segunda tarea de tÚneles
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SEGUNDA TAREA DE TÚNELES
TIPO DE PROYECTOSe van a realizar excavaciones subterráneas de sección paredes rectas de 4 m de altura y techo circular de 4 m de radio. Los túneles se localizan a tres profundidades: 100, 600 y 1200 m.La roca consiste en un esquisto cuarcítico cuya resistencia a la compresión inconfinada puede oscilar entre 30 y 70 MPa y el fracturamiento entre moderado a alto. Localmente puede ser masivo y puntualmente la esquistosidad ser muy alta. La siguiente imagen muestra la condición de fracturamiento moderadamente alta.
1. SISTEMAS DE CLASIFICACIÓNUtilice los sistemas de clasificación de Barton (Índice Q) y Bieniawski (RMR) para establecer el comportamiento de las excavaciones en los diferentes escenarios descritos y proponga los tratamientos (longitud y diámetro de barras, espesor de concreto lanzado reforzado, cerchas o perfiles metálicos (separación y dimensiones) requeridos para garantizar la estabilidad de las excavaciones.
A) SISTEMA DE CLASIFICACIÓN: BARTON (ÍNDICE Q)
Las ecuaciones utilizadas en el sistema de Barton, se presentan a continuación:
Q=
RQDJn
∗Jr
Ja∗Jw
SRF
RQD=∑ Longitud de fragmentos ≥10cm
longitud total∗100
En donde: RQD: depende de manera indirecta del número de fracturas y del grado de fracturamiento del macizo rocoso
Jn: Índice de diaclasado que indica el grado de fracturamiento del macizo rocoso.
Jr: Índice de las rugosidades de las discontinuidades o juntas.
Ja: Índice que indica la alteración de las discontinuidades.
Jw: Coeficiente reductor por la presencia de agua.
SRF: Coeficiente que tiene en cuenta la influencia del estado tensional del macizo rocoso. RQD/Jn: Tamaño de los bloques.
Jr/Ja: Resistencia al corte entre los bloques.
Jw/SRF: Influencia del estado tensional.
Para el ejercicio propuesto se tomaran los siguientes valores:
RQD: como se trata de una roca con fracturamiento moderado a alto, y localmente puede ser masivo y puntualmente tener una esquistosidad alta, además observando la fotografía se puede tomar un RQD entre el 25% y el 50%, el cual corresponde a un testigo de mala calidad. Ver Tabla 1.
Jn: según la fotografía se pueden observar dos familias de diaclasas, una en sentido vertical y la con una orientación aproximadamente horizontal, por esta razón, se tomara un índice de diaclasado (Jn) igual a 6. Ver Tabla 1.
Ilustración 1
Jr: teniendo en cuenta la fotografía, se puede decir que las diaclasas que conforman el macizo son planas, rugosas e irregulares, por lo tanto se le dará un valor de 1,5 al índice de rugosidad de las discontinuidades (Jr). Ver Tabla 1.
Tabla 1, Valores del RQD, Jn y de Jr.
Ja: las discontinuidades son cerradas, sin presencia de materia orgánica, duras e impermeables, por lo tanto se asignara un índice de alternación de las discontinuidades (Ja) de 0,75. Ver Tabla 2.
Jw: en la fotografía no se puede apreciar presencia de agua, por lo tanto se tomara un valor de 1 para el coeficiente reductor por presencia de agua (Jw). Ver Tabla 2.
Tabla 2, Valores de Ja y de Jw.
SRF: para el coeficiente que tiene en cuenta la influencia del estado tensional del macizo rocoso se tomara un valor de 7.5, debido a que en la fotografía se muestran varias fracturas en una roca competente (libre de arcilla). Ver Tabla 3.
Tabla 3, Valores del SRF.
En la Tabla 4 se muestra un resumen de los valores asignados a los parámetros del Q de Barton.
Tabla 4, ResumenPARÁMETRO VALORRQD 50%Jn 6Jr 1,5Ja 0,75Jw 1SRF 7,5
Luego Q=
RQDJn
∗Jr
Ja∗Jw
SRF=
506
∗1,5
0,751
7,5
Q=2,223
Tabla 5, Índice Q de Barton.
Al calcular el Q de Barton se obtuvo un valor de 2.223, por lo tanto la roca se considera como mala.
