO

TRAZADO

LA ESTRUCTURA

RESISTENTE:

EL CALCULO

SECCION TIPICA

LA GEOMETRIA

DEL PROYECTO

LA GEOLOGIA Y

GEOTECNIA DEL

MACIZO ROCOSO

LAS

INSTALACIONES

PARA LA

EXCAVACION

TEMAS BASICOS

ESCAVACIONES SUBTERRANEAS

RIESGOS A

ASUMIR FINANCIACION

DEL PROYECTO

•CONCEPTOS EQUIVOCADOS EN EL

PLANEAMIENTO DE LA OBRA.

•INADECUADA ESPECIFICACIONES TECNICAS.

•ERRADA ELECCION DE EQUIPOS.

•SOBREDIMENSIONAMIENTO DE LOS

ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO.

•MALA DISPOSICION DE CARGAS EXPLOSIVAS

EN LAS VOLADURAS.

•ACCIDENTES GEOLOGICOS INESPERADOS. FACTORES QUE

INCREMENTAN EL

PRESUPUESTO

VARIABLES DE

RIESGO

CRONOGRAMA

CALIDAD

COSTOS

OBJETIVOS DE LAS EXCAVACIONES SUBTERRANEAS

OBJETIVOS

FUNCIONALES

FORMAR PARTE DEL TRAZADO

DE UNA VIA DE COMUNICACIÓN

(CARRETERA, FERROCARRIL)

IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DEL

DISEÑO. Preservar el valor Medioambiental del

paisaje.

Limitación de ruidos en la zona.

Reducción de volúmenes de tierra a

remover.

Reducción de terrenos a adquirir.

OBJETIVOS

COMPLEMENTARIOS

TUNEL DE CONDUCCION

HIDRAULICA, ACUEDUCTOS,

GASODUCTOS, OLEODUCTOS,

ETC.

EXPLOTACION MINERA O DE

CARACTER INDUSTRIAL (C.H.,

GEOTERMICAS, NUCLEARES.

INSTALACIONES MILITARES

(ANGARES, MUELLES, ETC.)

PREVENCION DE DAÑOS FISICOS

En la Explotación: Prevención de

incendios, salidas de emergencia, etc.

En la Construcción: Seguridad e

higiene laboral

LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO Y SECCION TIPO

LA GEOTECNIA DEL MACIZO

A ATRAVEZAR

LA AFECCION A OBRAS

SUBTERRANEAS

EXISTENTES

LA AFECCION A OBRAS

EXTERIORES EXISTENTES

LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO – EN PLANTA

• LA GEOTECNIA LOCAL DEL MACIZO A ATRAVEZAR

Hay que disponer de una información de tipo general sobre las condiciones geotécnicas del macizo a atravesar, aunque luego se vuelva sobre el tema. Permitirá establecer alternativas de trazado, más adecuadas desde el punto de vista geotécnico.

LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO – EN PLANTA

LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO

• LA AFECCION A OBRAS SUBTERRANEAS EXISTENTES

Se puede decir, sin exageración alguna, que la información sobre los servicios existentes en el subsuelo de la zona de futura obra subterránea es tan importante, por no decir más, que la relativa a la geotecnia del macizo.

LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO

• LA AFECCION A OBRAS EXTERIORES EXISTENTES

El fenómeno de la subsidencia del terreno superficial, debida a la ejecución de un túnel bajo el mismo, existe siempre, aunque, naturalmente, depende muy esencialmente de las características geotécnicas del macizo rocoso.

LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO - PENDIENTE

CARRETERAS ORDINARIAS

(LIMITE MAXIMO 5% )

CONTRAPENDIENTES Y

DESAGUES

REALIZAR EXCAVACONES A

FAVOR DE LA PENDIENTE

PARA EVACUAR EL AGUA

AUTOPISTAS

(2% TUNELES ASCENDENTES

4% TRAMOS CORTOS)

FERROCARRILES

2.5% TRAMOS LARGOS

5% TRAMOS MUY CORTOS

EN PROYECTOS DE ALTA

VELOCIDAD DEBE SER

MAX. 1%

GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO HIDRAULICOS Y VIALES

HERRADURA

CIRCULARES

DOS NIVELES

GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO

TIPO HERRADURA


TIPO DOBLE CIRCULO – VIALIDAD E HIDRAULICO


TIPO HERRADURA – HIDRAULICO


TIPO CIRCULAR – VIALIDAD E HIDRAULICO


TIPO DOBLE CIRCULO TIPO BOCA – VIALIDAD


TIPO HERRADURA CONCAVA – HIDRAULICO


TIPO HERRADURA - MINERIA


TIPO TRAPEZOIDAL - MINERIA

CONSIDERACIONES GEOLOGICAS PARA ELEGIR EL SISTEMA CONSTRUCTIVO

DEFINICION DE ESFUERZO

PLANTEAMIENTO GENERAL DEL DISEÑO DE

EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS

La estabilidad de un hueco está relacionado con el comportamiento del medio

en que se practica, pues si una excavación está excavada en:

un medio elástico sólo aparecerán grandes deformaciones elásticas

para niveles de tensión muy grandes;

un medio elastoplástico (perfecto o con reblandecimiento) pueden

aparecer deformaciones muy grandes (y permanentes) a niveles de

tensión relativamente moderados.

un medio fisurado puede haber deslizamiento y separación de

bloques.

