Ing. VICTOR TOLENTINO YPARRAGUIRRE Msc.
METODOS DE EXCAVACION DE
TUNELES
PERFORACION Y VOLADURA
CURSO METODOS DE
EXCAVACION DE TUNELES
¡El arte de
excavar túneles
radica en ser capaz de
colocar el sostenimiento
adecuado a la distancia del
frente adecuada¡
EXCAVACION SUBTERRANEA
• Cuando las excavaciones subterráneas son desarrolladas de manera artesanal, se conceptúa a la excavación como el “SOCAVON”, que es una labor efectuada con la mínima sección posible de excavación, para permitir el tránsito del hombre o de acémilas para realizar la extracción del material desde el frontón hasta la superficie.
• Cuando las excavaciones se ejecutan controlando la sección de excavación, de manera que se disturbe lo menos posible la roca circundante considerando la vida útil que se debe dar a la roca, es cuando aparece el concepto de “TUNEL”, que abarca, globalmente, al proceso de excavación, control de la periferia, sostenimiento, revestimiento y consolidación de la excavación.
• El éxito de una correcta y económica obra de tunelería dependerá de la buena combinación que se efectúe entre estos factores.
“UN TUNEL NO ES UN AGUJERO MAS EN LA TIERRA. EN TERMINOS ESTRICTAMENTE PRACTICOS SE TRATA SE UNA OBRA DE INGENIERIA EXTRAORDINARIAMENTE SOFISTICADA Y NUNCA FUE SENCILLA NI SEGURA”
Nordlund, “Muerte en el Túnel”
EXCAVACIONES SUBTERRANEAS
EL OBJETIVO DE
LA OBRA
SUBTERRANEA
EL SISTEMA
CONSTRUCTIVO
TRAZADO
LA ESTRUCTURA
RESISTENTE:
EL CALCULO
SECCION TIPICA
LA GEOMETRIA
DEL PROYECTO
LA GEOLOGIA Y
GEOTECNIA DEL
MACIZO ROCOSO
LAS
INSTALACIONES
PARA LA
EXCAVACION
TEMAS BASICOS
ESCAVACIONES SUBTERRANEAS
RIESGOS A
ASUMIR FINANCIACION
DEL PROYECTO
•CONCEPTOS EQUIVOCADOS EN EL
PLANEAMIENTO DE LA OBRA.
•INADECUADA ESPECIFICACIONES TECNICAS.
•ERRADA ELECCION DE EQUIPOS.
•SOBREDIMENSIONAMIENTO DE LOS
ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO.
•MALA DISPOSICION DE CARGAS EXPLOSIVAS
EN LAS VOLADURAS.
•ACCIDENTES GEOLOGICOS INESPERADOS. FACTORES QUE
INCREMENTAN EL
PRESUPUESTO
VARIABLES DE
RIESGO
CRONOGRAMA
CALIDAD
COSTOS
OBJETIVOS DE LAS EXCAVACIONES SUBTERRANEAS
OBJETIVOS
FUNCIONALES
FORMAR PARTE DEL TRAZADO
DE UNA VIA DE COMUNICACIÓN
(CARRETERA, FERROCARRIL)
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DEL
DISEÑO. Preservar el valor Medioambiental del
paisaje.
Limitación de ruidos en la zona.
Reducción de volúmenes de tierra a
remover.
Reducción de terrenos a adquirir.
OBJETIVOS
COMPLEMENTARIOS
TUNEL DE CONDUCCION
HIDRAULICA, ACUEDUCTOS,
GASODUCTOS, OLEODUCTOS,
ETC.
EXPLOTACION MINERA O DE
CARACTER INDUSTRIAL (C.H.,
GEOTERMICAS, NUCLEARES.
INSTALACIONES MILITARES
(ANGARES, MUELLES, ETC.)
PREVENCION DE DAÑOS FISICOS
En la Explotación: Prevención de
incendios, salidas de emergencia, etc.
En la Construcción: Seguridad e
higiene laboral
LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO Y SECCION TIPO
LA GEOTECNIA DEL MACIZO
A ATRAVEZAR
LA AFECCION A OBRAS
SUBTERRANEAS
EXISTENTES
LA AFECCION A OBRAS
EXTERIORES EXISTENTES
LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO – EN PLANTA
• LA GEOTECNIA LOCAL DEL MACIZO A ATRAVEZAR
Hay que disponer de una información de tipo general sobre las condiciones geotécnicas del macizo a atravesar, aunque luego se vuelva sobre el tema. Permitirá establecer alternativas de trazado, más adecuadas desde el punto de vista geotécnico.
LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO – EN PLANTA
LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO
• LA AFECCION A OBRAS SUBTERRANEAS EXISTENTES
Se puede decir, sin exageración alguna, que la información sobre los servicios existentes en el subsuelo de la zona de futura obra subterránea es tan importante, por no decir más, que la relativa a la geotecnia del macizo.
LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO
• LA AFECCION A OBRAS EXTERIORES EXISTENTES
El fenómeno de la subsidencia del terreno superficial, debida a la ejecución de un túnel bajo el mismo, existe siempre, aunque, naturalmente, depende muy esencialmente de las características geotécnicas del macizo rocoso.
LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO - PENDIENTE
CARRETERAS ORDINARIAS
(LIMITE MAXIMO 5% )
CONTRAPENDIENTES Y
DESAGUES
REALIZAR EXCAVACONES A
FAVOR DE LA PENDIENTE
PARA EVACUAR EL AGUA
AUTOPISTAS
(2% TUNELES ASCENDENTES
4% TRAMOS CORTOS)
FERROCARRILES
2.5% TRAMOS LARGOS
5% TRAMOS MUY CORTOS
EN PROYECTOS DE ALTA
VELOCIDAD DEBE SER
MAX. 1%
GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO HIDRAULICOS Y VIALES
HERRADURA
CIRCULARES
DOS NIVELES
GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO
TIPO HERRADURA
GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO
GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO
TIPO DOBLE CIRCULO – VIALIDAD E HIDRAULICO
GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO
TIPO HERRADURA – HIDRAULICO
GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO
TIPO CIRCULAR – VIALIDAD E HIDRAULICO
GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO
TIPO DOBLE CIRCULO TIPO BOCA – VIALIDAD
GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO
TIPO HERRADURA CONCAVA – HIDRAULICO
GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO
TIPO HERRADURA - MINERIA
GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO
TIPO TRAPEZOIDAL - MINERIA
CONSIDERACIONES GEOLOGICAS PARA ELEGIR EL SISTEMA CONSTRUCTIVO
DEFINICION DE ESFUERZO
PLANTEAMIENTO GENERAL DEL DISEÑO DE
EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS
La estabilidad de un hueco está relacionado con el comportamiento del medio
en que se practica, pues si una excavación está excavada en:
un medio elástico sólo aparecerán grandes deformaciones elásticas
para niveles de tensión muy grandes;
un medio elastoplástico (perfecto o con reblandecimiento) pueden
aparecer deformaciones muy grandes (y permanentes) a niveles de
tensión relativamente moderados.
un medio fisurado puede haber deslizamiento y separación de
bloques.
Para el diseño de galería y túneles en macizos rocosos asimilables a medios
continuos y elásticos, pueden utilizarse las teorías deducidas del la mecánica
elástica, que se presentan a continuación:
•La distribución de tensiones en el borde del hueco es independiente del
tamaño del agujero pero no de su forma, y lo mismo sucede con las
tensiones críticas.
•La distribución de tensiones tangenciales y radiales (y críticas) es
independiente de las constantes elásticas de la roca.
•Las concentraciones de tensiones críticas aumentan al disminuir el radio
de curvatura del borde del agujero, por lo que no es aconsejable realizar
cavidades con esquinas agudas.
•La concentración de tensiones tangenciales en el eje horizontal de una
cavidad de cualquier forma tiene su máximo en el borde y disminuye
rápidamente con la distancia a éste. Cuanto mayor sea el máximo más
rápidamente decrecerá con la distancia al borde.
ANALISIS TENSIONAL : NORMA OPCIONAL PARA EL
DISEÑO DE LA EXCAVACION SUBTERRANEA
• La distribución de tensiones en una excavación subterránea no es
influenciada apreciablemente por la presencia de otra excavación si
éste se halla separado del primero por una distancia del orden de
cuatro o más radios, por lo que cuando se satisface esta condición
el hueco puede considerarse aislado.
•El hecho de que la distribución de tensiones sea independiente del
tamaño de la excavación subterránea no debe interpretarse
erróneamente suponiendo que la inestabilidad es independiente del
tamaño de la excavación, lo que está en fuerte contradicción con la
experiencia. Este aumento de la inestabilidad con el tamaño va
asociada al hecho de que al incrementar sus dimensiones
existe un mayor número de probabilidades de cortar
discontinuidades en la roca, lo que disminuye la resistencia del
terreno, dando lugar al denominado efecto de escala.
ANALISIS TENSIONAL : NORMA OPCIONAL PARA EL
DISEÑO DE LA EXCAVACION SUBTERRANEA
COMPUTO DE ESFUERZOS POR ELEMENTOS FINITOS
PROCESO MECANICO DE FALLAMIENTO DE LA ROCA ALREDEDOR DE UNA EXCAVACION
• Según la teoría de Rabcewicz, el proceso de reacomodo de esfuerzos alrededor de una excavación subterránea es mecánico, progresivo y generalmente ocurre en cuatro fases.
• Este fenómeno tiene ocurrencias en el último tramo excavado (L), y se inicia tempranamente, cuando la zona no alcanza a disturbarse por el avance de la excavación.
PROCESO MECANICO DE FALLAMIENTO DE LA ROCA ALREDEDOR DE UNA EXCAVACION
FASE 0 : Inicio de las deformaciones.
En las paredes, techo y piso del túnel, previo a la rotura del perfil de excavación.
FASE I : Inicio del Movimiento.
Formación de cuerpos en forma de cuña, que tienden a introducirse en el túnel por las partes laterales, originando esfuerzos de corte en toda la superficie de Mohr. La dirección del movimiento inicial es normal a la dirección de la presión principal.
FASE II : Inicio de la Convergencia.
Al crecimiento de la longitud (L), y proseguir el incremento de los movimientos, se produce roturas en el piso y techo del túnel.
FASE III : Formación de las Presiones de Estrangulamiento.
Al continuar la intensidad de los movimientos, bajo permanente presión lateral sobre la zona de protección, se produce el empuje o derrumbe dentro del túnel.
PROCESO MECANICO DE FALLAMIENTO DE LA ROCA ALREDEDOR DE UNA EXCAVACION
FASE 0 FASE I FASE II FASE III
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION A LA MORFOLOGIA DEL TERRENO
EN TODO MACIZO ROCOSO INALTERADO, EXISTE UN CAMPO DE ESFUERZOS ORIGINADOS POR EL PESO DELA ROCA SUPRAYACENTE; ESTE CAMPO SUFRE MODIFICACIONES AL PRODUCIRSE LA EXCAVACION SUBTERRANEA.
EN EL CURSO DE LAS DIFERENTES ETAPAS DE LA EXCAVACION, ESTOS ESFUERZOS MODIFICADOS QUE PODEMOS LLAMAR “EMPUJES DE ROCA” SON MUY VARIABLES CON EL TIEMPO Y POSICION, POR TANTO, ES CASI IMPOSIBLE LA MEDICION DE SUS DIMENSIONES E INTENSIDADES.
