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TEMA 5: PROYECTO DE TNELES EN ROCA

urea Perucho MartnezUniversidad Complutense de Madrid

NDICE

1. OBTENCIN DE PARMETROS DE CLCULO 1.1. Contexto geolgico 1.2. Caracterizacin geomecnica

1.2.1. Caracterizacin de la matriz rocosa 1.2.2. Caracterizacin del macizo rocoso

1.2.2.1. Clasificacin geomecnica y tramificacin 1.2.2.2. Definicin de los parmetros geotcnicos

2. EMPLEO DE CLASIFICACIONES GEOMECNICAS EN OBTENCIN DE SOSTENIMIENTOS 2.1. Clasificacin de Bieniawski 2.2. Clasificacin geomecnica de Barton (1974). Indice Q 2.3. Correlaciones entre RMR y Q 2.4. GSI de HoekEJERCICIOBIBLIOGRAFA RECOMENDADA

1. OBTENCIN DE PARMETROS DE CLCULO

Perfiles geolgico-geotcnicos1.1. Contexto geolgico


Los parmetros que se obtienen de en el anlisis de la matriz rocosa suelen ser los siguientes:

Peso especfico Resistencia a compresin simple Mdulo de elasticidad Resistencia a la traccin Cohesin ngulo de friccin o rozamiento interno Parmetro mi, funcin del tipo de roca. Tratndose de matriz rocosa intacta, s=1

1.2. Caracterizacin geomecnicaCaracterizacin de la matriz rocosa


MATRIZ ROCOSA: RESULTADOS DE ENSAYOS DE LABORATORIO. Ejemplo:


Parmetro Areniscas Lutitas y limolitas pizarrosas

2,65 -2,69 Densidad seca, (kN/m3)

2,70 -2,75 med= 2,72 med= 2,67

18 30 Resistencia compresin simple,

c (MPa) 50-70

c med= 25

Mdulo de elasticidad, E

(MPa) 21.000 5000

1 - 2 Resistencia traccin, t (MPa)

2 - 5 t med= 3,5 t med= 1,5


MATRIZ ROCOSA: CARACTERIZACIN GEOTECNICA. Ejemplo:


Parmetro Areniscas Lutitas y limolitas

pizarrosas

Resistencia a compresin simple

c (MPa) 60 25

Mdulo de deformacin E (MPa)

21.000 5.000

Resistencia a traccin t (MPa)

3,5 1,5

Cohesin c (MPa)

10 4,5

ngulo de rozamiento ()

49 42

Parmetro mi 19 9

Parmetro s 1 1


Criterio de rotura de Hoek y Brown


Frmula inicial (1980)

smcici

+=

'3

'3

'1

Parmetros:

mi: funcin del tipo de rocaci: resistencia a compresin simplede la roca matrizs = 1


1.2. Caracterizacin geomecnicaCaracterizacin del macizo rocoso

1. OBTENCIN DE PARMETROS DE CLCULO1.2. Caracterizacin geomecnicaCaracterizacin del macizo rocoso.Definicin de los parmetros geotcnicos

Resistencia del macizo rocoso: Criterio de Hoek y Brown

El criterio de resistencia aplicado al contexto de macizo rocoso de Hoek et al. (2000) es el siguiente:

a

cibci sm

++=

'''' 331

=D

GSImm ib 1428100exp

=D

GSIs39100exp

( )3/2015/61

21 += eea GSI

siendo:

Parmetros:

mb, s y a, definidos por las expresiones indicadas, a su vez funcin de:mi: funcin del tipo de rocaGSI (Geomechanical Strength Index): a partir del levantamiento geomecnicoD: factor de alteracin, funcin de la forma de excavacin

Resistencia macizo rocoso


Resistencia del macizo rocoso: Aplicabilidad del criterio de Hoek y Brown


APLICABLE

APLICABLE

NO APLICABLE

APLICABLE

APLICABLE

NO APLICABLE


Resistencia del macizo rocoso: Criterio de Hoek y Brown. Evaluacin de parmetros: mi

Valores de m0(1992)


1.2. Caracterizacin geomecnicaCaracterizacin del macizo rocoso.Definicin de los parmetros geotcnicos

Resistencia del macizo rocoso: Criterio de Hoek y Brown. Evaluacin de parmetros: GSI