Para el diseño de galería y túneles en macizos rocosos asimilables a medios

continuos y elásticos, pueden utilizarse las teorías deducidas del la mecánica

elástica, que se presentan a continuación:

•La distribución de tensiones en el borde del hueco es independiente del

tamaño del agujero pero no de su forma, y lo mismo sucede con las

tensiones críticas.

•La distribución de tensiones tangenciales y radiales (y críticas) es

independiente de las constantes elásticas de la roca.

•Las concentraciones de tensiones críticas aumentan al disminuir el radio

de curvatura del borde del agujero, por lo que no es aconsejable realizar

cavidades con esquinas agudas.

•La concentración de tensiones tangenciales en el eje horizontal de una

cavidad de cualquier forma tiene su máximo en el borde y disminuye

rápidamente con la distancia a éste. Cuanto mayor sea el máximo más

rápidamente decrecerá con la distancia al borde.

ANALISIS TENSIONAL : NORMA OPCIONAL PARA EL

DISEÑO DE LA EXCAVACION SUBTERRANEA

• La distribución de tensiones en una excavación subterránea no es

influenciada apreciablemente por la presencia de otra excavación si

éste se halla separado del primero por una distancia del orden de

cuatro o más radios, por lo que cuando se satisface esta condición

el hueco puede considerarse aislado.

•El hecho de que la distribución de tensiones sea independiente del

tamaño de la excavación subterránea no debe interpretarse

erróneamente suponiendo que la inestabilidad es independiente del

tamaño de la excavación, lo que está en fuerte contradicción con la

experiencia. Este aumento de la inestabilidad con el tamaño va

asociada al hecho de que al incrementar sus dimensiones

existe un mayor número de probabilidades de cortar

discontinuidades en la roca, lo que disminuye la resistencia del

terreno, dando lugar al denominado efecto de escala.

ANALISIS TENSIONAL : NORMA OPCIONAL PARA EL

DISEÑO DE LA EXCAVACION SUBTERRANEA

COMPUTO DE ESFUERZOS POR ELEMENTOS FINITOS

PROCESO MECANICO DE FALLAMIENTO DE LA ROCA ALREDEDOR DE UNA EXCAVACION

• Según la teoría de Rabcewicz, el proceso de reacomodo de esfuerzos alrededor de una excavación subterránea es mecánico, progresivo y generalmente ocurre en cuatro fases.

• Este fenómeno tiene ocurrencias en el último tramo excavado (L), y se inicia tempranamente, cuando la zona no alcanza a disturbarse por el avance de la excavación.


FASE 0 : Inicio de las deformaciones.

En las paredes, techo y piso del túnel, previo a la rotura del perfil de excavación.

FASE I : Inicio del Movimiento.

Formación de cuerpos en forma de cuña, que tienden a introducirse en el túnel por las partes laterales, originando esfuerzos de corte en toda la superficie de Mohr. La dirección del movimiento inicial es normal a la dirección de la presión principal.

FASE II : Inicio de la Convergencia.

Al crecimiento de la longitud (L), y proseguir el incremento de los movimientos, se produce roturas en el piso y techo del túnel.

FASE III : Formación de las Presiones de Estrangulamiento.

Al continuar la intensidad de los movimientos, bajo permanente presión lateral sobre la zona de protección, se produce el empuje o derrumbe dentro del túnel.


FASE 0 FASE I FASE II FASE III

ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION A LA MORFOLOGIA DEL TERRENO

EN TODO MACIZO ROCOSO INALTERADO, EXISTE UN CAMPO DE ESFUERZOS ORIGINADOS POR EL PESO DELA ROCA SUPRAYACENTE; ESTE CAMPO SUFRE MODIFICACIONES AL PRODUCIRSE LA EXCAVACION SUBTERRANEA.

EN EL CURSO DE LAS DIFERENTES ETAPAS DE LA EXCAVACION, ESTOS ESFUERZOS MODIFICADOS QUE PODEMOS LLAMAR “EMPUJES DE ROCA” SON MUY VARIABLES CON EL TIEMPO Y POSICION, POR TANTO, ES CASI IMPOSIBLE LA MEDICION DE SUS DIMENSIONES E INTENSIDADES.

EN LA ZONA DEL MACIZO ROCOSO QUE CIRCUNDA AL LIMITE DE LA EXCAVACION, SE PUEDE CREAR CONTRACCIONES QUE SOBREPASAN A LAS TENSIONES ADMITIDAS POR LA ROCA, ENTONCES LA EXCAVACION ES INESTABLE, POR LO QUE ESTA ROCA CIRCUNDANTE NECESITA SER SOPORTADA CON EL FIN DE CONSEGUIR EQUILIBRIO Y ESTABILIZACION.

SOLAMENTE SE PUEDE ESTIMAR EL ESTADO DE LOS ESFUERZOS PREEXISTENTES Y SE EFECTUAN DENTRO DEL TERMINO “ELASTICO”, UTILIZADO PARA DESCRIBIR MATERIALES EN LOS QUE EL TRABAJO QUE SE APLICA SOBRE SU CUERPO ES TOTALMENTE RECUPERABLE, UNA VEZ QUE LAS FUERZAS QUE ORIGINARON LAS DEFORMACIONES HAN TERMINADO.

ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION A LA

MORFOLOGIA DEL TERRENO • LOS ESFUERZOS QUE EXISTEN EN UN MACIZO ROCOSO

INALTERADO ESTAN EN RELACION CON EL PESO DE LOS ESTRATOS SOBREYACENTE Y CON LA HISTORIA GEOLOGICA DEL MACIZO.

