Download Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos

Manual Sistema de
Refuerzo de Rocas
con Pernos SAFEROCK ®
Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos SAFEROCK®
Autor:
Dr. Ing. Alfonso Carvajal Rojas
Colaboradores:
Eugenio Santander A.
José Castillo M.
Editor:
Carlos Rondon S.M.
Diseño y Producción Gráfica:
Casenave y Asociados
Dirección de Arte:
Soledad Casenave P.
Diagramación:
Ernesto Amaya G.
Ilustraciones:
Ingrid Aguilera A.
Fotografía:
Francisco Aguayo
Jorge Brantmayer
Matías del Campo
Impresión:
M y M Servicios Gráficos S.A.
Derechos Reservados (C) por Gerdau AZA S.A.
La Unión 3070, Renca. Santiago de Chile.
Copyright (C) MMVII, por Gerdau AZA S.A.
SAFEROCK® Marca Registrada Nº742199
Patente de Invención 125-2005
Inscripción en Propiedad Intelectual N° 164.756.
1ª Edición: 2.000 ejemplares, junio de 2008
Impreso en Chile - Printed in Chile
No está permitida la reproducción total o parcial de este
documento, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de
ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico,
fotocopia, registro u otros medios, sin la aprobación y por
escrito de Gerdau AZA S.A.
Otros documentos técnicos de Gerdau AZA S.A. disponibles para los usuarios interesados, son:
• Manual de Cálculo de Hormigón Armado
• Manual de Armaduras de Refuerzo para Hormigón
• Manual de Diseño para Angulos Estructurales L-AZA
• Catálogo Técnico de Barras y Perfiles Laminados
Para consultas sobre nuestros productos y servicios, visite nuestra página web:
www.gerdauaza.cl
Vista aérea de la Planta Renca de Gerdau AZA, instalación donde son laminados los pernos SAFEROCK®.
4
Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos SAFEROCK®
Gerdau AZA, empresa per teneciente al Grupo Gerdau,
y análisis del perno SAFEROCK®, su instalación y una
tiene el agrado de presentar a la comunidad de
serie de herramientas prácticas para el diseño.
profesionales y estudiantes de los sectores de la
geotecnia, geomecánica, ingeniería de excavaciones,
Agradecemos, muy sinceramente, el valioso apor te
ingeniería civil estructural y construcción, la primera
técnico del autor y de su equipo interdisciplinario de
edición de su Manual Sistema de Refuerzo de Rocas
colaboradores de la Facultad de Ingeniería de la
con Pernos SAFEROCK ®, mediante el uso de barras
Universidad de La Serena, a la empresa DSI
de acero producidas por Gerdau AZA.
SOPROFINT por su inapreciable colaboración en el
desarrollo del sistema de refuerzo SAFEROCK ® y a
El presente Manual, de 226 páginas, que consta de
cada uno de los integrantes de la Superintendencia
once capítulos y un anexo, tiene su contenido orientado,
de Geomecánica de CODELCO División El Teniente,
fundamentalmente, hacia todos los profesionales
cuyos apor tes y pruebas realizadas en terreno fueron
vinculados con el diseño, cálculo y ejecución de
decisivas para lograr las mejoras del producto
excavaciones y la estabilización de estratos rocosos de
SAFEROCK ® , al permitirnos contribuir a través de
taludes en minas de tajo abierto y en caminos de alta
este medio, con la ingeniería y la construcción de
montaña, como también con la docencia de esta
excavaciones en super ficie y subterránea en Chile.
especialidad. Esperamos que sea un aporte valioso y
necesario para todas las personas que lo utilicen como
A todos ellos, un sincero reconocimiento por el
texto guía o como un documento de consulta permanente.
respaldo y la confianza que han depositado en nuestra
empresa y de manera muy especial, a todas las
Entre los temas abordados por el autor de este texto
personas que directa o indirectamente, día a día,
podemos destacar, la propuesta para la ingeniería de
especifican y utilizan nuestros productos, como
excavaciones, el método de análisis de riesgo, los
también a aquellas que nos entreguen cualquier
procedimientos de diseño para túneles de roca, la
apor te, obser vación o comentario que sir va para
descripción y características del sistema de refuerzo
enriquecer estas páginas en futuras ediciones.
de rocas, con su respuesta y evaluación, el estudio
5
El presente Manual es el producto de tres proyectos de
Del mismo modo, se entregan en forma gráfica conceptos
investigación encargados y financiados por Gerdau AZA.
extractados de la literatura especializada, que forma la
Uno de ellos consistió en analizar la literatura relacionada
mayor parte de este trabajo, y proporciona algunas reglas
con los sistemas de refuerzo en roca, utilizando pernos
empíricas de uso práctico y el procedimiento de instalación
de acero, extractando los principios y fundamentos, que
correspondiente. Lo anterior nos hace pensar que el
en la consideración del autor son los más importantes,
texto puede ser usado tanto por estudiantes como por
y otros que son incluidos por su temario, teoría y
profesionales relacionados con construcciones o
principios sobre cómo se debe operar en la ingeniería
excavaciones, ya sean estas de superficie o subterráneas,
de excavaciones. Los otros dos proyectos corresponden
como una herramienta para el diseño e instalación del
a investigaciones aplicadas, cuya finalidad fue lograr
perno de refuerzo SAFEROCK® y su sistema.
