8.sostenimiento y revestimiento de tuneles
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Ing. VICTOR TOLENTINO YPARRAGUIRRE Msc.
SOSTENIMIENTO Y REVESTIMIENTO DE
TUNELES
CURSO METODOS DE
EXCAVACION DE TUNELES
INTRODUCCION • Debemos tener en cuenta que el sostenimiento de
roca es un término usado para describir procedimientos y materiales aplicados para mejorar la estabilidad y mantener la capacidad portante de la roca circundante a la excavación. El objetivo principal de un elemento de sostenimiento es movilizar y conservar el esfuerzo o resistencia inherente a la masa rocosa para que se autosoporte.
• El sostenimiento de roca generalmente combina los efectos de refuerzo con elementos tales como pernos de roca y soportes con la aplicación de hormigón proyectado, malla metálica y cimbras de acero, los cuales soportan cargas de bloques rocosos aislados por discontinuidades estructurales o zonas de roca suelta.
CICLO DE TRABAJO EN LA EXCAVACION
PERFORACION
(0.00-0.40T)
SOSTENIMIENTO
(0.75-0.90T)PERNOS
SOSTENIMIENTO (0.90-1.00T)
SHOTCRETE
PERFORACION
(0.00-0. 00T)
LIMPIEZA (0.42-0.75T) VOLADURA
(0.40-0.42T)
40% 2 % 33%
15%
10%
40%
110
1 23
4
11
9
12
75
6
2
3
8
10
37
95 36
PERFORACION Y VOLADURA
RELACION CON EL
SOSTENIMIENTO
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
RESISTENCIA DEFORMABILIDAD
RESISTENCIA A LA TRACCIÓN
RESISTENCIA A COMPRESIÓN
UNIAXIAL: RCU
RESISTENCIA A COMPRESIÓN
TRIAXIAL: COHESIÓN = C
ANGULO DE FRICCIÓN = Ø
MÓDULOS ELÁSTICOS:
MÓDULO DE YOUNG = E
MÓDULO DE POISSON = V
ENERGIA REQUERIDA DEL EXPLOSIVO
PARÁMETROS GEOMECÁNICOS
PROPIEDADES DE INGENIERÍA
PERFORABILIDAD DE LA ROCA
La perforabilidad de las Rocas estarán en función a las propiedades físicas que influyen en los mecanismos de penetración y consecuentemente en la aleación del método de perforación.
Estas propiedades son:
– Dureza
– Resistencia a la Compresión
– Elasticidad
– Plasticidad
– Abrasividad
– Textura
– Estructura
– Características de rotura.
PERFORABILIDAD DE LA ROCA
ESTRUCTURA
Las propiedades
estructurales de los macizos rocosos, tales como la esquistocidad, planos de estratificación, juntas, diaclasas y fallas así como el rumbo y el buzamiento de estas afectan a la linealidad de los barrenos, a los rendimientos de perforación y a la estabilidad de las paredes
de los taladros.
VOLADURA EN ROCAS CON
ESTRUCTURAS
PERFORABILIDAD DE LA ROCA
ESTRUCTURAS
CALIDAD DE LA PERFORACION
INFLUYE EN UN 75 % EN LA
VOLADURA
HECHO UN DISEÑO DE
PERFORACION, SE COMETE
ALGUNOS ERRORES COMO:
1. Error de Replanteo.
2. Error de Inclinación y
Dirección.
3. Error de Desviación.
4. Error de Profundidad.
5. 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
VOLADURA SOBREDIMENSIONADA
ZONA DETERIORADA POR
VOLADURAS MUY POTENTES
VOLADURA EN ROCAS CON ESTRUCTURAS
SOSTENIMIENTOS Y
REFUERZOS EN EL MACIZO
ROCOSO
SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO
• Usualmente se denomina soporte de rocas a los procedimientos y materiales utilizados para mejorar la estabilidad y mantener la capacidad de resistir las cargas que producen las rocas cerca al perímetro de la excavación subterránea. Se puede clasificar a los diversos sistemas en dos grandes grupos:
LOS DE APOYO ACTIVO; que viene a ser el REFUERZO de la roca donde los elementos colocados pasan a ser parte integral del Macizo Rocoso.
LOS DE APOYO PASIVO; donde los elementos colocados vienen a ser el SOSTENIMIENTO del Macizo Rocoso, son externos al Macizo y deben soportar cualquier movimiento interno de la roca que esta en contacto con el perímetro excavado.
ACTIVO
BARRA HELICOIDAL
PERNOS CON RESINA
PERNOS CON ANCLAJE
(REFUERZO)
ACTIVO SPLIT SET
SWELLEX
(REFUERZO)
CABLES
PASIVO
MALLA
CINTAS METALICAS
CIMBRAS
(SOPORTE)
PASIVO
SHOTCRETE
CUADROS DE MADERA
(SOPORTE)
Cuadro recto
Cuadro cónico
Cuadro cojo
SOSTENIMIENTO
PERNOS DE ANCLAJE
Elementos de Sostenimiento
A - Perno con anclaje expansivo
B - Estabilizador de Fricción
C - Perno Cementado
RESISTENCIA EN TRACCIÓN
La acción principal de todos de pernos para roca es
el de resistir el movimiento o el disloque del terreno.
En general en la roca dura este disloque es el
resultado por las fallas y fracturas. Estas fracturas
y estratos se abren con el tiempo debido a la
presión vertical o horizontal, por el efecto de la
gravedad en los bloques y con el efecto de las
variaciones en la temperatura y humedad en la roca
masiva.