• IMAGINEMOS UN PEQUEÑO ELEMENTO DE VOLUMEN INTEGRANTE DE UNA MASA ROCOSA, DONDE LOS ESFUERZOS ACTÚAN EN TERMINOS DE FUERZAS GENERADAS POR EL PESO DE LA ROCA SUPERYACENTE.

• CONSIDERAREMOS CUATRO CONDICIONES DE ESFUERZOS PARA SUS CORRESPONDIENTE SITUACIONES, EN RELACION CON LA MORFOLOGÍA DE SUPERFICIE

ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION A LA MORFOLOGIA DEL TERRENO

v = h1 X

v > h2 X

max = h3 X

v max

v = h4 X

v = 0.9 X X h4

v = ESFUERZO

VERTICAL

DONDE:

= PESO DE LA

ROCA

h4 = ALTURA DE

PROFUNDIDA

ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRUCTURA GEOLOGICA

• Se considera dos ejes alternativos para la construcción de un túnel, a través de un anticlinal, mientras que el eje del túnel 1 resulta de mayor longitud (L1>L2), sin embargo, en el reparto de esfuerzos, el eje del túnel 2 tendrá condiciones de estabilidad más severa. Existe la posibilidad de que su costo final resulte mayor

ANTICLINAL


• Las rocas masivas presentan pocas discontinuidades, generalmente son rocas de buena calidad, pueden estar asociados a cuerpos mineralizados en especial cuando han sufrido silicificación hidrotermal. Estas rocas ofrecen aberturas rocosas estables sin necesidad de sostenimiento, solo un buen desatado.

EN ROCA MASIVA


• La roca fracturada presenta familias de discontinuidades conformadas principalmente por diaclasas que constituyen planos de debilidad. El factor clave que determina la estabilidad de la excavación es la intersección de estas discontinuidades que forman piezas y bloques.

• Las cuñas bipolares están formadas por la intersección de dos diaclasas cuyo rumbo es paralelo o subparalelo al eje de la excavación.

CUÑAS BIPLANARES


• Es otro modo de falla que considera la intersección de tres diaclasas o sistemas de diaclasas en general tres discontinuidades para formar una cuña tetrahedral que podría caer o deslizarse por su propio peso, ya sea desde el techo o desde las paredes de la excavación. Pueden persistir en la bóveda o hastíales. Podría necesitar sostenimiento sistemático.

CUÑAS TETRAHEDRALES


• Estos se forman cuando hay sistemas principales de discontinuidades aprox. Paralelos al techo o hastíales de la excavación y además deben existir otros dos sistemas que liberen el bloque. Estos tipos de estructuras se aprecian en la explotación de minas subterráneas donde se extrae el mineral en forma de vetas.

BLOQUES TABULARES


• La roca de los contornos de la excavación está formada como un edificio de bloques que se auto sostienen. Los bloques liberados por las intersecciones de las diaclasas presentan formas complejas. La falla puede ocurrir por caída o deslizamiento de los bloques debido al efecto de la gravedad.

BLOQUES IRREGULARES


• Las rocas intensamente fracturadas presentan muchos sistemas de diaclasas y fracturas, las cuales generan pequeñas piezas o fragmentos rocosos, constituyendo masas rocosas de mala calidad. Las fallas ocurren por deslizamiento y caída de estas pequeñas piezas y fragmentos rocosos o por desmoronamiento de los mismos.

• La falla del macizo puede ir agrandando la excavación y llevarla al colapso.

ROCA INTENSAMENTE FRACTURADA


• Las fallas y las zonas de corte están relacionadas a rocas débiles que pueden estar muy fracturados y la falla misma puede contener arcilla o panizo. Las zonas de influencia de las fallas pueden ser de varios metros de ancho pudiendo influenciar en la estabilidad de la excavacion.

FALLA AISLADA


• Las fallas de corte pueden presentarse como estructuras aisladas o como estructuras múltiples, en este ultimo caso, la situación de la estabilidad de una excavación es fuertemente complicada, por la influencia adversa de las fallas.

• Depende mucho de las cantidades de fallas en función al área de la excavación a realizar.

FALLAS MULTIPLES

ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRATIFICACION DEL M.R.

• El macizo esta con estratificación inclinada, formando un ángulo () con la horizontal, se originan dos tipos de esfuerzos, el primero en dirección de los estratos (st ), debido a las presiones de cabecera, y un segundo (a),en las zonas de aflojamiento en la periferia de la excavación, debido a las presiones de esponjamiento.

max = X h

max st

st X sen = X hst X sen

Se tiene:

Luego:

ESFUERZO INDUCIDO POR PLEGAMIENTO

ESFUERZOS INDUCIDOS POR PLEGAMIENTO

ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRATIFICACION DEL M.R.

• La principales características de los planos de estratificación son su geometría planar y su alta persistencia, las cuales hacen que estos planos constituyan debilidades de la masa rocosa, es decir planos de baja resistencia. Los problemas que se generan tienen relación con la separación de los bloques tabulares del techo inmediato y su cargado y deflexión hacia el vacío minado por efecto de la gravedad.

ROCAS ESTRATIFICADAS

HORIZONTALES


• Cuando los estratos tienen buzamientos casi verticales, estos serian la caja piso y techo de la excavación. Los estratos constituyen falsas cajas, formando bloques tabulares que pueden separarse o despegarse de la cajas techo por efecto de la gravedad.