EN LA ZONA DEL MACIZO ROCOSO QUE CIRCUNDA AL LIMITE DE LA EXCAVACION, SE PUEDE CREAR CONTRACCIONES QUE SOBREPASAN A LAS TENSIONES ADMITIDAS POR LA ROCA, ENTONCES LA EXCAVACION ES INESTABLE, POR LO QUE ESTA ROCA CIRCUNDANTE NECESITA SER SOPORTADA CON EL FIN DE CONSEGUIR EQUILIBRIO Y ESTABILIZACION.
SOLAMENTE SE PUEDE ESTIMAR EL ESTADO DE LOS ESFUERZOS PREEXISTENTES Y SE EFECTUAN DENTRO DEL TERMINO “ELASTICO”, UTILIZADO PARA DESCRIBIR MATERIALES EN LOS QUE EL TRABAJO QUE SE APLICA SOBRE SU CUERPO ES TOTALMENTE RECUPERABLE, UNA VEZ QUE LAS FUERZAS QUE ORIGINARON LAS DEFORMACIONES HAN TERMINADO.
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION A LA
MORFOLOGIA DEL TERRENO • LOS ESFUERZOS QUE EXISTEN EN UN MACIZO ROCOSO
INALTERADO ESTAN EN RELACION CON EL PESO DE LOS ESTRATOS SOBREYACENTE Y CON LA HISTORIA GEOLOGICA DEL MACIZO.
• IMAGINEMOS UN PEQUEÑO ELEMENTO DE VOLUMEN INTEGRANTE DE UNA MASA ROCOSA, DONDE LOS ESFUERZOS ACTÚAN EN TERMINOS DE FUERZAS GENERADAS POR EL PESO DE LA ROCA SUPERYACENTE.
• CONSIDERAREMOS CUATRO CONDICIONES DE ESFUERZOS PARA SUS CORRESPONDIENTE SITUACIONES, EN RELACION CON LA MORFOLOGÍA DE SUPERFICIE
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION A LA MORFOLOGIA DEL TERRENO
v = h1 X
v > h2 X
max = h3 X
v max
v = h4 X
v = 0.9 X X h4
v = ESFUERZO
VERTICAL
DONDE:
= PESO DE LA
ROCA
h4 = ALTURA DE
PROFUNDIDA
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRUCTURA GEOLOGICA
• Se considera dos ejes alternativos para la construcción de un túnel, a través de un anticlinal, mientras que el eje del túnel 1 resulta de mayor longitud (L1>L2), sin embargo, en el reparto de esfuerzos, el eje del túnel 2 tendrá condiciones de estabilidad más severa. Existe la posibilidad de que su costo final resulte mayor
ANTICLINAL
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRUCTURA GEOLOGICA
• Las rocas masivas presentan pocas discontinuidades, generalmente son rocas de buena calidad, pueden estar asociados a cuerpos mineralizados en especial cuando han sufrido silicificación hidrotermal. Estas rocas ofrecen aberturas rocosas estables sin necesidad de sostenimiento, solo un buen desatado.
EN ROCA MASIVA
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRUCTURA GEOLOGICA
• La roca fracturada presenta familias de discontinuidades conformadas principalmente por diaclasas que constituyen planos de debilidad. El factor clave que determina la estabilidad de la excavación es la intersección de estas discontinuidades que forman piezas y bloques.
• Las cuñas bipolares están formadas por la intersección de dos diaclasas cuyo rumbo es paralelo o subparalelo al eje de la excavación.
CUÑAS BIPLANARES
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRUCTURA GEOLOGICA
• Es otro modo de falla que considera la intersección de tres diaclasas o sistemas de diaclasas en general tres discontinuidades para formar una cuña tetrahedral que podría caer o deslizarse por su propio peso, ya sea desde el techo o desde las paredes de la excavación. Pueden persistir en la bóveda o hastíales. Podría necesitar sostenimiento sistemático.
CUÑAS TETRAHEDRALES
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRUCTURA GEOLOGICA
• Estos se forman cuando hay sistemas principales de discontinuidades aprox. Paralelos al techo o hastíales de la excavación y además deben existir otros dos sistemas que liberen el bloque. Estos tipos de estructuras se aprecian en la explotación de minas subterráneas donde se extrae el mineral en forma de vetas.
BLOQUES TABULARES
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRUCTURA GEOLOGICA
• La roca de los contornos de la excavación está formada como un edificio de bloques que se auto sostienen. Los bloques liberados por las intersecciones de las diaclasas presentan formas complejas. La falla puede ocurrir por caída o deslizamiento de los bloques debido al efecto de la gravedad.
BLOQUES IRREGULARES
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRUCTURA GEOLOGICA
• Las rocas intensamente fracturadas presentan muchos sistemas de diaclasas y fracturas, las cuales generan pequeñas piezas o fragmentos rocosos, constituyendo masas rocosas de mala calidad. Las fallas ocurren por deslizamiento y caída de estas pequeñas piezas y fragmentos rocosos o por desmoronamiento de los mismos.
• La falla del macizo puede ir agrandando la excavación y llevarla al colapso.
ROCA INTENSAMENTE FRACTURADA
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRUCTURA GEOLOGICA
• Las fallas y las zonas de corte están relacionadas a rocas débiles que pueden estar muy fracturados y la falla misma puede contener arcilla o panizo. Las zonas de influencia de las fallas pueden ser de varios metros de ancho pudiendo influenciar en la estabilidad de la excavacion.
FALLA AISLADA
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRUCTURA GEOLOGICA
• Las fallas de corte pueden presentarse como estructuras aisladas o como estructuras múltiples, en este ultimo caso, la situación de la estabilidad de una excavación es fuertemente complicada, por la influencia adversa de las fallas.
• Depende mucho de las cantidades de fallas en función al área de la excavación a realizar.