Un perno para roca con anclaje de
expansión controla el movimiento o el
desplazamiento de la masa rocosa
induciendo la presión de la tensión de la
barra entre el anclaje y la platina de
apoyo. Este tipo de soporte produce
una tensión de aproximadamente 3.5 Tn
y tiene una resistencia en tracción
(ROTURA) máxima de 12,5 Tn.
Utilizado generalmente en las estructuras
de roca masiva con bloques o estratas.
PERNOS CON ANCLAJES DE EXPANSIÓN
Estabilizadores de fricción están
constituidos por un trozo de tubo de
acero más ancho que el diámetro de la
perforación y que es partido a lo largo
por el centro. La fricción ejercida por
los costados del perno lo mantienen
en su lugar creando fuerzas que se
extiendan radicalmente. Este proceso
provee la fuerza de fricción (1–1.5
Tn/pie) que actúa previniendo el
movimiento o separación del terreno.
Utilizado generalmente en roca
severamente agrietada o fracturada
sujeta a condiciones de baja tensión.
ESTABILIZADORES DE FRICCIÓN “SPLIT SETS
Verificar la resistencia del perno durante la instalación, el tiempo de instalación por un estabilizador de 2,1 metros (7 pies) debe ser 1 hasta 1,5 minutos.
La resistencia de un estabilizador de fricción se puede variar con ;
1. Diámetro del taladro
2. Tipo de roca
3. Fracturas, fallas
RESISTENCIA DURANTE LA INSTALACIÓN
Los pernos fabricados de acero corrugado
instalados en una lechada de resina o
cemento resiste el movimiento del terreno
debido a los puntos de contacto del
enclavamiento mecánico del perno. La
unión resina o lechada con la roca
depende de las irregularidades
encontradas dentro de la perforación y de
la estructura de la roca (- + 10 Tn/pie).
Se recomienda para todos tipos de
estructuras para el sostenimiento de altra
resistencia y a largo plazo.
( LECHADA DE RESINA O CEMENTO)
PERNOS CEMENTADOS
PERNOS DE BARRA DE CONSTRUCCION
DESCRIPCIÓN: Pernos de Barra de Construcción, barras
laminadas en caliente con resaltes, con roscas cortadas en un
extremo para aceptar una tuerca cuadrada. Las roscas
conformen con 3/4” – 10 NC o 1” – 8 NC.
PERNOS CEMENTADOS
BARRA HELICOIDAL
DESCRIPCIÓN: (BH)- Barras laminadas en caliente con resaltes en forma
de rosca helicoidal de amplio paso. El diseño de hilo permite colocar una
tuerca que puede rodar longitudinalmente por los resaltes a lo largo de la
barra.
PERNOS CEMENTADOS
T = y x h x S 2
T = Peso del bloque muerto
y = Peso unitario de la roca ( 2.7 ton/m 3 )
h = Potencia de la zona inestable ( 1.5 m )
S = Espaciamiento entre pernos ( 1.2m x 1.2m )
s
h
s
ZONA DE ANCLAJE
BLOQUE A SOPORTAR POR UN PERNO CEMENTADO
T= 2.7ton/m3 x 1.5m x 1.2m x 1.2m
T= 5.83ton
Peso de un bloque suspendido
BLOQUE A SOPORTAR POR UN ELEMENTO
DE SOSTENIMIENTO
L= profundidad de las capas (X) +Zona anclaje (Z)
LONGITUD DEL ELEMENTO DE SOSTENIMIENTO
RESPECTO A LA ZONA ANCLAJE
L = 1,4 + ( 0.18 x W )
L = longitud del perno (m)
W= ancho de la abertura (m)
Ejemplo: Galería de 3.5 metros (W)
L = 1,4 + (0.18 x 3,5) =
Longitud del perno 2.03m (L)
LONGITUD DEL ELEMENTO DE SOSTENIMIENTO
RESPECTO AL ANCHO DE LA ABERTURA
1.5 terreno regular
2.0 terreno malo
L = longitud del perno,
E = espaciamiento de los pernos
Ejemplo:
Perno de 2.25m (L)
2,25 \ E = 2.0
Espaciamiento de 1.1m (E)
L \ E = 1.5 – 2.0
ESPACIAMIENTO DE LOS ELEMENTOS
P = Rc x S = x U x L
S = x d2 /4
U = x d
= 0.25 x Rc x d/L
P = Capacidad de apoyo del perno ( Kg)
Rc = Resistencia a la tracción mínima del perno = 6330 Kg/cm2
S = Área del perno (cm2)
d = Diámetro del perno (cm)
= Adherencia entre el perno y el cemento (Kg/cm2)
U = Circunferencia del perno (cm)
L = Longitud del perno (cm)
Donde:
CAPACIDAD DE SOPORTE DE UN PERNO CEMENTADO
= 0.25 x Rc x d / L
= 0.25 ( 6330 Kg/cm2)( 2.2cm ) / (180cm)
= 19.34 Kg/cm2 = 1.89 MPa.