• Las discontinuidades que se presentan en estos tipos de estratificación pueden intersectarse formando varias combinaciones de inestabilidad.

ROCAS ESTRATIFICADAS

CASI VERTICALES

PRESENCIA DE AGUA EN LAS EXCAVACIONES • La presencia de agua en la roca alterada y débil puede acelerar el

aflojamiento y actuar como lubricante para producir deslizamientos de bloques.

• También dañan los sistemas de sostenimiento, produciendo corrosión a los elementos de fierro, acero y deterioro de concreto.

• En rocas estratificadas y/o fracturadas la presencia de agua puede ejercer presión, lavar el relleno de las fracturas y actuar como lubricante.

• Es importante la observación de cambios de humedad en el techo y paredes de la excavación, ya que ayuda al reconocimiento de posibles fallas en el macizo rocoso, como resultado de las variaciones de los esfuerzos.

• Si el agua empieza a filtrarse a través de la roca dentro de un área que es normalmente seca, es un signo de que la roca esta pasando por cambios de esfuerzo, estos cambios harán que las fracturas se abran o se extiendan, empezando a manifestarse la humedad. Similarmente, si un área normalmente con presencia de agua empieza a secarse también deberá tomarse como una indicación de que la roca esta ganando esfuerzos o se esta equilibrando a la excavación.

INESTABILIDAD POR

PRESENCIA DE AGUA EN LA EXCAVACION

METODOS DE EXCAVACIONES SUBTERRANEAS

EXCAVACION CON

PERFORACION Y

VOLADURA

UTILIZACION DE

EXPLOSIVOS

TUNELADORAS

(TBM), ROZADORAS,

MARTILLOS DE

IMPACTO

EXCAVACION

MECANICA

ENERGIA: EN PUNTA DE

MAQUINA, SUPERANDO

RESISTENCIA DE ROCA

MATERIAL A EXCAVAR

(ROCA O SUELO)

ENERGIA: PRESION

DE GASES Y

ENERGIA DE

VIBRCION

Se usa generalmente, en terrenos blandos, no cohesivos, compuestos de arena suelta, grava o limo y todo tipo de arcilla.

Es un cilindro formado por planchas de acero soldadas entre sí.

EXCAVACIONES MECÂNICAS CON ESCUDO

EXCAVACIONES

MECÁNICAS CON MÁQUINA

EXCAVACIÓN MECÁNICA CON MÁQUINAS INTEGRALES NO PRESURIZADAS

EXCAVACIÓN MECÁNICA CON MÁQUINAS INTEGRALES PRESURIZADAS

Perforación

Topografía

Sostenimiento

Saneo

Carga de Explosivos

Voladura

Ventilación

Carga

METODOS DE EXCAVACION MEDIANTE


CICLO DE EXCAVACION

TRAZADO DEL

DIAGRAMA DE

DISPAROS

PERFORACION

AVANCE DEL

EQUIPO DE

LIMPIEZA AL

FRENTE Y

ELIMINACION DE

ESCOMBROS

CARGA DE

EXPLOSIVOS

INSTALACION DEL

EQUIPO DE

PERFORACION

DISPARO Y

VENTILACION

PERFILADO DE LA

SECCION Y

SOSTENIMIENTO

OPCIONAL

COLOCACION DE

LINEAS

GRADIENTES Y

ALINEAMIENTO

TRAZADO DEL

DIAGRAMA DE UN

NUEVO DISPARO

SISTEMA DE AVANCE CON PERFORACION Y VOLADURA

Es el sistema clásico, que comprende La Perforación – Voladura y Limpieza de escombros, obteniéndose con un trabajo cíclico el avance del frente o frontón de ataque.

La velocidad de avance estará relacionado con las caracteristicas de oposición que ofrezca el Macizo Rocoso, la implementación y acondicionamiento de los equipos que se emplean, la destreza y experiencia de la cuadrilla de trabajadores, y, por último, las condiciones de seguridad o instalaciones que se faciliten para el logro del avance esperado.

El nivel tecnlógico actual ha permitido conseguir avaces espectaculares, como producto de ajustes o condicionamiento de los equipos e instalaciones, pero más bién la calidad del producto terminado DEPENDE FUNDAMENTALMENTE DE LA EXPERIENCIA DE LA CUADRILLA.

VOLADURA

LIMPIEZA

PERFORACION

SECCION TUNEL Y DURACION CICLO DE EXCAVACION

Tamaño Nominal

(anchura por altura) 3.2 x 3.2 5.0 x 5.0 6.75 x 8.75

Sin

refuerzo

Con

refuerzo

Sin

refuerzo

Con

refuerzo

Sin

refuerzo

Con

refuerzo

Número de

perforaciones 41 41 52 52 81 77

Profundidad (m) 3.0 1.8 3.4 3.0 3.6 3.0

Avance por disparo (m) 2.8 1.7 3.2 2.8 3.4 2.8

Perforación (minutos) 90 60 120 90 150 120

Cargío y disparo

(minutos) 60 60 60 60 60 60

Ventilación (minutos) 30 30 30 30 30 30

Limpieza (minutos) 90 75 120 90 140 110

Reforzamiento

(Minutos) 90 120 150

Otros Trabajos (min) 30 30 30 30 30 30

Duración del ciclo

(minutos) 300 340 360 420 410 500

CICLO DE TRABAJO EN LA EXCAVACION

PERFORACION

(0.00-0.16T)

