Ingeniera y ArquitecturaIngeniera de minas

diseo y construccion de tuneles1._ Aplicacin de la clasificacin geomtrica RMR (BIENIAWSKI)2._heek GSI 3._Parmetro que utiliza BARTONCiclo: VICajamarca 8 de octubre del 2013

ndice 1._ introduccin..3 2._objetivos.....4 3._Conceptos bsicos.....4 5._ fundamento terico...5 5.1_BIENIAWSKI......5 5.2_ resistencia de la roca.......5 5.3_ primer procedimiento.....5 5.4_ segundo procedimiento.......5 5.5_ tercer procedimiento.......5 6._ RQD ndice de calidad de las rocas.....6 7._ separacin entre discontinuidades....7 8._estado de las discontinuidades...8 8.1_ persistencia......8 8.2_apertura.....8 8.3_ rugosidad..9 8.4_ relleno.......9 9._presencia de agua....9 10._ orientacin de las discontinuidades...11 11._ Ebert Hoek (GSI)....11 12._ ndice de fuerza Geolgica.....12 13._ Estimacin del factor de alteracin del criterio de rotura de Hoek.......13 14._barton..........14 14.1_parametros....14 14.2_(NDICE DE CALIDAD DE LAS ROCAS)...14 14.3_ numero de familias de juntas..14 14.4_ rugosidad de juntas............................15 14.5_ meteorizacin de las juntas.........16 14.6_agua en las juntas......17 14.7_ factor de reduccin de esfuerzos.....17 15._ ndice Q......18 15.1_ ndice Qtbm.....18 16._ velocidad de avance......19 17._recomendaciones....21 18._notas.......21 19._ bibliografa........22

1. IntroduccinLa estabilidad de tneles ha sido un tema de mucha importancia en la era de los ferrocarriles, tanto en la minera como en el transporte pblico, recobrando su relevancia en las modernas carreteras, en zonas de cordillera, zonas inaccesibles, cruce de ros por debajo, e incluso creando tneles Falsos en las ciudades para aliviar el trfico vehicular. Tambin podemos mencionar a Galeras y Cavernas que no es otra cosa que tneles pequeos en secciones menores a 3 m de radio en la bveda, que son utilizados mayormente en la Hidrulica o con fines exploratorios. Para el diseo de un Tnel primero se debe realizar un estudio Geolgico Geotcnico del sector donde se lo proyecta, en esto la mecnica de rocas juega un papel fundamental en la clasificacin del macizo rocoso e incluso estableciendo un prediseo con los elementos necesarios para el sostenimiento del tnel en funcin a la altura de carga (zona de aflojamiento) despus de la excavacin. En los Tneles y Taludes rocosos, los mecanismos de inestabilidad son controlados por el grado de alteracin y por las anisotropas existentes en el macizo, tales como la estratificacin, juntas, fallas, cuya relacin con los mecanismos de inestabilizacin es regida por los siguientes factores: Distribucin espacial de las discontinuidades, relacin entre su posicin (rumbo y buzamiento) con la direccin del tnel. Siendo este el ms importante a considerarse en el trazo de entrada y salida del tnel. Presencia y naturaleza de los materiales de relleno de las discontinuidades. Irregularidades en las superficies de las discontinuidades. Rotura y movimientos anteriores. Existen muchos mtodos tiles para poder clasificar un macizo rocoso, entre ellos se puede escoger algunos mtodos elaborados por autores conocidos mundialmente en el campo de la mecnica de rocas que realiza anlisis especficos para el diseo de tneles entre estos podemos mencionar a Barton y Bieniawski, Las que podemos denominar clasificaciones modernas (Sistema RMR (Bieniawski) y Q (Barton)) intentan un mayor grado de objetividad. Se trata en los dos casos de combinar atributos del macizo rocoso (de tipo geolgico, geomtrico y tensional) en un nmero nico relacionado con la calidad global de la roca. A su vez, este nmero permite, a travs de la experiencia recogida en su utilizacin en casos reales, la definicin de un sostenimiento del tnel y la estimacin de otros parmetros o datos de inters (resistencia del macizo rocoso, tiempo de estabilidad de una excavacin no sostenida, etc). 2. Objetivos Estudio de la calidad del macizo rocoso y su resistencia. Sealar las necesidades de sostenimientos. Diagnosticar la estabilidad de las excavaciones. Ejecutar el diseo de estructuras en roca, proporcionando datos sin equivocaciones. Reconocer la competencia del macizo rocoso a partir de observaciones.