un producto que tenga mejores propiedades y
compor tamiento bajo solicitaciones de carga. De esta
El perno y la tuerca SAFEROCK®, productos registrados
manera, se estudió el diseño del perno SAFEROCK® y
por Gerdau AZA de acuerdo con la Patente de Invención
el sistema propuesto por Gerdau AZA, cuyos resultados
Nº 125-2005, han sido aplicados crecientemente y en
más impor tantes aparecen en este trabajo.
forma satisfactoria en Chile, en la fortificación de túneles
y otras operaciones mineras de la empresa Codelco
Este manual no pretende constituir una obra de análisis
División El Teniente y en túneles y estabilizaciones de
profundo de los complejos fenómenos que se presentan
suelos en construcciones del Metro de Santiago, entre
en la naturaleza de las masas de roca, cuando son
otras importantes obras de infraestructura.
inter venidas por el hombre, sino más bien el esfuerzo
está orientado a entregar una visión de conjunto de la
La aceptación y el éxito que han tenido los pernos
problemática, dando pautas y formas de integración de
SAFEROCK® y su sistema entre los usuarios, se debe
los distintos actores que inter vienen en la ingeniería
a sus características y a las mejores técnicas
de excavaciones, tales como el diseño de; la excavación
introducidas en el diseño y fabricación del conjunto,
propiamente tal, la per foración y voladura y el sistema
lo que ha permitido ir desplazando paulatinamente a
de refuerzo y/o sopor te.
los pernos tradicionales existentes en el mercado.
6
Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos SAFEROCK®
Alfonso Carvajal Rojas, Ingeniero de Minas, Master of
En Chile ha participado en proyectos FONDEF y DIULS,
Science (1994) y Doctorado (Sc.) (2003) con especialidad
consultorías, conferencias técnicas y cursos de
en geomecánica minera de la Universidad de Ciencia y
perfeccionamiento en empresas e instituciones como:
Tecnología de Polonia es, además, Ingeniero de Ejecución
Codelco Chuquicamata, El Salvador, Andina y El Teniente,
de la ex Universidad Técnica del Estado, Sede La Serena.
Minera Las Cenizas, Los Pelambres, Candelaria y el
Instituto de Ingenieros de Minas.
Se desempeñó en minería masiva durante diez años en
Codelco Chile División El Teniente y minería selectiva en
El doctor Car vajal ha sido profesor tutor de varias
la Compañía Minera El Indio durante dos años.
memorias de título para ingenieros de ejecución y civil
de minas, profesor tutor en el programa de postgrado
Ha publicado 18 ar tículos tanto en Chile como en el
"Magíster en Ingeniería de Recursos Minerales" para
extranjero, ha par ticipado en las redes temáticas
ingenieros del Perú, y actualmente es director del
iberoamericanas de Ciencia y Tecnología para el
Departamento de Ingeniería de Minas y de un proyecto
Desarrollo (CYTED), e invitado a par ticipar tanto en
de postítulo virtual, miembro del consejo académico de
proyectos, dictar conferencias técnicas, cursos de
la Universidad de La Serena, profesor de los cursos de
postgrado y visitas técnico-científicas en Perú, Argentina,
per foración y tronadura, métodos de explotación y
Venezuela, Cuba, Ecuador, Brasil, Polonia, España,
construcciones subterráneas y miembro permanente del
Inglaterra y la República Checa.
comité científico del International Mining Forum de Polonia.