S = x r2 = 3.1415 ( 1.1 cm ) 2 = 3.8 cm2
U = x d = 3.1415 ( 2.2 cm ) = 6.91 cm
P = x U x L = (19.34 Kg/cm2)(6.91 cm)(180cm )
P = 24060 Kg = 24 ton ( 234.6 KN )
Datos: Perno helicoidal de 7/8” x 1.80m
( d =2.2 cm, r = 1.1 cm, L = 180 cm)
CAPACIDAD DE SOPORTE DE UN PERNO CEMENTADO
TIPO DE PERNO RESISTENCIA
Barra De Construcción 3/4” = 18 ton (176 KN)
Barra Helicoidal 7/8” = 24 ton (235 KN)
Barra De Construcción 1” = 32 ton (313 KN)
CAPACIDAD DE SOPORTE DE UN PERNO CEMENTADO
Perno de L = 1.8m, = 7/8” capacidad de apoyo de 24 ton
FS = 24 ton /5.83 ton = 4.12
Perno de L = 1.8m, = 3/4” capacidad con apoyo de 18 ton
FS = 17.9 ton /5.83 ton = 3.08
Perno de L = 2.0m, = 1”
capacidad de apoyo de 32 ton
FS = 32 ton /5.83 ton = 5.49
FACTOR DE SEGURIDAD
Tiempo de fragua y dimensiones :
Rapido 30 segundos 28mm x 305 mm
Lento 2 – 4 minutos 28mm x 305 mm
Fabricado y patentado por CASTEM E.I.R.L. como producto novedoso en su
sistema de fabricación y empleo de los componentes.
CARTUCHOS DE RESINA
Con cartuchos de cemento;
Diámetro de la perforación = de la barra + 10 a 20mm
Con cartuchos de resina;
Diámetro de la perforación = de la barra + 10 a 15mm
Con lechada de cemento;
Diámetro de la perforación = de la barra + 10 a 26mm
DIAMETRO DE LA PERFORACION
La colocación de la platina de un perno para
roca mejorará la fortificación del terreno.
Los angulos de un perno con la superficie de la roca
deben tener 90 grados o un máximo de inclinación de
10 grados (ejemplos B,D) y la planchuela debe colocarse
pegado a la roca (ejemplos no aplicables A,C y E)
Instalación de los Elementos de Sostenimiento
El tipo de la superficie de la roca es significativo en
la planificación del espaciamiento de los pernos por
la existencia de bloques y de las fracturas (A) o la
orientación de los estratos (B) requieren una
flexibilidad en la colocación de los pernos.
Instalación de los Elementos
de Sostenimiento
ANGULO DE LA INSTALACIÓN
RESISTENCIA :
A - 90 GRADOS = 100%
B - 45 GRADOS = +- 70%
PROBADOR HIDRAULICO
Un dispositivo de prueba hidráulico extensible es
necesario para asegurar la función de los elementos
de sostenimiento, éste permite determinar él limite
elástico y la carga máxima de la barra y la
resistencia máxima del anclaje.
Probador con cilindro hidráulico
Bomba
hidráulico
DIAMETRO DE LA PERFORACION
A - Reduciendo el diámetro de la perforación
mediante la utilización de una broca de 32 mm para
los pernos de 19.05 mm y 22 mm va a reducir el
tiempo de perforación en un promedio de 20 – 30
% comparado a una broca de 38 mm.
B - La utilización de un diámetro de perforación
inadecuado puede producir importantes
variaciones en la rigidez del perno
particularmente implica un gasto innecesario de
mortero (cemento o resina) y la posibilidad de
una mezclado de la resina inadecuada.
SOSTENIMIENTO CON SPLIT SET
Los estabilizadores de fricción (split set) son constituidos por un tubo de acero tipo estructural seccionado en su longitud. La fricción ejercida por el split set al ser introducido en el taladro crea fuerzas que se extienden radialmente, previniendo el movimiento o separación del terreno.
DESCRIPCIÓN DE LOS SPLIT SET-ACCESORIOS
C: 40m B: 4.5 mm A: 15mm
L: 4’ – 5’ – 6’ – 7’ (E) Diámetro externo : 39-9.5mm (B) Bisel : 70mm (D) Espesor acero : 2.3mm (C) Ranura : 14mm (A) Ahusado : 30-34mm Anillo: 6mm Ø
En el taladro el tubo ejerce presión radial contra la roca, su contacto es longitudinal y provee un inmediato soporte al macizo rocoso.
FUNCIONAMIENTO DEL SPLIT SET
SOSTENIMIENTO CON MALLA ELECTROSOLDADA La malla electrosoldada se usa en combinación con split set, tanto en labores temporales como en stopes. La malla consiste de una cuadricula de alambres de acero de 4.2 mm. de diámetro, soldadas en su punto de intersección cada 3”.
CONTROLES EN MALLA ELECTROSOLDADA El control en este caso se realiza diariamente y en forma visual, teniéndose en cuenta lo siguiente:
• La malla debe estar pegada a la roca.
• El traslape debe ser de tres cocos y el perno debe de instalarse en el coco central.
• La malla se debe de instalara 1.5 m. del piso.
PERNOS MECANICOS CON ANCLAJE DE EXPANSIÓN CC 35
E Diámetro nominal 5/8" (15.8 mm)
T1 Longitud de roscas 9/16" laminadas extremo tuerca 25 - 100 mm ( 1- 4 " )
T2 Longitud de roscas 9/16" laminadas extremo anclaje 140 mm ( 5.5" )
L Longitud del perno en metros ±6.4 mm
TUERCAGrado 2, roscas 9/16" NC. x 1 1/8" cuadrada
LONGITUDES DISPONIBLES: 1.0m - 1.5m - 2.0m - 3.0m
Grado - SAE 1045 Roscas Laminadas 9/16"
PLATINA DE APOYO TIPO CUPULA: Acero A36, agujero 15/16" Espesor: 6.4 mm ( 1/4" ) Largo : 127mm-150mm ( 5" - 6" ) Ancho : 127mm-150 mm ( 5" - 6" )
PERNOS MECÁNICOS CON ANCLAJES DE
EXPANSION
La acción de girar la tuerca hace que la cuña roscada se mueva a lo largo de la porción extrema roscada del perno, además de forzar las hojas laterales del anclaje hasta ampliar su diámetro y entrar en contacto con la pared del taladro. Esto da lugar a una resistencia de fricción en el extremo del anclaje y tensión en el perno. Esta tensión es relativa a la cantidad de esfuerzo de torsión (torque) aplicado y del tipo de roca en que se apoyará el anclaje.