3. Conceptos bsicosLa implementacin de un sistema de informacin geomecnica en las diferentes actividades mineras; para su aplicacin en el diseo de labores mineras, comprender realizar los siguientes estudios:

Caracterizacin del macizo rocoso, a travs de: Levantamiento litolgico estructural. Clasificacin geomecnica del macizo rocoso. Zoneamiento de la masa rocosa. Caracterizacin del comportamiento mecnico de la masa rocosa y sus componentes; a travs de:

1. Ensayos de laboratorio: Determinacin de Propiedades Fsicas y Propiedades Mecnicas de la roca y mineral.2. Ensayos In-situ. ndice de la calidad de la roca: RQD.

4. Fundamento tericoA) (R.M.R) de Bieniawski:El sistema de clasificacin de la masa rocosa o sistema RMR fue desarrollado por Z.T. Bieniawski durante los aos 1972- 73, y ha sido modificado en 1976 y 1979, en base a ms de 300 casos reales de tneles, cavernas, taludes y cimentaciones. Actualmente se usa la edicin de 1989, que coincide sustancialmente la con de 1979. Para determinar el ndice RMR de calidad de la roca se hace uso de los seis parmetros del terreno siguientes: La resistencia a compresin simple del material. (roca intacta) El RQD (Rock Quality Designation) = (Denominacin de Calidad de roca) El espaciamiento de las discontinuidades. La condicin de las discontinuidades. La presencia hidrolgica La orientacin de las discontinuidades. A.a). Resistencia de la roca.Si la roca intacta es dura o resistente y las discontinuidades tienen propiedades favorables, la masa rocosa ser competente y presentara condiciones favorables cuando sea excavada.La resistencia compresiva dc de una roca se puede determinar por tres Procedimientos:

Primer ProcedimientoEstimacin de la resistencia compresiva mediante el martillo Schmidt de dureza. Segundo ProcedimientoDeterminacin de la resistencia compresiva mediante el ensayo de carga puntual

Tercer procedimientoDeterminacin de la resistencia compresiva mediante el ensayo de compresin simple. A.b) RQD.- (ndice de calidad de las rocas) Se basa en la recuperacin modificada de un testigo (El porcentaje de la recuperacin del testigo de un sondeo) Depende indirectamente del nmero de fracturas y del grado de la alteracin del macizo rocoso. Se cuenta solamente fragmentos iguales o superiores a 10 cm de longitud. El dimetro del testigo tiene que ser igual o superior a 57.4 mm y tiene que ser perforado con un doble tubo de extraccin de testigo.

A.c) Separacin entre discontinuidades. El parmetro considerado es la separacin en metros entre juntas de la familia principal de diaclasas la de roca. Debemos tomar en campo la distancia entre las discontinuidades de la familia ms representativa. Estas pueden presentarse en todo tipo de juntas (fallas), en planos de estratificacin (diaclasas), zonas de contactos etc. Sus caractersticas dependiendo de la orientacin y en nmero (cantidades) Distancias entre discontinuidades. Con un diagrama de estadstico sealando las frecuencias relativas de las discontinuidades se puede determinar estas discontinuidades. (diagrama de rosas (rosetas), o proyeccin estereogrfica.

Separacin entre discontinuidades

A.d) Estado de las discontinuidades.- Es el parmetro que ms influye, Pueden aplicarse los criterios generales, en la que el estado de las diaclasas se descompone en otros cinco parmetros: persistencia, apertura, rugosidad, relleno y alteracin de la junta. PersistenciaEs la extensin en rea o tamao de una discontinuidad. Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa ser ms estable y cuanto mayor sea sta, ser menos estable.

Persistencia

AperturaEs la separacin entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de abierto que sta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa rocosa sern mejores y a mayor apertura, las condiciones sern ms desfavorables.

Rugosidad Grado de calidad de las superficies mecanizadas. La rugosidad superficial es el conjunto de irregularidades de la superficie real, definidas convencionalmente en una seccin donde los errores de forma y las ondulaciones han sido eliminados. RellenoSon los materiales que se encuentran dentro de la discontinuidad. Cuando los materiales son suaves, la masa rocosa es menos competente y cuando stos son ms duros, sta es ms competente.

Presencia de agua.Ofrece tres posibles criterios de valoracin: estado general, caudal cada 10 metros de tnel, relacin entre la presin del agua y la tensin principal mayor en la roca. Las filtraciones de agua a travs de fisuras y grietas, junto con las oquedades, desconchones y las eflorescencias por degradacin del hormign, constituyen una de las patologas ms frecuentes en tneles. Tanto en la etapa de construccin como en la de mantenimiento, durante su vida til operativa, se realizan actuaciones y se toman medidas en zonas con abundante presencia de agua, mediante inyecciones de mortero, drenaje, obturacin de vas de agua con morteros hidrulicos de fraguado instantneo, inyecciones de resinas acuo-rreactivas, etc.