1. OBTENCIN DE PARMETROS DE CLCULO Resistencia macizo rocoso



Resistencia del macizo rocoso: Criterio de Hoek y Brown. Evaluacin de parmetros: D



Resistencia a compresin simple del macizo rocoso

( )acic

c

s

=

= 13 0



Resistencia a traccin simple del macizo rocoso


( )smmct

t

42

0

2

31

+=

==

a

cibci sm

++=

'''' 331

ltima versin



Cohesin del macizo rocoso ngulo de friccin interna del macizo rocoso


a

cibci sm

++=

'''' 331

tgc ''+=

equivalentes




Programa Roclab(descarga gratuita: www.rocscience.com)




Resistencia discontinuidades

50log. NNrP

JCSJRC+=

NrP JRC.7.1+=

50NJCS=

Resistencia de las discontinuidades: Criterio de Barton


Mdulo de deformacin:

La prctica habitual consiste en realizar estimaciones del mdulo de deformacin del macizo rocoso mediante correlaciones empricas con el valor del RMR, como proponan Bieniawski (1978) y Serafimy Pereira (1983), o el ndice Q, propuesto por Barton y Grimstad(1993).


Deformabilidad macizo rocoso


Correlaciones con el RMR : Bieniawski (1978)

Serafim y Pereira (1983)


1002 = RMREs

4010

10

=RMR

sE





Hoek y Diederichs, 2006




Hoek y Carranza Torres (2002)( )

( )

= 40

10

1010021

GSIC

DGPaEm Para ci100 MPa

( )( )

= 40

10

102

1GSIDGPaEm

Para ci100 MPa

Correlaciones con el GSI :Mdulo de deformacin:



Es (GPa)c (MPa)


Correlaciones con la Q de Barton : Barton (1983) Grimstad y Barton (1993)

4.08QEs =

QEs log25=





Coeficiente de Poisson :En la prctica habitual, se admite la hiptesis de que el

coeficiente de Poisson del macizo rocoso es similar al que se determina en laboratorio mediante la cuantificacin de las deformaciones con bandas extensomtricas adheridas a probetas de roca en ensayos de resistencia a compresin simple.

Su incidencia en los clculos es relativamente pequea.




1.2. Caracterizacin geomecnicaCaracterizacin del macizo rocoso.

Definicin de los parmetros geotcnicosMACIZO ROCOSO

LITOTIPO CLASE Parmetros geomecnicos

Resistencia al corte y elasticidad

RMR = 30-50 GSI = 30 c = 2,5 MPa mi = 19 = 30

c = 60 MPa E = 2500 MPa Clase media

t = 3,0 MPa

RMR > 50 GSI = 50 c = 4,4 MPa mi = 19 = 36

c = 70 MPa E = 5700 MPa

ARENISCAS

Clase alta

c = 37 MPa

RMR < 30 GSI = 25 c = 0,7 MPa

mi = 9 = 22 c = 23 MPa E = 1100 MPa

Clase mala

t = 2,5 MPa

RMR=30 - 40 GSI = 30 c = 0,8 MPa

mi = 9 = 24 c = 23 MPa E = 1400 MPa

PIZARRAS, LIMOLITAS Y

LUTITAS PIZARROSAS

Clase media

c = 2,5 MPa

CARACTERIZACIN GEOMECNICAY GEOTCNICA

DEL MACIZO ROCOSO

2. EMPLEO DE CLASIFICACIONES GEOMECNICAS EN OBTENCIN DE SOSTENIMIENTOS

Bieniawski (1973). Obtiene el ndice RMR (Rock Mass Rating) a partir de la valoracin de 5 parmetros caractersticos del macizo rocoso, y aade correccin por la orientacin de las juntas respecto a la obra a ejecutar. En funcin del resultado aporta una tabla de sostenimientos recomendados para cada clase, aadiendo cohesin, ngulo de rozamiento y tiempo estable sin sostenimiento.

Barton (1974). Obtiene el ndice Q, que representa la calidad del macizo rocosoa travs de tres cocientes que representan el tamao de los bloques, la resistencia al corte de las discontinuidades y el estado tensional del macizo.

Hoek (1980). Establece el ndice GSI relacionando el tamao de bloque y caractersticas de las discontinuidades, estableciendo una valoracin que se utiliza en el criterio de rotura de Hoek y Brown.


