Universidad Popular Autnoma del Estado de Puebla

Facultad de Ingeniera Civil

Procedimientos de excavacin de tneles en roca

Trabajo de investigacin que para obtener el ttulo de:

I n g e n i e r o C i v i l p r e s e n t a

Jos Francisco Pantoja Morales

Puebla, Pue. Julio de 1999

\^? vrp'-A CENTRAL

VmvEK-.LAL NATIONAL A/T=N-MA DE

ME/icp Mxico D.F., julio 8 de 1999.

Ing. Mario Jimnez Surez Director de la Facultad de Ingeniera Civil Universidad Popular Autnoma del Estado de Puebla

P R E S E N T E

Estimado Ing. Jimnez:

Por medio de la presente le informo que el alumno Jos Francisco Pantoja Morales ha concluido satisfactoriamente su trabajo de investigacin titulado Procedimientos de excavacin de tneles en roca.

Por lo anterior considero que puede continuar con los trmites requeridos para obtener su ttulo de ingeniero Civil.

Aprovecho la ocasin para enviarle mis afectuosos saludos.

A t e n t a m e n t e

Ing. Sergio R. Herrera Castaeda Profr. T.C., Facultad de Ingeniera U.N.A.M.

NDICE 1. INTRODUCCIN 1

1.1 Objetivos 3 1.2 Hiptesis 4

2. GEOLOGA Y PROPIEDADES DEL TERRENO 2.1 Rocas 5 2.2 Aguas subterrneas 11 2.3 Esfuerzos 14 2.4 Clasificacin del terreno para fines de excavaciones subterrneas 20

3. PROCEDIMIENTOS DE EXCAVACIN 3.1 Excavacin con explosivos 25 3.2 Secuencia de excavacin 49 3.3 Excavacin Mecnica 52

4. CONTROL, ESTABILIZACIN Y SOPORTE DE TNELES 4.1 Instrumentacin 60 4.2 Control de vibraciones 62 4.3 Tratamientos 67

5. TIPOS DE REVESTIMIENTO DEFINITIVO DE TNELES 77

6. CONCLUSIONES 91

7. REFERENCIAS 94

1. INTRODUCCIN

La excavacin de tneles fue una de las primeras actividades humanas en la construccin. Es posible que los tneles naturales y otros, resultado de la accin del agua como los hoyos someros, que se encuentran a menudo en las calizas y formaciones similares, hayan sugerido al hombre antiguo la idea de un pasaje artificial a travs de la roca.

Antiguamente los pasajes bajo la tierra no se usaron nicamente como morada o habitacin, uno de los primeros fines utilitarios a que se destinaron fue el acceso de trabajos de minera, pero tambin, desde los primeros aos de la historia humana hubo que cavarse tneles para carreteras.

Los primeros requisitos para la construccin de un tnel son el determinar las secciones geolgicas precisas de todas las rutas posibles para el tnel, as como, conocer las caractersticas de la roca y los principales riesgos dentro de la excavacin, tales como agua subterrnea. Dichos requisitos nicamente se determinan a travs de los estudios geolgicos y geohidrolgicos.

i

2

En la construccin de tneles el trmino de roca es aplicado a un agregado de partculas minerales, el cual requiere del uso de explosivos para ser excavado. El costo y lo complicado de la construccin de un tnel en roca depende principalmente de las condiciones de sta, que bien puede estar en condiciones intacta, fracturada, alterada o meteorizada.

Las condiciones de la roca puede cambiar a lo largo del tnel y de los esfuerzo que vaya a soportar el mismo.

El conocimiento del terreno en el cual se excavar un tnel es de los principales factores que influyen para determinar el mtodo de excavacin a emplearse para su construccin.

Por ejemplo, cuando se encuentra una roca en buen estado el uso de adame no es muy comn, pero en rocas blandas o fracturadas el uso de adames ser necesario, as como el uso de revestimiento para asegurar as la estabilidad.

El uso de maquinaria en la construccin de tneles en roca es de gran importancia, ya que con ella se hace la excavacin ms rpida y eficiente, logrando mayor avance y ahorro de tiempo en el tiempo de construccin.

En los ltimos aos, los explosivos han originado una revolucin tcnica, la cual apunta hacia la mecanizacin, mejorando la fragmentacin e incrementando el avance.

La estabilidad y el soporte de un tnel son factores que tambin depende de los resultados obtenidos de la instrumentacin, del control de las vibraciones producidas por los explosivos las que afectarn el entorno del tnel y de la velocidad de instalacin de los tratamientos tales como anclas, concreto lanzado, marcos e inyecciones.

El revestimiento definitivo de un tnel se mencionar en este trabajo como una de las herramientas para la estabilizacin final o definitiva.

1.1 OBJETIVOS

3

Objetivo general:

Conocer los factores que determinan los diferentes procedimientos de excavacin y construccin de tneles en roca y presentar los que se emplean en la actualidad incluyendo los tratamientos de control y estabilizacin.

Objetivos particulares:

Conocer los factores geolgicos que determinan que tipo de procedimiento de excavacin que se utilizar.

Describir los diferentes procedimientos de excavacin de tneles en roca

Conocer como se efecta el control, la estabilizacin y el soporte de los tneles.

Definir los diferentes tipos de revestimiento definitivo que se utilizan en los tneles.

1.2 HIPTESIS. 4

La construccin de tneles lleva consigo la realizacin de estudios geolgicos de donde se determinan los principales factores que afectan a este tipo de obras, como pueden ser, el agua subterrnea, los tipos de roca, fellas, etc., que se encuentre en el terreno.

El conocimiento previo de estos factores dar un panorama claro de qu proceso de excavacin ser el adecuado, el mtodo de estabilizacin del tnel y el costo aproximado de construccin.

La maquinaria de tneles, hoy en da, toma un papel importante dentro de la construccin de tneles, ya que existen mquinas potentes, con las cuales se pueden lograr avances considerables y ahorro de tiempo.

La estabilizacin y control, son actividades que determinan el buen funcionamiento de un tnel y para lograrlo se utilizan herramientas como anclas, concreto lanzado, marcos e inyecciones, y para dar mejor comportamiento se hacen los revestimientos definitivos.

2. GEOLOGA Y PROPIEDADES DEL TERRENO 2.1 ROCAS

Se designa roca a una masa de material natural, de semidura a dura, compuesta de uno o varios minerales.

De acuerdo con su origen las rocas se clasifican en 3 grupos: gneas, sedimentarias y metamrficas. Sin embargo esta clasificacin no proporciona una idea clara de las propiedades ingenieriles de una roca determinada.

Rocas gneas

Las rocas gneas se han formado en la superficie de la tierra o a diversas profundidades.

Las rocas gneas formadas a grandes profundidades se denominan intrusivas y se presentan en batolitos, chimeneas y lacolitos. Estos trminos se refieren a los diversos tipos de intrusiones magmticas en la corteza terrestre. Por lo general estas rocas constituyen excelentes

materiales de apoyo o sustentacin. Un representante de este tipo de rocas es el granito el cual se compone esencialmente de feldespatos, cuarzo y mica. Las rocas gneas que se solidifican en la superficie, al enfriarse la lava se le denomina extrusivas, tales como el basalto, andesita, riolita y rocas piroclsticas como la toba.

5

6

Rocas sedimentarias:

Cuando los productos de desintegracin y descomposicin de cualquier tipo de roca son transportados, se vuelven a depositar, consolidar y cementar total o parcialmente para constituir de este modo un nuevo tipo de roca, se clasifica el material resultante como roca sedimentaria.

Los minerales fragmentos de rocas o restos orgnicos, son los constituyentes de una roca sedimentaria. Los diversos tamaos de fragmentacin encontrados en las rocas sedimentarias son, en orden descendente: boleos, cantos, gravas, arenas, limos y arcillas, y dan como resultado las rocas conocidas como, conglomerados, areniscas y lutitas.

Existen tambin las rocas sedimentarias de origen qumico, las ms importantes son la caliza y dolomita.

Rocas metamrficas:

Se conocen como rocas metamrficas a las rocas formadas como consecuencia de la recristalizacin completa o incompleta (cambios en la forma de los cristales y en su composicin) de rocas gneas, sedimentarias metamrficas, debido a la influencia de agentes tales como temperaturas elevadas, presiones altas, intensos esfuerzos cortantes, dndose todo esto conjuntamente o por separado.

2.1.1 Caractersticas ingenieriles de las rocas

Las rocas gneas son caracterizadas por tener una textura granular, estructura masiva y una composicin relativamente homognea. En estado natural cumplen con las caractersticas para un buen desempeo ingenieril.

Las rocas gneas pueden encontrarse de muchas formas, las intrusivas que estn sobre la corteza terrestre tienen algunas alteraciones como la intemperizacin y el ataque hidrotrmico. El macizo rocoso puede estar muy fracturado a lo largo del terreno y es importante definir hasta que profundidad estar fragmentadas las rocas y que caractersticas ingenieriles tendr dicho macizo.

7

En las rocas gneas intrusivas es muy comn encontrar fracturamiento intenso, el cual llega a ser peligroso para el tuneleo, ya que pueden causar derrumbes. Peor an, si se excava bajo el nivel de agua subterrnea y el tnel llega a cruzar por esta zona de fracturas, se provocara salida de agua a presiones excesivas.

Otro tipo de rocas gneas son las extrusivas o rocas volcnicas las cuales se forman por enfriamiento del magma en la superficie terrestre o en su proximidad, pueden ser duras y competentes, o bien aparecer interestratificadas con materiales volcnicos incoherentes tales como tobas, cenizas e incluso arenas. Estos materiales sueltos, pueden ocasionar hundimientos en la construccin de tneles, ya que se pueden encontrar fracturadas.

Al hablar de rocas volcnicas ser importante tomar en cuenta la edad de stas ya que provienen del enfriamiento de lavas las cuales a travs del tiempo se van cubriendo y haciendo estratos de diferentes edades y compuestos. Por sto, los depsitos de roca de mayor edad no dan muchos problemas a los ingenieros, en cambio los depsitos de rocas volcnicas de edad reciente son muy engaosos.

Dentro de las rocas metamrficas, las pizarras y los esquistos tambin son comunes, es importante tomar en cuenta que la mayora de ellos se encuentran fisurados y son aparentemente fuertes a lo largo de su foliacin y esquistocidad. La pizarra y los esquistos varan de calidad algunos son muy buenos para soportar estructuras, pero otros son muy pobres de calidad.

Otro tipo de roca metamrfica frecuentemente encontrada es el gneis el cual es parecido al granito, el gneis est fuertemente foliado con una orientacin dominante en su textura.

Dentro de las rocas sedimentarias se puede encontrar a las areniscas, en stas los granos minerales estn unidos por cementante, las areniscas pueden estar compuestas por lminas delgadas de micas, y ser hasta estratificacin gruesas. En ocasiones estas rocas son encontradas con lutitas.