FALLAS MULTIPLES
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRATIFICACION DEL M.R.
• El macizo esta con estratificación inclinada, formando un ángulo () con la horizontal, se originan dos tipos de esfuerzos, el primero en dirección de los estratos (st ), debido a las presiones de cabecera, y un segundo (a),en las zonas de aflojamiento en la periferia de la excavación, debido a las presiones de esponjamiento.
max = X h
max st
st X sen = X hst X sen
Se tiene:
Luego:
ESFUERZO INDUCIDO POR PLEGAMIENTO
ESFUERZOS INDUCIDOS POR PLEGAMIENTO
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRATIFICACION DEL M.R.
• La principales características de los planos de estratificación son su geometría planar y su alta persistencia, las cuales hacen que estos planos constituyan debilidades de la masa rocosa, es decir planos de baja resistencia. Los problemas que se generan tienen relación con la separación de los bloques tabulares del techo inmediato y su cargado y deflexión hacia el vacío minado por efecto de la gravedad.
ROCAS ESTRATIFICADAS
HORIZONTALES
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION CON LA ESTRUCTURA GEOLOGICA
• Cuando los estratos tienen buzamientos casi verticales, estos serian la caja piso y techo de la excavación. Los estratos constituyen falsas cajas, formando bloques tabulares que pueden separarse o despegarse de la cajas techo por efecto de la gravedad.
• Las discontinuidades que se presentan en estos tipos de estratificación pueden intersectarse formando varias combinaciones de inestabilidad.
ROCAS ESTRATIFICADAS
CASI VERTICALES
PRESENCIA DE AGUA EN LAS EXCAVACIONES • La presencia de agua en la roca alterada y débil puede acelerar el
aflojamiento y actuar como lubricante para producir deslizamientos de bloques.
• También dañan los sistemas de sostenimiento, produciendo corrosión a los elementos de fierro, acero y deterioro de concreto.
• En rocas estratificadas y/o fracturadas la presencia de agua puede ejercer presión, lavar el relleno de las fracturas y actuar como lubricante.
• Es importante la observación de cambios de humedad en el techo y paredes de la excavación, ya que ayuda al reconocimiento de posibles fallas en el macizo rocoso, como resultado de las variaciones de los esfuerzos.
• Si el agua empieza a filtrarse a través de la roca dentro de un área que es normalmente seca, es un signo de que la roca esta pasando por cambios de esfuerzo, estos cambios harán que las fracturas se abran o se extiendan, empezando a manifestarse la humedad. Similarmente, si un área normalmente con presencia de agua empieza a secarse también deberá tomarse como una indicación de que la roca esta ganando esfuerzos o se esta equilibrando a la excavación.
INESTABILIDAD POR
PRESENCIA DE AGUA EN LA EXCAVACION
METODOS DE EXCAVACIONES SUBTERRANEAS
EXCAVACION CON
PERFORACION Y
VOLADURA
UTILIZACION DE
EXPLOSIVOS
TUNELADORAS
(TBM), ROZADORAS,
MARTILLOS DE
IMPACTO
EXCAVACION
MECANICA
ENERGIA: EN PUNTA DE
MAQUINA, SUPERANDO
RESISTENCIA DE ROCA
MATERIAL A EXCAVAR
(ROCA O SUELO)
ENERGIA: PRESION
DE GASES Y
ENERGIA DE
VIBRCION
Se usa generalmente, en terrenos blandos, no cohesivos, compuestos de arena suelta, grava o limo y todo tipo de arcilla.
Es un cilindro formado por planchas de acero soldadas entre sí.
EXCAVACIONES MECÂNICAS CON ESCUDO
EXCAVACIONES
MECÁNICAS CON MÁQUINA
EXCAVACIÓN MECÁNICA CON MÁQUINAS INTEGRALES NO PRESURIZADAS
EXCAVACIÓN MECÁNICA CON MÁQUINAS INTEGRALES PRESURIZADAS
Perforación
Topografía
Sostenimiento
Saneo
Carga de Explosivos
Voladura
Ventilación
Carga
METODOS DE EXCAVACION MEDIANTE
PERFORACION Y VOLADURA
CICLO DE EXCAVACION
TRAZADO DEL
DIAGRAMA DE
DISPAROS
PERFORACION
AVANCE DEL
EQUIPO DE
LIMPIEZA AL
FRENTE Y
ELIMINACION DE
ESCOMBROS
CARGA DE
EXPLOSIVOS
INSTALACION DEL
EQUIPO DE
PERFORACION
DISPARO Y
VENTILACION
PERFILADO DE LA
SECCION Y
SOSTENIMIENTO
OPCIONAL
COLOCACION DE
LINEAS
GRADIENTES Y
ALINEAMIENTO
TRAZADO DEL
DIAGRAMA DE UN
NUEVO DISPARO
SISTEMA DE AVANCE CON PERFORACION Y VOLADURA
Es el sistema clásico, que comprende La Perforación – Voladura y Limpieza de escombros, obteniéndose con un trabajo cíclico el avance del frente o frontón de ataque.
La velocidad de avance estará relacionado con las caracteristicas de oposición que ofrezca el Macizo Rocoso, la implementación y acondicionamiento de los equipos que se emplean, la destreza y experiencia de la cuadrilla de trabajadores, y, por último, las condiciones de seguridad o instalaciones que se faciliten para el logro del avance esperado.
El nivel tecnlógico actual ha permitido conseguir avaces espectaculares, como producto de ajustes o condicionamiento de los equipos e instalaciones, pero más bién la calidad del producto terminado DEPENDE FUNDAMENTALMENTE DE LA EXPERIENCIA DE LA CUADRILLA.