ETAPA DE PROYECTO.-

Las actividades tpicas que se realizan durante el Proyecto en relacin con las Clasificaciones Geomecnicas son las siguientes:

Efectuar el Estudio Geolgico de la traza por donde va a discurrir el tnel. Evaluar litologas, resistencia de la roca, estado de las juntasy presencia de agua.

Dividir el perfil longitudinal del tnel en tramos de caractersticas similares.

Calcular el ndice de clasificacin de cada tramo. Es conveniente el uso de al menos dos sistemas de clasificacin, los ms habituales son el de Bieniawski y el de Barton.

Asignar a cada tramo un sostenimiento, en funcin del ndice de calidad obtenido de las propuestas del sistema de clasificacin y de la propia experiencia del proyectista.


Clasificacin geomecnica y tramificacin


ETAPA DE OBRA.-

Durante la Obra las Clasificaciones Geomecnicas se usan segn se explica a continuacin:

Es necesario tener previstos varios tipos de sostenimiento y los criterios para aplicar cada uno de ellos. Generalmente stos debern venir incluidos en el Proyecto Constructivo del tnel.

En cada avance calcular en el frente el ndice de calidad de la roca. Para ello es conveniente usar unos estadillos que se rellenan en el propio tajo.

En funcin del ndice de calidad obtenido y de otros criterios que pudiera haber definidos, aplicar el tipo de sostenimiento correspondiente.


Clasificacin geomecnica y tramificacin


2.1. Clasificacin de Bieniawski



Criterio a tener en cuenta en la ejecucin de tneles



Sostenimiento primarioClase de

roca**RMR

Excavacin* Bulonado(1)(longitudes para tneles de 10m de

luz)Gunitado Cerchas

I(81-100)

A seccin completa.Avances de 3 m. Innecesario, salvo algn buln ocasional

II(61-80)

Plena seccin.Avances de 1-1,5 m.

Bulonado local en bveda, con longitudes de 2-3 m de separacin de 2-2,5 m,

eventualmente con mallazo

5 cm en bveda para impermeabilizacin No

III(41-60)

Galera en clave y bataches.Avances de 1,5 a 3 m en

galera

Bulonado sistemtico de 3-4 m, con separaciones de 1,5 a 2 m en

bveda y hastiales. Mallazo en bveda.

5 a 10 cm en bveda y 3 cm en hastiales. No

IV(21-40)

Galera en clave y bataches.Avances de 1 a 1,5 m en

galera

Bulonado sistemtico de 4 a 5 m, con separaciones de 1 a 1,5 m en

bveda y hastiales, con mallazo.

10-15 cm en bveda y 10 cm en hastiales. Aplicacin

segn avanza la excavacin.

Entibacin ligera ocasional, con

separaciones de 1,5m.

V(20)

Galeras mltiples.Avances de 0,5 a 1 m en la

galera de clave


bveda y hastiales, con mallazo. Bulonado de la solera.

15-20 cm en bveda, 15 cm en hastiales y 5 cm en el

frente. Aplicacin inmediata despus de cada

voladura.

Cerchas fuertes separadas 0,75 m, con

blindaje de chapas, y cerradas en

solera.


Desarrollado en Noruega con el anlisis de 212 tneles construidos principalmente en escandinavia.

Su variacin no es lineal como en el RMR, el ndice Q es exponencial y vara entre 0,001 para terrenos muy malos a 1000 para terrenos muy buenos.

2.2. Clasificacin geomecnica de Barton (1974). Indice Q



En el parmetro Jn hay que considerar la esquistosidad o foliacin como una familia ms.

Jr/Ja Se deben referir a las familias mas desfavorables desde el punto de vista de la orientacin y del comportamiento (rellenos arcillosos, etc) respecto a la obra a ejecutar



RQD/Jn Representa el tamao de bloques, estructura global del macizo

Jr/Ja Representa la resistencia al corte entre bloques

Jw/SRF Representa el estado tensional del macizo rocoso


2.2. Clasificacin geomecnica de Barton (1974). Indice QSostenimientos segn el ndice Q

2.3. Correlacin entre RMR y Q

2.4. GSI de Hoek

Ejercicio

Datos:Resistencia a compresin simple de la roca matriz = 40 MPaPeso especfico = 25 kN/m3Es una areniscaRMR = 60Se va a ejecutar un tnel a 60 m de profundidad, con voladuramuy controlada

