ESTRUCTURA DE LA MASA DE LAS ROCAS

Introduccin

Durante las etapas de factibilidad y diseo preliminar de un proyecto, cuando muy poca informacin detallada sobre la masa rocosa y sus esfuerzos y sobre las caractersticas hidrolgicas se tienen disponibles, el uso de un esquema de clasificacin de la masa rocosa puede ser considerablemente beneficioso. En el caso ms simple, esto puede involucrar la utilizacin de un esquema de clasificacin como un chequeo para asegurar que toda la informacin relevante ha sido considerada. En el otro extremo del espectro, uno o ms esquemas de clasificacin de la masa rocosa pueden ser utilizados para desarrollar una idea de la composicin y caractersticas de una masa rocosa, a fin para proporcionar estimados iniciales de los requerimientos de sostenimiento y de las propiedades de resistencia y deformacin de la masa rocosa.

Es importante entender que el uso de un esquema de clasificacin de la masa rocosa no (y no puede) reemplaza a los procedimientos mas elaborados de diseo. Sin embargo, el uso de estos procedimientos de diseo requiere el acceso a informacin relativamente detallada sobre los esfuerzos in situ, las propiedades de la masa rocosa y la secuencia de excavacin planeada, los cuales no se tienen disponibles en la etapa inicial del proyecto. Conforme esta informacin llega a estar disponible, el uso de los esquemas de clasificacin de la masa rocosa debern ser actualizados y utilizados en conjunto con los anlisis especficos del sitio.

Clasificacin de la masa rocosa en ingeniera

Los esquemas de clasificacin de la masa rocosa han sido desarrollados hace ms de 100 aos, desde que Ritter (1879) intent formalizar un enfoque emprico para el diseo de tneles, en particular para determinar los requerimientos del sostenimiento. Mientras los esquemas de clasificacin son apropiados para su aplicacin original, especialmente si son utilizados dentro de los lmites de los casos histricos a partir a los cuales fueron desarrollados, se debe tener considerable precaucin en la aplicacin de las clasificaciones de la masa rocosa a otros problemas de ingeniera de rocas.

En este captulo se presentan resmenes de algunos sistemas de clasificacin importantes, y aunque cada resumen ha sido hecho con el intento de presentar todos los datos pertinentes de los textos originales, existen numerosas notas y comentarios que no han sido incluidos. El lector interesado deber esforzarse en leer las referencias citadas para una completa apreciacin del uso, aplicabilidad y limitaciones de cada sistema.

La mayora de los esquemas de clasificacin multi-parmetros (Wickham et al., 1972, Bieniawski, 1973, 1989, y Barton et al., 1974) fueron desarrollados a partir de casos histricos de la ingeniera civil, en los cuales fueron incluidos todos los componentes de las caractersticas ingeniero-geolgicas de la masa rocosa. Sin embargo, en el minado subterrneo en roca dura, especialmente en niveles profundos, el intemperismo de la masa rocosa y la influencia del agua usualmente no son importantes y pueden ser ignorados. Los diferentes sistemas de clasificacin ponen diferente nfasis alos distintos parmetros, por lo que es recomendable que por lo menos se utilicen dos mtodos en cualquier lugar durante la etapa inicial de un proyecto.

Clasificacin de la masa rocosa de Terzaghi

La primera referencia sobre el uso de una clasificacin de la masa rocosa para el diseo del sostenimiento en un tnel est en una publicacin de Terzaghi (1946), en la cual las cargas rocosas, asumidas por los arcos metlicos (cimbra o cerchas), son estimadas en base a una clasificacin descriptiva. An cuando el incluir detalles de la clasificacin de Terzaghi no sea una finalidad til en esta discusin sobre el diseo del sostenimiento para minas subterrneas en roca dura, es interesante examinar las descripciones de la masa rocosa incluidas en su publicacin original, debido a que puso atencin en aquellas caractersticas que rigen el comportamiento de la masa rocosa, particularmente en situaciones donde la gravedad constituye la fuerza impulsora dominante. Las definiciones claras y concisas y los comentarios prcticos incluidos en estas descripciones son buenos ejemplos del tipo de informacin ingeniero-geolgicas que es muy til para el diseo en ingeniera.