8

Existen otros tipos de roca sedimentarias las cuales contienen ms del 50% en minerales de carbonato, predominando tambin la calcita y/o dolomita, a estas rocas se les conoce como rocas carbonatadas. Estas rocas se ven frecuentemente influenciadas por el tiempo en sus caractersticas de esfuerzo y deformacin.

Un tipo de roca dentro de las carbonatadas es la greda, que contiene un 95% de carbonato de calcio dividido en fracciones finas y gruesas, esta roca tiene un rango notable de densidad.

Las rocas sedimentarias ms abundantes son las lutitas, las cuales se caracterizan por su laminacin. Las lutitas varan en su comportamiento ingenieril de acuerdo a su minerologa arcillosa, grado de cementacin y compactacin. Las cementadas son invariablemente ms fuertes y durables. Un bajo grado de compactacin en estas puede llevar a una completa desintegracin despus de diversos ciclos de secado y saturado.

La estabilidad de taludes en excavaciones puede ser un problema mayor con las lutitas durante o despus de la construccin, particularmente en formaciones que contengan arcillas expansivas.

Las lutitas en tneles profundos tienden a romperse en lajas debido a los esfuerzos desarrollados en el terreno, los estratos se pueden deformar lentamente y fluir hacia el tnel; en este caso, la roca no se despega de la masa principal, pero la deformacin puede producir fisuras y huecos en la roca que rodea el tnel.

Dentro de las rocas sedimentarias clsticas se encuentra la marga, sta es una roca con un 65% de carbonato y se completa de arcilla, se form por la depositacin de sedimentos finos dentro de lagos u ocanos, en regiones de alta evaporacin, existen tambin las margas que tienen 90% de minerales arcillosos, son de media a baja plasticidad comnmente Asuradas, y en presencia de agua en las fisuras la capacidad de resistencia disminuye.

9

El conocimiento de las propiedades ingenenles de las rocas nos ayuda a saber el mtodo de excavacin que habr de utilizarse en un tnel y la forma de aseguramiento de la seccin, as mismo el conocimiento de los tipos de rocas se logra con base en mtodos y pruebas que nos darn como resultado un estudio geolgico completo, el cual nos indica que tipos de roca y a que profundidades las encontraremos as como el tipo de falla que existir en el trayecto del tnel. De igual importancia son los estudios geohidrolgicos los cuales debern advertir si se encontrar agua subterrnea dentro de las diferentes fallas geolgicas, el efecto que pueda tener sta sobre las rocas y en el procedimiento de excavacin del tnel.

A continuacin se muestran algunas imgenes de las rocas ms encontradas dentro de excavaciones subterrneas.

Areniscas Lajas de lutitas Formacin de lutitas

Acantilado de Greda Roca caliza Figura 2.1 Rocas sedimentarias

10

Muestra de gneis Figuras 2.2 Rocas metamrficas

Mrmol

Rocas Volcnicas (Basaltos) Granito alterado

Granito

Figura 2.3 Rocas gneas

2.2 AGUA SUBTERRNEA

11

La presencia de agua subterrnea es uno de los principales problemas en la construccin de tneles. Esto de inmediato sugiere la necesidad de instalar dispositivos de drenaje en todos los tneles; y cuando no puede elegir la pendiente del tnel para facilitar el drenaje, tampoco puede eludirse el problema y el dato adicional del bombeo. Si la cantidad de agua es importante, dificultar cualquier clase de construccin; si la roca es suave y susceptible de ser afectada por el drenaje, que proviene de ella o que la recorre, ser fundamental el uso de aire comprimido en todas las operaciones de la construccin. Es de vital importancia contar con informacin tan precisa como sea posible, acerca de las condiciones probables del agua fretica.

Para atacar este problema, el primer recurso del ingeniero es la inyeccin de cemento a condicin de que la cantidad de agua encontrada sea tal que justifique los recursos econmicos adicionales que se habrn de tener por hacer dicha inyeccin, y a condicin de que se establezca definitivamente que la inyeccin de cemento ser efectiva, es decir que se solucionar el problema de filtracin de agua al tnel, basndose para ello en el conocimiento de la formacin geolgica.

La construccin de un tnel puede cambiar vitalmente el rgimen geohidrolgico de un lugar. El concepto de rgimen geohidrolgico comprende, en este caso, la posicin de agua dentro de las rocas, direccin y velocidad de su movimiento, y cambios tanto de posicin como de movimiento en el tiempo con las distintas estaciones del ao. Un tnel actuar pues como un dren.

Las rocas firmes casi sin fisuras, como las gneas y algunas areniscas, pueden considerarse impermeables, mientras que las rocas Asuradas representan generalmente depsitos excelentes de aguas, tanto esttica como en movimiento.

En algunas rocas como la caliza el agua puede acumularse en las cavidades formadas por disolucin. Los pliegues anticlinales, sinclinales y otras estructuras geolgicas pueden tambin acumular agua. Los tneles perforados por debajo de lagos, ros y otras masas de agua superficial pueden derivar caudales considerables de sta.

12

El agua puede penetrar de modos diferentes en el tnel. Puede gotear del techo del tnel, goteo que puede ser de intensidad variable, convirtindose a veces en una verdadera lluvia. Tambin el agua puede penetrar a travs de las paredes de la perforacin, en forma de gotas o de corriente continua. As bajo una fuerte presin, el agua puede irrumpir en forma de chorro en cualquier punto de la periferia de la perforacin.

Cuando un tnel se perfora en roca impermeable y pasa sobre una acumulacin de agua a gran presin, la placa de roca impermeable que separa al agua del tnel puede resultar tan delgada que no ofrezca suficiente resistencia a la presin. De tal forma el agua romper hacia arriba y penetrar en el tnel. En estos casos la construccin de cunetas ser necesaria para drenar el agua penetrada.

En la siguiente figura (fig. 2.4), se muestra en forma rayada la roca impermeable y con la letra "p" se indica un conducto o acufero de agua a presin.

Figura 2.4 Entrada del agua a presin en roca impermeable

Los tneles disminuyen el caudal de agua conforme se va avanzando en la obra, este fenmeno se debe al agotamiento gradual del agua en el origen de la corriente, segn progrese el desage cae el nivel del agua en el origen, por consiguiente disminuye la carga hidrulica. Para la interceptacin y remocin de agua atrada, se usa un sistema extensivo y costoso de desage, se construyen conductos en el piso completo del tnel para que el agua se saque continuamente y se aisla cuidadosamente el revestimiento del tnel.

13

Uno de los materiales ms peligrosos de perforar es el que contienen huecos de rocas llenos de grandes cantidades de agua, cuando la perforacin en este material es inevitable se debe recurrir a mtodos especiales de perforacin. Cuando se construye por abajo de estas cavernas se esperara una lluvia a travs de las grietas y fisuras de los lados de las paredes, este volumen de agua entrante depender de la altura relativa a la caverna.

Un tipo de agua almacenada de la forma antes mencionada es el agua crstica, resultado de la precipitacin y filtracin en los conductos continuos a las cavernas. El taladrar en estos depsitos subterrneos, harn que el agua reviente en el tnel con una presin bastante alta.

Los productos ms perjudiciales para el revestimiento de hormign de un tnel son las sales sulfricas como el sulfato calcico, sulfato sdico, sulfato magnsico. Los cidos diluidos, y todos los anteriores producen reacciones nocivas sobre el calcio del cemento y pueden destruir la caliza por una accin de intercambio de bases. Las soluciones de sulfuro de hidrgeno aun cuando sean dbiles, son venenosas para el hombre.

Es de gran importancia pues, el hacer una estimacin correcta de la influencia del agua en el tnel que va a construirse, puesto que influye en la organizacin de la planta de construccin. El gelogo debe de vigilar, con especial atencin, las aguas del tnel que discurran sobre los revestimientos, as como el contenido de la solucin que fluir dentro del tnel para que la salud de los trabajadores no se vea afectada.

14

2.3 ESFUERZOS

Las rocas en la naturaleza, especialmente las que se encuentran bastante profundas, estn afectadas por el peso de los estratos superiores a ellas y por su propio peso. Debido a estos factores se desarrollan esfuerzos en la masa rocosa. En general los esfuerzos producen deformaciones y desplazan las partculas individuales de la roca.

Los esfuerzos que existen en un macizo rocoso inalterado estn relacionados con el peso de los estratos sobreyacentes y con la historia geolgica del macizo. Este campo de esfuerzos se altera por la creacin de una excavacin subterrnea y, en algunos casos, esta alteracin introduce esfuerzos que son lo suficientemente grandes para exceder la resistencia de la roca. En estos casos, el debilitamiento de la roca adyacente a los lmites de la excavacin puede llevar a la inestabilidad de sta, lo que se manifestar por el cerramiento gradual de la excavacin, derrumbes del techo y desplazamiento de las paredes o en casos extremos estallido de roca. Los estallidos de roca son debilitamientos explosivos de la roca que se pueden presentar cuando una roca frgil est sometida a grandes esfuerzos.

2.3.1 Distribucin de los esfuerzos alrededor de una excavacin

Cuando se realiza una excavacin subterrnea en un macizo rocoso, los esfuerzos que existan con anterioridad se perturban y se inducen nuevos esfuerzos en la roca en las inmediaciones de la excavacin. Un mtodo para representar este nuevo campo de esfuerzos es el de las trayectorias de los esfuerzos principales, que son lneas imaginarias en un cuerpo elstico comprimido a lo largo del cual actan los esfuerzos principales. Antes de considerar en detalle la distribucin de los esfuerzos alrededor de excavaciones subterrneas, ser til visualizar el campo de esfuerzos que existe entre las trayectorias de los esfuerzos principales y las lneas de flujo en una corriente tranquila de agua.

15

Cuando se coloca una obstruccin cilindrica en la pila de un puente en la corriente del agua, el agua tiene que fluir alrededor de este obstculo y las lneas de flujo se desvan como lo muestra la figura 2.5. En las inmediaciones de la obstruccin aguas arriba y aguas abajo, el flujo del agua va ms despacio y las lneas de flujo se abren hacia fuera. sta separacin es anloga a la separacin de las trayectorias de esfuerzos que suelen haber en zonas de esfuerzos a tensin que se presentan en techos y pisos de excavaciones circulares que estn sujetas a una compresin uniaxial.

Zona de separacin de la lnea de flujo que es anloga a la tensin

Zona de amontonamiento de lneas de flujo, lo que tiene analoga con la compresin

Zona de aproximadamente 3 veces el dimetro del obstculo, fuera del cual ocurren solo deflexiones insignificantes

Figura 2.5 Deflexiones de lneas de flujo alrededor de un obstculo cilindrico

En zonas a los lados del obstculo, el flujo de agua tiene que ir ms aprisa para alcanzar el resto del flujo y las lneas de flujo se amontonan como se muestra, el flujo que pasa fuera de la zona punteada no "ve", el obstculo, el cual slo produce un desacomodo local, los puntos en el macizo rocoso que se encuentran distantes de 3 dimetros desde el centro de la excavacin no se ven influenciados en forma apreciable por sta.

