4. SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO DE ROCASUsualmente se denomina soporte de rocas a los procedimientos y materiales utilizados para mejorar la estabilidad y mantener la capacidad de resistir las cargas que producen las rocas cerca al perímetro de la excavación subterránea. Se puede clasificar a los diversos sistemas en dos grandes grupos:Los de apoyo activo, que viene a ser el refuerzo de roca donde los elementos de sostenimiento son una parte integral de la masa rocosa. Como ejemplo se puede mencionar a las barras de anclaje que son adheridas con mortero y que luego se tensan cuando se producen deformaciones en la roca, de manera similar a como funciona el concreto armado.Los de apoyo pasivo, donde los elementos de sostenimiento son externos a la roca y dependen del movimiento interno de la roca que esta en contacto con el perímetro excavado. El sostenimiento con arcos metálicos, denominados también como cimbras o cerchas, es un ejemplo de apoyo pasivo ya que son externos ala masa de roca y funcionan solo cuando se producen movimientos hacia adentro de la masa rocosa aflojada.La opción adoptar depende del grado de aflojamiento a fracturamiento de la roca en el sector excavado.La tendencia actual en le mundo es de lograr el autosostenimiento de la roca, procurando conservar la resistencia natural de la roca, tratando de movilizar los esfuerzos hacia los bordes de la excavación. Generalmente la solución consiste en combinar varios de los tipos de sostenimiento indicados a continuación: barras de anclaje, pernos de roca tensados, cables, y otros sistemas complementarios como es el caso de concreto proyectado (shotcrete), mallas y arcos de acero que toman las cargas de los bloques individuales que se aflojan del macizo rocoso.4.1 SOSTENIMIENTO ACTIVO DE ROCASon dos los principales tipos de sostenimiento activo usados en excavaciones subterráneas: pernos anclados y tensionados mecánicamente y barras de anclaje inyectadas con mortero o mediante anclajes de fricción, con el objetivo de conocer los diferentes modos en que estos sistemas trabajan se hace un aligera descripción a continuación.El anclaje mecánico de los pernos para roca es tal vez la forma mas utilizada últimamente, siempre que la roca sea lo suficientemente dura para proveer un sustento bueno para el anclaje.Los pernos de roca tensados son más efectivos en bloques sueltos o cuñas de roca cercanas a la superficie de la excavación. Estos bloques pueden haber estado aflojados debido a planos de falla o creados por voladuras poco cuidadosas y por consiguiente deben anclarse para evitar peligros durante la construcción. Sucede con frecuencia que la cantidad de material aflojado no es muy profunda, por lo que se requiere solo de un grado de apoyo que sostenga el peso de la roca. Cuando las piezas de roca son pequeñas, es recomendable que se añada mallas para prever un apoyo efectivo.Es deseable q la tensión de los pernos se haga hasta cerca del 70% de su carga de rotura, de esta manera se podrá apretar los bloques sueltos de rocas y las cuñas permitiendo que esta queden lo mas bloqueadas posible de esta manera se evita un deterioro progresivo en la estabilidad de las rocas.Desafortunadamente el anclaje mecánico de los pernos de roca tiene varios problemas hay una tendencia a que los anclajes resbalen progresivamente con