Sostenimiento a partir del Q (Barton)
Diámetro equivalente del túnel:
Deq= Ancho ,Diametro , AlturaESR
[m]
Tomando una categoría C, la cual es característica para un tipo de excavación que abarca cavernas de almacenamiento, plantas de tratamiento de aguas, túneles de carreteras secundarias y de ferrocarril, túneles de acceso. Se obtiene un ESR entre 1.2 y 1.3, pero para efectos prácticos se trabajara con el promedio de estos dos valores, es decir con un ESR =1.25. Ver Tabla 6.
Tabla 6, Tipo de excavación.
Como la sección del túnel está compuesta por una sección rectangular y por una circular, el diámetro equivalente se obtiene para cada una de las geometrías, así:
Deq= 81,25
=6,4m Deq= 41,25
=3,2m
Utilizando la imagen siguiente, se ingresa en el eje horizontal el valor hallado para el Q de Barton (Q=2,223) y en el eje vertical se toma los valores de los diámetros equivalentes. Obteniéndose como resultado un sostenimiento entre 4 y 5, correspondiente a bulonado sistemático con hormigón proyectado de 40mm a 100mm y el otro correspondiente a
hormigón proyectado con fibras de 50mm a 90 mm y bulonado, respectivamente. La separación entre bulones en ambos casos es de 1,8 m aproximadamente.
En conclusión se escogerá un sistema de sostenimiento de concreto lanzado con un espesor de 70mm, el cual se reforzara con pernos espaciados cada 1,8m.
Ilustración 2
B) SISTEMA DE CLASIFICACIÓN: RMR DE BIENIAWSKI (ÍNDICE RMR)
Para el cálculo del denominado índice RMR (ROCK MASS RATING), que indica la calidad del macizo rocoso en cada dominio estructural, se tiene en cuenta los siguientes parámetros: 1. Resistencia a la compresión simple de la matriz rocosa. 2. R.Q.D. Grado de fracturación del macizo rocoso. 3. Espaciado de las discontinuidades4. Condiciones de las discontinuidades, el cual consiste en considerar los siguientes parámetros:
- Abertura de las caras de la discontinuidad. - Continuidad o persistencia de la discontinuidad. - Rugosidad. - Alteración de la discontinuidad. - Relleno de las discontinuidades. 5. Presencia del Agua, en un macizo rocoso, el agua tiene gran influencia sobre su comportamiento, la descripción utilizada para este criterio son: completamente seco, húmedo, agua a presión moderada y agua a presión fuerte. 6. Orientación de las discontinuidades.
Para obtener el Índice RMR de Bieniawski el procedimiento es el siguiente:1. Se suma los 5 variables o parámetros calculados, eso da como resultado un valor índice (RMR básico), el RMR varía entre 0 y 100.2.-El parámetro 6 se refiere a la orientación de las discontinuidades respecto a la excavación.
Las siguientes tablas muestran los parámetros escogidos para la obtención del RMR, para el ejercicio propuesto. Algunos datos debieron ser asumidos.
Tabla 7, Resistencia a la compresión simple.
Tabla 8, Resistencia a la compresión de acuerdo al tipo de roca.
Tabla 9, valoración del RQD en el cálculo de RMR.
Tabla 10, Separación de las discontinuidades.
Tabla 11, Abertura de las discontinuidades.
Tabla 12, Continuidad de las discontinuidades.
Tabla 13, Rugosidad.
Tabla 14, Relleno de las discontinuidades.
Tabla 15, Alteración de las discontinuidades.
Tabla 16, Presencia de agua en las discontinuidades.
En la Tabla 17 se resume lo consignado en las tablas anteriores.
Tabla 17, Resumen.Parámetro Valor
Resistencia a la compresión simple de la roca 7RQD, grado de fracturación del macizo rocoso 8Separación de las discontinuidades 8Abertura de las caras de la discontinuidad 5Continuidad de la discontinuidad 4Rugosidad 1Relleno de la discontinuidad 6Alteración de la discontinuidad 3Presencia de agua 15RMR 57
SOSTENIMIENTO A PARTIR DEL ÍNDICE RMR (BIENIAWKI, 1979 Y 1980) Utilizando la Tabla 18 y teniendo en cuenta el valor hallado para el RMR, se selecciona en la tabla el intervalo entre 41-60. De la información anterior se puede seleccionar un sostenimiento con las siguientes características:-Pernos sistemáticos de 3m a 4m, con una separación de 1.5m a 2m en clave y hastiales.-Gunita de 5cm a 10cm en clave y de 3cm en hastiales.- No es necesario utilizar cercha
Tabla 18, Sostenimiento a partir del RMR.