VOLADURA
LIMPIEZA
PERFORACION
SECCION TUNEL Y DURACION CICLO DE EXCAVACION
Tamaño Nominal
(anchura por altura) 3.2 x 3.2 5.0 x 5.0 6.75 x 8.75
Sin
refuerzo
Con
refuerzo
Sin
refuerzo
Con
refuerzo
Sin
refuerzo
Con
refuerzo
Número de
perforaciones 41 41 52 52 81 77
Profundidad (m) 3.0 1.8 3.4 3.0 3.6 3.0
Avance por disparo (m) 2.8 1.7 3.2 2.8 3.4 2.8
Perforación (minutos) 90 60 120 90 150 120
Cargío y disparo
(minutos) 60 60 60 60 60 60
Ventilación (minutos) 30 30 30 30 30 30
Limpieza (minutos) 90 75 120 90 140 110
Reforzamiento
(Minutos) 90 120 150
Otros Trabajos (min) 30 30 30 30 30 30
Duración del ciclo
(minutos) 300 340 360 420 410 500
CICLO DE TRABAJO EN LA EXCAVACION
PERFORACION
(0.00-0.16T)
SOSTENIMIENTO
(0.52T)SHOT-
MALLA-PERNOS
SOSTENIMIENTO (0.57T)
SHOT+MALLA+PERNOS+
CERCHA
PERFORACION
(0.00-0. 16T)
VENT.- LIMPIEZA
(0.23-0.30T) CARGA-
VOLADURA
(0.09-0.09T)
16% 9 % 23%
52%
57%
16%
DURACION CICLO DE EXCAVACION METODO NATM (SECCION 10x13m)
Tamaño Nominal
(anchura por altura) ROCA TIPO III ROCA TIPO II ROCA TIPO I
MINIMO MAXIMO MINIMO MAXIMO MINIMO MAXIMO
Número de
perforaciones 100 100 140
Profundidad (m) 0.8 1.5 1.5 2.4 2.4 3.0
Avance por disparo (m) 0.6 1.3 1.3 2.2 2.2 2.8
Perforación (minutos) 150 210 150 200 150 180
Cargío y disparo
(minutos) 90 100 90 100 90 100
Ventilación (minutos) 30 40 30 40 30 40
Limpieza (minutos) 150 200 200 240 240 300
Reforzamiento
(Minutos) 600 690 420 540 400 450
Otros Trabajos (min) 30 30 30 30 30 30
Duración del ciclo
(minutos) 1050
17h30’
1270
21h10’
920
15h20’
1150
19h10’
940
15h40’
1100
18h20’
MEJORAMIENTO DEL CICLO DE EXCAVACION
AUMENTO DE LA
EFICIENCIA DEL
EQUIPO
OPTIMIZACION DEL
TAMAÑO DEL
EQUIPO
CONDICIONES
CONTRACTUALES
ENTRE CONTRATISTA
Y PROPIETARIO
INCENTIVOS MEJORAMIENTO
DE LAS TECNICAS
DE VOLADURA
PERSONAL
EXPERIMENTADO
MÉTODOS CONSTRUCTIVOS
• Excavación con explosivos:
Perforación
Carga de explosivo
Disparo de la carga
Evacuación de humos y ventilación
Saneo de los hastiales y
bóveda
Carga y transporte de escombro
Replanteo de la nueva tronadura.
METODOS DE EXCAVACION MEDIANTE PERFORACION Y VOLADURA
ESQUEMA DE DISPARO O MALLA DE PERFORACION FRENTE COMPLETO
TAMAÑO DE
EL CORTE
B4
B2
B3
B1
2 2
3
3
3 1
1
3
1
1
1
5
9
7
5
4 4
4
PERFORACION Y VOLADURA
Perforación y voladura forman un
conjunto.
El hueco perforado correctamente no sirve
de nada, si en la fase de voladura este se
carga con explosivos de potencia y
cantidad equivocadas.
Lo mismo ocurre cuando la carga del
explosivo es adecuada pero el taladro en
su profundidad, paralelismo y densidad no
es el correcto.
FACTORES PARA EFECTUAR LA VOLADURA
GEOMECANICA
VOLADURA
FACTOR DE
ENERGIA
METODOS DE
TRABAJO
PLANEAMIENTO
NO SI SI
NO
SI SI
CALIDAD DE LA PERFORACION
INFLUYE EN UN 75 % EN LA
VOLADURA
HECHO UN DISEÑO DE
PERFORACION, SE COMETE
ALGUNOS ERRORES COMO:
Error de Replanteo.
Error de Inclinación y Dirección.
Error de Desviación.
Error de Profundidad.
Taladros Estrechos, Perdidos u
Omitidos.
5 4
3
2
1
CALIDAD DE LA PERFORACION
RESULTADOS DE UNA MALA CALIDAD DE
PERFORACION
MALA FRAGMENTACIÓN.
INADECUADO RENDIMIENTO DEL EXPLOSIVO.
SOBRE EXCAVACIONES.
VOLADURA FALLADA.
FORMACION DE CALLOS O PECHOS
1.3 m
1.3 m
Envolvente de Daño (10-15 cm)
Sobreexcavacion
Arranque
0,79
0,79
0,99
0,71
0,69
0,88
0,84
1,14
0,79
PRE - DISPARO 1 ROCA1
0,77
0,74
0,81
0,59 0,57
0,72
0,81
0,77
0,57
0,15
0,20
0,50
CALLO
Sobrexcavacion
POS - DISPARO 1 ROCA 1
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Collar Perforación Fondo Perforación Desviación
CALIDAD DE LA
PERFORACION
PRE - DISPARO 2 ROCA1
POS - DISPARO 2 ROCA 1
CALIDAD DE LA
PERFORACION 1
1 2
3
3
3
3
4 4
4 4
2
0,74
0,64
0,52
0,71 0,88
0,76
0,54
0,61
0,79
4
10
10
10
10 10 10 10
10
10
10
7
7
7
7
7
7
10
7
6
6
5
11 11 11 11 11 12 12
8
8 8
8 5 5
0,49
0,58
0,81
0,86
0,82
0,93
0,47
0,63
0,93
0,22
0,12
0,10
0,13
0,18
0,65
Callos
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Collar Perforación Fondo Perforación Desviación
FACTORES QUE INFLUYEN EL
RENDIMIENTO DE VOLADURAS
CONTROL DE CALIDAD.