La siguiente figura (fig.2.6) muestra las trayectorias y las lneas de los esfuerzos principales mayor y menor en el material que circunda un orificio circular en una placa elstica comprimida uniaxialmente. Estas trayectorias de esfuerzos principales pueden considerarse como si se dividiera el material en elementos sobre los que actan los esfuerzos principales.

16

Del lado derecho la figura 2.6 muestra dos de las trayectorias del esfuerzo principal mayor las cuales se sealan con lneas punteadas y en puntos arbitrariamente escogidos se sealan los esfuerzos principales que actan sobre elementos imaginarios.

Figura 2.6 Trayectoria de los esfuerzos principales mayor y menor en los materiales que rodean un orificio circular en una placa elstica.

2.3.2 Esfuerzos alrededor de una excavacin circular

Dentro de una excavacin circular se producen esfuerzos tales como: Esfuerzos en los lmites de excavacin; los cuales se producen en el techo y piso de la

cavidad y son a tensin; los esfuerzos en techo y piso son cero y todos los esfuerzos en la periferia de la excavacin son de compresin. La premisa que asegura que los nicos esfuerzos que pueden existir en los lmites de una excavacin son los esfuerzos tangenciales a los lmites de la cavidad resulta cierta para todas formas de excavacin, siempre y cuando no tenga cargas internas. Cuando la superficie interna de la excavacin tenga carga de presin de agua, o sufra la reaccin de un revestimiento de concreto, o de las cargas aplicadas por las anclas, habr que tomar en cuenta todos esos esfuerzos internos al calcular la distribucin de los esfuerzos de la roca que circundan la cavidad.

17

Tambin se producen esfuerzos alejados de los limites de la excavacin, esto pasa a medida que se aumenta la lejana al centro del orificio y los esfuerzos van disminuyendo, el efecto de concentracin de esfuerzos del orificio se desvanece con bastante rapidez y la relacin entre los esfuerzos aplicados e inducidos est muy cerca de uno. Esto significa que, a sta distancia de los lmites de la excavacin, los esfuerzos en la roca no "ven" la influencia de la cavidad.

Los ejes de simetra tienen gran influencia en una excavacin subterrnea. Para una excavacin simtrica como la que se contempla en la siguiente figura (fig.2.7), el juego de los esfuerzos se repite en cada uno de los cuatro cuadrantes. En el caso de un tnel en forma de herradura, las mitades inferior y superior de la excavacin no son simtricas, pero los lados izquierdo y derecho si lo son, luego, el eje vertical es el nico eje de simetra.

Figura 2.7. Ejes de simetra

Los esfuerzos son independientes del tamao de la excavacin, y son independientes del valor absoluto del radio. Por ejemplo en las paredes de un tnel circular de 1 metro se introdujeron los mismos niveles de esfuerzos que en las paredes de un tnel de 10 metros, en la misma roca elstica.

Este fenmeno provoc confusin en el pasado. Algunos especialistas del diseo de excavaciones subterrneas han llegado a concluir que en vista de que los esfuerzos inducidos en la roca alrededor de una excavacin son independientes del tamao de la excavacin, la estabilidad de la excavacin tambin era independiente de su tamao. Esta propuesta fue errnea ya que aunque los esfuerzos son idnticos, la estabilidad de una excavacin en un macizo fracturado y fisurado la controlara la relacin entre el tamao de la excavacin y el

18

tamao de los bloques en el macizo. En consecuencia, al aumentarse el tamao de la excavacin en una formacin de roca tpicamente Asurada no aumentarn los esfuerzos aunque seguramente provocar una disminucin de la estabilidad.

Cuando se considera la influencia que sobre la estabilidad de una excavacin ejercen los esfuerzos en la roca que la circunda, es importante medir hasta donde se extiende la zona de fracturas que aparecen alrededor de la excavacin. El debilitamiento de una roca dura depende de la magnitud de los esfuerzos principales mayores y menores que actan en el punto que se est considerando. En consecuencia, el trazo ms til de los esfuerzos que rodean una excavacin subterrnea es el de la configuracin que a continuacin mostraremos, (fig.2.8).

Figura 2.8 Configuracin de los esfuerzos principales y trayectorias del esfuerzo principal en el material que circunda un orificio circular en un cuerpo elstico

19

La distribucin de esfuerzos depende de la forma y orientacin de la excavacin, ya que se trata de hacer tneles los cuales tengan una seccin lo ms redondeada posible, existen varios tipos de secciones como la seccin portal, de semicrculo y de herradura, las cuales tienen pocas esquinas, esto es debido a que en las esquinas se genera un aumento en la concentracin de esfuerzos, a continuacin se muestra la influencia de la seccin en la concentracin de esfuerzos (fig. 2.9), resaltando sta concentracin en las partes donde existen esquinas.

Figuras 2.9 Mayor concentracin de esfuerzos en secciones con esquinas que en secciones redondeadas.

20

2.4 CLASIFICACIN DE LOS ROCOSOS MACIZOS

Durante el diseo del proyecto de excavacin de un tnel, se debe contar con los estudios geolgico y geohidrolgico de la zona para as poder hacer una clasificacin del macizo rocoso en el cual se har la excavacin.

La clasificacin de un macizo rocoso nos ayudar a poder desarrollar esquemas en los cuales se muestre la composicin y caractersticas del macizo rocoso, pudiendo as hacerse una estimacin inicial del procedimiento de excavacin conveniente, as como el sistema de soporte que se necesitar, y los esfuerzos y deformaciones que el macizo rocoso tendr.

Es importante entender que el uso de una clasificacin del macizo rocoso no puede reemplazar la elaboracin de otros procedimientos de diseo ms complicados, sin embargo la utilizacin de dichos diseos ms elaborados requiere de informacin detallada tomada del lugar mismo donde se har la excavacin, informacin difcil de obtener en el momento inicial del diseo.

Para la clasificacin del macizo rocoso ser necesario tener algunos datos adicionales a los estudios geolgicos y geohidrolgicos, como son el ndice de calidad de roca de Deere o Rock Quality Designation (RQD), este ndice nos da un valor cuantitativo de la calidad de la roca basado en la recuperacin de ncleos con perforacin de diamante, se ha comprobado que este sistema es muy til en la clasificacin de un macizo rocoso, y se define como el porcentaje de ncleos que se recuperan en piezas enteras de l00 mm o ms a lo largo total del barreno, aunque este ndice ha sido muy til, tambin tiene sus limitaciones como en los casos en que el terreno presenta fracturas con rellenos delgados de arcilla o de material meteorizado.

Otro dato que hay que tomar en cuenta en la clasificacin de un macizo rocoso, es la influencia de las grietas con arcilla y del relleno de fallas, ya que como se ha mencionado el RQD tiene algunas limitaciones, y al no tomar en cuenta las grietas y fallas de un terreno no se podr tener un buen criterio para la clasificacin del macizo rocoso.

21

2.4.1 Clasificacin de Bienianski, Rock Mass Rating(RMR), de los macizos rocosos fisurados.( Bieniawski 1989).

No existe clasificacin sencilla de los macizos rocosos, ni tampoco alguna que pueda dar una idea completa del comportamiento complejo de la roca que rodea una excavacin y por lo tanto ser necesaria alguna combinacin de los factores como el RQD y la influencia de rellenos arcillosos.

El Consejo de Africa del Sur para la Investigacin Cientfica e Industrial (CSIR), propuso que para clasificar un rocoso macizo fisurado se deben tomar en cuenta 5 parmetros bsicos:

1. Resistencia de la roca inalterada 2. RQD 3. Espaciamiento entre las fisuras 4. El estado de las fisuras

5. Condiciones del agua subterrnea

Estos parmetros se han puesto en tablas en las cuales se le da cierto nmero de puntos o una valuacin a cada uno de los casos en el que se encuentre el parmetro, se suman los puntos obtenidos y se llega a una valuacin general del macizo. Esta sumatoria tendr un ajuste por el concepto de la orientacin de las fisuras y se revisa una ultima tabla en donde se compara la puntuacin y se hace la clasificacin del tipo de roca que se tiene en el terreno.

A continuacin se presentan las tablas correspondientes a la evaluacin de los parmetros tomados en cuenta en la clasificacin de un macizo rocoso.

< v ; ^ y

Parmetro

1 ,

2

3

4

Resistencia de la roca

inalterada

ndice de la carga de punta

Resistencia a comp. Uniaxial Valuacin

Calidad de los corazones explosin, RQD Valuacin

Espaciamiento de juntas Valuacin

Estado de las fisuras

Valuacin

Escalas de valores

> 10 Mpa

> 250 Mpa 15

90%-100% 20

> 2m 20

Superficies muy rugosas, sin conti-nuidad. Sin prepa-racin. Paredes de roca dura

30

4-10 Mpa

100-250 Mpa 12

75%-90% 17

0.6-2.0 m 15

Superficies algo rugosas, sepa-racin

Orientacin de rumbo y echado de las fisuras

Valuacin Tneles Cimentaciones Taludes

Muy favorable 0 0 0

Favorable -2 -2 -5

Regular -5 -7 -25

Desfavorable -10 -15 -50

Muy Desfavorable -12 -25

Tabla 2.2 Ajuste en la valuacin por orientacin de fisuras

Valuacin Calsificacion No.

Descripcin

100-81 I

Muy buena roca

80-61 II

Buena roca

60-41 III

Roca regular

40-21 IV

Roca mala

400 Kg. Pa

>45

II 1 meses para claro de 10m 300-400 Kg. Pa

35 -45

III 1 Semana para claro de 5m 200-300 Kg Pa.

25 - 35

IV 10 horas para claro de 2.5m 100-200 Kg-Pa

15 -25

V 30 minutos para claro de 1 m < 100 Kg. Pa.

24

2.4.2 Ejemplo prctico de la clasificacin de geomecnica (RMR)

Considrese el ejemplo de un macizo grantico en el que hay que perforar un tnel. La clasificacin tendr que llevarse a cabo de la manera siguiente:

Parmetro de clasificacin 1. Resistencia del material inalterado 2.RQD 3.Espaciamiento de las fisuras 4.Estado de las fisuras

.Agua subterrnea

Valor o descripcin 150 MPA

70% 0.5 m

Superficie levemente rugosa

Separacin < 1 mm. Paredes de roca dura

Agua con presin moderada Marcador total

Valuacin segn tabla 2.1

12

13 20

20 4 69

El tnel qued orientado de tal forma que el sistema principal de fisuras tiene un rumbo perpendicular al eje del tnel con un echado de 30 contra la direccin de la penetracin. La tabla 2.5 "Efecto del rumbo y echado", muestra que esta situacin es desfavorable, por lo que se hace un ajuste de (-10) segn la tabla 2.2, de esta forma el total queda de 59 puntos lo que coloca a la roca en la parte alta de la clasificacin III con medicin "roca regular" (tabla 2.3). La tabla 2.4 muestra el tiempo de sostn que tendr el tnel con base al soporte de un claro activo sin ademe propuesto por Lauffer.