SOSTENIMIENTO

(0.52T)SHOT-

MALLA-PERNOS

SOSTENIMIENTO (0.57T)

SHOT+MALLA+PERNOS+

CERCHA

PERFORACION

(0.00-0. 16T)

VENT.- LIMPIEZA

(0.23-0.30T) CARGA-

VOLADURA

(0.09-0.09T)

16% 9 % 23%

52%

57%

16%

DURACION CICLO DE EXCAVACION METODO NATM (SECCION 10x13m)

Tamaño Nominal

(anchura por altura) ROCA TIPO III ROCA TIPO II ROCA TIPO I

MINIMO MAXIMO MINIMO MAXIMO MINIMO MAXIMO

Número de

perforaciones 100 100 140

Profundidad (m) 0.8 1.5 1.5 2.4 2.4 3.0

Avance por disparo (m) 0.6 1.3 1.3 2.2 2.2 2.8

Perforación (minutos) 150 210 150 200 150 180

Cargío y disparo

(minutos) 90 100 90 100 90 100

Ventilación (minutos) 30 40 30 40 30 40

Limpieza (minutos) 150 200 200 240 240 300

Reforzamiento

(Minutos) 600 690 420 540 400 450

Otros Trabajos (min) 30 30 30 30 30 30

Duración del ciclo

(minutos) 1050

17h30’

1270

21h10’

920

15h20’

1150

19h10’

940

15h40’

1100

18h20’

MEJORAMIENTO DEL CICLO DE EXCAVACION

AUMENTO DE LA

EFICIENCIA DEL

EQUIPO

OPTIMIZACION DEL

TAMAÑO DEL

EQUIPO

CONDICIONES

CONTRACTUALES

ENTRE CONTRATISTA

Y PROPIETARIO

INCENTIVOS MEJORAMIENTO

DE LAS TECNICAS

DE VOLADURA

PERSONAL

EXPERIMENTADO

SAN EDUARDO 20 062.avi

MÉTODOS CONSTRUCTIVOS

• Excavación con explosivos:

Perforación

Carga de explosivo

Disparo de la carga

Evacuación de humos y ventilación

Saneo de los hastiales y

bóveda

Carga y transporte de escombro

Replanteo de la nueva tronadura.

METODOS DE EXCAVACION MEDIANTE PERFORACION Y VOLADURA

ESQUEMA DE DISPARO O MALLA DE PERFORACION FRENTE COMPLETO

TAMAÑO DE

EL CORTE

B4

B2

B3

B1

2 2

3

3

3 1

1

3

1

1

1

5

9

7

5

4 4

4


Perforación y voladura forman un

conjunto.

El hueco perforado correctamente no sirve

de nada, si en la fase de voladura este se

carga con explosivos de potencia y

cantidad equivocadas.

Lo mismo ocurre cuando la carga del

explosivo es adecuada pero el taladro en

su profundidad, paralelismo y densidad no

es el correcto.

FACTORES PARA EFECTUAR LA VOLADURA

GEOMECANICA

VOLADURA

FACTOR DE

ENERGIA

METODOS DE

TRABAJO

PLANEAMIENTO

NO SI SI

NO

SI SI

CALIDAD DE LA PERFORACION

INFLUYE EN UN 75 % EN LA

VOLADURA

HECHO UN DISEÑO DE

PERFORACION, SE COMETE

ALGUNOS ERRORES COMO:

Error de Replanteo.

Error de Inclinación y Dirección.

Error de Desviación.

Error de Profundidad.

Taladros Estrechos, Perdidos u

Omitidos.

5 4

3

2

1

CALIDAD DE LA PERFORACION

RESULTADOS DE UNA MALA CALIDAD DE

PERFORACION

MALA FRAGMENTACIÓN.

INADECUADO RENDIMIENTO DEL EXPLOSIVO.

SOBRE EXCAVACIONES.

VOLADURA FALLADA.

FORMACION DE CALLOS O PECHOS

1.3 m

1.3 m

Envolvente de Daño (10-15 cm)

Sobreexcavacion

Arranque

0,79

0,79

0,99

0,71

0,69

0,88

0,84

1,14

0,79

PRE - DISPARO 1 ROCA1

0,77

0,74

0,81

0,59 0,57

0,72

0,81

0,77

0,57

0,15

0,20

0,50

CALLO

Sobrexcavacion

POS - DISPARO 1 ROCA 1

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Collar Perforación Fondo Perforación Desviación

CALIDAD DE LA

PERFORACION

PRE - DISPARO 2 ROCA1

POS - DISPARO 2 ROCA 1

CALIDAD DE LA

PERFORACION 1

1 2

3

3

3

3

4 4

4 4

2

0,74

0,64

0,52

0,71 0,88

0,76

0,54

0,61

0,79

4

10

10

10

10 10 10 10

10

10

10

7

7

7

7

7

7

10

7

6

6

5

11 11 11 11 11 12 12

8

8 8

8 5 5

0,49

0,58

0,81

0,86

0,82

0,93

0,47

0,63

0,93

0,22

0,12

0,10

0,13

0,18

0,65

Callos

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Collar Perforación Fondo Perforación Desviación

FACTORES QUE INFLUYEN EL

RENDIMIENTO DE VOLADURAS

CONTROL DE CALIDAD.