7
Productos y procesos de calidad reconocida y certificada
8
Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos SAFEROCK®
Capítulo 1
INFORMACION GENERAL
1.1
Proceso de Fabricación y Control de Calidad
1.2
Identificación, Dimensiones, Grados del acero y Características
de los Elementos del Sistema SAFEROCK®
Capítulo 2
15
18
GENERALIDADES
2.1
El Refuerzo de Roca y la Calidad Total
25
2.2
Seguridad en Excavaciones
28
2.3
Control de Daño como Consecuencia de la Caída de la Roca
30
2.4
Accidentabilidad
30
2.5
Relación Marco-Perno
32
2.6
Historia de su Aplicación en Minería
33
Capítulo 3
LA INGENIERIA DE EXCAVACIONES
3.1
Ingeniería de Rocas
39
3.2
Propuesta para la Ingeniería de Excavaciones
45
3.3
Método de Análisis de Riesgo
50
Capítulo 4
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA TUNELES EN ROCA
4.1
Revisión al procedimiento de Diseño para Túneles en Roca
57
4.2
Procedimiento de Diseño de Túneles en Roca
59
4.3
Control del Debilitamiento de las Excavaciones Subterráneas
61
4.4
Tamaño de la Excavación y Número de Discontinuidades
62
4.5
Nivel de Esfuerzos
62
4.6
Diseño de Soporte para Rocas Sobrestresadas
67
4.7
Definición del Criterio de Falla
68
4.8
Concepto Arco de Roca
71
9
Capítulo 5
5.1
Aspectos Generales
75
5.2
Guía para el Modelamiento Numérico
77
5.3
Cálculo en dos o tres Dimensiones
80
5.4
Resumen
81
Capítulo 6
SISTEMA DE REFUERZO DE ROCAS
6.1
Conceptualidades del Refuerzo
85
6.2
Tipos de Refuerzo
86
6.3
Acción del Refuerzo
87
6.4
Componentes del Sistema de Refuerzo SAFEROCK®
89
6.5
Clasificación del Sistema de Refuerzo SAFEROCK®
90
6.6
Comportamiento del Sistema de Refuerzo Perno Tuerca SAFEROCK®
92
6.7
Elemento Externo - Planchuela (4)
96
6.8
Lechada como Elemento de Adherencia en Sistema de Refuerzo
97
Capítulo 7
7.1
RESPUESTAS DEL SISTEMA REFUERZO - ROCA
Conceptos Fundamentales
105
7.2
Interacción en la Interfase Roca-Lechada
106
7.3
Interacción en la Interfase Lechada-Perno SAFEROCK®
109
7.4
Interfase de Tranferencia de Carga Roca-Refuerzo
110
7.5
Modos de Falla Bajo Carga Axial del Sistema SAFEROCK®
112
Capítulo 8
10
COMPUTACION APLICADA AL DISEÑO DE EXCAVACIONES
EVALUACION DEL SISTEMA DE REFUERZO
8.1
Refuerzo de Roca Intacta
115
8.2
Refuerzo en Roca Fracturada
115
8.3
Diseño de Refuerzo
117
8.4
Comportamiento del Refuerzo en Roca Fracturada
118
8.5
Procedimiento para Refuerzo en Roca Fracturada
119
8.6
Evaluación de Estabilidad de Bloques no Reforzados
120
8.7
Diseño de Refuerzo de Bloques
122
8.8
Valorización de Estabilidad de Bloques Reforzados
124
8.9
Teorías de Refuerzos
126
Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos SAFEROCK®
Capítulo 9
ESTUDIO DEL PERNO SAFEROCK®
9.1
Modelamiento Numérico de Pruebas de “Pull Out” (Software Flac)
135
9.2
Ensayo de Pull Out, Perno SAFEROCK®
145
Capítulo 10
HERRAMIENTAS PRACTICAS DE DISEÑO
10.1
Introducción
153
10.2
Reglas Empíricas para Esfuerzos y Control de Terreno
153
10.3
Mecanismos Teóricos de Refuerzo
156
10.4
Clasificación de Refuerzos de Rocas para Túneles
159
10.5
Indice de Calidad de Túneles “Q”
160
10.6
Geological Strength Index “GSI”
171
10.7
Indice de Masa Rocosa “RMI”
182
10.8
Ejemplos
192
Capítulo 11
PROCEDIMIENTOS DE INSTALACION SAFEROCK®
11.1
Procedimiento de Instalación
197
11.2
Perforación
197
11.3
Inyección
201
11.4
Riesgos y Medidas de Control
203
A.1
Términos y Definiciones
211
A.2
Normas de Referencia y Alcance del Reglamento de SERNAGEOMIN
213
Conversión de Unidades
222
Bibliografía
224
Anexos
A.3
11
Capítulo 1
Información General
1.1
Proceso de Fabricación y Control de Calidad
1.2
Identificación, Dimensiones, Grados del Acero y Características
de los Elementos del Sistema Saferock®
Capítulo 1: Información General
1.1
PROCESO DE FABRICACION Y CONTROL DE
CALIDAD
1.1.1
Proceso de Fabricación del Acero Gerdau AZA
En Gerdau AZA, el proceso de fabricación del acero se
inicia con la selección, procesamiento y corte de trozos
de acero en desuso, la chatarra, que es la materia prima
básica. Otros elementos que también son empleados en
la fabricación, son las ferroaleaciones, oxígeno, cal y
fundentes, entre otros.
En primer lugar, la materia prima se carga en cestas, en
proporciones adecuadas para satisfacer las especificaciones
del proceso de fabricación del acero, las que son
trasladadas a la Acería para alimentar el horno de arco
eléctrico. Toda la carga es fundida en el horno de 60
toneladas de capacidad, mediante la aplicación de un arco
Figura 1.1: Operación de Carga de Horno Eléctrico, Planta Colina,
Gerdau AZA.
eléctrico que desarrolla una potencia de 45.000 kVA.
mayor afinidad química de estos elementos, para formar
Una vez terminado el proceso de fusión, en donde toda
entre otros, óxidos y sulfuros que pasan en mayor cantidad
la carga pasa del estado sólido al estado líquido, momento
a la escoria.
en el cual alcanza una temperatura de alrededor de
1.630ºC, el acero es trasladado a un Horno de Cuchara,
Cuando el acero líquido cumple con las especificaciones
donde se realizará la etapa de afino y se procederá a
requeridas, tanto de composición química como de
tomar muestras de acero para realizar el análisis de
temperatura, éste es trasladado en la cuchara hasta la
espectrometría, con el propósito de conocer su composición
máquina de colada continua, donde se realizará el colado
química. Durante toda la etapa de fusión, se inyectan al
del acero.
horno importantes cantidades de oxigeno para extraer y
remover las impurezas y cumplir así con los estándares
de calidad preestablecidos.