COMUNICACIÓN.
RENDIMIENTO OPTIMO DE LOS
EXPLOSIVOS.
INDICES DE VOLADURA.
CALIDAD DE LAS ROCAS.
SEGURIDAD.
EVALUACIÓN DE RESULTADOS.
DISEÑO GENERAL
DE UN CORTE
QUEMADO
Criterios de acción:
Arranque: Soplar y
formar la
cavidad
inicial.
Núcleo: Triturar y
extraer el
máximo
material.
Contorno: Despegar y
formar el
límite de la
voladura.
El método de túnel y banco es una combinación de voladura
subterránea de túnel y una voladura de banco a cielo abierto
para excavaciones de grandes dimensiones.
MÉTODO DE TÚNEL Y BANCO
MÉTODO DE TÚNEL Y BANCO
La sección del túnel
se excava por
delante del banco
para mantener un
piso de trabajo.
Cualquiera de los
cortes y trazo de
voladuras de túnel se
pueden utilizar para
excavar la sección
superior.
Cuando son pequeños túneles se perfora todo el frente o cara, se cargan los agujeros, y se hacen detonar los explosivos.
Con el desarrollo de los taladros de carretilla y de plataforma, aumenta la perforación de grandes túneles con este método.
ATAQUE A TODA LA CARA (FRENTE)
Implica la perforación de la porción superior del túnel antes de perforar la parte inferior
METODO DE TERRAZAS
Puede ser ventajoso perforar un túnel pequeño, llamado
derivador, a través de toda o una porción de la longitud del túnel, antes de excavar todo con el taladro.
METODO DE DERIVADORES
NUEVO MÉTODO AUSTRIACO DE DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES (NATM)
Se basa en la integración del terreno que rodea a la excavación
en el anillo estructural autoportante formado entorno a la cavidad,
de forma que el terreno forma parte integrante en él.
Dicho método pretende relajar el estado tensional del macizo
rocoso entorno al túnel, permitiendo su deformación hasta un
punto de equilibrio en que el sostenimiento controla dicha
deformación, anclando éste al propio terreno.
Esto se consigue mediante técnicas de auscultación y medida de
convergencias, para controlar las deformaciones en todo
momento y evitar que estas sean excesivas, por lo que se puede
realizar el túnel con un costo mínimo y una máxima seguridad.
Se debe dejar al macizo rocoso deformarse de manera que
forme su propio soporte estructural reduciendo así, los costes
de excavación y sostenimiento.
¿CÓMO SE ORIGINÓ EL MÉTODO NATM?
En 1964 L. Rabcewicz por primera vez empleó el termino NATM, refiriéndose a
conceptos básicos de la práctica de construcción de túneles, con ideas obtenidas de su
trabajo como ingeniero militar en el Ejercito Alemán, construyendo bunkers en el frente
ruso (Patente austriaca 165.573).
Declaración Oficial del Término NATM
En 1980 el Comité Nacional Austríaco de Túneles proclamó oficialmente
una “Definición del NATM”.
NATM según RABCEVICZ:
Aplicación inmediata de un “sostenimiento primario” (revestimiento delgado –
semirígido de HP y pernos) después de la excavación, para que el macizo sufra poca
descompresión.
El “sostenimiento primario o inmediato” se diseña para alcanzar el equilibrio
permanente, alcanzándose un estado secundario de tensiones en el macizo que es
“estable”.
El “sostenimiento primario” se compone básicamente de una combinación óptima y
ajustada a las condiciones imperantes de los siguientes elementos de fortificación:
“pernos”, “hormigón proyectado”, “malla metálica”, “marcos metálicos”, “elementos de
fortificación anticipados en el frente”, etc.
Para garantizar la seguridad de la cavidad y el buen funcionamiento de los
elementos de fortificación se requiere de un monitoreo sistemático.
Se impone, como primer paso en este sentido, el monitoreo de deformaciones o
convergencias de la cavidad.
¿CONTROVERSIAS DEL MÉTODO NATM?
Para muchos (contratistas) cualquier túnel en el que se utilizan
hormigón proyectado y bulones, dimensionados a la baja
• Para otros (eruditos) un sistema de ecuaciones que relaciona
las tensiones y deformaciones de sostenimiento y terreno,
ecuaciones “fáciles”, que pueden resumirse en dos curvas
“características”.
• Para otros (austriacos y asimilados) un método específico que
solo pueden usar con éxito ciertos conocedores con mucha
experiencia (ellos).
• Para otros (ignorantes) un sistema basado en la simple cuenta
de la clasificación geomecánica RMR.
En la práctica, el Nuevo Método Austriaco de Construcción
de Túneles fue caracterizado básicamente por el empleo del
hormigón proyectado como soporte primario
¿CONTROVERSIAS DEL MÉTODO NATM?
Consolidación de las ideas y conceptos iniciales (Müller y
otros):
Utilización de la propia roca como elemento resistente.
Reducción de los daños en el macizo a través del empleo de un
sistema de voladura controlada.
Instalación de un sostenimiento primario flexible, que sea capaz
de otorgar el confinamiento necesario y proteger a la roca de la
meteorización, descomposición y descohesión.
Instalación del sostenimiento en cantidad y oportunidad
adecuadas para cada tipo de macizo – surge el concepto de
“clasificación geotécnica del macizo”.