Las descripciones de Terzaghi (extradas directamente de su publicacin) son:

La roca intacta no contiene ni diaclasas ni grietas delgadas. Por lo tanto, si esta se fractura, lo hace a travs de roca sana. Por el dao de la roca debido a la voladura, pueden desprenderse materiales astillados del techo varias horas o das despus de la voladura. Esto es conocido como condicin de astillamiento. La roca intacta dura tambin puede ser encontrada en la

condicin de pequeos estallidos de rocas, los cuales involucran la separacin violenta y espontnea de bloques rocosos de las paredes o del techo.

La roca estratificada consiste de estratos individuales con poca o ninguna resistencia contra la separacin a lo largo de los limites entre los estratos. Los estratos pueden o no estar debilitados por diaclasas transversales. En tales rocas la condicin de astillamiento es bastante comn.

La roca moderadamente diaclasada contiene diaclasas y grietas delgadas, pero los bloques entre las diaclasas estn desarrollados tan juntos o tan ntimamente entrelazados que las paredes verticales no requieren de sostenimiento lateral. En rocas de este tipo pueden ser encontradas ambas condiciones: tanto el astillamiento como los pequeos estallidos de rocas.

La roca con fracturamiento en bloques y grietas consiste de fragmentos de roca intacta o casi intacta, los cuales se encuentran completamente separados unos de otros e imperfectamente entrelazados. En tales rocas, las paredes verticales pueden requerir de sostenimiento lateral.

La roca triturada pero qumicamente intacta tiene la caracterstica de seguir triturndose. Si varios o todos los fragmentos son tan pequeos como granos de arena fina y la recementacin no ha ocurrido, la roca triturada bajo el nivel fretico exhibe las propiedades de una arena portadora de agua.

La roca altamente deformable avanza lentamente en el tnel sin un incremento perceptible de volumen. Un prerrequisito para la alta deformabilidad es un alto porcentaje de partculas microscpicas y submicroscpicas de minerales micceos o minerales arcillosos con una baja capacidad de expansin.

La roca expansiva avanza en el tnel principalmente debido a la expansin. La capacidad para expandirse parece ser limitada a aquellas rocas que contienen minerales de arcilla tales como la montmorillonita, con una alta capacidad de expansin.

Clasificaciones que involucran el tiempo de auto-sostenimiento

Lauffer (1958) propuso que el tiempo de auto-sostenimiento para una abertura sin sostenimiento est relacionada a la calidad de la masa rocosa en la cual la abertura es excavada. En un tnel, la abertura sin sostenimiento es definida como el ancho del tnel o la distancia entre el frente y el sostenimiento ms cercano, si esta distancia es mayor que el ancho del tnel. La clasificacin original de Lauffer ha sido modificada por varios autores, destacando Pacher et al. (1974), que ahora forma parte de la propuesta general de tunelera conocida como el Nuevo Mtodo Austraco de Tunelera.

La importancia del concepto del tiempo de auto-sostenimiento radica en que un incremento en la abertura del tnel conduce a una reduccin importante del tiempo disponible para la instalacin del sostenimiento. Por ejemplo, un tnel piloto pequeo puede ser exitosamente construido con un sostenimiento mnimo, mientras que un tnel de gran abertura en la misma masa rocosa puede ser inestable sin la inmediata instalacin de un sostenimiento sustancial.

El Nuevo Mtodo Austraco de Tunelera incluye un nmero de tcnicas para una tunelera segura en condiciones de roca en las cuales el tiempo de auto-sostenimiento es limitado antes de que ocurra la falla. Estas tcnicas incluyen el uso de pequeas galeras de avance y banqueo o el uso de mltiples galeras para formar un arco reforzado, dentro del cual la masa del tnel puede ser excavada. Estas tcnicas son aplicables en rocas blandas tales como esquistos, filitas y lodolitas, en las cuales los problemas de alta deformacin y expansin, descritos por Terzaghi ( ver seccin previa ), pueden ocurrir. Estas tcnicas tambin son aplicables cuando se excava en rocas excesivamente fracturadas, pero debera tenerse gran cuidado en el intento de aplicar estas tcnicas a excavaciones en rocas duras, en las cuales pueden ocurrir diferentes mecanismos de falla.