1.1.2
Luego de conocido el informe sobre la composición química,
Obtenido el acero en su estado líquido, éste debe
se realizan las correcciones necesarias mediante el proceso
solidificarse en la forma conveniente para su empleo
de afino, lo que permite obtener la composición y purezas
posterior en los trenes de laminación. Esto se hace
deseadas. De esta forma, los diferentes grados del acero
mediante un equipo de colada continua, en el que se
Gerdau AZA se obtienen, de un cuidadoso control de la
aplica un proceso que transforma el acero líquido en
composición y mediante la adición de ferroaleaciones,
un producto semiterminado, llamado palanquilla, que
como el ferromanganeso y ferrosilicio, aprovechando la
son barras macizas de 130 x 130 mm de sección.
Colado del Acero
15
Figura 1.2: Líneas de colada continua de acería, Planta Colina, Gerdau AZA.
El acero líquido que se encuentra en la cuchara de
Luego de esto, las palanquillas son inspeccionadas
colada, es transferido a una ar tesa o distribuidor,
visualmente para detectar eventuales defectos
desde donde pasa a las vías de colada.
super ficiales o de forma. Después de aprobadas, las
palanquillas son separadas por coladas, identificadas y
Desde el distribuidor, el acero cae dentro de tres
almacenadas para la operación siguiente: la laminación
lingoteras de cobre sin fondo, de doble pared y
en caliente.
refrigeradas por agua, donde se inicia la solidificación
del acero, con la formación de una delgada cáscara
super ficial endurecida, que contiene aún su núcleo de
1.1.3
Laminación en Caliente de las Barras
metal en estado líquido.
La laminación en caliente, es un proceso de transformación
Para ayudar a acelerar la formación y engrosamiento
termomecánico, en donde se da la forma final a los
de dicha cáscara, las lingoteras tienen un movimiento
productos siderúrgicos. En el caso de los pernos
de oscilación ver tical que, además, impide su
SAFEROCK®, el proceso es el siguiente: en la planta de
adherencia a las paredes del molde y permite su
laminación, las palanquillas son seleccionadas según el
transpor te hacia el mecanismo extractor.
grado del acero del producto final y son cargadas a un
horno de recalentamiento horizontal, donde alcanzan una
Después de dejar las lingoteras, tres metros debajo
temperatura uniforme de 1.200°C, lo que permitirá su
de éstas, el acero super ficialmente sólido, es tomado
deformación plástica durante el proceso de laminación
por juegos de rodillos refrigerados con chorros de agua
en caliente.
a alta presión, solidificándose completamente, y ya
conver tido en palanquilla, cor tado automáticamente
En este proceso, la palanquilla es tratada mecánicamente,
mediante cizallas, a la longitud deseada.
haciéndola pasar sucesivamente por trenes de
16
Capítulo 1: Información General
laminación, las cuales van reduciendo su sección
1.1.4
Control de Calidad y Cer tificación
original y consecuentemente, aumentando la longitud
inicial. De esta forma, se lleva la sección transversal
Todo el proceso de fabricación de los per nos
de la palanquilla cada vez más próxima a la forma y
SAFEROCK ®, está cer tificado bajo las normas ISO
diámetro final del perno SAFEROCK®, con su geometría
9001, ISO 14001 y OHSAS 18001; de esta forma,
y dimensiones características y con la marca que
a lo largo de todas las etapas de fabricación del
identifica el origen o fabricante.
producto existen monitoreos, mediciones y ensayos
de los procesos.
En su planta ubicada en la comuna de Renca,
Gerdau AZA posee un laminador de 100.000 toneladas
Desde la selección de la chatarra y otros insumos,
anuales de capacidad, que permite controlar el
pasando por la fabricación del acero líquido, su
enfriamiento de las barras, con lo cual las propiedades
composición química, hasta el control de las
mecánicas finales de los pernos SAFEROCK ®, son
dimensiones finales obtenidas en la laminación en
determinadas con gran precisión. Cada uno de los
caliente, conforman un complejo sistema que permite
pernos son conducidos hasta el final del tren de
asegurar la obtención de productos de calidad, de
laminación, a una parrilla o lecho de enfriamiento
acuerdo a los actuales estándares.
donde terminan de enfriarse, para luego proceder al
cor te a la medida deseada y posteriormente ser
La cer tificación de calidad del acero de todas las
empaquetados y almacenados. Al final del proceso de
par tidas de pernos SAFEROCK ® en Gerdau AZA, da
cor te se extraen las muestras para su aprobación y
cumplimiento a la norma chilena NCh 204.Of2006.
cer tificación de acuerdo a las normas vigentes.
Esta exigencia establece la extracción, identificación
y retiro de muestras por inspectores acreditados,
normalmente de algún organismo de ensaye de
materiales autorizado por el Estado. En el caso de
Gerdau AZA, el cer tificado es entregado por el
Instituto de Investigaciones y Ensaye de Materiales
de la Universidad de Chile, IDIEM.