Necesidad de control sistemático del comportamiento del macizo
y del sostenimiento para comprobar su eficacia y la necesidad de
refuerzo (ajuste) – monitoreo de convergencias.
Instalación de un revestimiento secundario o definitivo para lograr
estabilidad y durabilidad a largo plazo; instalación diferida,
cuando las deformaciones están estabilizadas.
NUEVO MÉTODO AUSTRIACO DE
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES
(NATM)
Los principios generales del método son:
• Excavación cuidadosa del terreno
• Elección de la sección según características geomecánicas
• Sistema de ejecución adaptado a las condiciones del terreno
• Auscultación
NUEVO MÉTODO AUSTRIACO DE DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES (NATM)
Justificación de la bases del Método: En la Figura se observa la curva característica del túnel
correspondiente a una determinada litología (CC), así como
la curva correspondiente al sostenimiento (también conocida
como curva de confinamiento). Ambas curvas se intersecan
en el punto de equilibrio entre túnel y sostenimiento, cuando
se alcancen la presión y desplazamientos (Peq, Ueq)
comunes a las dos curvas CC y CF.
La distancia ud, hace referencia a la distancia al frente de la
excavación del sostenimiento colocado, e indirectamente, a
la deformación transcurrida antes de colocar el mencionado
sostenimiento.
NUEVO MÉTODO AUSTRIACO DE DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES (NATM)
Justificación de la bases del Método:
Luego se deberá de ir controlando la convergencia del túnel a medida que avanza la
excavación, representando la curva de los desplazamientos en función del tiempo
(convergencia) y controlando si tiende al equilibrio (asíntota). En el momento
adecuado, colocaremos nuestro sostenimiento, cuyo comportamiento será conocido
de antemano, y por tanto sabremos hasta dónde se deformará como máximo el túnel.
Si durante las tareas de seguimiento de la convergencia observamos anomalías en las
tendencias que cabía esperar (deterioro del arco autoportante), habría que actuar en
consecuencia.
Por ejemplo, si el túnel se cierra rápidamente, es decir, si los desplazamientos se hacen
muy grandes, indicando altas deformaciones, entonces debemos colocar el
sostenimiento lo antes posible para evitar el colapso del túnel.
Debemos tener en cuenta, que todo este proceso vendrá determinado por las
características geomecánicas del macizo, esto quiere decir, que en rocas de muy
mala calidad, por ejemplo, los avances serán muy cortos y el sostenimiento habrá
de colocarse lo más rápidamente posible; mientras que en rocas con índices de
calidad medios, los avances serán más espaciados y se nos permitirá colocar el
sostenimiento más tarde (dejaremos que la roca entorno al túnel se deforme hasta un
cierto punto).
NUEVO MÉTODO AUSTRIACO DE DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES (NATM)
Justificación de la bases del Método:
Por este motivo, el nuevo método austriaco, aprovecha el
comportamiento del macizo rocoso, haciendo que la propia
roca contribuya a la estabilidad del túnel, al dejar que ésta se
deforme hasta un punto adecuado, en que el
sostenimiento que requerirá no habrá de soportar
tensiones tan elevadas y hará que éste resulte más
económico. Además, podremos colocar los diferentes
sistemas de sostenimiento a una cierta distancia del frente con
lo que se mejorará la seguridad de los operarios que allí
trabajen.
Los distintos tipos de sostenimiento actúan conjuntamente al ir
alcanzando las deformaciones establecidas, lo que nos permite
jugar con el punto de equilibrio y con la presión de
confinamiento que deberá soportar el sostenimiento.
NUEVO MÉTODO AUSTRIACO DE DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES (NATM)
Diversos Nombres denomados NATM
• NATM Nuevo Método Austriaco de construcción
de Túneles (New Austrian Tunneling Method)
L. Von Rabcewicz, Salzburgo, 1962)
• Método convergencia-confinamiento (Francia)
• SCL Túneles construidos con gunita
(Sprayed Concrete Lined Tunnels) (ICE, 1996)
• SEM Túneles con excavación secuencial
(Sequencial Excavation Method)
• NMT Método noruego de túneles
(Norwegian Method of Tunneling)
• Diversos nombres en Japón (CDM, UHVS)
EL ANTERIOR MÉTODO AUSTRIACO DE CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES
CONCEPTOS INHERENTES DEL MÉTODO
Los conceptos inherentes al método nacieron en forma empírico analítica durante
la construcción de túneles en macizos rocosos de los Alpes.
La resistencia mecánica del subsuelo alrededor de la cavidad debe ser movilizada
deliberadamente hasta el máximo grado posible o admisible
El subsuelo puede/debe ser partícipe
en la función portante de la cavidad
La participación se logra permitiendo
que el subsuelo se deforme
Se activa la resistencia al corte
Para aumentar la función portante
del suelo, debe proveerse a éste
un confinamiento radial
Surge la necesidad de instalación de soporte: Hormigón lanzado + pernos
CONCEPTO DE METODOLOGÍA DE ESTABILIZACIÓN
Junto con la excavación se instala el soporte primario – hormigón lanzado + marcos
+ pernos - que es flexible para permitir la deformación del macizo y que, a medida
que se deforma, confiere confinamiento a éste, logrando la estabilización con
participación prioritaria en la acción portante por parte del macizo.
La movilización de la resistencia mecánica del subsuelo se logra permitiendo
que el subsuelo se deforme.
FACTORES GEOLOGICOS GEOTECNICOS
DEFINEN NATM ?
• En suelos la deformación del (Romero, 2002) terreno es grande
y difícil de controlar.
• Se observa cuando se excava un túnel en suelos
secuencialmente y se sostiene con gunita y revestimientos
flexibles.
– Se está utilizando el NATM como método de construcción.