3. PROCEDIMIENTOS DE EXCAVACIN DE TNELES EN ROCA

3.1 EXCAVACIN CON EXPLOSIVOS. 3.1.1 Introduccin

La construccin de un tnel en roca comnmente requiere barrenado y explosivos; as mismo, los requisitos para el soporte del terreno necesitan un enfoque diferente.

En las excavaciones tpicas, se pueden realizar tramos largos con el ademe provisional del terreno que se juzgue necesario, dejando el revestimiento permanente como una operacin separada y en gran parte independiente.

La excavacin de tneles en roca, utilizando la perforacin y los explosivos, constituye una operacin cclica. Es esencial establecer un balance entre el personal y el equipo en las diferentes fases, si es que se desea obtener un progreso eficaz.

25

26

Es importante evaluar la calidad de la roca y el uso de explosivos dentro del contexto de la perforacin. Muy pocas rocas son tan duras como para que no puedan ser perforadas con barrenas comunes con puntas de carburo de tungsteno; algunas rocas poco slidas, con una estructura semejante a la arcilla, tienden a atascar las barrenas, estas rocas pueden desintegrarse localmente no dejando una perforacin perfectamente circular, por lo que habr que estudiar la fragmentacin para obtener un tamao adecuado.

Una caracterstica importante de la excavacin con barrenos y explosivos es el perfil producido; a pesar de que se elige el patrn de barrenado teniendo esto en mente, las caractersticas geolgicas son las dominantes.

3.1.2 Equipo de perforacin Las perforaciones neumticas son las de mayor uso en tneles en roca. Varan desde

unidades manuales, hasta perforadoras montadas sobre jumbos, que son gras mviles de caballete de fuerte construccin que pueden transportarse hasta el frente para el barrenado, de tal forma que puedan ser retiradas fuera de la zona de encendido y de la eliminacin del material de excavacin hasta que llegue el ciclo siguiente.

Actualmente se estn aceptando nuevamente los sistemas electrohidrulicos de perforacin para la construccin de tneles. Entre las ventajas que se pretenden, se encuentran un mayor rendimiento de la energa, peso ms ligero, reduccin del ruido y neblina y ausencia de lneas de aire comprimido. Tambin se pretenden tener tasas ms altas de produccin y costos ms bajos de operacin.

Para tneles de menor tamao se prefiere como herramienta la perforadora de peso ligero, el cual puede ser alzado, manejado y operado por un solo hombre. Desde que se invent y desarroll la broca con punta de tungsteno, las velocidades de barrenado han aumentado notablemente.

27

El equipo de perforacin pues, podr realizar el patrn de barrenado bsico de manera rpida y eficiente, el cual consiste de los siguientes elementos:

a) Barrenos de cua b) Barrenos repartidores del corte c) Barrenos perimetrales d) Barrenos de piso e) Barrenos de alivio

a) Barrenos de cua: las cuas son huecos que se forman en la cara expuesta y cuyo fin bsico es la de proporcionar la salida inicial a la masa rocosa circundante. Es conveniente cambiar la posicin de la cua en la cara expuesta conforme avanza la excavacin pues es muy comn que como resultado de las voladuras del terreno quede fracturado, dificultando la perforacin y carga de la siguiente voladura, en tales casos, se debe buscar un sitio con roca ms sana. Los tipos de cuas ms usuales son dos: la cua en V y la cua de barrenos paralelos o cua quemada.

La cua de barrenos paralelos o cua quemada es actualmente la ms usada, su nombre se debe a que los barrenos son perforados paralelamente uno al otro. Es prctica comn dejar uno o ms barrenos vacos de dimetro ms grande que los barrenos cargados los cuales actan como un frente de alivio hacia los otros barrenos de la cua. La cua puede ser localizada en cualquier parte de la cara del tnel, combinando su posicin en voladuras sucesivas para evitar que la perforacin de la cua subsecuente quede alojada en roca fracturada. Las cuas quemadas generalmente necesitan ms barrenos por disparo y un factor de carga (kg./m3) ms elevado que los otros tipos de cuas, lo que se traduce en un aumento en la profundidad de perforacin as como un incremente del avance por ciclo de trabajo.

Existen diversos tipos de cuas de barrenos paralelos(Fig. 3.1), su eleccin depende fundamentalmente de las caractersticas del macizo rocoso y se fija en funcin de la experiencia, pudiendo ser conveniente realizar pruebas hasta obtener el mejor resultado.

28

Comnmente se utilizan cuas de 15 a 25cm de ancho en rocas sanas y rgidas y de 25 a 35cm en rocas blandas y laminadas.

250

I

--~ "0 "-

35D TOO

O Barreo vaco Barreno cargado 1, 2, 3 Secuencia de disparo

Figura 3.1 Ejemplos de cuas quemadas

Para lograr la remocin de la cua en toda la longitud de perforacin se recomienda cargar el tercio interior del barreno con la mitad de la carga total del barreno. Adems para una adecuada expulsin del material fragmentado, el barreno debe cargarse casi en su totalidad, empleando un explosivo de menor densidad para la mitad exterior del barreno. A fin de reducir la densidad de los explosivos en la zona de cua, es frecuente emplear espaciadores de madera de 20cm de longitud. Es muy importante que los barrenos queden lo ms paralelo posible entre s, perforndose en una longitud mayor que el resto de los barrenos de ( 6 a 12 pulgadas). Debe calcularse la separacin entre el barreno vaco y los barrenos cargados de la cua de manera que el rea del barreno vaco sea cuando menos un 15% del rea de influencia de los barrenos de la cua que disparan en primer trmino. La separacin as calculada no debe rebasar las dimensiones mostradas en la tabla 3.1. En la tabla 3.2 se presentan cargas, que son en general, adecuadas para los barrenos ms prximos al central y en la tabla 3.3 se muestran los valores empricos de carga para los barrenos de contracua que son los barrenos repartidores del corte ms cercanos a la cua.

Dimetro del barreno Vaco central, en mm

57 76 76

2 x 5 7 2 x 5 7 2 x 7 6 2 x 7 6

100 100 125

Dimetro de los barrenos cargados, en mm

32 32 45 32 45 32 45 45 51 51

Bordo o separacin Entre barrenos, en mm

40 53 53 80 80 106 106 70 70 88

Distancia entre centros, en mm

85 107 113 125 131 160 167 143 146 176

Tabla 3.1 Separacin entre barrenos vacos y cargados en cuas de barrenos. Fuente: CFE, 1982 Manual de obras civiles. Obras subterrneas

Dimetro del barreno cargado, en mm

32 35 38 45 48 51

Carga asignada en kg./m

0.25 0.3

0.36 0.45 0.55 0.55

Dimetro del barreno central, en mm

de 57 a 2x76 de 76 a 2x76 de 76 a 2x76

de 125 a 2x76 de 125 a 2x76 de 125 a 2x76

Tabla 3.2 Cargas de los barrenos ms prximos al central en cuas de barrenos. Fuente: CFE, 1982 Manual de obras civiles. Obras subterrneas

Borde entre barrenos

en metros 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Carga de fondo

en kg. 0.25 0.4 0.5 0.65 0.8 0.9

Carga de la columna en kg/m para dimetros de:

32 0.3 0.3 0.35 0.5 0.5 0.5

38 0.45 0.45 0.5 0.7 0.7 0.7

45 0.6 0.6 0.7 1.00 1.00 1.00

48 0.75 0.75 0.8 1.15 1.15 1.15

Tabla 3.3 Cargas de los barrenos de contracua en cua de barrenos paralelos. Fuente: CFE, 1982 Manual de obras civiles. Obras subterrneas

30

Barrenos de Cua en "V": La cua en V es simtrica, esto permite una mejor organizacin en el frente respecto a los otros tipos de cufia no simtricas. No exige una barrenacin tan perfecta como la cua paralela, el ngulo mnimo recomendable para la formacin de la cua es de 60; sin embargo este requisito limita el avance por tronada a la mitad del ancho del tnel (figura 3.2). La cua puede estar formada por uno o ms pares de barrenos en V perforados en planos paralelos, los cuales se definen en funcin de la estructura o estratificacin de la roca. Todos los barrenos de la cua V debe dispararse simultneamente para obtener mejores resultados. En frentes muy grandes deben emplearse retardos mayores para lograr el desplazamiento y fragmentacin adecuados.

La longitud de la carga de fondo debe ser cuando menos un tercio de la profundidad del barreno, la carga de columna debe ser igual a la mitad de la carga de fondo. La zona de retaque debe ser un tercio de la dimensin V de la cua, pero debe de ser adaptada al espaciamiento de los barrenos de manera que no haya exceso de carga en la parte de la columna (figura 3.3). La concentracin de la carga de columna es igual al 40% de la concentracin de la carga de fondo. El bordo o separacin de barrenos no debe ser mayor a la profundidad del barreno menos 40 centmetros entre 2. Los barrenos de la cua y contracua deben iniciarse con estopines de milisegundo, en la tabla 3.4 se proporcionan dimensiones y cargas para la cua en V.

Figura 3.2 a) Cua tipo V en un tnel de seccin portal b) planta de los barrenos en V

b -Ai

I

Figura 3.3 Distribucin de la carga de un barreno.

Diam. Barrenos en mm

30 38 45 51

Altura de cua en m.

1.5 1.6 1.8 2.8

Bordo (V) M 1

1.2 1.5 2

Concentracin de la carga de fondo, kg/m

0.9 1.4 2

2.6

No de filas horizontales

3 3 3 3

Tabla 3.4 Dimensiones y carga para barrenos de una cua en V. Fuente: CFE, 1982 Manual de obras civiles. Obras subterrneas

Barrenos repartidores del corte: Ocupan un lugar intermedio entre los barrenos de cua y los barrenos perimetrales.

Barrenos perimetrales; delimitan el perfil requerido del tnel; se perforan por lo comn con un pequeo ngulo hacia fuera para reducir la incidencia de los puntos ajustados.

Poscorte perimetral. El control de la sobre excavacin es sobre todo, funcin de los procedimientos constructivos empleados y en segundo trmino de la geologa. Esta tcnica de voladura permite controlar el exceso de excavacin en el permetro de los tneles. Los procedimientos utilizados generalmente son de prueba y error, esto no es sorprendente cuando se tiene que considerar todas las variables geolgicas involucradas en las voladuras de roca.

i l

U

A

Le

V "

L,

V

m lf| Taco

i l l S*j Carga de af l columna 1 m f j Carga de

fondo

32

El mtodo consiste en la aplicacin de cargas reducidas y una mayor densidad de

perforacin ara producir un agrietamiento menor en la superficie perimetral del tnel. Al

disparar instantneamente o con un retardo mnimo entre barrenos se obtiene una accin

cortante perimetral que desprende el bordo o la distancia entre los barrenos y la cavidad

central con un dao reducido de las paredes. Estos barrenos se disparan despus de los

barrenos de piso. En la tabla siguiente (tabla 3.5), se proporcionan valores prcticos de espaciamientos, bordos y cargas, utilizando un explosivo de 1.2 a 1.3 g/cc. Una de las

ventajas de emplear este procedimiento es la reduccin del ademado, una de sus desventajas consiste en que no funciona en todas las formaciones, ya que si el terreno es demasiado dbil para autosoportarse, las voladuras de poscorte no eliminan

completamente la necesidad de ademe.