COMUNICACIÓN.

RENDIMIENTO OPTIMO DE LOS

EXPLOSIVOS.

INDICES DE VOLADURA.

CALIDAD DE LAS ROCAS.

SEGURIDAD.

EVALUACIÓN DE RESULTADOS.

DISEÑO GENERAL

DE UN CORTE

QUEMADO

Criterios de acción:

Arranque: Soplar y

formar la

cavidad

inicial.

Núcleo: Triturar y

extraer el

máximo

material.

Contorno: Despegar y

formar el

límite de la

voladura.

El método de túnel y banco es una combinación de voladura

subterránea de túnel y una voladura de banco a cielo abierto

para excavaciones de grandes dimensiones.

MÉTODO DE TÚNEL Y BANCO

MÉTODO DE TÚNEL Y BANCO

La sección del túnel

se excava por

delante del banco

para mantener un

piso de trabajo.

Cualquiera de los

cortes y trazo de

voladuras de túnel se

pueden utilizar para

excavar la sección

superior.

Cuando son pequeños túneles se perfora todo el frente o cara, se cargan los agujeros, y se hacen detonar los explosivos.

Con el desarrollo de los taladros de carretilla y de plataforma, aumenta la perforación de grandes túneles con este método.

ATAQUE A TODA LA CARA (FRENTE)

Implica la perforación de la porción superior del túnel antes de perforar la parte inferior

METODO DE TERRAZAS

Puede ser ventajoso perforar un túnel pequeño, llamado

derivador, a través de toda o una porción de la longitud del túnel, antes de excavar todo con el taladro.

METODO DE DERIVADORES

NUEVO MÉTODO AUSTRIACO DE DISEÑO Y

CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES (NATM)

Se basa en la integración del terreno que rodea a la excavación

en el anillo estructural autoportante formado entorno a la cavidad,

de forma que el terreno forma parte integrante en él.

Dicho método pretende relajar el estado tensional del macizo

rocoso entorno al túnel, permitiendo su deformación hasta un

punto de equilibrio en que el sostenimiento controla dicha

deformación, anclando éste al propio terreno.

Esto se consigue mediante técnicas de auscultación y medida de

convergencias, para controlar las deformaciones en todo

momento y evitar que estas sean excesivas, por lo que se puede

realizar el túnel con un costo mínimo y una máxima seguridad.

Se debe dejar al macizo rocoso deformarse de manera que

forme su propio soporte estructural reduciendo así, los costes

de excavación y sostenimiento.

¿CÓMO SE ORIGINÓ EL MÉTODO NATM?

En 1964 L. Rabcewicz por primera vez empleó el termino NATM, refiriéndose a

conceptos básicos de la práctica de construcción de túneles, con ideas obtenidas de su

trabajo como ingeniero militar en el Ejercito Alemán, construyendo bunkers en el frente

ruso (Patente austriaca 165.573).

Declaración Oficial del Término NATM

En 1980 el Comité Nacional Austríaco de Túneles proclamó oficialmente

una “Definición del NATM”.

NATM según RABCEVICZ:

Aplicación inmediata de un “sostenimiento primario” (revestimiento delgado –

semirígido de HP y pernos) después de la excavación, para que el macizo sufra poca

descompresión.

El “sostenimiento primario o inmediato” se diseña para alcanzar el equilibrio

permanente, alcanzándose un estado secundario de tensiones en el macizo que es

“estable”.

El “sostenimiento primario” se compone básicamente de una combinación óptima y

ajustada a las condiciones imperantes de los siguientes elementos de fortificación:

“pernos”, “hormigón proyectado”, “malla metálica”, “marcos metálicos”, “elementos de

fortificación anticipados en el frente”, etc.

Para garantizar la seguridad de la cavidad y el buen funcionamiento de los

elementos de fortificación se requiere de un monitoreo sistemático.

Se impone, como primer paso en este sentido, el monitoreo de deformaciones o

convergencias de la cavidad.

¿CONTROVERSIAS DEL MÉTODO NATM?

Para muchos (contratistas) cualquier túnel en el que se utilizan

hormigón proyectado y bulones, dimensionados a la baja

• Para otros (eruditos) un sistema de ecuaciones que relaciona

las tensiones y deformaciones de sostenimiento y terreno,

ecuaciones “fáciles”, que pueden resumirse en dos curvas

“características”.

• Para otros (austriacos y asimilados) un método específico que

solo pueden usar con éxito ciertos conocedores con mucha

experiencia (ellos).

• Para otros (ignorantes) un sistema basado en la simple cuenta

de la clasificación geomecánica RMR.

En la práctica, el Nuevo Método Austriaco de Construcción

de Túneles fue caracterizado básicamente por el empleo del

hormigón proyectado como soporte primario

¿CONTROVERSIAS DEL MÉTODO NATM?

Consolidación de las ideas y conceptos iniciales (Müller y

otros):

Utilización de la propia roca como elemento resistente.

Reducción de los daños en el macizo a través del empleo de un

sistema de voladura controlada.

Instalación de un sostenimiento primario flexible, que sea capaz

de otorgar el confinamiento necesario y proteger a la roca de la

meteorización, descomposición y descohesión.

Instalación del sostenimiento en cantidad y oportunidad

adecuadas para cada tipo de macizo – surge el concepto de

“clasificación geotécnica del macizo”.