2. DISEÑO UTILIZANDO EL CRITERIO HOEK Y BROWNUtilice el programa Rocsupport para realizar el diseño de los escenarios considerados en el punto anterior. Analice además las curvas de convergencia y de confinamiento que este programa les da la oportunidad de preparar.
Se comenzara introduciendo en el programa Rocsupport los parámetros que se conocen del macizo rocoso. Primero se introducirá el valor de la resistencia a la compresión del esquisto, para ello se seleccionará el intervalo entre 50-100 MPa. Luego se debe seleccionar el GSI, para condiciones superficiales entre buenas y medias en un macizo muy fracturado, además se debe asignar el valor a la constante Mi de acuerdo al tipo de roca que se tiene, en este caso un esquisto. Por último, se debe seleccionar el factor de perturbación, para este caso se asumió una condición de maquinaria escasa y un contratista local.
Después de introducir estos parámetros, el programa Rocsupport calcula el módulo de Young, la clasificación UCS y el ángulo de fricción. Posteriormente se calculan los esfuerzos in situ para la profundidad deseada, en este caso se tomara la profundidad de 100m.
Ilustración 3
Los parámetros para una profundidad de 100m quedan definidos así: Ilustración 4
Ahora se ingresan la información relacionada con los sistemas de soporte que se utilizaran, en este caso de introducirán los valores definidos en el punto uno del trabajo, es decir se empleara concreto lanzado y pernos.
Ilustración 5, Concreto lanzado
Ilustración 6, Cerchas
Se colocó un espaciamiento de 0.7 m buscando que el factor de seguridad este en un rango entre 7 y 8.
Ilustración 7, Pernos
Con los datos introducidos, se obtiene un factor de seguridad de 7.1, un valor aceptable para el caso de los túneles, además se obtuvo una convergencia final de 0,05%. Ver la Ilustración 8.
Ilustración 8, Curva de divergencia para una profundidad de 100m
La configuración final para un túnel ubicado a 100m de profundidad se puede apreciar en la Ilustración 9.
Ilustración 9, Configuración final de un túnel a 100m de profundidad
Ahora se realizara el análisis para un túnel ubicado a una profundidad 600m, siguiendo los mismos pasos indicados anteriormente.
Ilustración 10, Configuración final de un túnel a 600m de profundidad
En este caso se obtuvo un factor de seguridad muy pequeño, por lo tanto es recomendable variar las características de sostenimiento y de ser necesario recomendar cambiar el sistema de soporte adoptado. Es importante tener en cuenta que la profundidad del túnel aumento y que los esfuerzos son mayores, por lo tanto es necesario evaluar la posibilidad de cambiar o modificar el proceso constructivo y el sistema de sostenimiento a utilizar y la forma en que este será aplicado.
Ahora para un túnel ubicado a 1200m de profundidad, se obtiene la siguiente gráfica.
Ilustración 11, Configuración final de un túnel a 1200m de profundidad
En este caso como en el de un túnel ubicado a 600m, el factor de seguridad es muy pequeño, además de que la que la convergencia del túnel cada vez es mayor. Al modificar los parámetros de los sistemas de sostenimiento no se evidencio una mejoría en el factor de seguridad, esto hace pensar en la necesidad de cambiar el sistema de soporte.
3. Compare y discuta los resultados obtenidos por ambos métodos (preguntas 1 y 2)
Al utilizar el sostenimiento propuesto por la metodología de Q de Barton, el programa Rocsupport arroga un factor de seguridad menor al obtenido empleando el RMR, esto en parte puede deberse al espesor del concreto lanzado utilizado en cada metodología, ya que el concreto lanzado en el RMR es de un espesor de 150mm, mientras que para el Q de Barton el espesor utilizado es de 70mm. Por otro lado para ambos métodos se
utilizaron pernos de igual longitud, pero para el Q de Barton el espaciamiento utilizado fue de 1.8m mientras que para el RMR la separación fue de 1.2m. Estas variaciones en los sistemas de sostenimiento hacen que el macizo se comporte mejor con el método RMR, pues con estos criterios se trata de disminuir, en mayor medida, el desprendimiento de bloques y se aumenta la estabilidad del túnel, dando como resultado un factor de seguridad mayor.