Dimetro del barreno en mm 38-45

51

Espaciamiento ,enm 0.6 0.75

Bordo en m 0.9 1.05

Concentracin kg/m

0.18-0.38 0.18-0.38

Tabla 3.5 Espaciamiento y carga en barrenos de poscorte Fuente: CFE, 1982 Manual de obras civiles. Obras subterrneas

La dispersin de tiempo en el encendido de una hilera de barrenos de poscorte debe ser la menor posible, este puede hacerse con detonadores instantneas; para la carga de estos barrenos se puede utilizar un alto explosivo de dimetro pequeo de 1" x 8", combinado con un agente explosivo.

Precorte perimetral: el precorte implica una serie de barrenos a lo largo del permetro de la excavacin, generalmente de 1 1" a 4" de dimetro. Se recomienda utilizar explosivos de dimetro pequeo con espaciadores, para reducir la carga por barreno. Una de las ventajas del precorte consiste en una disminucin del tiempo del ciclo de trabajo en el tnel, ya que al asegurar la excavacin completa, ya no es necesario regresar a perforar y cargar las costillas salidas despus de la excavacin primaria.

33

En el precorte de los barrenos de contorno se disparan antes de efectuar la voladura propiamente dicha y acta produciendo una grieta entre barrenos de contorno. Como los barrenos quedan muy prximos entre s, las grietas se forman siguiendo la lnea de barrenos, por lo que la inclusin de barrenos vacos puede mejorar los resultados. Cuando no existen limitaciones en las vibraciones del terreno se utiliza un encendido instantneo, pero cuando es necesario limitar su magnitud, entonces se deben emplear microrretardos. La formacin de grietas es menos eficiente con el encendido instantneo; sin embargo cuando el retardo es muy grande tampoco se logra el precorte. La tabla 3.6 proporciona valores de espaciamientos y cargas para diferentes dimetros de perforacin de barrenos de precorte.

El precorte es utilizado en rocas blandas y duras, presenta inconveniente respecto al

poscorte, de requerir un mayor nmero de barrenos.

Dimetro del barreno por mm

25-32 25-32

40 51 64

Espaciamiento enm

0.20-0.30 0.35-0.60 0.35-0.50 0.40-0.50 0.60-0.80

Concentracin de carga total kg/m

0.08 0.18 0.18 0.36 0.38

Tabla 3.6 Espaciamiento y carga en barrenos de precorte. Fuente: CFE, 1982 Manual de obras civiles. Obras subterrneas

Barrenos de piso: ocupan una o dos hileras inmediatamente sobre el nivel de piso, generalmente con un pequeo ngulo hacia abajo. La tabla 3.7 muestra las cargas, espaciamientos, y la distancia entre los barrenos y la cavidad central o bordo para los barrenos de piso.

34

Dimetro del barreno, mm

31 32 33 37 38 45 48 48 51 51

Profundidad de barreno, m

3.2 2.4 1.6 3.2 2.4 3.2 3.2 4

3.2 4

Bordo, m 0.9 0.9 0.6 1 1

1.15 1.2 1.2 1.25 1.25

Espaciamiento

0.95 1

0.7 1.1 1.1

1.25 1.3 1.3 1.35 1.35

carga de fondo Kg.

1 0.8 0.6 1.5

1.15 2.25 2.5 3

2.5 2.4

Kg. / m

0.95 1

1.1 1.36 1.44 2.03 2.3 2.3 2.6 2.6

Carga de columna

Kg.

0.85 0.55 0.3 1.15 0.8 1.5 1.7

2.45 1.95 2.7

Kg./m

0.5 0.5 0.4 0.7 0.7 1

1.15 1.15 1.3 1.3

zona de retaque, m

0.45 0.45 0.3 0.5 0.5

0.55 0.6 0.6 0.6 0.6

Tabla 3.7 Bordo, espaciamiento y carga en barrenos de piso Fuente: CFE, 1982 Manual de obras civiles. Obras subterrneas

Barrenos sin carga: son barrenos adicionales para influir en la ruptura entre los barrenos cargados y se utilizan para limitar la sobreexcavacin.

La posicin de los barrenos ser de acuerdo al corte que se necesite, corte que estar definido por el tipo de roca que exista en el lugar.

En la siguiente figura se muestran los patrones de barrenado en dos secciones diferentes. (Figura 3.4)

i ///////u.

o *

^ T ^ T ^ ^ ^ T ^ T V T ^ V

Barrenos repartidores del corte

O Barrenos quemados

O Barrenos de cua

j | Barrenos Perimetrales y de piso

O Barrenos inclinados

"r77T77T777777T77/.

Figura 3.4 Patrones de Barrenado en caja tipo de cuas quemadas y corte de cufias.

35

3.1.3 Propiedades de los explosivos Para comprender cmo trabajan los explosivos en la roca, es necesario conocer las

propiedades de stos; dichas propiedades son:

Potencia: Este trmino es usado como medida de la energa contenida en un explosivo y del trabajo que es capaz de hacer. La medicin de la potencia se hace comparndola con la potencia de la dinamita pura (tabla 3.8).

Velocidad de detonacin: Es la propiedad ms importante a considerar para la clasificacin de un explosivo. Puede estar expresada como un valor del explosivo en estado confinado o no confinado. La velocidad de detonacin confinada es una medida de la rapidez con la que la onda de detonacin viaja a travs de una columna de explosivos dentro de un barreno u otro espacio confinado. La velocidad no confinada indica esta medida en un estado abierto o no confinado(tabla 3.9).

La velocidad de detonacin de un explosivo depende de la densidad del explosivo, de sus ingredientes, del tamao de sus partculas del dimetro de la carga y del grado de confinamiento.

Densidad: Es la concentracin de energa explosiva y una de las propiedades ms importantes a considerar en la eleccin de un explosivo. Cuando en una voladura se requiera tener una buena fragmentacin un explosivo denso es deseable. En una roca fcilmente fragmentable o en donde no se requiere una fragmentacin fina, un explosivo de baja densidad ser suficiente.

Resistencia al agua: La resistencia al agua de un explosivo es una medida de su habilidad para resistir la exposicin al agua sin deteriorar o perder sensitividad. En trabajos en seco la resistencia no tiene consecuencias. Si existe agua en un barreno y el tiempo entre el cargado y la detonacin es corto, un explosivo con resistencia "buena" al agua es suficiente. Si la exposicin es prolongada o si existen filtraciones en el barreno, se requerir una resistencia muy buena o excelente.

36

Tipo Gelatina Du Pont

Gelatina "Hi Velocity"

Gelatina Especial "Gelex"

Grado 20% a 60% 75% a 90% 40% a 60%

70% a 90% 25%a 80%

1 2 3 4 5

Potencia en volumen

32% a 66% 70% a 79% 38% a 47%

53% a 71% 38% a 75%

60% 45% 40% 35% 30%

Densidad cartuchos por 50 Ib 1 1/4" x 8"

85-96 101-107 94-107

113-120 88-107

110 122 130 140 150

Velocidad Pies por s

10500-19700 20600-22300 16700-19700

20300-22000 13100-17100

13100 12600 12000 11800 11300

Resistencia al agua

Excelente Excelente Excelente

Excelente Excelente

Muy buena Muy buena

Buena Buena Buena

Gases Muy buena Muy pobre Muy buena

Muy pobre Muy buena Muy buena Muy buena Muy buena Muy buena Muy buena

Tabla 3.8 propiedades de las gelatinas y de las semigelatinas Fuente: Manual para el uso de explosivos Du pont

Grado Duobel A Duobel B Duobel C Duobel D Monobel AA Monobel A Monobel B Monobel C Monobel D Monobel E Lump coal C Lump coal CC Gelobel AA Gelobel C

Cartuchos por 501b

1 1/4" x 8" 135 150 165 185 120 135 150 165 185 205 118 165 102 120

Velocidad

pies por segundo 9200 9000 8500 8000 9000 7400 7000 6550 6200 6050 5800 5700 16500 12100

Resistencia al agua

Buena Buena

Regular Buena

Muy buena Muy pobre Muy pobre Muy pobre Muy pobre Muy pobre Muy pobre Muy pobre Excelente

Buena

Clasificacin de

gases A A A A A A A A B B A A A A

Tabla 3.9 Propiedades de los explosivos permisibles Fuente: Manual para el uso de explosivos Du pont

37

Sensitividad: Es la propiedad que permite que los explosivos sean detonados por los iniciadores convencionales como: cordn detonante, fulminante, estopn elctrico, etc.

Gases: Un explosivo con balance de oxigeno adecuado producir una concentracin mnima de gases nocivos, y ocasionar la mxima liberacin de energa.

Sensibilidad: Es la capacidad de propagacin del explosivo de cartucho a cartucho bajo ciertas condiciones de prueba.

Inflamabilidad: Propiedad de los explosivos de incendiarse por temperatura, friccin, golpe, contacto directo con flama, reaccin qumica, etc.

3.1.3.a. Clasificacin de los explosivos y sus caractersticas En la actualidad los explosivos se clasifican en tres tipos: qumicos, mecnicos y

nucleares. Se har referencia a los primeros dado que en ellos radica la gama de explosivos

utilizados en la construccin de tneles.

Como se puede observar en el siguiente esquema (Tabla. 3.10), los explosivos qumicos se dividen en detonantes y deflagrantes, los deflagrantes son aquellos que tienen intervalos de descomposicin menores a 1000 m/s, como ejemplo tenemos a la plvora negra, la cual ha quedado prcticamente en desuso.

Los explosivos detonantes son aquellos que tienen una velocidad de descomposicin mayor de 1000 m/s y se dividen en primarios secundarios. Los primarios son aquellos que pueden detonar por medio de una chispa, flama o impacto y son usados normalmente en los iniciadores; los secundarios requieren de un onda de presin de gran magnitud para iniciar su detonacin.

38

C Deflagrantes Plvora Negra

Explosivos qumicos y

V Detonantes ^

Fulminante de mercurio Primarios 1 aziada de plomo

Secundarios ^Agentes explosivos

Dinamitas

Emulsiones

Hidrogeles

Slurries

Havyanfos

<

Tabla 3.10 Tipos de explosivos qumicos

En la actualidad existen 4 tipos de explosivos comerciales ( Tabla 3.11) que son: Explosivos iniciadores.