En el diseo del sostenimiento para excavaciones en rocas duras, es prudente asumir que la estabilidad de la masa rocosa circundante a la excavacin no depende del tiempo. Por lo tanto, si una cua estructuralmente definida queda expuesta en el techo de una excavacin, esta caer tan pronto como la roca que la sostiene sea removida. Esto puede ocurrir durante la voladura o durante la operacin subsecuente de desatado. Si se requiriera mantener la cua en su lugar, o aumentar el margen de seguridad, es esencial que el sostenimiento sea instalado lo ms pronto posible, preferiblemente antes de que el sostenimiento rocoso de la cua completa sea removido. Por otro lado, en una roca altamente esforzada, la falla ser generalmente inducida por algunos cambios en el campo de esfuerzos circundantes a la excavacin. La falla puede ocurrir gradualmente y manifestarse como astillamientos o lajamientos u ocurrir sbitamente en forma de pequeos estallidos de roca. En ambos casos, el diseo del sostenimiento debe tomar en cuenta el cambio en el campo de esfuerzos ms que el tiempo de auto-sostenimiento de la excavacin.

Indice de designacin de la calidad de la roca (RQD)

El ndice de Designacin de la Calidad de la Roca (RQD) fue desarrollado por Deere (Deere et al.,1967) para proveer un estimado cuantitativo de la calidad de la masa rocosa, a partir de los testigos de la perforacin diamantina. El RQD es definido como el porcentaje de piezas de testigos intactos mayores de 100 mm (4 pulgadas) en la longitud total del testigo. El testigo deber tener por lo menos un tamao NX (54.7 mm o 2.15 pulgadas de dimetro) y deber ser perforado con un cilindro de

Figura 4.1: Procedimiento de medicin y clculo del RQD (Deere, 1989).

doble tubo de perforacin. El procedimiento correcto para medir las longitudes de los testigos y el clculo del RQD son resumidos en la Figura 4.1.

Palmstrom (1982) sugiri que, cuando los testigos no estn disponibles pero las trazas de las discontinuidades son visibles en afloramientos superficiales o en socavones exploratorios, el RQD puede ser estimado a partir del nmero de discontinuidades por unidad de volumen. La relacin sugerida para masas rocosas libres de arcillas es:

RQD = 115 - 3.3 Jv

donde Jv es la suma del nmero de discontinuidades por unidad de longitud de todas las familias de discontinuidades, conocido como el conteo volumtrico de discontinuidades.

El RQD es un parmetro direccionalmente dependiente y su valor puede cambiar significativamente, dependiendo sobre todo de la orientacin del taladro. El uso del conteo volumtrico de discontinuidades puede ser muy til en la reduccin de esta dependencia direccional.

El RQD pretende representar la calidad del macizo rocoso in situ. Cuando se utiliza la perforacin diamantina, se debe tener mucho cuidado para garantizar que las fracturas causadas por el manipuleo o el proceso de perforacin sean identificadas e ignoradas cuando se determine el valor del RQD. Cuando se utilice la relacin de Palmstrom para el cartografiado superficial, las fracturas inducidas por voladura no deberan ser incluidas en la estimacin de Jv.

El RQD de Deere ha sido ampliamente utilizado, particularmente en Norte Amrica, en los ltimos 25 aos. Cording y Deere (1972), Merrit (1972) y Deere and Deere (1988) han intentado relacionar el RQD a los factores de carga rocosa de Terzaghi y a los requerimientos del empernado de tneles. En el contexto de esta discusin, el uso ms importante del RQD es como un componente de las clasificaciones del macizo rocoso RMR y Q, sistemas que sern tratados ms adelante en este captulo.

Valoracin de la Estructura Rocosa (RSR)

Wickham et al.(1972) describi un mtodo cuantitativo para describir la calidad de una masa rocosa y para seleccionar el sostenimiento apropiado en base a la clasificacin Valoracin de la Estructura Rocosa (RSR - Rock Structure Rating). Muchos de los casos histricos, utilizados en el desarrollo de este sistema, fueron tneles relativamente pequeos sostenidos por medio de arcos metlicos (cerchas), aunque histricamente este sistema fue el primero en hacer referencia al shotcrete como sostenimiento. A pesar de sta limitacin, el sistema RSR merece ser examinado en cierto detalle, ya que demuestra la lgica involucrada en el desarrollo de un sistema de clasificacin del macizo rocoso cuasi-cuantitativo y la utilizacin del ndice resultante para estimar el sostenimiento.

La importancia del sistema RSR, en el contexto de esta discusin, es que introduce el concepto de valoracin de cada uno de los componentes listados abajo para llegar a ser un valor numrico del RSR = A+B+C.