Ahora considerando la profundidad a la que será ubicado el túnel, y sabiendo que el sostenimiento utilizando el método RMR dará menores resultados, se puede concluir que solo el túnel a una profundidad de 100m será estable y cumplirá con un factor de seguridad entre 7 y 8; mientras que para para profundidades de 600m y 1200m los factores de seguridad no serán apropiados, además de presentarse una convergencia del túnel cada vez mayor. Buscando mejorar el factor de seguridad para profundidades de mayores se optó por aumentar el espesor del concreto lanzado y trabajar con pernos con un espaciamiento menor, pero solo se logró un FS=2 para una profundidad de 600m y un FS=1.2 para 1200m de profundidad.
Se puede concluir que utilizando la metodología del RMR para un túnel a 100m de profundidad se lograría buenos resultados, garantizando la estabilidad y seguridad del proyecto; pero profundidades de 600m y 1200m los sistemas de sostenimiento propuestos en el método Q de Barton y RMR no serían apropiados, debido al incumplimiento del factor de seguridad y a la rápida convergencia de la excavación; por lo tanto no se recomienda utilizar estos sistemas de sostenimiento pues no garantizan la estabilidad de la obra.
Es importante estudiar de manera detallada el comportamiento del macizo rocoso con el fin de determinar el proceso constructivo y el sostenimiento que permita garantizar la estabilidad de la obra al alcanzar profundidades mayores, pues evidente que las metodologías propuestas anteriormente no son las más acordes a las solicitaciones del macizo.
4. Para el túnel a 100 m de pro0fundidad, considerar que va a conducir agua y va a trabajar a presión. Discuta el impacto sobre el régimen de agua subterránea para los distintos tipos de roca. Qué medidas puede utilizar para minimizar este impacto? Como las diseñaría? Cuál es la máxima presión interna en el túnel para garantizar que no se presente hidrofracturamiento? Asuma los datos que necesite para justificar sus respuestas.
La construcción de un túnel tiene grandes impactos en el medio en el que se construirá, no solo en lo relacionado con la roca, sino también en las alteraciones que se pueden presentar en el régimen de aguas subterráneas, esto se debe a que al realizar una excavación se genera el drenaje del manto de aguas subterráneas hacia la obra, éste proceso está muy ligado al tipo de roca y al grado de fracturación que se presente, por ejemplo una roca porosa o muy fracturada permite el paso de una mayor cantidad de agua hacia la excavación. Es importante que durante el proceso constructivo se realice un adecuado tratamiento a las aguas, ya sea mediante el uso de drenes, filtros, motobombas para sacar el agua del túnel, entre otros.
Los impactos sobre el flujo de las aguas subterráneas son un tema de mucha controversia en el país, debido a que algunos ambientalistas consideran que los túneles pueden ocasionar sequias en las quebradas y ríos adyacentes al proyecto, debido al daño que se genera en las aguas subterráneas; por esta razón es vital realizar una adecuado manejo de las aguas para evitar generar impactos negativos en el medio ambiente, además es importante realizar, antes de iniciar el proyecto, un estudio hidrogeológico, que permita determinar la presencia de acuíferos y la profundidad del nivel freático.
La máxima presión interna que puede soportar un túnel que conduce agua a presión, debe ser menor a presión que ejerce la columna de roca a la profundidad del túnel, esto sin considerar un recubrimiento que atienda los esfuerzos adicionales. Para este caso en particular donde se tiene un túnel ubicado a 100m de profundidad con un peso específico de 26KN/m3, la columna de agua no debe exceder los 260m para garantizar que no se presente hidrofracturamiento en la excavación subterránea sin revestimiento. Si se tiene una columna de agua menor a los 260m no es necesario colocar revestimiento estructural que atienda los esfuerzos, pero es importante considerar la posibilidad de desprendimiento de cuñas por acción del agua, de ser así será necesario colocar concreto lanzado de un espesor adecuado, que evite el desprendimiento de bloques y que impermeabilice la roca.