Bajos Explosivos. Altos Explosivos.

Agentes Explosivos

Explosivos iniciadores: son utilizados como una carga para poder iniciar la detonacin del explosivo. Como estn hechos para explotar, los explosivos iniciadores deben ser tratados con el mismo cuidado y precaucin que los altos explosivos.

Los dispositivos de iniciacin pueden ser estopines elctricos, fulminantes no elctricos, cordones detonantes (para usarse con mecha de seguridad), dispositivos de retardo de cordn detonante, conectores MS para usarse con cordn detonante, cebos de iniciacin HDP y detaprime, etc.

39

Bajos explosivos: los bajos explosivos tienen una velocidad de detonacin que no excede a la velocidad del sonido, o sea que el explosivo no detona sino que deflagra. Se caracterizan por que al realizar su trabajo no rompen, sino que empujan o levantan. Ejemplo de este tipo de explosivos es la plvora negra.

Altos explosivos: los altos explosivos generalmente contienen compuestos qumicos (explosivos bases) con una estructura molecular ms o menos inestable capaz de adquirir, en la detonacin, un reacomodo molecular de forma ms estable. La reaccin es supersnica y genera una onda de choque de alta presin acompaada de una rpida expansin de los productos que reaccionan.

Dentro de los altos explosivos se encuentran las dinamitas, las gelatinas y los hidrogeles; aunque unos tipos de hidrogeles se pueden considerar como agentes explosivos.

Agentes explosivos: son cualquier mezcla de un combustible y un oxidante, que no se puede clasificar como explosivo y en el cual ninguno de sus ingredientes puede clasificarse como explosivo. Un agente explosivo se compone principalmente de nitratos inorgnicos y aceites vegetales; adems puede contener substancias no explosivas como plvora de aluminio o ferrosilicn. La adicin de un ingrediente explosivo como el TNT cambia la clasificacin de la mezcla de agente explosivo a alto explosivo. Los agentes explosivos se clasifican como agentes explosivos secos (ANFOS) y agentes explosivos " slurry".

Por su intensidad, los agentes explosivos deben ser iniciados por una carga de alto explosivo como una gelatina extra o un hidrogel el cual es llamado cebo.

En tneles, los explosivos gelatinosos y semigelatinosos son los que tienen mayor

uso, ya que poseen una alta resistencia y densidad (en el sentido de la concentracin de la energa explosiva). Es preciso usarlos en barrenos largos de pequeo dimetro y debern, por consiguiente, ser suficientemente sensibles para que la detonacin llegue sin fallar a toda la longitud de la carga y estrecha columna. La seleccin del grado determinado de explosivo depender de la dureza de la roca, del ambiente circundante en el que se trabaja ya que puede estar seco, hmedo, o mojado, tambin depende del perfil requerido, y del tamao de los pedazos de material excavado que se deseen obtener.

40

f

Dinamitas {

\

GRANULADAS - Dinamita pura - Dinamita alta densidad - Dinamita baja densidad

GELATINAS - Dinamita gelatina pura - Dinamita gelatina amoniacal - Dinamita semigelatina

r CARTUCHOS

- Nitrato de monometilamina - Aluminio - Aire sensibilizado

Hidrogeles y Emulsiones

V

SISTEMA A GRANEL - Aire sensibilizado - Aluminizado - Explosivo sensibilizado

Anfo

r

v

ENVASADO - Anfo normal - Anfo aluminizado - Anfo de alta densidad

SISTEMA A GRANEL - (AGENTE EXPLOSIVO SECO) Anfo - Cordn detonante - Mecha de seguridad - Ignitacord - Fulminantes

41

r

<

Dispositivos de disparo

Noneles

Estopn elctrico

Conector de superfcie(ms) Conector TH Booster ( detonador de alta presin).

Tabla 3.11 Clasificacin de los explosivos.

El clculo del explosivo necesario exige experiencia y pruebas preliminares. El resultado de una detonacin viene expresado en el esquema o forma de colocacin de los barrenos, el cual, deber ser observado estrictamente.

El manejo, almacenamiento y uso de los explosivos requieren especial cuidado. Cada etapa del proceso, desde la entrega en el lugar hasta su utilizacin final, deber ser regulada estrictamente y deber estar en todo momento bajo control. Cuando el trabajo del tnel avanza de un modo uniforme se deber establecer una rutina bien regulada para cada turno y es muy importante que la entrega entre uno y otro turno se organice de manera apropiada para que no haya relajacin alguna en la observancia de las reglas de seguridad.

3.1.3.b Sistemas de iniciacin.

Se requiere una gran cantidad considerable de energa para iniciar un alto explosivo como son las emulsiones, hidrogeles, etc. En las voladuras, los altos explosivos son iniciados por un detonador o fulminante. Los agentes explosivos, como el anfo, son los productos comunes utilizados como la principal carga de columna en el barreno y son mucho menos sensitivos a la iniciacin que los altos explosivos. Para iniciar estos productos, el iniciador es puesto dentro de un alto explosivo, el cual a su vez, se coloca dentro de la columna del agente explosivo. El nombre comn que se utiliza en los sistemas necesarios para iniciar los explosivos es el sistema de iniciacin.

42

Estos sistemas son requeridos para hacer explotar varias cargas, en numerosos barrenos separados en una secuencia predeterminada de tiempos de retardo, la cual es diseada para obtener ptima fragmentacin y un mnimo de vibracin del suelo y golpe de aire.

Un sistema de iniciacin es una combinacin de dispositivos explosivos y componentes accesorios diseados para transmitir una seal e iniciar una carga explosiva, desde una distancia segura y cuando es deseado. La seal de iniciacin puede ser elctrica o no elctrica.

Clasificacin de los sistemas de iniciacin: un sistema de iniciacin consiste en tres parte bsicas; fuente de energa inicial, red de distribucin de energa hacia cada uno de los barrenos y un componente dentro del barreno que usa la energa distribuida por la red para iniciar un explosivo sensible al fulminante.

La fuente inicial de energa puede ser elctrica, tal como un generador o condensador, asociado con circuitos de cables que llevan la energa a los detonadores. Los sistemas de iniciacin no elctricos utilizan varios tipos de reacciones qumicas, variando de la fragmentacin (mecha) a la detonacin ( cordn detonante), con detonacin de baja energa de polvos(tubo de choque), como un medio para llevar el impulso a los detonadores, que son el componente dentro del barreno, los detonadores comerciales disponibles son de potencia.

Ateniendo a la fuente de energa inicial los sistemas de iniciacin se clasifican en elctricos, no elctricos y electrnicos (el sistema para un futuro inmediato).

Los sistemas de iniciacin no elctricos(tubo de choque principalmente) han desplazado, a travs de los aos, a los sistemas de iniciacin elctricos, de forma tal que su empleo es cada vez menor.

43

Los sistemas de iniciacin no elctricos se dividen de acuerdo a la tabla 3.12

Mecha de seguridad

Sistemas de iniciacin

No elctricos

Cordn detonante

Primadet

Tabla 3.12 Sistemas de iniciacin no elctricos.

El primer sistema de iniciacin es la mecha de seguridad "swor" es un medio para transmitir el fuego a un fulminante detonador a una velocidad continua y uniforme. Por su construccin la mecha est protegida contra la abrasin, el maltrato y la humedad. Cosiste de un ncleo de plvora negra, rodeada de fibras textiles y materiales impermeabilizantes contenidos en una cubierta de plstico extrado para evitar la penetracin del agua.

El tiempo de combustin de un metro de mecha, es de 135 segundos con una variacin de ms o menos 10%, debido a que son muchos de los factores que pueden afectar la velocidad de combustin de la mecha despus que sale de la fbrica, tales como su edad, las condiciones de almacenamiento, las diferencias de altura sobre el nivel del mar, el grado de confinamiento dentro de los barrenos, etc,.

Otro sistema de iniciacin es el Primacord que es un cordn detonante (explosivo) redondo, flexible y muy resistente, contiene un ncleo de alto explosivo PENT (Tetranitrato de Pantaeritrito) dentro de una chaqueta plstica rodeada de tiras textiles por lo que es impermeable. Su velocidad de detonacin es de 7000m/s.

Cuando detona, el Primacord tiene en toda su extensin la energa iniciadora de un fulminante ordinario, por lo tanto puede utilizarse para cualquiera de los siguientes propsitos:

44

1. Iniciacin directa de explosivos sensibles al fulminante, en cualquier punto a lo largo de su longitud. 2. Propagacin de la onda de detonacin de un cordn detonante a otro.

3. Transmisin de la onda de detonacin del cordn detonante a un iniciador no elctrico de

retardo, como el Primadet. Actualmente son tres los tipos de cordn detonante utilizados en Mxico y sus principales

aplicaciones son descritas a continuacin:

Primacord reforzado .es un producto de uso general, puede utilizarse como lnea troncal y descendente en severas condiciones de aplicacin. Puede iniciar a cualquier explosivo sensible al mlminante con el que est en contacto adecuado. Acepta detonacin de otros cordones y transmite de manera similar utilizando nudos estndar.

Primacord E-Cord :SQ distingue del cordn reforzado por su menor contenido de explosivo, pero tiene todas las caractersticas bsicas de seguridad y funcionamiento de ste, puede utilizarse para plasteos y moneos, como lnea trocal descendente y como troncal para iniciar Primadets. Recibe y transmite la onda de detonacin de otros cordones. En condiciones crticas, como barrenos llenos de agua u otras condiciones que afectarn adversamente la sensibilidad del cebo o que impidiesen el contacto necesario del E-Cord al cebo, la energa iniciadora pudiera no ser suficiente por lo que sera conveniente usar reforzado.

Primacord Detacord .debido a su menor contenido de PETN en el ncleo tiene menor poder de iniciacin y produce menos ruido que los otros cordones. No se recomienda para iniciar directamente explosivos. Puede ser utilizado como lnea descendente y troncal para iniciar Primadets. Recibe y transmite la onda de detonacin del cordn reforzado y del E-Cord a travs de los nudos recomendados.

Otro sistema de iniciacin son los Primadets, su uso esta limitado en la actualidad debido al efecto negativo que tiene sobre algunos explosivos, al ruido indeseable que produce, etc. Cuando se usan detonadores elctricos, se debe tener mucho cuidado para asegurar el buen contacto elctrico con los cables del detonador. EL riesgo de detonacin accidental prematura de una voladura por corrientes dispersas, seales intensas de radio o radar, o relmpagos o rayos es siempre posible.

45

En las operaciones de minado es cada vez ms comn utilizar el equipo electro-hidrulico para barrenacin, equipo elctrico de carga y acarreo, etc. Como consecuencia de lo anterior la demanda de iniciadores no elctricos tambin se ha incrementado.

Primadet es un sistema de iniciacin no elctrico, silencioso, que transmite confiablemente la seal de iniciacin a travs de un tubo conductor, sin afectar al explosivo con el que est en contacto en el barreno hasta el fulminante con un preciso retardo pirotcnico integrado.