Calcular:Curva de Hoek y Brown del terrenoValores de c y equivalentesMdulo de elasticidad del macizoResistencia a compresin simple y a traccin simple del macizoEstimar el sostenimiento necesario

Ejercicio

Curva de Hoek y Brown del macizo:

Parmetros:

mb, s y a, dependientes de mi, GSI y D:

mi = 19 (arenisca)

GSI = RMR -5 = 55

Factor de alteracin, D = 0 (voladura muy controlada)

a

cibci sm

++=

'''' 331

81,31428100exp =

=D

GSImm ib

0067,039100exp =

=D

GSIs

( )3/2015/61

21 += eea GSI

Ejercicio

Curva de Hoek y Brown del macizo:

CRITERIO DE HOEK Y BROWN

mi 19RMR 60 GSI 55

D 0ci (MPa) 40

Resistencias a compresin y traccin simple del macizomb 3,809 ci ci

s 0,007 MPa MPaa 0,504 3,218 -0,071

3 1 MPa MPa

0 3,2181 13,6552 19,6453 24,5224 28,8085 32,7136 36,3447 39,7698 43,0289 46,15210 49,16311 52,07712 54,90713 57,66414 60,35515 62,98716 65,56617 68,098

a

cibci sm

++=

'''' 331

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

0 10 20 30 40

3 (MPa)

1 (MPa)

Ejercicio

Mdulo de elasticidad del macizo:

( )( )

= 40

10

1010021

GSIC

DGPaEm

E 20 GPa

E 8,5 GPa

Hoek y Carranza-Torres, 2002

Hoek y Diederichs, 2006

Ejercicio

Mdulo de elasticidad del macizo:

5,343ln5,13 5,13)43(

=+=RMR

eQQRMR

E 14 GPa

Curva de Hoek y Brown del macizo: aci

bci sm

++=

'''' 331

Ejercicio

EjercicioEstimar el sostenimiento necesario


Sostenimiento primarioClase de

roca**RMR

Excavacin* Bulonado(1)(longitudes para tneles de 10m de

luz)Gunitado Cerchas

I(81-100)

A seccin completa.Avances de 3 m. Innecesario, salvo algn buln ocasional

II(61-80)

Plena seccin.Avances de 1-1,5 m.

Bulonado local en bveda, con longitudes de 2-3 m de separacin de 2-2,5 m,

eventualmente con mallazo

5 cm en bveda para impermeabilizacin No

III(41-60)

Galera en clave y bataches.Avances de 1,5 a 3 m en

galera

Bulonado sistemtico de 3-4 m, con separaciones de 1,5 a 2 m en

bveda y hastiales. Mallazo en bveda.

5 a 10 cm en bveda y 3 cm en hastiales. No

IV(21-40)

Galera en clave y bataches.Avances de 1 a 1,5 m en

galera


bveda y hastiales, con mallazo.

10-15 cm en bveda y 10 cm en hastiales. Aplicacin

segn avanza la excavacin.

Entibacin ligera ocasional, con

separaciones de 1,5m.

V(20)

Galeras mltiples.Avances de 0,5 a 1 m en la

galera de clave


bveda y hastiales, con mallazo. Bulonado de la solera.

15-20 cm en bveda, 15 cm en hastiales y 5 cm en el

frente. Aplicacin inmediata despus de cada

voladura.

Cerchas fuertes separadas 0,75 m, con

blindaje de chapas, y cerradas en

solera.

Bibliografa recomendada

Goodman, R. E. (1980): Introduction to Rock Mechanics. John Wiley and Sons. Nueva York.

Gonzlez de Vallejo, L; Ferrer, M.; Ortuo, L. y Oteo, C. (2003): Ingeniera Geolgica. Pearson Education. Madrid.

Hoek, E., Carranza-Torres, C. and Corkum, B. 2002. Hoek-Brown criterion 2002 Edition. (Se puede descargar de www.rocscience.com).Proc. of the North American Rock Mech. Society, Toronto. 267-273.

Hoek, E., Diererichs, M.S.(2006): Empirical estimation of rock massmodulus. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 43. (Se puede descargar de www.rocscience.com).

Romana Ruiz, Manuel (2003): Correlaciones entre las clasificaciones geomecnicas y la deformabilidad del macizo rocoso. Ingeniera Civil 132/2003

Serrano Gonzlez, Alcibades (2002) : Mecnica de las rocas II. Apuntes editados por la E. T. S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Univ. Politcnica de Madrid.

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