Si la columna de agua es mayor a los 260m, es necesario colocar un blindaje de acero que pueda soportar la presión adicional, no es recomendable colocar concreto lanzado, pues este no resiste los esfuerzos a tracción. En los túneles que conducen agua a presión se recomienda construir una almenara para evitar las grandes presiones que se puedan generar por el golpe de ariete.
5. Imagínese un macizo rocoso en el que se va a construir un túnel. Descríbalo y asígnele propiedades geomecánicas (resistencia a la compresión inconfinada, cohesión, fricción, deformabilidad, etc), defínale los valores de los parámetros de los sistemas Barton, Bieniawski, y Hoek and Brown que lo califican. Proponga un sistema constructivo y los problemas que pueda esperar durante construcción.
Se realizará la construcción de un túnel de sección de paredes rectas de 5m de altura y techo circular de 5m de radio, el túnel se localiza a una profundidad de 200m. Algunas de las características del macizo rocoso son:
-roca: esquisto con una compresión inconfinada que puede variar entre 30 y 70 MPa.-se identificaron tres familiar de discontinuidades-el macizo es moderadamente fracturado-la separación entre diaclasas posee material fino, arenas y roca triturada-se puede identificar algunos pequeños afloramientos de agua- la roca se considera de mala calidad
Se realizara un análisis de este macizo rocoso utilizando los sistemas de Barton, Bieniawski, y Hoek and Brown.
SISTEMA DE CLASIFICACIÓN BARTON (ÍNDICE DE Q)
Las ecuaciones utilizadas en el sistema de Barton, se presentan a continuación:
Q=
RQDJn
∗Jr
Ja∗Jw
SRF
RQD=∑ Longitud de fragmentos ≥10cm
longitud total∗100
Los valores de los parámetros que serán asignados a este macizo se realizaran utilizando las tablas presentadas en el literal 1 de este trabajo.
-Como se trata de una roca de mala calidad y con un fracturamiento moderado, el RQN puede variar entre el 25 y 50%, pero para efectos académicos y por la falta de información se tomara un RQN=50%
-Se identificaron tres familias de diaclasas en el macizo roco, por lo tanto al índice de diaclasado (Jn) se le asignará un valor de 9
- Se asumirá un índice de rugosidad (Jr) de 2, el cual corresponde a diaclasas onduladas, lisas
-El índice de alteración de las discontinuidades (Ja) tendrá un valor de 2, el cual corresponde a planos de discontinuidades ligeramente alterados, con presencia de minerales, partículas arenosas y roca desintegrada
-El coeficiente reductor por presencia de agua (Jw) tiene un valor de 1, pues los afluentes de agua son muy pequeños y se presentan de forma localizada
-El parámetro SRF tiene un valor de 7.5, el cual corresponde a zonas fracturadas en roca competente (libre de arcilla), con contorno suelto
En la siguiente tabla se resumen los valores asignados a cada parámetro.
Tabla 19, Resumen.PARÁMETRO VALORRQD 50%Jn 9Jr 2Ja 2Jw 1SRF 7,5
Luego Q=
RQDJn
∗Jr
Ja∗Jw
SRF=
509
∗2
21
7,5
Q=0,74
Como el valor del Q de Barton es igual a 0.74 y según la Tabla 5 (punto 1), se puede clasificar la roca como muy mala
Diámetro equivalente del túnel:
Deq= Ancho ,Diametro , AlturaESR
[m]
Tomando una categoría C, la cual es característica para un tipo de excavación que abarca cavernas de almacenamiento, plantas de tratamiento de aguas, túneles de carreteras secundarias y de ferrocarril, túneles de acceso. Se obtiene un ESR entre 1.2 y 1.3, pero para efectos prácticos se trabajara con el promedio de estos dos valores, es decir con un ESR =1.25.
Como la sección del túnel está compuesta por una sección rectangular y por una circular, el diámetro equivalente se obtiene para cada una de las geometrías, así:
Deq= 101,25
=8m Deq= 51,25
=4m
Utilizando la Ilustración 2 (punto 1) se puede obtener como resultado un sostenimiento entre 5 y 6, el cual corresponde a hormigón proyectado con fibras de 50mm a 90mm y bulonado y el otro corresponde a hormigón proyectado de 120mm a 90mm y bulonado,
respectivamente. En ambos casos la separación de los pernos es de 1.5m aproximadamente.