Los pernos mecánicos con anclajes se utilizan generalmente en estructuras de roca masiva con bloques o estratificado. Se usa un adaptador con una caja de 28mm cuadrada (1 1/8") y un barreno hexagonal de 7/8" para la instalación del perno.
36-38 mm.
PARAMETROS A CONSIDERAR EN LA INSTALACION DE PERNOS MECÁNICOS CON ANCLAJES:
Diámetro de perforación: 36-38mm
TORQUE: 100-200 lb-pie
Tipo de Roca: masivo-estratificado, calidad II-IIIA (RMR>50)
Con una inclinación de 45 grados un perno puede perder hasta un 50% de su tensión final por cizallamiento. Ejemplo de un perno mecánico de 5/8” con cabeza forjada hecho en acero SAE 1045.
ANGULO DE INSTALACIÓN
ANGULO TENSIÓN
0° 100%
10° 80%
35° 60%
45° 50%
ADAPTADOR ESTANDAR PARA LA INSTALACION DE PERNOS MECANICOS
Cortar el culatín del barreno a 7.5cm (3 pulg.) del collarín.
·Revisar el estado del perno,las roscas y el anclaje
·Asegurarse que los anclajes giren libremente
·Ajustar el anclaje al diámetro del taladro
·Sacar la camisa plástica del anclaje antes de insertarlo ·Se recomienda un torque y tensión adecuada para la instalación
AL INSTALAR LOS PERNOS CON ANCLAJES, NO OLVIDE...
Alas de fricción
Camisa plástica
SOSTENIMIENTO DE
EXACAVACIONES SUBTERRANEAS
CON HORMIGON LANZADO
(SHOTCRETE)
“El arte de excavar túneles radica en ser
capaz de colocar el sostenimiento
adecuado, a la distancia del frente
adecuada y en el tiempo adecuado”
PRIMERA
MÁQUINA
DE
IMPULSIÓN
1907
HISTORIA DEL SHOTCRETE
HISTORIA DEL SHOTCRETE
1907 Carl Ethan Akeley.
Museo de Ciencia
Natural de Chicago.
1911 “Cement Gun”
1918 Se incorpora y
propaga el
procedimiento en
Europa.
1930 Surge termino
“Shotcrete”
“American Railway
Engineering
Association”.
1935 Se hacen las
primeras pruebas
de shotcrete a
flexion
1945 George Senn.
Spribag
Compañía
(antecesora de
ALIVA) desarrolla
equipo de tornillo
1957 Desarrollo de
máquina de rotor.
Se implanta via
húmeda.
HISTORIA DEL SHOTCRETE
• 1945 vía húmeda, después de la segunda guerra mundial
• 1954 Definición oficial por el Instituto Americano del Concreto (A.C.I.)
HISTORIA DEL SHOTCRETE
TIPOS DE APLICACIÓN
• SHOTCRETE VÍA SECA
• SHOTCRETE VÍA HÚMEDA
SHOTCRETE CON ROBOTS (VIDEO)
SHOTCRETE = HORMIGON LANZADO
MATERIAL QUE SE COLOCA Y COMPACTA
MEDIANTE IMPULSIÓN
NEUMÁTICA, PROYECTÁNDOSE A GRAN
VELOCIDAD SOBRE UNA SUPERFICIE
DETERMINADA.
CARACTERISTICAS DEL HORMIGON
LANZADO
Las principales características que indican al concreto lanzado
como un elemento efectivo de sostenimiento son:
El concreto lanzado previene la caída de pequeños trozos de
roca de la periferia de la excavación, evitando el futuro
deterioro de la roca.
Mantiene el entrabe de las posibles cuñas o bloques sellando
las discontinuidades o grietas producidas por la voladura.
La acción conjunta del concreto lanzado y la roca produce una
fuerza tangencial en la interfase, que impide que la roca y el
concreto lanzado se deformen independientemente.
PROPIEDADES DEL HORMIGON LANZADO
Estructura interna consta de
agregados más finos y
mayor cuantía de cemento.
La proyección forma poros
aislados que mejoran
resistencia a congelamiento
y deshielo.
Colocación por capas
interrumpe continuidad de
fisuras.
Excelente adherencia a
soporte (limpio, y saturado
con superficie seca.)
Baja permeabilidad y baja
absorción.
Mayor contracción por secado
en razón a la alta cuantía de
cemento.
PROPIEDADES DEL HORMIGON LANZADO
MATERIALES PARA EL HORMIGON LANZADO
Deben cumplir las mismas normas
que regulan el concreto convencional.
Exige gradaciones finas.
Gradaciones gruesas obstruyen
equipos e incrementan el rebote.
Gradaciones muy Finas no generan
mucha adherencia y también cae.
MATERIALES PARA EL HORMIGON
LANZADO
AGREGADOS :
Calidad Misma calidad que los agregados de
concreto normal, en especial :
• Limpios
• Resistentes
• Duros
• Granulometría apropiada
Prestar atención a : Densidad y absorción
Ya que son buenos índices de su calidad !
Forma
Deben preferirse agregados
rodados ó redondeados a
los de trituración ó
chancados , ya que se
reduce el Rebote.