– No se está aplicando realmente la filosofía de diseño del
NATM.
• En rocas la deformación es menor y puede controlarse.
• En un túnel excavado en roca (aunque sea relativamente
blanda) es más fácil aplicar el NATM.
– Como filosofía de diseño
– Como método de construcción
DIFERENCIAS ENTRE EL NUEVO METODO AUSTRIACO UTILIZADO EN EXCAVACION DE
SUELOS Y ROCAS
VENTAJAS DEL CONCEPTO DE ESTABILIZACIÓN DEL MÉTODO
Con soporte muy rígido grandes presiones rotura soporte
Con soporte flexible siempre seguro (hacer monitoreo!)
más económico roca colabora en función portante
Soporte permanente de menor envergadura
NATM
en
Roca
El sostenimiento primario o inicial instalado tendrá características de rigidez -
deformación compatibles / apropiadas para el subsuelo respectivo.
Elementos de sostenimiento permanentes se instalan en forma diferida.
Los túneles son excavados y fortificados
alternada y sucesivamente, en forma cíclica; las
etapas y áreas de excavación pueden ser
variadas en función de las condiciones y
necesidades del proyecto.
Ventajas – Posibilidades
Posibilidad de Subdivisión de Excavación en
frentes Parciales
Control de los esfuerzos en el subsuelo.
Control de las tensiones y esfuerzos en los
elementos de sostenimiento.
Limitación/control de las deformaciones y
asentamientos del terreno.
Mejora de las condiciones de trabajo.
CARACTERÍSTICAS DEL MÉTODO NATM
Posibilidad de Subdivisión de Excavación en frentes Parciales
CARACTERÍSTICAS DEL MÉTODO NATM
METODO UTILIZADO EN SAN EDUARDO
CARACTERÍSTICAS DEL MÉTODO NATM
Túneles Cerro San Eduardo, Guayaquil - Ecuador
METODO UTILIZADO EN SAN EDUARDO
CARACTERÍSTICAS DEL MÉTODO NATM
B
AA
A
C
D A = CUELE AA = CONTRACUELE B = DESTROZA C = ZAPATERA C = CONTORNO
VENTAJAS
Aplicable en amplios campos de condiciones de suelos,
como así su posibilidad de manejo.
Simple y flexible adaptación a diferentes secciones
transversales.
Posibilidad de ajuste durante la excavación.
Flexibilidad en instalación de medidas auxiliares.
Gran economía con la optimización del soporte.
Fácil combinación con excavaciones con TBM.
Poca inversión relativa con rápida amortización.
CARACTERÍSTICAS DEL MÉTODO NATM
DESVENTAJAS
Aplicación en suelos con presencia de agua solamente con
medidas adicionales de soporte.
Tasa de avance relativamente pequeña.
Gran educación, entrenamiento y práctica del personal.
Gran calidad de ejecución y material requerido.
Posibilidad limitada de automatización.
Ajuste distancia entre frentes parciales
Ajuste longitud de avance
Ajuste de la separación entre pernos, la
longitud de estos y su separación
CARACTERÍSTICAS Y VENTAJAS DEL MÉTODO NATM
Posibilidad de ajustes durante la excavación – secuencia y soporte
SOSTENIMIENTO PRIMARIO
El “sostenimiento primario” consiste de un revestimiento
delgado de hormigón proyectado, combinado con
alguno o todos los siguientes elementos de soporte:
Pernos de anclaje
Malla de acero soldada
Fibras de acero o sintéticas
Marcos de alma llena o reticulados
Soportes especiales – Paraguas
Inyecciones de Consolidación
SOSTENIMIENTO DEFINITIVO
El “sostenimiento definitivo o permanente” usualmente se compone de una cáscara de hormigón moldeado simple o armado - el que normalmente se diseña en función de los requerimientos específicos del proyecto, a saber:
Resistencia estructural
Durabilidad, ante incendio, si es necesario
Estabilidad ante acciones diferidas
Impermeabilidad
Aptitud para la ventilación
Aspectos constructivos - Equipamiento
Protección ante acciones externas agresivas
Resistencia a la abrasión,
(túneles hidráulicos, por ejemplo)
MONITOREO PARTE INTEGRANTE DEL NATM
Deformaciones del soporte primario y cargas
actuantes sobre él son monitoreadas a través de
instrumentación, cuyos resultados son usados
para efectuar ajustes en el soporte y la secuencia
de excavación
MONITOREO – PARTE INTEGRANTE DEL NATM
MONITOREO GEOTECNICO PARTE INTEGRANTE DEL
NATM
Extensometros: Monitoreo de Deformaciones
dentro del Macizo
Pernos Convergencia: Esfuerzos de Tracción
Celdas de Presión: Monitoreo de tensiones de la
cáscara y de presiones sobre el Hormigón
Proyectado
EXCAVACIONES UTILIZANDO EL MÉTODO NATM QUE COLAPSARON
METRO BOBOS, BARCELOA
EXCAVACIONES UTILIZANDO EL MÉTODO NATM QUE COLAPSARON TUNEL METRO MUNICH 1993
TUNEL METRO LOS ANGELES,1996
TUNEL CARRETERA SAO PAULO, 1993
Limitación/control de las deformaciones y asentamientos del terreno EN SECCIONES
COMPLETAS
COLAPSO TUNEL EL CARMEN BARCELONA
EXCAVACIONES UTILIZANDO EL MÉTODO NATM QUE COLAPSARON
Limitación/control de las deformaciones y asentamientos del terreno
LAUSANA FRANCIA
EXCAVACIONES UTILIZANDO EL MÉTODO NATM QUE COLAPSARON
MUCHAS GRACIAS
Ing. Víctor Tolentino Yparraguirre Msc.
CURSO METODOS DE
EXCAVACION DE TUNELES