Orientacin de las discontinuidades.En funcin del buzamiento de la familia de diaclasas y de su rumbo, en relacin con el eje del tnel (paralelo o perpendicular), se establece una clasificacin de la discontinuidad en cinco tipos: desde muy favorable hasta muy desfavorable.

BuzamientoRumbo

Bieniawski a propuesto la siguiente clasificacin: B) Ebert Hoek (GSI)Ebert Hoek naci en Zimbabwe, se gradu en ingeniera mecnica de la Universidad de Ciudad del Cabo y se involucr en la joven ciencia de la mecnica de rocas en 1958, cuando comenz a trabajar en la investigacin sobre los problemas de rotura frgil asociadas a estallidos de rocas en minas muy profundas en el sur frica. B.a) ndice de fuerza Geolgica (GSI) Del sistema, propuesto en 1995, es ahora ampliamente utilizado para la estimacin de la resistencia del macizo rocoso y el macizo rocoso deformacin de parmetros. El sistema GSI se concentra en la descripcin de dos factores, estructura de la roca y las condiciones de la superficie del bloque. Las directrices dadas por el sistema de GSI son para la estimacin de los parmetros de resistencia pico de masas de roca unidas. No existe una gua propuesta por el GSI, o por cualquier otro sistema, para la estimacin de la fuerza residual de la masa rocosa "que los resultados consistentes de rendimiento. Donde GSI (ndice de fuerza Geolgica) es una clasificacin geomecnica D es un factor que depende sobre todo del grado de alteracin al que ha sido sometido el macizo rocoso por los efectos de las excavaciones (mecnicas o por voladuras) o por la relajacin de esfuerzos.

El criterio de rotura de Hoek su versin original fue introducida en el 1980 desde entonces su uso se ha generalizado en el mbito de la mecnica de rocas, traspasando los lmites para los que fue propuesto (clculo de la estabilidad en taludes y estados tensionales en el entorno de un tnel, para macizos rocosos duros). Debido a esto, y con el fin de mejorarlo, el criterio ha sufrido varias modificaciones as como la introduccin de nuevos parmetros para definir el estado del material, y nuevas propuestas para obtener la caracterizacin del macizo, la ltima en 2002. Se trata de un criterio no lineal, puramente emprico, que permite valorar, de manera sencilla, la rotura de un medio rocoso mediante la introduccin de las principales caractersticas geolgicas y geotcnicas.El criterio original, es un criterio emprico para el estudio de macizos rocosos duros. Su expresin es Dnde: ' 1 y 3 ' son las tensiones principales mayor y menor en el momento de rotura Ci es la resistencia a compresin uniaxial del material intacto m y s son constantes del material, que dependen de las propiedades de la roca y del grado de fracturacin de la roca antes de someterla a las tensiones de rotura.El parmetro s es la medida de disminucin de la resistencia a compresin simple de la roca debido a la fracturacin. Por su parte, m influye en la resistencia al corte del material. Ambos parmetros se pueden obtener a partir de la clasificacin geomecnica Rock Mas Rating (RMR), introducida por Bieniawski, 1976.

El uso del criterio no solo en macizos rocosos duros, sino tambin en macizos de rocas dbiles, ha supuesto una reformulacin del criterio, as como la introduccin de nuevos parmetros.

B.b) Estimacin del factor de alteracin del criterio de rotura de Hoek.

Es un factor que depende principalmente del grado de alteracin al que ha sido sometido el macizo. Alteraciones debidas a la relajacin de esfuerzos, causados por excavaciones por voladura, mecnicas, o por otras causas. El factor fue introducido en la ltima versin del criterio de rotura de Hoek, porque se detect que para el caso de macizos de rocas no alteradas (D=0), el criterio daba parmetros resistentes demasiado optimistas. El factor adopta valores desde 0 para la roca no alterada en condiciones in situ, hasta el valor de 1 para la roca muy alterada.