Humedad
La óptima está entre 3%
a 6%; para vía seca.
MATERIALES PARA EL HORMIGON
LANZADO
AGREGADOS :
GRANULOMETRIA IDEAL COMBINADA (NORMA
ACI - 506
TAMIZ Mm 9 mm 12.5 mm 19 mm
N°.1 N°.2 N°.3
3/4" 100
1/2" 100 80-95
3/8" 100 90-100 70-90
N°.4 95-100 70-85 50-70
N°.8 80-100 50-70 35-55
N°.16 50-85 35-55 20-40
N°.30 25-60 20-35 10-30
N°.50 10-30 8-20 5-17
N°.100 2-10 2-10 2-10
MATERIALES PARA EL HORMIGON
LANZADO
Cemento :
En general se puede usar : -Cemento Pórtland Tipo I y III
-Cementos puzolanicos
-Cementos siderúrgicos ó Adicionados
Resistencia a ataque químico : Cuando prevalezcan las consideraciones de
durabilidad usar:
-Cemento adicionado con microsílica
-Cemento Tipo II y V
-Aditivos reductores de agua .
-Incorporadores de aire
Agua : Debe cumplir con los requisitos de “Agua para el
amasado de concreto” de acuerdo a la Norma NTP
vigente ó se seguirá la recomendación ACI :
MATERIALES PARA EL HORMIGON
LANZADO
Se considera apta para la
elaboración de concreto
toda agua sin color
apreciable, ni olor
desagradabe, se preferirá
en general agua potable.
Fibras de Refuerzo : Debe cumplir con los requisitos de La norma
ASTM A 820 – Tipo I, ya que este Tipo de Fibra es la
única diseñada para reemplazar la malla
eléctrosoldada.
Debe poseer anclajes mecánicos en los extremos
La relación Longitud /Diámetro debe ser igual ó
mayor de 45.
El Acero debe tener bajo contenido de Carbono.
MATERIALES PARA EL HORMIGON
LANZADO
Aditivos Acelerantes de Fraguado:
•Aditivos Alcalinos (PROHIBIDO SU USO)
•Aditivos Libre de Álcalis
MATERIALES PARA EL HORMIGON
LANZADO
Resistencia en compresión vs Relación Agua/Cemento
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3
Relación Agua/cemento en peso
Re
sis
ten
cia
en
co
mp
resió
n f
´c e
n k
g/c
m2
RESISTENCIA – RELACION AGUA CEMENTO
METODOS DE LANZADO
VIA HUMEDA
Clasificación :
VIA SECA
METODO DE LANZADO POR VIA SECA
Lanzado vía seca ZONA DE PRESA
METODO DE LANZADO POR VIA SECA
• PREPARACION DE MEZCLA SECA
• MEZCLA SE CARGA EN MAQUINA
IMPULSION
• EQUIPO INTRODUCE MATERIAL
HACIA MANGUERA
• MATERIAL ES IMPULSADO POR
AIRE COMPRIMIDO HACIA LA
BOQUILLA
• EN BOQUILLA SE INTRODUCE
AGUA CON ADITIVO A TRAVES DE
ANILLO PERFORADO QUE
DISTRIBUYE HOMOGENEAMENTE
• EL MATERIAL ES LANZADO A ALTA
VELOCIDAD.
Agua
Bomba de dosaje de
Acelerante separada
Dosis de acelerante &
relación A/C
controlada por el
operador
Aire
Mezcla seca -
Agregados, cemento ( fibras)
Acelerante
Rendimiento : Menos de 1 m3/hr
Rebote : Agregados - 30 to 50%
Fibras de acero - 30 to 50%
Mezcla seca + aire
SHOTCRETE VIA SECA (DESDE 1907)
Aire+Agregados+Cemento
Agua+acelerante
DRY MIX
Se facilitan ciertas condiciones de
aplicación. (filtraciones).
Permite bajas relaciones A/C
Maquinaria más económica.
Mayor energía de compactación.
Mayor densidad de mezcla colocada.
METODO DE LANZADO POR VIA SECA
VENTAJAS
METODO DE LANZADO POR VIA SECA
DESVENTAJAS Gran polución de polvo
Mezcla controlada por el Operador de manera empírica (Experiencia)
Dosificación irregular de la mezcla
Gran variación en sus resultados
Baja producción (< a 1 m3/hr)
Alto rebote (de 25% a 40%).
Condiciones de aplicación ambientalmente inconvenientes
ES POSIBLE OPTIMIZAR EL USO
DEL SHOTCRETE VÍA SECA?
• Controlando la dosificación de la mezcla
• Controlando la dosificación del agua durante
el lanzado relación agua/cemento
• Controlando la dosificación del aditivo
acelerante durante el lanzado
• Controlando la distancia de lanzado (1 – 2 m)
• Realizando ensayos frecuentemente para
optimizar y/o mejorar el diseño
DISEÑO DE MEZCLA
La mezcla de concreto lanzado debe contener los siguientes
componentes pero medidos por METRO CUBICO:
Cemento : 9 – 10 bolsas(42.5Kg.c/u)
Agregado (max. 12.5 mm.) : 1 m³
Relación agua/cemento:
- Mezcla seca : 0.3 - 0.5
- Mezcla húmeda : 0.4 - 0.6
Acelerante : 3.5 – 3.7 Galones/m³
EQUIPOS VIA SECA
RED LOVA
HORMIGÓN PROYECTADO POR VIA HUMEDA
Hormigón Proyectado vía Húmeda
Acelerante
Mezcla húmeda -
agregados, cemento, agua
aditivos
MEZCLA HÚMEDA BOMBEADA
Aire Comprimido
Acelerante Bomba de dosaje de
acelerante integrada
Rendimiento : 4 to 5 m3/hr
Rebote: Agregados - 2 to 10%
Fibras de acero – 2% to 10%
Control de dosaje del
acelerante y volumen de
aire en la bomba
SHOTCRETE VIA HÚMEDA (DESDE 1970)
METODO DE LANZADO POR VIA HUMEDA
El concreto se
transporta con
toda el agua de
amasado, el
aditivo se
coloca en la
boquilla
METODO DE LANZADO POR VIA HUMEDA
VIA HUMEDA (Ventajas)
Mayor control sobre relación A/C.