Necesidad de control sistemático del comportamiento del macizo

y del sostenimiento para comprobar su eficacia y la necesidad de

refuerzo (ajuste) – monitoreo de convergencias.

Instalación de un revestimiento secundario o definitivo para lograr

estabilidad y durabilidad a largo plazo; instalación diferida,

cuando las deformaciones están estabilizadas.

NUEVO MÉTODO AUSTRIACO DE

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES

(NATM)

Los principios generales del método son:

• Excavación cuidadosa del terreno

• Elección de la sección según características geomecánicas

• Sistema de ejecución adaptado a las condiciones del terreno

• Auscultación



Justificación de la bases del Método: En la Figura se observa la curva característica del túnel

correspondiente a una determinada litología (CC), así como

la curva correspondiente al sostenimiento (también conocida

como curva de confinamiento). Ambas curvas se intersecan

en el punto de equilibrio entre túnel y sostenimiento, cuando

se alcancen la presión y desplazamientos (Peq, Ueq)

comunes a las dos curvas CC y CF.

La distancia ud, hace referencia a la distancia al frente de la

excavación del sostenimiento colocado, e indirectamente, a

la deformación transcurrida antes de colocar el mencionado

sostenimiento.



Justificación de la bases del Método:

Luego se deberá de ir controlando la convergencia del túnel a medida que avanza la

excavación, representando la curva de los desplazamientos en función del tiempo

(convergencia) y controlando si tiende al equilibrio (asíntota). En el momento

adecuado, colocaremos nuestro sostenimiento, cuyo comportamiento será conocido

de antemano, y por tanto sabremos hasta dónde se deformará como máximo el túnel.

Si durante las tareas de seguimiento de la convergencia observamos anomalías en las

tendencias que cabía esperar (deterioro del arco autoportante), habría que actuar en

consecuencia.

Por ejemplo, si el túnel se cierra rápidamente, es decir, si los desplazamientos se hacen

muy grandes, indicando altas deformaciones, entonces debemos colocar el

sostenimiento lo antes posible para evitar el colapso del túnel.

Debemos tener en cuenta, que todo este proceso vendrá determinado por las

características geomecánicas del macizo, esto quiere decir, que en rocas de muy

mala calidad, por ejemplo, los avances serán muy cortos y el sostenimiento habrá

de colocarse lo más rápidamente posible; mientras que en rocas con índices de

calidad medios, los avances serán más espaciados y se nos permitirá colocar el

sostenimiento más tarde (dejaremos que la roca entorno al túnel se deforme hasta un

cierto punto).



Justificación de la bases del Método:

Por este motivo, el nuevo método austriaco, aprovecha el

comportamiento del macizo rocoso, haciendo que la propia

roca contribuya a la estabilidad del túnel, al dejar que ésta se

deforme hasta un punto adecuado, en que el

sostenimiento que requerirá no habrá de soportar

tensiones tan elevadas y hará que éste resulte más

económico. Además, podremos colocar los diferentes

sistemas de sostenimiento a una cierta distancia del frente con

lo que se mejorará la seguridad de los operarios que allí

trabajen.

Los distintos tipos de sostenimiento actúan conjuntamente al ir

alcanzando las deformaciones establecidas, lo que nos permite

jugar con el punto de equilibrio y con la presión de

confinamiento que deberá soportar el sostenimiento.



Diversos Nombres denomados NATM

• NATM Nuevo Método Austriaco de construcción

de Túneles (New Austrian Tunneling Method)

L. Von Rabcewicz, Salzburgo, 1962)

• Método convergencia-confinamiento (Francia)

• SCL Túneles construidos con gunita

(Sprayed Concrete Lined Tunnels) (ICE, 1996)

• SEM Túneles con excavación secuencial

(Sequencial Excavation Method)

• NMT Método noruego de túneles

(Norwegian Method of Tunneling)

• Diversos nombres en Japón (CDM, UHVS)

EL ANTERIOR MÉTODO AUSTRIACO DE CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES

CONCEPTOS INHERENTES DEL MÉTODO

Los conceptos inherentes al método nacieron en forma empírico analítica durante

la construcción de túneles en macizos rocosos de los Alpes.

La resistencia mecánica del subsuelo alrededor de la cavidad debe ser movilizada

deliberadamente hasta el máximo grado posible o admisible

El subsuelo puede/debe ser partícipe

en la función portante de la cavidad

La participación se logra permitiendo

que el subsuelo se deforme

Se activa la resistencia al corte

Para aumentar la función portante

del suelo, debe proveerse a éste

un confinamiento radial

Surge la necesidad de instalación de soporte: Hormigón lanzado + pernos

CONCEPTO DE METODOLOGÍA DE ESTABILIZACIÓN

Junto con la excavación se instala el soporte primario – hormigón lanzado + marcos

+ pernos - que es flexible para permitir la deformación del macizo y que, a medida

que se deforma, confiere confinamiento a éste, logrando la estabilización con

participación prioritaria en la acción portante por parte del macizo.

La movilización de la resistencia mecánica del subsuelo se logra permitiendo

que el subsuelo se deforme.

FACTORES GEOLOGICOS GEOTECNICOS

DEFINEN NATM ?

• En suelos la deformación del (Romero, 2002) terreno es grande

y difícil de controlar.

• Se observa cuando se excava un túnel en suelos

secuencialmente y se sostiene con gunita y revestimientos

flexibles.

– Se está utilizando el NATM como método de construcción.