El sistema Primadet puede ser iniciado por un detonador de impacto, cordn detonante o mecha y fulminante ordinario.

Existen, actualmente en Mxico, cinco tipos de Primadets: 1 - Primadet MS con retardos en fracciones de milisegundo Se utiliza por lo general en dnde existen dos caras Ubres como rebajes, bancos, etc. El color del tubo conductor es naranja. 2- Primadet LP con retardos en fracciones de segundo. Se utilizan por lo general en la minera subterrnea, en dnde existe una cara libre como frente, contrapozos, etc., el color del tubo conductor es amarillo. 3.- Conectores MS Bidireccionales, para proporcionar tiempos de retardo del orden de milisegundos entre barrenos conectados con cordn detonante. 4.- Primadet EZDet es una unidad, con retardo de fondo y superficie en milisegundos diseada para utilizarse en voladuras en la construccin tanto de superficie como subterrneas. Son especialmente adecuados para emplearse en lugares en dnde se requiere disminuir los niveles de vibracin y ruido ya que no se requiere utilizar cordn detonante. 5.- Primadet EZTL es una lnea de retardo troncal que es el complemento ideal de los EZDet, debido a que tampoco requieren el empleo del cordn detonante. Sus retardos son en milisegundos.

El disparo de barrenos con retardos presenta varias ventajas con respecto a el disparo instantneo, entre estas se tiene: vibraciones reducidas, mejor fragmentacin y reduccin del rompimiento hacia atrs. El disparo de voladuras con cordn detonante en pequeos intervalos de retardo se logra iniciando en la superficie lneas ramales en la secuencia requerida. Los disparos retardados se pueden realizar utilizando conectores MS o no elctricos; siendo los segundos los ms usados en tneles.

46

En la figura 3.5 se muestran algunos diagramas tpicos que indican la secuencia de detonacin utilizada en las voladuras de rocas para tneles. La numeracin nos presenta el nmero de retardos.

Cua

Barrenos de piso

Banqueo

Barrenos perimetrales

4.00 a

Figura 3.5 Secuencia de detonacin tpica en tneles

47

3.1.3.C Procedimientos de carga.

La carga de la columna, despus de haber limpiado totalmente el barreno, comprende la colocacin de la carga detonante, seguida de la colocacin de las cargas de un extremo al otro del barreno hasta que se haya colocado la carga total requerida, dejando quiz sin cargar unos 300mm en la parte superior. Cuando se trata de cargas espaciadas en donde no es necesaria la mxima carga, se acostumbra espaciar las cargas con tramos cortos de madera. Ahora se considera mejor el uso de cargas semigelatinosos de baja densidad.

La eficiencia de la detonacin aumenta al retacar la parte superior con cartuchos de arcilla con el fin de confinar las cargas explosivas, pero debido al tiempo que se pierde y al costo, no se practica a menudo. Los explosivos gelatinosos siempre se retacan en el agujero utilizando una varilla de madera; a veces se utiliza ANFO pero no en reas hmedas, como sucede con los explosivos de ms baja densidad.

Se puede cargar dentro del agujero por medio de un equipo neumtico especial que comprende un tubo y un recipiente a presin protegidos contra la acumulacin de la electricidad esttica.

3.1.3.d Disposicin de encendido

Entre las precauciones normales que debern tomarse en cuenta antes de colocar las cargas en el frente, se incluyen la desconexin de todo tipo de energa elctrica del portamquinas o de otra planta as como el traslado de todos los cables de energa hasta una distancia no menor a 70 m del frente.

Los circuitos de encendido pueden acoplarse a las lneas maestras o pueden operarse desde detonadores de tipo magntico que tienen capacidad para 100 detonadores.

48

Se utilizan circuitos en serie o en paralelo, siendo los ltimos los ms comunes en las operaciones complejas en los tneles. Los circuitos en serie son ms fciles de probar; con un circuito en paralelo se deber tener mayor cuidado con los detonadores. La lnea de encendido consiste de cables gemelos aislados que conectan con un interruptor de encendido que puede estar hasta 300m del frente. En el tnel, se deber situar en el lado opuesto a donde se encuentra la iluminacin, la energa y los otros servicios; se debern inspeccionar y probar antes de proceder al encendido para tener la seguridad de que no estn daados y que estn adecuadamente aislados.

Despus de haber disparado una etapa, es esencial asegurarse primero que el aire queda libre de los vapores venenosos del xido de nitrgeno y de que no quede ningn cartucho sin explotar. La primera operacin ser regar la pila de escombro, luego limpiar el piso y raspar las paredes y el techo para eliminar toda roca suelta que pudiera caer.

La planta de recoleccin de fragmentos para el traslado de los mismos a la planta de conduccin o transporte, deber tener un rendimiento compatible con el resto del ciclo de operaciones y tener un fcil acceso al rea del frente, de manera que se puedan raspar las paredes y el frente, as como limpiar las esquinas sin tener que recurrir a un nmero excesivo de maniobras. El equipo para realizar esto podr estar montado sobre llantas de hule o sobre orugas.

3.2 SECUENCIA DE EXCAVACIN.

49

3.2.1 Introduccin Como ya se mencion en el artculo anterior, cuando se excava un tnel por el mtodo

convencional el avance se hace en forma cclica, este ciclo consta de las siguientes actividades:

Trazo topogrfico

Perforar el frente con un patrn y profundidad adecuados. Retirar el equipo perforador. Cargar con explosivos y retirar al personal. Detonar las cargas.

Ventilar para eliminar el humo y los vapores.

Desprender con barreta la roca suelta; asegurar la excavacin Remover los desechos de roca. Instalar el ademe provisional.

En rocas de muy buena calidad es posible que no sea necesario considerar un soporte o ademe ya que sin ste se puede garantizar la seguridad y estabilidad en el interior de la excavacin. En casos contrarios, cuando la roca es de mala calidad, el ademe provisional ser muy importante para la estabilidad y seguridad de la excavacin este tema se profundizar ms adelante en el captulo 4 en la parte de tratamientos.

Existen varios mtodos para realizar la excavacin de tneles en roca, fundamentalmente se puede hablar de atacar el frente a seccin completa, o bien, dividirlo en varias etapas. La eleccin de cualquiera de los mtodos depende bsicamente de los siguientes factores:

Tamao de la seccin

Condiciones geolgicas del macizo rocoso

Equipo disponible.

50

3.2.2 Excavacin por Seccin completa Los tneles con seccin transversal menor de 80m2 normalmente se excavan en una sola

etapa, es decir, a seccin completa (figura 3.6). En trminos generales es casi siempre ms econmico seleccionar una excavacin a seccin completa que la excavacin por etapas.

Figura 3.6 Excavacin a seccin completa

3.2.3 Excavacin por etapas Se puede considerar que los tneles con seccin transversal mayor de 80m2 deben

atacarse dividiendo la seccin en dos o ms partes. Estos procedimientos son utilizados en tneles con mala calidad de roca, el dividir la seccin transversal permite reducir los riesgos potenciales originados por la inestabilidad del tnel durante la excavacin, ya que permiten instalar el ademe provisional en la zona ya excavada.

3.2.4 Media seccin y banqueo Con este procedimiento la seccin transversal se divide en dos parte iguales: una

seccin superior y el banqueo (figura 3.7). La excavacin se inicia en la seccin superor y posteriormente se realiza el banqueo en la seccin inferior, el cual generalmente se lleva a cabo despus de terminada la seccin superior, aunque tambin puede realizarse a una cierta distancia atrs de dicho frente. Las perforaciones para el banqueo son horizontales, stas se hacen con el mismo equipo utilizado en la seccin superior (junbos), pero si son verticales, entonces se pueden hacer con un Track drill.

51

Figura 3.7 Media seccin superior y banqueo.

3.2.5 Mtodo de etapas mltiples En condiciones de roca de muy mala calidad, se debe considerar el fraccionar tanto la

seccin superior como la inferior en otras secciones ms pequeas( figuras 3.8 a,b,c), y procediendo de inmediato con la colocacin de soporte que proporcione la estabilidad a la excavacin.

a) b)

Figura 3.8a,b Excavacin por etapas mltiples.

3.3 EXCAVACIN MECNICA

52

3.3.1 Introduccin La tendencia de seguir mecanizando la excavacin, as como tambin la obligacin de

evitar ruidos y vibraciones en trabajos realizados en zonas habitadas, exige nuevos desarrollos en el campo de la mecnica.

El desarrollo de las mquinas modernas para excavar tneles en roca constituye una caracterstica de las tres ltimas dcadas, y sigui rpidamente a la produccin de maquinaria confiable que se utiliz para la excavacin en roca blanda de la industria minera. Para 1956 ya se utilizaban mquinas para excavar tneles en rocas de tipo medio como son las areniscas y las calizas. Aunque por entonces se consider que no tendran mucho xito econmico, en realidad sirvieron como base a las mquinas posteriores.

La primera perforadora para roca dura que tuvo xito fue fabricada en 1957 por la Robbins Co. en EU. La mquina de casi 3 metros de dimetro era ms grande y potente que los modelos anteriores; despus de algunas mejoras y adaptaciones, fue capaz de barrenar durante varios das antes que fuera necesario sustituir la cortadora de disco; la roca que se excav estaba formada por pizarra arcillosa y caliza silcea, interestratificada.

En tanto que el xito de esta primera maquinaria llev a algunos otros diseadores a ser demasiado ambiciosos y a forzar a la tuneleadora a realizar perforaciones ms all de su capacidad, nuevas y mejores mquinas han sido creadas en aos recientes.

Los diseadores de tuneleadora o TBM's (Tunnel Boring Machine), conocen la naturaleza y magnitud de las fuerzas que habrn de resistir sus armaduras; comprenden razonablemente bien el mecanismo para cortar las rocas, las cuales tienen un rango cada vez ms amplio de tipos y se dispone de una variedad de herramientas de corte, especialmente cortadoras de disco con una vida de trabajo cada vez ms larga.

53

3.3.2 Excavadoras de seccin completa El uso de una mquina para seccin completa presupone la capacidad para cortar en la

roca una perforacin cilindrica que sea autosoportante durante suficiente tiempo. La tuneleadora tpica comprende una cabeza fija, apoyada en gatos que descansan sobre zapatas situadas en el piso y a los lados, y que contiene los motores y una cabeza de corte giratoria, apoyada en una grande y fuerte chumacera de empuje. Detrs y unido a la cabeza fija, se haya un armazn sobre el que estn los motores electrohidrulicos, la banda transportadora, el gato de empuje, y un anillo de expansin o una serie de bloques que se pueden agarrar a las paredes del tnel y contra las cuales se puede ejercer un punto de avance. Todo el sistema mecnico deber transmitir la torsin y empuje necesarios para realizar la perforacin, esto mientras permanezca exactamente en el eje central y siga siendo fcil de dirigir.