Las muestras son preparadas para ser sometidas a
ensayos normalizados de tracción, midiéndose las
propiedades mecánicas más relevantes, como la
tensión de fluencia, la carga máxima y el alargamiento
de rotura.
Los resultados de los ensayes, se presentan en
cer tificados de calidad, en los que se identifica
el material ensayado y se entrega el veredicto de
Figura 1.3: Sala de Control de Laminación, Planta Renca, Gerdau AZA.
cumplimiento con la nor ma, constituyéndose en
17
una garantía del producto para el usuario.
Periódicamente y como una medida adicional de
control, se efectúa un análisis estadístico de las
propiedades mecánicas sobre toda la producción de
barras y a cada una de las coladas producidas.
1.2
IDENTIFICACION, DIMENSIONES, GRADOS DEL
ACERO Y CARACTERISTICAS DE LOS
ELEMENTOS DEL SISTEMA SAFEROCK®
Figura 1.4: Laboratorio de Ensayes Mecánicos de IDIEM, en Gerdau AZA.
1.2.1
Identificación y Dimensiones de los Elementos
La identificación exclusiva que utiliza nuestra empresa
Gerdau AZA, en sus instalaciones ubicadas en Santiago,
SAFEROCK®,
en este producto, consiste en caracteres bajo relieve,
en barras
los cuales incluyen la marca de origen Gerdau AZA
rectas destinados al reforzamiento de estratos rocosos
SAFEROCK®. Otra identificación visible de los pernos
y suelos.
es el color amarillo en el extremo de la barra que recibe
produce y comercializa pernos
la tuerca.
Tabla 1.2.1
Identificación y Dimensiones de los Elementos del Sistema de Refuerzo de Rocas
Elemento
Dimensiones
mm
Masa Unitaria
Forma de entrega
Perno
SAFEROCK®
Diametro 22 (*)
2,85 kg/m
Barra Recta
Planchuela
Estándar
200 x 200 x 5
1,6 kg/unid
Unidad
Tuerca
SAFEROCK®
45 x 45
0,215 kg/unid
Unidad
(*) Otros diámetros y largos, distintos a 6 m, estarán sujetos a previa consulta a Gerdau AZA
18
Esquema de los Elementos
Capítulo 1: Información General
Además de lo anterior, Gerdau AZA, identifica el contenido
de todos los paquetes de los pernos SAFEROCK®,
mediante una etiqueta plástica, con todos los datos
concernientes a la fabricación de las par tidas del
producto.
Descripción del
producto
Peso del
paquete
Número de
colada
Fecha y hora
de fabricación
Sello indica que los sistemas de gestión
están certificados de acuerdo a Normas
ISO 9001, ISO 14001 y OHSAS 18001
Sello indica que los productos están
limpios y libres de contaminación
Figura 1.5: Barra para Pernos SAFEROCK®.
19
1.2.2
Grado del Acero de los Elementos del Sistema
Tabla 1.2.2
Propiedades Mecánicas de los Elementos del Sistema de Refuerzo de Rocas SAFEROCK®
Elemento
Perno
SAFEROCK®
Planchuela
Grado del
Acero
Resistencia a la Tracción
Tensión de Fluencia
(Fu)
(Fy)
Alargamiento
%
MPa
kgf/mm2
MPa
kgf/mm2
A440-280
440
44,9
280
28,6
16%
A270ES
410 a 510
41,8 a 52,0
270
27,5
20%
457
46,6
320
32,6
-------
Fundición
Tuerca
SAFEROCK®
1.2.3
Nodular Dúctil
ASTM A536
ensayes de tracción, en barras para pernos SAFEROCK®
Relaciones Tensión-Deformación
para el grado A440-280, con una cur va en barras de
El ensaye de tracción se realiza sobre muestras de pernos
SAFEROCK®
22 mm de diámetro.
en su sección completa, de la forma como
salen de la laminación, dando así cumplimiento a la norma
Esta curva presenta claramente una zona de fluencia,
oficial chilena NCh200.
en donde una vez alcanzado el límite elástico o tensión
de fluencia, la probeta empieza a deformarse
En el gráfico siguiente se muestran los resultados de
plásticamente bajo tensión constante.
Gráfico 1.2.3
Curva Tensión-Deformación Barras para Pernos SAFEROCK®, grado A440-280, 22 mm
800
700
s, MPa
600
500
400
300
200
100
0
0,050
Fuente: Laboratorio de Ensayos IDIEM
20
0,100
0,150
´
0,200
0,250
0,300
Capítulo 1: Información General
1.2.4
Cer tificado de Calidad
las etiquetas de los atados o paquetes de barras
recibidos.