C) BartonEl Sistema-Q o Clasificacin de BartonFue desarrollado en Noruega en 1974 por Barton, Lien y Lunde, del Instituto GeotcnicoNoruego '3'. Se bas su desarrollo en el anlisis de cientos de casos de tneles construidos principalmente en Escandinavia. Actualmente se denomina Nuevo Mtodo Noruego de tneles al diseo de las excavaciones basndose directamente en los trabajos de Barton. La Clasificacin de Barton asigna a cada terreno un ndice de calidad Q, tanto mayor cuanto mejor es la calidad de la roca. Su variacin no es lineal como la del RMR, sino exponencial, y oscila entre Q=0.001 para terrenos muy malos y Q=1000 para terrenos muy buenos.

(Parmetros)Basado en los seis parmetros siguientes:

R.Q.D. (NDICE DE CALIDAD DE LAS ROCAS)

Jn: Nmero de familias de juntas

Jr: Rugosidad de las juntas

Ja: Meteorizacin de las juntas

Jw: Agua en las juntas

S.R.F. (esfuerzos Reduccin Factor)

ndice Qndice de Calidad tuneleraSe Utiliza el ndice de calidad Q de Barton para estimar el sostenimiento de un tnel, hay que calcular el valor de la dimensin equivalente, que se define como el cociente entre el dimetro, anchura o altura del tnel y el parmetro ESR. Este parmetro figura en las tablas de la clasificacin y depende de la naturaleza de la obra. Segn los valores de Q y de la dimensin equivalente, se proponen 38 tipos distintos de sostenimiento.

ndice QtbmNueva versin del conocido ndice Q para caracterizar los macizos rocosos cuando se trata de predecir la velocidad neta de avance de una mquina TBM, denominado QTBM expresado por:

Dnde: RQD: primer parmetro del ndice de Barton . (1974) pero medido en orientacin paralela a la direccin del tnel Jn: segundo parmetro de la clasificacin de Barton . (1974) que depende del nmero de familias de discontinuidades. Jr.: tercer parmetro de la clasificacin de Barton . (1974) que depende de la rugosidad de las discontinuidades que ms influyen en el arranque. Ja: cuarto parmetro de la clasificacin de Barton . (1974) que depende del grado de alteracin de las discontinuidades que ms influyen en el arranque. Jw: quinto parmetro de la clasificacin de Barton (1974) que depende de la presin y caudal de agua en el tnel. SRF: sexto parmetro relacionado con las tensiones que soporta el macizo rocoso y su resistencia, con el que se trata de tener en cuenta los casos de: fluencia, expansividad y estallidos de roca. Fn: fuerza media por cortador SIGMA: factor dependiente de la resistencia de la roca

Factores de correccin al ndice QTBMFactor de correccin por abrasinDepende del CLI (ndice de cortada de vida), que es funcin del SJ (perforabilidad) y del AVS (valor de abrasin de acero).Factor de correccin por contenido en cuarzoDepende del contenido en % de cuarzoFactor de correccin por tensiones en el frente:Depende tensin biaxial en el frente

Velocidad de avance

Definida por Barton mediante la expresin: Dnde:PR (tasa de penetracin): velocidad de penetracin o avance expresado en m/h.Qtbm: ndice para caracterizar el avance de las tuneladoras en roca.

Los diversos mtodos para valorar los macizos rocosos estn en programas de computadora

Conclusiones

*el sistema Q y el RMR Ambos incorporan parmetros geomtricos, geolgicos, y se obtiene un VALOR de la calidad del macizo rocoso. Se necesitaran testigos del macizo rocoso para aplicar los diferentes sistemas *De acuerdo al macizo rocoso se clasifica en: Roca buena por (RMR), Roca muy buena por (Q Barton), Bloques muy buenos por (GSI del terreno) El Sistema Q ayuda al sostenimiento en labores subterrneas y el RMR nos da un tiempo de auto sostenimiento exacto. La aplicacin minera de los sistemas Q y RMR han propendido a simplificar los sistemas de clasificacin solamente hacia aquellos factores que dependientes del macizo rocoso

La clasificacin del macizo rocoso es una de las nicas estrategias para estimar las propiedades de grandes macizos

El grfico Q para el sostenimiento, puede dar como resultado serios errores.

Recomendaciones

Para la obtencin del ndice debemos tomar las muestras en lo posible en toda nuestra rea de trabajo

Debemos tener bien en claro la construccin que se va realizar ya que estoVara mucho en nuestro RMR recogido, el sistema GSI y el ndice de calidad tunelera

Nota

(1) Rc: Resistencia a compresin simple, Rt: Resistencia a traccin. (2) 03: Tensin principal mayor del macizo (de compresin). (3) Considerar SRF un 25-50% si las zonas dbiles influyen, pero no intersectan la excavacin. (4) Para campos tensionales anistropos, reducir 0,8 Rc y 0,8 R t para 5