– No se está aplicando realmente la filosofía de diseño del

NATM.

• En rocas la deformación es menor y puede controlarse.

• En un túnel excavado en roca (aunque sea relativamente

blanda) es más fácil aplicar el NATM.

– Como filosofía de diseño

– Como método de construcción

DIFERENCIAS ENTRE EL NUEVO METODO AUSTRIACO UTILIZADO EN EXCAVACION DE

SUELOS Y ROCAS

VENTAJAS DEL CONCEPTO DE ESTABILIZACIÓN DEL MÉTODO

Con soporte muy rígido grandes presiones rotura soporte

Con soporte flexible siempre seguro (hacer monitoreo!)

más económico roca colabora en función portante

Soporte permanente de menor envergadura

NATM

en

Roca

El sostenimiento primario o inicial instalado tendrá características de rigidez -

deformación compatibles / apropiadas para el subsuelo respectivo.

Elementos de sostenimiento permanentes se instalan en forma diferida.

Los túneles son excavados y fortificados

alternada y sucesivamente, en forma cíclica; las

etapas y áreas de excavación pueden ser

variadas en función de las condiciones y

necesidades del proyecto.

Ventajas – Posibilidades

Posibilidad de Subdivisión de Excavación en

frentes Parciales

Control de los esfuerzos en el subsuelo.

Control de las tensiones y esfuerzos en los

elementos de sostenimiento.

Limitación/control de las deformaciones y

asentamientos del terreno.

Mejora de las condiciones de trabajo.

CARACTERÍSTICAS DEL MÉTODO NATM

Posibilidad de Subdivisión de Excavación en frentes Parciales


METODO UTILIZADO EN SAN EDUARDO


Túneles Cerro San Eduardo, Guayaquil - Ecuador

METODO UTILIZADO EN SAN EDUARDO


B

AA

A

C

D A = CUELE AA = CONTRACUELE B = DESTROZA C = ZAPATERA C = CONTORNO

VENTAJAS

Aplicable en amplios campos de condiciones de suelos,

como así su posibilidad de manejo.

Simple y flexible adaptación a diferentes secciones

transversales.

Posibilidad de ajuste durante la excavación.

Flexibilidad en instalación de medidas auxiliares.

Gran economía con la optimización del soporte.

Fácil combinación con excavaciones con TBM.

Poca inversión relativa con rápida amortización.


DESVENTAJAS

Aplicación en suelos con presencia de agua solamente con

medidas adicionales de soporte.

Tasa de avance relativamente pequeña.

Gran educación, entrenamiento y práctica del personal.

Gran calidad de ejecución y material requerido.

Posibilidad limitada de automatización.

Ajuste distancia entre frentes parciales

Ajuste longitud de avance

Ajuste de la separación entre pernos, la

longitud de estos y su separación

CARACTERÍSTICAS Y VENTAJAS DEL MÉTODO NATM

Posibilidad de ajustes durante la excavación – secuencia y soporte

SOSTENIMIENTO PRIMARIO

El “sostenimiento primario” consiste de un revestimiento

delgado de hormigón proyectado, combinado con

alguno o todos los siguientes elementos de soporte:

Pernos de anclaje

Malla de acero soldada

Fibras de acero o sintéticas

Marcos de alma llena o reticulados

Soportes especiales – Paraguas

Inyecciones de Consolidación

SOSTENIMIENTO DEFINITIVO

El “sostenimiento definitivo o permanente” usualmente se compone de una cáscara de hormigón moldeado simple o armado - el que normalmente se diseña en función de los requerimientos específicos del proyecto, a saber:

Resistencia estructural

Durabilidad, ante incendio, si es necesario

Estabilidad ante acciones diferidas

Impermeabilidad

Aptitud para la ventilación

Aspectos constructivos - Equipamiento

Protección ante acciones externas agresivas

Resistencia a la abrasión,

(túneles hidráulicos, por ejemplo)

MONITOREO PARTE INTEGRANTE DEL NATM

Deformaciones del soporte primario y cargas

actuantes sobre él son monitoreadas a través de

instrumentación, cuyos resultados son usados

para efectuar ajustes en el soporte y la secuencia

de excavación

MONITOREO – PARTE INTEGRANTE DEL NATM

MONITOREO GEOTECNICO PARTE INTEGRANTE DEL

NATM

Extensometros: Monitoreo de Deformaciones

dentro del Macizo

Pernos Convergencia: Esfuerzos de Tracción

Celdas de Presión: Monitoreo de tensiones de la

cáscara y de presiones sobre el Hormigón

Proyectado

EXCAVACIONES UTILIZANDO EL MÉTODO NATM QUE COLAPSARON

METRO BOBOS, BARCELOA

EXCAVACIONES UTILIZANDO EL MÉTODO NATM QUE COLAPSARON TUNEL METRO MUNICH 1993

TUNEL METRO LOS ANGELES,1996

TUNEL CARRETERA SAO PAULO, 1993

Limitación/control de las deformaciones y asentamientos del terreno EN SECCIONES

COMPLETAS

COLAPSO TUNEL EL CARMEN BARCELONA


Limitación/control de las deformaciones y asentamientos del terreno

LAUSANA FRANCIA


MUCHAS GRACIAS

Ing. Víctor Tolentino Yparraguirre Msc.

CURSO METODOS DE

EXCAVACION DE TUNELES

5.metodo de excavacion de tuneles perforacion voladura i

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