En conclusión se escogerá un sistema de concreto lanzado de 90mm de espesor, el cual se reforzara con pernos espaciados cada 1.5m; con este sistema de sostenimiento y teniendo en cuenta las características del macizo rocoso, se podrían presentar problemas de deslizamiento de bloques y de inestabilidad en las zonas más fracturadas. Es importante revisar la profundidad del nivel freático para no tener problemas relacionados con el manejo de las aguas subterráneas.
SISTEMA DE CLASIFICACIÓN: RMR DE BIENIAWSKI (ÍNDICE RMR)
Para definir los parámetros a utilizar en el RMR se emplearan las Tablas de la 7 a la 16 del punto 1 de este trabajo.
-como la resistencia a la compresión inconfinada es de 70 MPa, la roca se clasifica como dura y se le da una valoración de 7.-además se tiene un RQD entre 25% y 50%, por lo que se da una valoración de 8.-como separación entre juntas tienen material fino, arenas y roca triturada; se asumirá una separación de juntas entre 200mm y 600mm, para una valoración de 10. -La separación de caras de discontinuidades se asumirá como cerrada, con valor de 4 -La continuidad o persistencia de las discontinuidades tendrá un valor de 4, correspondiente a una descripción baja-Las discontinuidades son onduladas, lisas; por lo tanto la rugosidad es de 1-El relleno de las discontinuidades es material fino y fragmentos pequeños de roca de diámetro menor a los 5mm, por lo tanto se le da un valor de 4-Discontinuidades ligeramente alteradas, por lo tanto se da un valor de 5-como la presencia de agua es muy poca, se le dará una clasificación de ligeramente húmedo, para un valor de 10.
Tabla 20, Resumen. Parámetro Valor
Resistencia a la compresión simple de la roca 7RQD, grado de fracturación del macizo rocoso 8Separación de las discontinuidades 10Abertura de las caras de la discontinuidad 4Continuidad de la discontinuidad 4Rugosidad 1Relleno de la discontinuidad 4Alteración de la discontinuidad 5Presencia de agua 10RMR 53
Utilizando la Tabla 18 (punto1) y teniendo en cuenta el valor hallado para el RMR, se selecciona en la tabla el intervalo entre 41-60. De la información anterior se puede seleccionar un sostenimiento con las siguientes características:-Pernos sistemáticos de 3m a 4m, con una separación de 1.5m a 2m en clave y hastiales.-Gunita de 5cm a 10cm en clave y de 3cm en hastiales.- No es necesario utilizar cerchaCon este sistema de sostenimiento se puede presentar deslizamiento de bloques en algunas zonas, además puede suceder que para una profundidad de 200m no sea suficiente colocar pernos sistemáticos. También es importante destacar que el sistema de soporte propuesto no tiene en cuenta, la posibilidad que para esta profundidad se presenten problemas con el nivel freático, y por lo tanto sea necesario optar por un tratamiento que permita impermeabilizar la roca.
SISTEMA DE CLASIFICACIÓN DE HOEK AND BROWN
Para este caso se hará uso del programa Roclab, los parámetros que se introdujeron son los siguientes:-Resistencia a la compresión inconfinada: 70 MPa-El GSI tendrá un valor de 70, el cual corresponde a un macizo con bloques cúbicos y con una condición de las discontinuidades buena, debido a que el macizo tiene una ligera alteración Para el “mi” se asignara un valor de 10, el cual corresponde al esquisto.- El valor de D será de cero, debido a que se seleccionó un sistema constructivo con maquinaria limitada y con una perturbación mínima de la roca- la profundidad del túnel es de 200m Los resultados obtenidos se presentan en la siguiente gráfica
Ilustración 12, criterio de Hoek and Brown
En este caso se puede emplear concreto lanzado con un espesor de 150mm y con pernos separados cada 1.5m, es necesario tener precaución con el desprendimiento de cuñas y estar atento a la aparición de posibles afloramientos de agua, además es importante evaluar la convergencia del túnel.
BIBLIOGRAFIA