Permite uso de súper plastificantes.
Mejor distribución del agua en la mezcla.
Menor rebote que en vía seca.
Mayor rendimiento de colocación.
Mayor homogeneidad entre capas
Permite uso de equipos “convencionales” de
bombeo de concreto normal (Flujo Denso).
METODO DE LANZADO POR VIA HUMEDA
VIA HUMEDA (Desventajas)
Equipos más costosos con mantenimiento más
exigente.
Mayor logística y coordinación entre planta de
mezcla y obra Menor calidad en la compactación que en la vía
seca.
No es muy eficaz donde hay filtraciones de
agua. Equipos grandes y limitados para labores
pequeñas.
METODO DE LANZADO POR VIA SECA
FLUJO DILUIDO
•Equipo especial (rotor)
•No requiere
bombeabilidad.
•Mayores requerimientos
de aire.
•Mejor calidad en
compactación
•Apto para vía seca.
FLUJO DENSO
•Bomba de concreto
•Mezcla debe ser
bombeable.
•Inferiores volúmenes de
aire requeridos.
•Mayor requerimiento de
acelerante.
•No apto para vía seca.
FLUJO DILUIDO
• No exige concreto bombeable
• Se prepara una mezcla normal apta
para ser lanzada (10 cm asentamiento
se puede hasta con 5 cm)
• Se introduce el material en la
tolva de la máquina.
• Aire a gran caudal transporta la mezcla a la boquilla. • El aditivo se introduce en la boquilla o antes de, mediante un
aditamento de inyección.
aliva AL 262
FLUJO DENSO • Se prepara un mezcla de concreto
bombeable
• El material se introduce en tolva
alimentadora de equipo de
impulsión (bomba)
• Equipo introduce el material hacia
la manguera
• Material es impulsado por accionamiento mecánico a la
boquilla
• En la boquilla se introduce aire a presión junto con el aditivo
liquido y se mezcla
• El material es lanzado a alta velocidad hacia la superficie
EQUIPOS VIA HUMEDA
Equipo
aliva AL 500
VIA HUMEDA
VIA HUMEDA
Equipo
aliva para
minería
VIA HUMEDA
USO EQUIPOS MECANIZADO VIA HUMEDA
• Primeras aplicaciones posteriores a la segunda guerra mundial
• Mayor desarrollo tecnológico a partir de 1971
• Entre 1971 y 1980 Noruega migró de 100% vía seca a 100 % vía húmeda
• Aplicación de manual a robótica
EQUIPOS ROBOTS
EQUIPOS VIA HUMEDA
COMPARACION REBOTE TIPICO (Con aditivo)
VIA HUMEDA Y VIA SECA
SUPERFICIE VIA SECA VIA HUMEDA
Soleras 2% a 7% 0% a 5%
Verticales 5% a 10% 2% a 7%
Sobre cabeza 10% a 20% 5% a 15%
FACTORES MEZCLA SECA MEZCLA HUMEDA
- Alta resistencia debido al ratio bajo - Ratio agua-cemento, es alto.
entre agua-cemento.
CALIDAD - La mezcla depende de la adición del - Mezcla homogènea.
agua que es regulada por el operador
manualmente.
VELOCIDAD - Alta, buena adhesión y fácil de aplicar - Adecuado para el trabajo en minería.
DE IMPACTO en bóvedas.
ADITIVOS - En polvo para agregar a la mezcla seca. - Generalmente líquido, se mezcla con el agua.
- Alta producción de polvo, puede ser - Muy poco polvo y mejor visibilidad.
reducida teniendo el agregado con una
POLVO humedad promedio de 5 a 6%.
- Da buenos resultados en zonas con - En zonas con agua no pega la mezcla.
poca agua.
COMPARACION ENTRE CONCRETO LANZADO SECO Y HUMEDO
FACTORES MEZCLA SECA MEZCLA HUMEDA
- Bajos costos de inversión - Mayor costo de inversión
- Mantenimiento simple y poco frecuente - Rinde mayor producción.
EQUIPO - Difícil de limpiar. - Más fácil de limpiar.
- Equipo compacto y adaptable en túneles - Consume 60% menos de aire comprimido
con espacios limitados
- Se hace frecuentemente en el sitio de - La dosificación de la mezcla es más precisa
trabajo o se lleva la mezcla seca dado que el agua forma parte de esta.
preparada.
MEZCLA - No hay buen control de la relación - Mejor control de la relación agua-cemento.
agua-cemento.
- La mezcla puede ser transportada - En largas distancias la mezcla puede fraguar.
grandes distancias.
RENDIMIENTO - En promedio 5m3/hora. - En promedio de 2 a 10 m3/hora, con
manipulador mecánico puede alcanzar
20 m3/hora.
- Puede ser entre 15-40% en paredes - Generalmente es 10% en promedio, o menos.
REBOTE verticales y entre 20-40% en la bóveda.