el tiempo. Otro problema es de la oxidación en rocas agresivas en presencia de agua.La necesidad de usar pernos de roca anclados mecánicamente se reduce significativamente cuando se efectúa un sistema cuidadoso de voladura y el desprendimiento correcto de las rocas sueltas4.1.1 ANCLAJE MECANICO MENDIANTE PERNOS DE ROCAS TENSIONADOSEl anclaje formado por lamina metálica que se expande al interior de la perforación es uno de los tantos tipos, en este caso un a cuña cónica incluida en le perno permite que la lamina de expansión quede presionada contra el hueco taladrado. Una forma alternativa es utilizar una resina de endurecimiento rápido. Este sistema provee un anclaje muy confiable en roca buena y cuando se puede aplicar fuertes cargas a los pernos.Datos técnicos: esfuerzo de fluencia de 60 000psi o 150 000psiDiámetro del acero de 3/4 plg a 1 3/8 plg Diámetro del agujero 1 5/8 plg a 2 ½ plg. Longitud variable.4.1.2 BARRAS DE ANCLAJE INYECTADAS O A FRICCIONUna de las principales desventajas de los anclajes mecánicos de los pernos de roca es que si el anclaje se desliza o el perno se rompe la capacidad se reduce a cero y el soporte de la roca falla. Este problema es menos severo en el caso que estén totalmente inyectados o con barras de anclaje por fricción El problema con mortero inyectado o barras de anclaje por fricción es que ellos no pueden ser tensionados y tienen que estar instalados antes de que produzca movimientos significativos en la roca. La instalación de las barras de anclaje cerca de la cara de avance asegura que aquellas piezas individuales de roca que han sido ligeramente movidas queden aseguradas.4.1.3 BARRAS DE ANCLAJE NO TENSADAS INYECTADAS CON MORTEROEstas barras se han desarrollado como soluciones baratas donde el uso de barras de anclaje no tensadas es apropiado. Un mortero denso en bombeado en el hueco perforado por el medio de una bomba de mano simple o automática, la barra es empujada en el mortero. Para agujeros en la parte superior de la bóveda, la barra se mantiene en su sitio doblándola ligeramente durante inserción. Como no pueden estar tensadas tienen que estar instaladas antes que ocurran deformaciones significativas de la roca.Datos técnicos: esfuerzo ala influencia de 60 000psi.Diámetro del acero 3/4 plg a 1 plgDiámetro de agujero de 1 3/8 plg a 1 ½ plg. Longitud variable.4.1.4 PERNOS DE ROCA ANCLADOS POR FRICCION “SWELLEX”Ha sido desarrollada por Atlas Copco AB, el tubo deformado swellex es expandido por presión del agua dentro del hueco taladrado de esta manera queda bien fijo contra deslizamientos dentro de la perforación y puede ser utilizado en una gran variedad de condiciones de terreno.Datos técnicos:Esfuerzo de fluencia 13 tn. Diámetro de tubo 25-28 mm. diámetro de agujero 33-39 mm. Longitudes hasta 8 m. presión de instalación 3000 psi4.1.5 ESTABILIZADORES DE ROCA POR FRICCION “SPLIT SET”Como el tubo cortado es forzado en le hueco perforado la acción de instalación gue comprime el tubo generando una fuerza radial contra la roca lo que genera un a resistencia la deslizamiento entre la roca y el acero es simple y rápido

para instalar y es mas barato que las barras ancladas con mortero de similar capacidad. El dispositivo no puede ser inyectado con mortero.Datos técnicos:Carga de fluencia 90 kN. Diámetro de tubo 33 a 39 mm. Diámetro de agujero de 32 a 41 mm. Longitudes de 0.9 a 3.6 m. ç4.1.6 BARRAS FIJADAS CON RESINAS Se utilizan resinas y catalizadores, los que están contenidos en forma separada dentro de ampollas de plástico.Estas capsulas son empujadas dentro del agujero mediante bastones, a continuación se introduce la barra aplicándole movimientos de rotación, esto provoca la rotura de las ampollas y la resina se mezcla con el catalizador.Las resinas son caras y muchas tienen un tiempo de vida limitado, particularmente en climas cálidos.4.1.7 CABLES CON MORTEROLos pernos de roca y barras de anclaje pueden ser reemplazados en muchas aplicaciones por cables fijados con mortero. La ventaja principal de estos cables es que pueden estar instalados en túneles angostos. Son baratos y tienen una gran capacidad para tomar cargas. Se puede usar en rocas de diversas condiciones y tienen muy buena resistencia a la corrosión cuando son colocados en obras permanentes.Datos técnicos:Esfuerzo de fluencia 257,000 psi. Carga de fluencia 50 tn. Diámetro del cable 20 mm. Diámetro de agujero 35 mm. Sin límites de longitud.4.2 SOSTENIMIENTO PASIVO DE ROCASPara complementar el esfuerzo logrado utilizando barras de anclaje, pernos o cables, con frecuencia se incluye el uso de malla, grapas, shotcrete y arcos de acero.4.2.1 MALLASUna regla general que puede ser utilizada para el espaciamiento de los pernos de roca, es que la distancia entre placas de apoyo sea aproximadamente igual a tres veces el espaciamiento promedio de las separaciones entre fisuras en el macizo rocoso. La malla puede ser trenzada o soldada. La malla trenza es flexible y tiene gran capacidad para tomar cargas. Sin embargo, es más difícil de manipular durante instalación y no es recomendable usarla con shotcrete, debido a la dificultad de eliminar las bolsas de aire entrampadas detrás de las uniones de la malla. Las mallas soldadas son más rígidas y son mas fáciles de instalar, también son muy apropiadas para el uso de shotcrete. La malla de alambre soporta las piezas pequeñas de roca suelta que esta rápida instalación. La malla no puede soportar cargas excesivas de roca porque puede fallar. La malla soldada es usada tradicionalmente como refuerzo del shotcrete, pero esta siendo reemplazada por el uso de fibras metálicas aplicadas con el shotcrete.4.2.2 PLATINAS METALICASCuando la masa de roca que rodea una abertura subterránea esta formada por lajas, lo que significa que la mayoría de los planos débiles están en una dirección, uno de los medios mas efectivos para el apoyo de las mallas es el uso de platinas metálicas. Estas platinas están situadas entre pernos de rocas y cubren los planos débiles.