A requerimiento del ingeniero responsable del proyecto,
el propietario, la empresa minera o constructora, el
A continuación, se adjunta un facsímil de cer tificado
contratista instalador o del inspector técnico de la
de calidad, emitido por el IDIEM, el que describe
obra, Gerdau AZA, está en condiciones de entregar,
los controles necesarios a que son sometidas los
sin costo adicional, un Certificado de Calidad para los
pernos SAFEROCK ® , y los resultados obtenidos en
pernos SAFEROCK ®, emitido por un organismo de
los ensayes
ensaye de materiales
autorizado por el Estado, que
permite certificar y autorizar
el uso de las par tidas de
acero
en
obras
de
refor zamiento de rocas y
suelos de acuerdo a las
especificaciones
del
proyecto.
Se recomienda a quién
recibe las barras en la obra,
que exija a sus proveedores
las par tidas identificadas
con
sus
respectivas
etiquetas. De esta forma,
ante
cualquier
duda
posterior, se facilitará
chequear la cer tificación
entregada, con el material
respectivo.
Impor tante: En el caso de
barras
de
origen
o
procedencia desconocida, se
deberá tomar la precaución
de
verificar
que
la
información del cer tificado
de calidad sea coincidente
con los datos contenidos en
Figura 1.6: Facsímil del Certificado de Calidad IDIEM barras SAFEROCK®.
21
Capítulo 2
Generalidades
2.1
El Refuerzo de Roca y la Calidad Total
2.2
Seguridad en Excavaciones
2.3
Control del Daño como Consecuencia de la Caída de la Roca
2.4
Accidentabilidad
2.5
Relación Marco-Perno
2.6
Historia de su Aplicación en Minería
Capítulo 2: Generalidades
2.1
EL REFUERZO DE ROCA Y LA CALIDAD TOTAL
excavación sometida a esfuerzos, de manera que actúe
como un todo, es decir, fijando cualquier tipo de roca
Las empresas creadoras de bienes y/o ser vicios,
suelta o estrato, anclándola profundamente a la roca
enfrentan actualmente una fuer te competencia por
madre o mejorando la fricción entre las discontinuidades.
efecto de la globalización de los mercados y de la
utilización de las modernas tecnologías de la
El mejoramiento continuo para estos sistemas se obtiene
comunicación, que han permitido el acceso a la
cuando todos los involucrados, es decir, clientes, empresa
información y contacto con cualquier empresa
productora y trabajadores, están orientados hacia el
productora en el mercado.
mismo propósito de calidad; este propósito no es otro
que entender las necesidades del cliente, satisfacerlas
La situación anterior ha llevado a las empresas
y de ser posible excederlas.
productoras de bienes a cambiar la forma de
relacionarse con el cliente, interactuando con ellos,
Por otro lado, el cliente debe utilizar estos sistemas
con la finalidad de buscar la manera de mejorar los
apropiadamente; lo mismo ocurre con su instalación, la
productos, no sólo para el proceso de venta, sino
que debe ser controlada eficientemente para cumplir con
también para ofrecer un ser vicio de postventa que le
los procedimientos de manera correcta. Lo anterior
permita mantener el liderazgo en el mercado, revisando
permitirá obtener el máximo de rendimiento del sistema.
y mejorando constantemente los procesos involucrados.
En el mercado globalizado actual se debe competir en
Lo anterior exige a los productores realizar un
igualdad de condiciones con empresas tanto nacionales
mejoramiento continuo en el proceso, siendo proactivos
como internacionales, en términos del diseño del
para evitar situaciones de crisis que les puedan provocar
producto, costo y calidad. Esto último involucra la
los productos o servicios de postventa en los mercados
facilidad, tanto en el transporte como en la operación
en los que actúan, como asimismo anticiparse a
misma; por lo tanto, el fabricante de pernos debe tener
problemas derivados de la competencia, las materias
presente las necesidades reales del cliente para
primas, pérdidas por desechos, pérdidas de tiempo
entregar productos de alta calidad y competitivos en
en la fabricación de productos, etc.
materia de costos.
En este caso par ticular, la fabricación de pernos para
Por otra par te, la relación de confianza que se va
reforzamiento de rocas no puede abstraerse al concepto
generando entre productor y cliente en un mercado
de calidad total y mejoramiento continuo, considerando
globalizado es frágil, por las infinitas opciones de
el ser vicio que presta para mantener la seguridad en
compra y ser vicio integral que posee el cliente. De
faenas mineras subterráneas, túneles rodoviarios y
esta manera, la empresa fabricante de pernos, el
ferroviarios, estabilización de taludes, etc., es decir,
distribuidor y el cliente, si no son capaces de detectar
evitar accidentes en aquellos lugares de alto tránsito
(Control de Calidad), prevenir (Garantía de Calidad) y
que, de no mediar algún tipo de for tificación, serían
mejorar continuamente (Calidad Total) las fallas en los
zonas de alto riesgo.
productos, por muy mínimas que éstas sean, puede
hacer naufragar la sociedad empresa- proveedor-cliente.
Estos pernos permiten mantener la integridad de la
(Ver figuras 2.1, 2.2 y 2.3).
25
Mejora de
la calidad
Calidad
total
Garantía
de calidad
Control
de calidad
1980
Mejora continua
Prevenir defectos
Detectar defectos
1990
2000
Tiempo
Figura 2.1: Evolución de la calidad en el tiempo.
Figura 2.3: Ruptura de la tuerca.
a una mayor cantidad de pares, si la comparamos
con un cliente satisfecho.