Parmetro A, Geologa: Apreciacin general de la estructura geolgica en base a:

Origen del tipo de roca (gnea, metamrfica, sedimentaria).

Dureza de la roca (dura, mediana, suave, descompuesta)

Estructura geolgica (masiva, ligeramente fallada/plegada, moderadamente fallada/plegada, intensamente fallada/plegada).

Parmetro B, Geometra: Efecto del arreglo de discontinuidades con respecto a la direccin de avance del tnel, en base a: Espaciamiento de las discontinuidades.

Orientacin de las discontinuidades (rumbo y buzamiento).

Direccin de avance del tnel.

Parmetro C: Efecto del flujo de agua subterrnea y de la condicin de las discontinuidades en base a: Calidad de la masa rocosa en base de A y B combinados.

Condicin de discontinuidades (bueno, regular, pobre).

Cantidad de flujo de agua (en galones por minuto por 1000 pies de tnel).

Note que la clasificacin RSR utiliza unidades imperiales y que estas unidades han sido conservadas en esta discusin.

Las tres tablas de la publicacin de Wickham et.al.'s 1972 se reproducen en las Tablas 4.1, 4.2 y 4.3. Estas tablas pueden ser utilizadas para evaluar la valoracin de cada uno de estos parmetros para llegar al valor RSR (mximo RSR = 100).

Por ejemplo, una roca metamrfica dura que ha sido ligeramente plegada o fallada tiene una valoracin de A=22 (de la Tabla 4.1). La masa rocosa est moderadamente diaclasada, con diaclasas de rumbo perpendicular al eje del tnel, el cual esta siendo avanzado en direccin Este-Oeste, y buzamiento entre 20 y 50. La Tabla 4.2 da una valoracin de B=24 para un avance con el buzamiento (definido en los dibujos de la margen derecha de esta pgina). El valor de A+B = 46 significa que, para diaclasas de regular condicin (ligeramente intemperizada y alterada) y un flujo moderado de agua entre 200 y 1000 galones por minuto, la Tabla 4.3 da una valoracin de C = 16. Por lo tanto, el valor final de la valoracinde la estructura rocosa RSR = A + B + C = 62.

Tabla 4.1: Valoracin de la Estructura Rocosa: Parmetro A: Geologa general del rea.

Tipo de Roca Bsico

Estructura Geolgica

DuroMedioSuaveDescompue.

Igneo1234

LigeramModeradamIntensam

Metamrfico1234

PlegadaPlegada oPlegada o

Sedimentario2344Masivao FalladaFalladaFallada

Tipo 1

3022159

Tipo 2

2720138

Tipo 3

2418127

Tipo 4

1915106

Tabla 4.2: Valoracin de la Estructura Rocosa: Parmetro B: Modelo de discontinuidades, direccin de avance.

Rumbo Perpendicular al Eje

Rumbo Paralelo al Eje

Direccin de Avance

Direccin de Avance

AmbosCon el buzamientoContra el buzamiento

Cualquier direccin

Espaciamiento promedio de

Buzamiento de las diaclasas importantesa

Buzamiento de las diaclasas importantes

de las diaclasas o juntasBajo

MedianAltoMedianoAltoBajoMedianoAlto

o

1.Diaclasado muy cercano, < 2911

131012997

2.Diaclasado cercano, 2-6 pulg.1316

191517141411

3.Diaclasado moderado, 6-122324

281922232319

4.Moderado a bloqueado, 1-2 pies3032

362528302824

5.Bloqueado a masivo, 2-4 pies3638

403335362428

6.Masivo, > 4 pies4043

453740403834

Tabla 4.3: Valoracin de la Estructura Rocosa: Parmetro C: Agua subterrnea, condicin de las discontinuidades.

Suma de Parmetros A + B

Flujo de agua anticipado

13 - 44

45 75

gpm/1000 pies de tnel

Condicin de Juntasb

BuenoRegularMaloBuenoRegularMalo

Ninguno221812252218

Ligero, < 200 gpm19159231914

Moderado, 200 1000 gpm15227211612

Severo, >1000 gpm1086181410

Buzamiento: bajo: 0-20; mediano: 20-50, y vertical: 50-90

Condicin de juntas: bueno = ajustado o cementado; regular= ligeramente intemperizada o alterada; malo= severamente intemperizado, alterado o abierto