Estas platinas metálicas no pueden ser usadas para evitar desmoronamiento de pequeños bloques de dimensiones pequeñas. Las platinas son dobladas siguiendo la forma de la superficie rocosa.4.2.3 SHOTCRETE (CONCRETO PROYECTADO)El shotcrete actúa en gran medida de la misma manera que una malla que evita el desprendimiento de pequeñas piezas de roca desde la superficie de una excavación, ayudando a soportarse a si mismo y también a sostener la roca. Debido a que el shotcrete es mas fuerte que las mallas metálicas, sobre todo si se utilizan con fibras, y como es mas resistente a la corrosión, es considerado como un sistema mas eficiente que las mallas. Es particularmente usado en excavaciones donde se requiere de sostenimiento por mucho tiempo.La colocación compleja de capas delgadas de shotcrete, reforzadas con mallas electrosoldadas, pueden ser ahora reemplazadas por un sistema rápido y económico de reforzarlas con el uso de fibras metálicas y micro-silica.PLANEAMIENTO Y CONTROLGENERALIDADES: Las obras subterráneas son concebidas, generalmente, para ser trabajadas en turnos que cubran la jordana diaria a plenitud aun cuando las labores puedan ejecutarse en un frente, dos o varios de ellos. Por ser un trabajo secuencial y respectivo, se comprenderá que todas y cada una de sus actividades conforman la tira crítica. Es por eso que lo túneles, más que cualquier otra labor de construcción, requiere de un adecuado planeamiento y que se prevean y provean cada uno de los equipos y/o materiales que puedan resultar ser necesarios par las labores de perforación, voladura, evacuación, ventilación y sostenimiento. La carencia de algún material o quipo, producirá sin duda un atraso irrecuperable. 1.-ESTUDIO Y ANÁLISIS DEL PROYECTO A EJECUTAREs una etapa muy importante, puesta que de un adecuado estudio y análisis del Proyecto a Ejecutar, aunado a nuestra experiencia, podremos determinar cuantitativa y cualitativamente el peso de cada una de las variables que intervendrán en el proceso de planeamiento. 1.1La UbicaciónEs una variable determinante para establecer le sistema de logística, así por ejemplo, un túnel ubicado en Cayolloma a 8 horas de Arequipa, nos obligara a darle mucho mas énfasis al abastecimiento de combustible; en cambio uno única en Trujillo (el Intercuencas del Proyecto Chavimochic, por ejemplo) dará como resultado mayor énfasis en el abastecimiento de agua, por ser una zona muy seca. A nivel macro, se tendrá una idea del tipo de roca con el cual nos vamos a encontrar. Así mismo, la posición del campamento y la construcción de accesos estarán determinadas por esta variable. 1.2CaracterísticasEn este aspecto debemos tener en cuenta, tanto las características geométricas- topográficas del túnel a excavar como los geológicas. 1.2.1Geométricas – TopográficasLa sección del túnel, en combinación con la longitud, determinara el equipo a emplear. De igual manera, el sistema de ventilación dependerá del equipo a utilizar.