El rebote forma vacíos en los hastiales.
- Alta pérdida de agregados y cemento. - Poca pérdida de materiales.
COMPARACION ENTRE CONCRETO LANZADO SECO Y HUMEDO
PROCEDIMIENTOS EJECUTIVOS
PARA LA APLICACIÓN DE
HORMIGON LANZADO O
SHOTCRETE
(SUGERENCIAS DE OPERACIÓN)
ANTES DE SU APLICACIÓN
Preparar la superficie de aplicación con un buen
desatado, de ser posible perfilando la superficie.
Eliminar
Eliminar
Lavado de la superficie para quitar el polvo, puede ser con agua o aire comprimido.
Colocación de calibradores (1 Unid/2m²) para el control del espesor.
ANTES DE SU APLICACIÓN
Calibradores
SUGERENCIAS DE OPERACION
Calidad depende de la destreza del lanzador.
El flujo de concreto debe ser continuo.
Podrían presentarse sobredosificaciones o
deficiencias de aditivo o agua cuando se
bombea en vacío.
La distancia de la boquilla al sitio debe estar
entre 0,5 mts a 1,5 mts (vía seca) y hasta 2.0
mts en vía húmeda.
La colocación se inicia de abajo hacia arriba.
Cuando la estructura es reforzada se
acercará más la boquilla para evitar sombras
tras la armadura.
La inclinación de la boquilla debe ser
perpendicular o levemente inclinada
(máximo 10 grados).
Cuando se lanza por capas se retirará el
rebote y se dejará superficie rugosa.
SUGERENCIAS DE OPERACION
SHOTCRETEADO ELEMENTO CON ARMADURA
POSICIÓN PARA LANZAR
Correcta Posición para lanzar
Posición para lanzar
Angulo o Posición del Lanzado
vs. Rebote
BAJO REBOTE ALTO REBOTE MAXIMO REBOTE
Movimiento de la boquilla (ambos casos)
CONTROL DE
CALIDAD
DEL HORMIGON
LANZADO
DOSIFICACIÓN Y
MEZCLADO TRASIEGO
LANZADO
CONTROL DE
CALIDAD
MUESTREO ENSAYO
VERIFICACIÓN
PROCESO DE APLICACIÓN Y CONTROL
DE CALIDAD
CONTROL DE CALIDAD
HORMIGON LANZADO
Tomar panel de prueba a diario o cada 40
metros cúbicos. ASTM C1140.
Para determinar la resistencia a la
compresión del Shotcrete se extraerán
testigos diamantinos cilíndricos ó cubos
tallados.
Para determinar los Índices de Tenacidad
del Shotcrete reforzado con fibras de
Acero se tallaran vigas.
Llenado de
los Paneles
para Ensayos
PASO 1
PASO 2
PASO 3
PASO 4
CONTROL DE CALIDAD
HORMIGON LANZADO
CONTROL DE CALIDAD
HOTIGON LANZADO
CONTROL DE CALIDAD
HORMIGON LANZADO
Extractora
Diamantina
para
obtener
Testigos
Cilíndricos y
Máquina de
corte para
Tallados.
Testigos Diamantinos Cilíndricos
CONTROL DE CALIDAD
HORMIGON LANZADO
CONTROL DE
CALIDAD
HORMIGON LANZADO
Máquina para
determinar la
Resistencia a
la Compresión
del Concreto
CONTROL DE CALIDAD HORMIGON LANZADO
VIGAS TALLADAS (PARA ENSAYO DE TENACIDAD)
Ensayo de Flexo
tracción para
determinar los
Índices de
Tenacidad
CONTROL DE CALIDAD
HORMIGON LANZADO
CONTROL DE CALIDAD
HORMIGON LANZADO
ENSAYOS LABORATORIO CALIZA
Resistencia a la compresión : 133.62 Kg/cm²
ENSAYOS
LABORATORIO
CALIZA
HORMIGON LANZADO CON FIBRA
La fibra se mezcla como si fuera un agregado adicional.
La proporción de esta fibra la recomienda el proveedor,
pero es bueno realizar pruebas hasta obtener la óptima.
Una de las desventajas del concreto lanzado normal, es
su baja resistencia a la tensión, y muchas veces se ve
agrietado por los movimientos de la roca después de
fraguado el concreto, por lo que es conveniente usar fibra.
VENTAJAS DE USAR FIBRA
Mejoran sus propiedades mecánicas del concreto,
haciendo que disminuya su fragilidad,en combinación
con pernos de anclaje aumenta su capacidad portante.
Aumenta la ductilidad del concreto después de su
fisuración.
Aumenta la resistencia a la rotura y la capacidad de
absorción de energía.
Aumenta la resistencia a la tracción.
Aumenta la resistencia a la aparición y propagación de
grietas por contracción.
Aumenta la resistencia al impacto y a la cizalladura.
Mejora el comportamiento a la flexo tracción.
Aumenta la durabilidad del concreto.
FIBRAS
METALICAS
FIBRA SISTENTICA
MALLA METALICA
OTROS CAMPOS DE APLICACION
TUNELES Y CAVERNAS
Impermeabilización de obras con
filtraciones durante su excavación Regularización de superficies en
excavaciones
Como revestimiento definitivo o
provisional.
Ideal en túneles por sus altas
resistencias iniciales.
PISCINAS Y
RESERVORIOS
DE AGUA
PISCINAS (Santa Clara)
Losas de cáscara
Fácil elaboración de
cúpulas, bóvedas,
depositos
cilindricos,
chimeneas.