Por otro lado, el cliente puede perder la opor tunidad
de utilizar, tal vez, un producto de alta calidad y
rendimiento por el solo hecho de no manejar la
información adecuada, los principios esenciales y
los fundamentos que rigen el compor tamiento de
estos sistemas.
La calidad total nos lleva a detectar los puntos
débiles y a corregirlos no sólo en normas y medidas,
sino también con cambios en la mentalidad de trabajo
Figura 2.2: Deformación de planchuelas debido a cargas.
y con un mayor cuidado en la forma en que se debe
enfrentar el trabajo ante la necesidad del cliente.
La gravedad que puede tener un perno que se fatigue
sin mediar una causa que lo explique, que podría ser
En el caso de las excavaciones, quienes las
producto de una mezcla deficiente en las materias
construyen pasan a formar par te de un ser vicio de
primas de la producción del acero, o una mezcla de
construcción minera, cuya clientela estará constituida
cemento - agua no apropiada por par te del operador,
por los diversos usuarios que existen en las obras
puede amenazar fuer temente la permanencia de la
civiles (generación de electricidad, tráfico de
empresa productora en el mercado, ya que un cliente
vehículos, galerías mineras etc.). Por lo anterior, en
insatisfecho transmitirá la información de esta situación
este texto se presentan los elementos principales
26
Capítulo 2: Generalidades
de ingeniería para el análisis de reforzamiento de
excavaciones.
Gunnar Nord (2005), en “Controllable Rock Reinforcement”
cita el ejemplo de un túnel de 80 m2 de sección el que
está siendo desarrollado en caliza fracturada con
estratos arcillosos, a través de un par de fallas
mayores, con 350 m de sobrecarga y un significativo
flujo de agua; la fase de per foración ha decrecido
desde 40%, del tiempo total de per foración hace 20
años, a sólo el 20% en la actualidad.
La figura 2.4 muestra el desarrollo de la per foración
y operaciones auxiliares en 25 años. Nótese que las
diferentes fases del ciclo han tenido el mismo
desarrollo.
El shotcreting muestra una positiva tendencia a
reducir el tiempo, mientras que el carguío de limpieza
presenta un notable menor avance.
Si se consideran pernos con lechada a columna
completa e instalados con un Jumbo o con un equipo
automático para aper nado, el incremento en
productividad no guarda relación con la fase de
per foración. En el caso tratado se registra un 10%
solamente. Lo anterior verifica que esta fase es un
cuello de botella para el ciclo de excavación, donde
queda aún mucho por hacer.
Figura 2.4: Cambios en los tiempos de cada componente del ciclo
de excavación en los últimos 25 años. Gunnar Nord 2005.
27
2.2
SEGURIDAD EN EXCAVACIONES
La mayor o menor gravedad de las consecuencias de
este planchoneo depende únicamente de la previsión
2.2.1
Reduciendo la Exposición por Caída de Roca
o medidas de control adoptadas.
La caída de roca es uno de los mayores riesgos para
Controlar los riesgos de accidentes a personas, equipos
los trabajadores de la industria minera subterránea. El
y pérdidas de materiales producto de la inestabilidad
desarrollo y la implementación de un efectivo Programa
que presenta una labor durante su apertura, constituye
de Gestión para reducir los accidentes por caída de
una preocupación primordial que debe ser considerada
roca, o un sistema de gestión que incorpore un equipo
en la planificación de las labores mineras.
de trabajo conformado por la gerencia, staf f de
ingenieros, operarios, y asesores, puede ayudar a reducir
los riesgos asociados a la caída de roca, y en cier tos
2.2.2
Factores que Inciden en la Caída de Roca
casos eliminarlos.
A continuación se indican algunos factores relacionados
La base de datos que se ha generado a par tir de los
con aquellos aspectos operativos y otros agentes
resultados de las investigaciones realizadas, tanto por
mecánicos que han sido identificados como elementos
los organismos fiscalizadores estatales, como por las
recurrentes en los resultados de las investigaciones
investigaciones internas que llevan acabo los
realizadas, no todos son causantes del fenómeno de
profesionales responsables de la gestión de Prevención
caída de roca, pero han contribuido en cierto grado como
de Riesgo y Seguridad al interior de las empresas,
parte del o los mecanismos que originó la caída de roca.
permiten indicar que existe una serie de elementos
agentes comunes, que contribuyen o son factores
Factores geológicos: Se relacionan directamente a las
relevantes en las causas que generan los eventos de
características del macizo rocoso; tipo de roca,
caída de roca.
alteraciones, fallas, discontinuidades o diaclasas, lo
que origina el debilitamiento y luego el desprendimiento
¿Por qué ocurre la caída de roca?
de rocas.