Es posible, que en caso de túneles con poca cobertura de toca y de gran longitud, sea rentable construir una chimenea intermedia para reducir gastos en el sistema de ventilación y generación de energía. La pendiente del túnel será importante y mas en presencia de agua, ya que así esta ultima es abundante podría ser mas conveniente excavar en contra pendiente. 1.2.2GeológicasDe los estudios geológicos, podemos establecer con cierta aproximación el tipo de roca que se encontrara, el número de fallas, y de ese modo determinar y cuantificar el método de sostenimiento a emplear. Por Ejemplo, para rocas muy fracturadas podemos pensar que se colocara concreto lanzado con malla y pernos de anclaje. Para rocas sanas será

prudente tener en almacenes pernos de anclaje. Si los estudios geológicos indican la presencia de fallas, deberemos tener en cuenta la provisión de cimbras

metálicas (perfil H o reticuladas). 1.3Plazo de ObraEste ítem es aplicable tan solo en aquellas obras subterráneas que se construyen para terceros y en cual media un contrato. El plazo es importante por cuento impone una retribución a todas nuestras variables de decisión; de tal manera que el sistema a emplear, en su conjunto, deberá asegurarnos que las obras se puedan concluir, con un alto nivel de confianza, dentro de los plazos estipulados. 2DETERMINACIÓN DEL MÉTODO IDEAL DE TRABAJOExisten 2 variables ínter pendiente y una tercera dependiente de las primeras. Las variables ínter pendientes son:

- Sistema de perforación- Sistema de evacuación

La sección del túnel y la longitud del mismo me conjunto con la calidad de la roca, determinaran el equipo (s) utilizar para la perforación. Los siguientes cuadros nos pueden ayudar a tomar una decisión: 2.1Equipo de Perforación Vs. Calidad de Roca (*) * La calidad debe entender como dureza y no como fracturamientoLa aplicación del TBM y del Escariador se puede obtener de los manuales dados por los fabricantes, en la actualidad los TBM tienen aplicación para túneles cada vez menor diámetro (deben ser circulares necesariamente). Los escariadores son ventajosos en combinaciones de trabajos de ampliaciones y evacuación sobre llantas (dumpers). 2.2Equipo de evacuación teniendo en consideración la longitud Vs. La sección del túnel.

sco

op

Sistema de palas y dumpers altosZona mixta

Scoops + dumpers bajos

Sistema sobre rieles

Mala Regular Competente

JumboTBMEscariador

X

X

XXX

XX

Es lógico pensar que s se escoge un sistema de perforación con TBM, la evacuación será sobre rieles (locomotoras y vagones). Así también si el sistema de evacuación será sobre rieles, y se utiliza el jumbo para la perforación, este tendría que ser sobre rieles. Así se explica su interdependencia. La tercera variable, que es dependiente de las dos anteriores, es el quipo utilizado para la ventilación. Si dependencia radica en el equipo de número de equipos a utilizar (que a su vez condiciona el número de personas por guardia) y la fuente de energía (diesel o eléctrica según el caso) determinaran el numero de m3 por unidad de tiempo de aire puede decidir por un sistema de succión o un sistema de impulsión. Ambas tienen su aplicación, pero a favor del sistema de impulsión esta el hecho de requerir de inversión, siendo posible depreciar el 100% del costo en el proyecto. La generación de energía eléctrica estará a su vez determinada por los requerimientos máximos conjuntos probables, la longitud del túnel condicionara la utilizaron de transformadores para transportar la energía eléctrica. Cuando se da la ocurrencia simultanea de un túnel en toca sana, de gran longitud y recto (o con curvas suaves) se hace evidente que es mucho más ventajoso, por m3 excavado, la utilización de un TBM. La renuencia a utilizarlo radica en el tiempo de espera para su fabricación y el reuso. Pero, estas dos objeciones se pueden superar con un planeamiento anticipado del proyecto por parte del propietario y teniendo en consideración que el costo no depreciado puede ser inferior a los beneficios obtenidos, como por ejemplo:

- Reducción del revestimiento en túneles hidráulicas debido a la escasa distribución de la roca.