Estabilización de taludes
rocosos
Revestimiento
de taludes
TALUDES
(Antamina)
Pantallas
Reparación
estructuras
REPARACIÓN DE ESTRUCTURAS
REPARACIÓN DE ESTRUCTURAS
Recuperación de secciones en elementos
sometidos a ambientes agresivos o deterioro por
agentes físicos ó químicos (incendios, corrosión, etc.)
Eurotúnel
ESTRUCTURAS ESPECIALES (Iglesia en Playa Asia)
SOSTENIMIENTO CON CIMBRAS
METALICAS
CIMBRAS METALICAS
Este típico sostenimiento pasivo o soporte
es utilizado generalmente para el
sostenimiento permanente de labores de
avance, en condiciones de masa rocosa
intensamente fracturada y/o muy débil que
le confieren calidad mala a muy mala,
sometida a condiciones de altos
esfuerzos.
CIMBRAS METALICAS
Para lograr un control efectivo de la estabilidad
en tales condiciones de terreno, las cimbras
son utilizadas debido a su excelente resistencia
mecánica y sus propiedades de deformación, lo
cual contrarresta el cierre de la excavación y
evita su ruptura prematura.
La ventaja es que este sistema continúa
proporcionando soporte después que hayan
ocurrido deformaciones importantes.
CIMBRAS METALICAS
Las cimbras son construidas con perfiles
de acero, según los requerimientos de la
forma de la sección de la excavación, es
decir, en forma de baúl, herradura o
incluso circulares, siendo recomendable
que éstos sean de alma llena.
CIMBRAS METALICAS
Hay dos tipos de cimbras, las denominadas “rígidas” y
las“deslizantes o fluyentes”.
• Las primeras usan comúnmente perfiles como la W,
H, e I, conformadas por dos o tres segmentos que son
unidos por platinas y pernos con tuerca.
• Las segundas usan perfiles como las V y U,
conformadas usualmente por tres segmentos que se
deslizan entre sí, sujetados y ajustados con uniones
de tornillo.
CIMBRAS RÍGIDAS
CIMBRA EN FORMA Q
• Los accesorios en este sistema de sostenimiento son los tirantes de conexión de las cimbras, el encostillado y los elementos de bloqueo.
• Los tirantes pueden consistir de varillas de fierro corrugado o liso generalmente de 1” de diámetro u otro elemento estructural.
• El encostillado puede ser realizado con planchas metálicas acanaladas y en algunos casos en las minas se utilizan tablones de madera.
• Los elementos de bloqueo pueden ser la madera o los bolsacretos, estos últimos son sacos conteniendo agregados con cemento
CIMBRAS EN FORMA Q
USO DE BOLSACRETOS COMO BLOQUEO
ACCESORIOS
DE
CONEXIÓN
CIMBRAS METALICAS
• Para el rango de los tamaños de las
excavaciones de las minas peruanas, las
cimbras rígidas comúnmente utilizadas
son las 4W13 (perfiles W de 4” de ancho x
4” de profundidad y 13 lb/pie) o
equivalentes, espaciadas de 0.75 a 2 m,
las mismas que corresponden a cimbras
ligeras para excavaciones de hasta 4 m
de abierto.
CIMBRAS METALICAS
• En los casos que las cimbras indicadas no
fueran suficientes para excavaciones de hasta 4
m de abierto, por las altas presiones de la roca,
pueden utilizarse cimbras medianas como las
del tipo 6W20 o equivalentes o alternativamente
cimbras deslizantes. Las cimbras 6W20 también
son comúnmente utilizadas para excavaciones
con abiertos de hasta 6 m.
• Es preferible que el soporte se instale lo antes posible, pues cualquier retraso ya sea en tiempo o en distancia al frente se traduce en aumentos de la presión sobre el techo, si prevalecen las cargas de descompresión o roca suelta.
• Se debe proceder a asegurar el techo, lo cual se podrá realizar mediante la colocación de shotcrete temporal o marchavantes de ser necesario.
Procedimientos de Instalación
CIMBRAS METALICAS
CIMBRAS METALICAS
• Todas las cimbras deben estar correctamente
apoyadas y sujetas al piso mediante dados de
concreto, debiéndose mantener su
verticalidad.
• El bloqueo de la cimbra contra las paredes
rocosas es esencial para que pueda haber
una transferencia uniforme de las cargas
rocosas sobre las cimbras. Si no se realiza un
buen bloqueo las cimbras no serán efectivas.
CIMBRAS METALICAS Es muy importante que la instalación sea cimbra por cimbra y no varias cimbras a la
vez, es decir, completar la instalación de una cimbra para comenzar con la siguiente.
• Para que este tipo de sostenimiento funcione bien, deben cumplirse las siguientes condiciones:
Riguroso paralelismo de los elementos.
Adecuada adaptación a las paredes, caso contrario los elementos flexionarán hacia el exterior.
Resistencia conveniente del conjunto, que depende de las uniones, instalación y control.
Estrecho o apretado contacto entre la cimbra y el contorno de la roca a la cual soporta en todo su perímetro, a fin de desarrollar tempranamente su capacidad de sostenimiento, antes de que ocurran deformaciones significativas hacia el interior de la excavación.
La supervisión de la mina no aprobará ninguna cimbra que esté mal cimentada, no conserve su verticalidad ni su alineamiento; asimismo, si éstas no se encuentran correctamente topeadas a la superficie de la roca.
INSTALACIÓN DE CIMBRAS UTILIZANDO
MARCHAVANTES
MUCHAS GRACIAS
Msc.Ing. Victor Tolentino Yparraguirre
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