Una de las deficiencias de la construccin por perforacin y uso de explosivos es que casi siempre hay sobreexcavacin. A pesar de las tcnicas mejoradas, se excava una cantidad considerable e imprevisible de roca que no pertenece al perfil deseado del tnel, y que se debe remplazar por lo comn con concreto cuando se adema y se coloca el revestimiento del tnel. Esta operacin altera y debilita un rea adicional de la roca.

Una de las grandes ventajas que posee la tuneleadora es que, a menos que la roca est muy fracturada y agrietada al grado que caigan bloques dentro del tnel, cortar una perforacin uniforme con el perfil correcto, lo cual no solo proporciona una ventajosa reduccin en la excavacin, sino que utiliza de mejor manera la resistencia de la roca y facilita la colocacin del revestimiento del tnel, ya sea que se trate de concreto in situ o un revestimiento de segmentos precolados.

Una tuneladora puede perforar un tnel con superficie uniforme que se mantendr sin tener que recurrir al ademe inmediato con una roca en la que, si se hubieran usado explosivos, habra requerido marcos y listones de acero, as como otros tipos de ademe.

54

Si existe el peligro de que la roca caiga por detrs de la cabeza de corte, es prctica comn colocar una cubierta o panel de acero con el fin de proporcionar proteccin a los hombres en la maquinara antes de que se instale el ademe del tnel; tambin se deber disponer de una plataforma de perforacin que servir para la colocacin de los pernos y anclaje en la parte superior.

Si la roca est extremadamente fracturada e inestable, es necesario montar la mquina en un escudo.

El diseo de la cabeza de corte vara con los diferentes tipos de roca. Las cortadoras de disco o las cortadoras de rodillos mltiples son accesorios necesarios para rocas ms duras. Dichas cortadoras se montan en una cabeza de corte, al girar sta, las herramientas sucesivas siguen en recorridos circulares, cortan y dividen la roca de la manera ms econmica.

El giro del cortador har que la friccin del revestimiento del escudo contra el terreno contrarreste a la rotacin de la mquina perforadora, contraria a la direccin de la cabeza, por medio de los martinetes de impulso laterales y verticales que empujan las zapatas de anclaje contra las paredes excavadas del tnel.

3.3.3 Pluma con cabeza cortadora o zogadoras Se tiene un mtodo alternativo de excavacin con este tipo de mquinas las cuales, como

en el caso de las mquinas a seccin completa, pueden o no estar montadas dentro del escudo protector (Fig.3.9). La cabeza de corte puede adoptar varias formas, teniendo en cuenta en el diseo la resistencia de la roca y las cargas impartidas por medio de las herramientas de corte. Si la roca es autotransportante, se puede montar la pluma sobre un armazn de oruga, que puede tener una cubierta para proteger al operario de la cada de los fragmentos de roca. El impulso de avance se transfiere generalmente al terreno con los carriles de la oruga, pero puede ser necesario apuntalar los muros laterales.

55

Figura 3.9 Pluma con cabeza cortadora

3.3.4 Avance por escudo Lo expuesto hasta ahora, hace pensar que la mecanizacin del avance de tneles

solamente ha trado ventajas y cambios radicales para los trabajos en roca firme o temporalmente firme. Sin embargo, el avance por escudo es conocido desde hace tiempo en la excavacin de suelos, y ha sido desarrollado y modernizado de manera que su empleo es ventajoso para el avance en tipos de roca blandos como la marga y arenisca, as como en material suelto como aluviones y arenas inestables.

Aunque en la excavacin por escudo no participa ninguna parte rotatoria, este procedimiento debe ser considerado como tipo de avance mecanizado.

El esquema del avance en un tnel de autopista (Fig.3.10), explica el principio de la excavacin por escudo. Un filo anular de acero formando el escudo acoplado a un tubo de acero cilindrico se aplica frontalmente contra el terreno mediante prensas dirigidas hacia el centro. Al mismo tiempo, se retira el material aflojado. Las prensas se apoyan atrs, sobre un anillo de apoyo contra los segmentos de hormign armado prefabricados y montados. Despus de una carrera completa del mbolo, las prensas se encogen, se coloca un nuevo anillo de segmentos de

56

hormign armado contra los cuales las prensas se pueden apoyar de nuevo y as se contina al mismo ritmo. El espacio entre los segmentos de hormign armado y la roca atravesada se llena por medio de inyecciones de lechada agua - cemento. Como la roca no tiene nunca que estar sin sustentacin, este procedimiento es adecuado hasta para los suelos sin cohesin. La ventaja del avance por escudo es que prcticamente se lleva a cabo en forma continua.

prensas segmentos imperrnea- encofrado para escudo / prefabricados bffizacir revestimiento hterior

>7*/'7yT/S'. ' / / .'' . ' / ' / / \/ f / S / / / / / / / * / , ' / S / / y / / * / / .' / S /

drenaje principal f i

relleno bomba hormign

Figura 3.10 Esquema de excavacin de un tnel por escudo.

3.3.5 Mquinas tuneleadoras TBM's o "TOPO"

La excavacin de tneles en roca mediante el uso de estas mquinas dio comienzo en 1958 cuando la compaa Robins emple una mquina de 3.2m de dimetro en un tnel para el drenaje de Toronto. El avance mximo obtenido de 35m/dia demostr, sin ninguna duda, que la poca de la construccin de tneles en roca dura totalmente mecanizados haba llegado.

A partir de ese momento el auge de los topos hizo que los proyectos imposibles se tornaran en prcticos y comunes.

A la fecha, en los pases desarrollados es una prctica comn disear grandes proyectos tomando en cuenta la confabilidad de topos con dimetros superiores a 10.6m (Fig.3.11).

57

Figura 3.11 Maquina tunelera Topo de la empresa Traylor

Aunque la mayor parte de los xitos de los topos han sido en roca dura, la posibilidad de encontrar fallas, acuferos y suelos inestables han obligado a disear todos los topos con el mismo principio del escudo; a la fecha, estas mquinas estn constituidas por 2 corazas tipo escudo que se mueven en forma telescpica una con respecto a la otra, estando la coraza trasera soportada por gatos hidrulicos de tal forma que se permita un movimiento articulado para mejor gua.

A diferencia de los escudos, los topos no se apoyan contra el revestimiento del tnel para avanzar (cuentan con patas laterales) y tampoco requieren colocar revestimiento a base de segmentos (esta actividad depende de la calidad de la roca y del uso a que se destine el tnel), sin embargo en la mayor parte de los casos, se coloca el revestimiento conforme la mquina avanza. El futuro de los topos es muy promisorio.

58

3.3.6 Excavadoras Tambin se usan ampliamente las excavadoras que son ms resistentes para trabajar en

la roca; se pueden alojar dentro de un escudo si las condiciones del terreno as lo permiten. Se han ideado muchas modificaciones tratando de mejorar la eficiencia de corte de las mquinas y de las herramientas de corte, as tambin tratando de producir la minimquina a seccin completa.

3.3.7 Proteccin en tneles en roca. En los tneles en roca, la proteccin superior inmediata en terrenos de mala calidad se

logra principalmente con un escudo que se coloca por encima de la mquina excavadora. La cabeza cortadora de la mquina puede proporcionar un cierto soporte al frente excavado y proteccin contra los desprendimientos; pero si se necesita un ademe permanente del frente, la conveniencia indica realizar algunos cambios en las tcnicas.

El acceso al frente tiene limitaciones y es ms fcil cuando se puede maniobrar el mecanismo de la cortadora fuera del camino como sucede con las mquinas con cabeza cortadora y las excavadoras.

3.3.7 Revestimiento Se puede utilizar el revestimiento de concreto colado in situ cuando la excavacin de la

roca se mantiene intacta sin recurrir a ademes inmediatos o cuando sea prctico un ademe provisional del terreno mediante nervaduras, pernos de anclaje y, posiblemente, concreto lanzado. Es preciso disear la mquina desde el principio para que tenga la capacidad necesaria para acomodar dichos soportes.

Los segmentos precolados constituyen una valiosa alternativa. Se pueden instalar fcilmente en una excavacin cilindrica uniforme, en contraste con las dificultades de colocacin en un perfil irregular obtenido con el uso del explosivo.

59

3.3.8 Eliminacin del material excavado. El material excavado se recoger en el frente de la excavacin y se llevar con la ayuda

de diversos tipos de mquinas hasta otros sistemas transportadores, los cuales pueden ser bandas de hule, del tipo de cadenas o placa. Se pueden manejar materiales de cualquier tamao, dependiendo de la unidad motriz y del espacio libre adecuado, pero habr problemas si los fragmentos son demasiado grandes, obstaculizan el paso o, lo que puede ser peor, si son demasiado finos. El polvo o una lechada de arena fina puede formar una mezcla muy abrasiva, pudiendo atascar los puntos de transferencia o acumular obstrucciones. Algunas mquinas de seccin completa se disean con un diafragma situado muy cerca de la parte posterior del frente para atrapar el polvo teniendo, adems, un sistema de amortiguamiento por aspersin de agua.

4. CONTROL, ESTABILIZACIN Y SOPORTE DE TNELES

4.1 INSTRUMENTACIN 4.1.1 Aparatos para el registro de vibraciones

Nitro Nobel comenz en 1946 una investigacin en diferentes voladuras, encaminadas a averiguar si las vibraciones del terreno pueden reducirse por interferencia mediante un encendido sucesivo de las cargas. Como los vibrgrafos existentes entonces en el mercado no podan producir los verdaderos tipos de frecuencias de una manera satisfactoria se construy un aparato constituido por un detector capacitativo con una frecuencia natural de 2 c/s y un oscilgrafo de rayos catdicos.

Los registros obtenidos con ste aparato indicaron que, en un intervalo del orden de centsima de segundo, podan reducirse por interferencia las vibraciones del terreno.

El llamado vibrgrafo Cambridge, que es independiente de la corriente elctrica y fcilmente transportable, se ha empleado extensamente para ensayos de campo. Tiene unas masa oscilantes con amortiguacin relativa y el sismograma se dibuja con aumento moderado sobre una banda de celuloide. La frecuencia es de 4 c/s y da sismogramas con una resolucin legible.

60

61

El peso del vibrgrafo es de 6 kg., de los cuales 2 kg. corresponden al sistema de vibracin, el aparato pierde estabilidad cuando la aceleracin en las vibraciones en mayor de 1.5g. El vibrgrafo deber ser lastrado con pesas sostenidas por un muelle para evitar su desestabilizacin. La ventaja del sistema de lastrado es que no necesita sujetar el aparato por una base, lo cual por otra parte es un problema difcil. Sujetando con la mano el aparato durante el registro puede obtenerse el mismo efecto que con el sistema de pesas, llegndose a obtener contactos ssatisfactorios.

En la mayor parte de los casos el instrumento se sita sobre el terreno firme prximo, o en el interior del edificio, de modo que se obtenga el mejor contacto posible con la roca. De esta forma lo primero que se determina son las vibraciones de la roca