- Reducción de costos director e indirectos por el menor tiempo de ejecución.

3DETERMINACIÓN DEL MÉTODO OPTIMO DE TRABAJOEl método óptimo de trabajo se puede determinar después de haber analizado y establecido las condiciones ideal a para enfrentar el proyecto a ejecutar y de haber revisado los activos disponibles con los que contamos. Al final, el método que escojamos debería garantizarnos la mejor rentabilidad dentro de las restricciones de plazo. En verdad no existe una solución única para desarrollar proyectos. En la construcción, como en los demás sectores de la economía, se debe analizar cada una de las alternativas y la manera como el entorno pudiera afectar una decisión. Así por ejemplo. 3.1Si nos enfrentamos a un túnel de 25m2 de sección y 3km. De longitud y carecemos de equipo, lo cual equivale a comprar o alquilar, será claro que estamos en mejores condiciones de haber la evacuación sobre llantas por la mayor disponibilidad de equipos en el Mercado. Y si la probalidad de reuso es muy baja. Para esa longitud lo mejor seria alquilar los dumpers o adquirirlos usados, ya que la realización de los activos seria poco probable. 3.2para un túnel de 1500 mts. Y de 8m2 de sección, que se puede enfrentar con la entrada y la salida, pareciera lógico evacuar con una combinación de Scoop y dumpers de bajo perfil. Un contratista que solo tenga sccop podría muy bien pensar en hacer 2 nichos intermedios. Para “voltear” la carga (detrito) y hacer la evacuación totalmente con el Scoop. Analizados los costos., esta

solución también es factible. En este caso la solución se ha visto forzada por la decisión de depreciar a mayor velocidad los activos para mejorar la rentabilidad de la inversión.

4.PLANEAMIENTO Y CONSECUENCIAS DE ACTIVIDADES4.1Programa de Trabajo Nuestro programa de trabajo debe responder invariablemente a la restricción más importante que es el plazo. Un diagrama de barras Gant por su simplicidad y su desarrollo grafico nos servirá de primera ayuda.Usualmente se construye el diagrama de atrás para adelante. Supondremos el siguiente ejemplo:

- Excavación a cielo abierto: 10,000 m3 frente A ;22,000 m3 frente B

- Características del túnel: sección: 60 m2 (baúl) Long. : 1200 ml -Revestimiento a sección plena:.25 de espesor de concreto

- Plazo : 1 año- Estudios geológicos: superficiales. Se supone roca intermedia.Un primer tanteo nos permitirá establecer lo siguiente:

meses 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12excavación a cielo abierto

                       

afrontamientoexcavación (incluy. Sost)revestimientoEsto parece lógico, pero, pueden intervenir las siguientes variables:-Que en el túnel exista mucha agua y la pendiente sea del 3% ( un túnel carretero, por ejemplo).-Que luego del revestimiento se deba realizar inyecciones de contacto, lo cual obligara a que el revestimiento se culmine en el mes 114.2 Necesidad y oportunidad de recursosPara analizar la importancia de este punto, solamente nos referiremos a un ejemplo. En un túnel importante de 5 km. De long. Pero carente de perforaciones diamantinas, los geólogos manifestaron que existía un probabilidad del 10 % de encontrar roca de tipo 3 (muy alterada) que hiciera necesario el uso de cimbras metálicas en una long. De 240 ml. Y una repartida en tres tramos diferentes de 80 ml. Cada uno. De acuerdo a la sección del túnel el peso de cada cimbra bordeaba los 700 kgs. Y un conjunto de las planchas acanaladas su costo de unidad era $2,700.la fabricación podría durar 1 dia/unidad. En este proyecto trabajaban 150 obreros, 20 empleados y la energía eléctrica era generada mediante el empleo de grupos diesel, lo cual hacia un conjunto en costo vivo de $ 4,000/ dia Con estos cálculos la dirección de obra decidió que dado el caso de presentarse las fallas de se procedería de inmediato a la fabricación.Como primera objeción a esta decisión esta el hecho de que no se tomo en cuenta el tiempo de atención de los materiales, por que de otro modo, no se explica el hecho de la no fabricación. Haciendo cálculos sobre la esperanza matemática de los costos, tendremos sobre un base de un stock de 16 unidades y con la premisa que se colocan 3 cimbras por día:

costos fabricando los perfiles

costos no fabricando los perfiles

Nº de unidades = 16

probabilidad de encontrar una falla de 80 mts=0.3

costo total= $ 43,200

Nº de cimbras a colocar esperado= 24( 1 a mt)

probabilidad de venta= 0.30

Nº dedias para fabricar = 24

costo perdido esperado=$30,240

Nº de diad perdidos = 16costo perdido esperado= $64,000

Se utilizaron realmente cerca de 300 cimbras y la empresa contratista enfrento perdidas por paralizaciones.4.3 Lógica y centros de apoyo.- esta condicionado a la naturaleza de la empresa y su modus operandis. La tendencia actual es hacia la descentralización con mayor delegación y autonomía en el caso de los contratistas. es evidente que hacer una separación entre suministros de la zona, nacionales(suministros por su oficina central), y los importados es imprescindible. Esta separacion sera determinada, básicamente, por los costos y los tiempos de atención.5. DETERMINACION DE LOS SISTEMAS Y PARAMETROS DE CONTROL5.1 control de costosTodas las empresas contratistas son un centro de utilidades si es asi, sus células deben ser una centro de utilidades. Este razonamiento se puede llevar a los proyectos, definiendo sus actividades como centros de utilidades. Ejm:

- Excavación a cielo abierto- Excavación subterránea ( incluyendo sostenimiento)- Revestimiento

Estos centros tendrán una venta, dada por la aplicación de las respectivas partida, y un costo, el cual a su vez se puede dividir en:

- Materiales- Mano de obra directa- Equipos

En cuanto a los costos indirectos como:- Generación de energía eléctrica- Ventilación aire comprimido- Supervisión

5.2 control de avance físico de actividadesLa administración de todos los proyectos incluye dos funciones importantes: la plantación y el control. La planificación se basa en los datos suministrados por el control de la operación. Para esto se hace necesario que se establezcan de antemano como se va a controlar el avance físico de las actividades: se pueden pensar en rendimientos lineales, o una combinación de ambos. La experiencia a demostrado que rara vez los rendimientos (equivalen a avance)

se comporten de forma lineal. El control perpetuo e esta curva y de los parámetros incidentes ( consumos de hrs. Maquina por unidad de trabajo, o consumos de horas hombre) nos darán un pauta de lo bien o mal que hemos realizado nuestras asignaciones.Ejm: rendimientos de equipos de perforación:

- Asignado : 1.6 HM/ml- ACUMULADO:1.8 HM/ML- Avance total : 750 ml de túnel

5.1Análisis económico – financiero.- esta herramienta que aun nos parece un tanto extraña a muchos de los ingenieros constructores son importantísimas para determinar la viabilidad de un proyecto y su posición durante el proceso de ejecución.En el planeamiento inicial, el flujo de caja nos permitirá analizar los diferentes niveles de inversión que se deben realizar parta el proyecto y determinara a su vez los aportes de capital y sus respectivos costos. Durante el desarrollo del proyecto permitirá establecer la posición de caja.

Mes a mes se deben hacer un balance de la situación. Balance de tanto técnico como financiero para determinar nuestra posición tanto en el acumulado como en el saldo de obra, con la finalidad de realizar los ajustes necesarios al planeamiento vigente.