La caída de roca o planchones se produce cuando por
razones diversas, el macizo rocoso colapsa o falla, lo
Factores ambientales: Los cambios bruscos de
que genera una inestabilidad y por acción de la gravedad
temperatura, la humedad y la presencia de agua
esta masa se desliza en forma repentina, por ello el
subterránea, son factores que contribuyen a debilitar
objetivo principal del diseño de los sistemas de refuerzo
la roca.
para las excavaciones subterráneas, es ayudar al macizo
rocoso a sopor tarse, es decir, básicamente están
Campo de esfuerzo: Cuando las excavaciones llegan a
orientados a controlar la "caída de rocas" que es el
grandes profundidades se originan grandes esfuerzos en
tipo de inestabilidad que se manifiesta de varias
la masa rocosa, lo que origina fracturas y luego la caída
maneras, siendo las más impor tantes las fracturas
de rocas.
debidas a situaciones del tipo:
• Gravitatorio (desprendimiento y/o desplazamiento)
Método de explotación: Un método de explotación
• Violentas o Explosivas (Rock Burst)
inapropiado al tipo y calidad de roca, influye en la
28
Capítulo 2: Generalidades
inestabilidad de la excavación y del entorno del macizo
y operador) en la identificación de cuñas y otras
rocoso.
estructuras geológicas riesgosas.
• Personal no competente para el análisis, evaluación
Efectos por tronadura: El uso excesivo de explosivos
e inspección visual de condiciones de riesgo del macizo
en una tronadura debilita las paredes y el techo de la
rocoso.
excavación, lo que provoca la generación de
• Colapso y caída de roca dañada por la efecto del
microfracturas y apertura de diaclasa, las que pueden
proceso tronadura y un mal proceso de saneamiento
provocar caída de roca.
al iniciar el proceso de apernado.
• Aplicación del perno de anclaje por fricción para el
Per foración deficiente: No conser var el paralelismo
de las per foraciones contribuye a formar zonas de
sobreexcavación y cuñas que pueden desprenderse.
control de grandes bloques.
• Uso solo de perno de anclaje como refuerzo para la
estabilización, en zonas donde se requiere una
combinación de refuerzo + sopor te, mediante la
Corrosión del elemento estructural
aplicación de shotcrete y malla u otro elemento a ser
• Uso de acero negro, sin encapsulado en ambientes
colocado en la superficie para prevenir el colapso de
agresivos.
la roca.
• Fracturas del grout en ter renos sujetos a
• Instalación insuficiente del número de anclajes para
permanentes cambios de tensiones y por no
obtener un factor de seguridad adecuado a las
considerar un pre-tensado del elemento.
condiciones del área a estabilizar.
• Pérdida de grout por un encapsulado incompleto del
elemento, lo que permite que la infiltración de agua
• Instalación y orientación inadecuada con respecto a
la superficie a estabilizar.
erosione el grout .
• Cambio del pH, volumen y propiedades químicas,
de las aguas de infiltración subterránea.
Cambio del mecanismo de carga en el anclaje: Alteración
del mecanismo de carga sobre el anclaje, debido al
movimiento de una estructura geológica o a cambios en
Incorrecta instalación del sistema de estabilización
el campo de esfuerzo. Esto genera una alta probabilidad
• Pernos instalados con equipo mecanizado tipo Jumbo
de falla del sistema de refuerzo, porque este fenómeno
en excavaciones pequeñas con ángulos menores a
no es evaluado objetivamente y oportunamente por parte
la nor mal de la super ficie (subhorizontal).
de la operación minera.
• Longitud de encapsulado menor que la especificada.
• Dosificación incorrecta del grout o lechada de cemento.
Exper ticia del recurso humano de operación: Bajo
• Longitud de anclaje insuficiente en roca sana.
conocimiento especifico sobre los objetivo de las labores
• Diámetro de per foración inadecuado para el tipo de
de control y calidad, en las operaciones orientadas a
sostenimiento a emplear (anclaje por fricción, perno
mantener la estabilidad de las excavaciones subterráneas,
resina).
a nivel de todo el recurso humano involucrado en las
actividades de estabilización, sean super visores y
Diseño incorrecto y/o aplicación inapropiada del sistema
operadores.
de estabilización
• Escasa capacitación del personal (incluidos ingenieros
29
Alineamiento de los objetivos de la for tificación:
número de eventos en los frentes de operación donde
Existencia de un desalineamiento entre los objetivos
normalmente se producía el mayor número de colapsos,
que persigue el diseñador de los sistemas y los
ahora se producen en otras áreas de las operaciones
instaladores u operadores, lo que lleva a tener malos
mineras y a consecuencia de otros fenómenos,
resultados en la gestión global de la estabilidad de
básicamente relacionados con eventos de origen cinético
las excavaciones.
y deslizamientos de grandes cuñas.
Interacción de factores críticos: La coexistencia de alguno
o varios de los factores enumerados anteriormente, que
2.4
ACCIDENTABILIDAD
pueden contribuir en diferente grado de importancia a
generar condiciones de inestabilidad sobre el macizo
La falla del techo es la inestabilidad más común que
rocoso en el tiempo, por ejemplo; la falta de monitoreo
aparece en la mayoría de las excavaciones de obras
y retroalimentación de la existencia de eventos de riesgo
civiles y minas subterráneas, ya sean éstas de pequeña
por parte de la operación ya sea de eventos individuales
o gran escala y para distintas especies explotadas. Del
o colectivos a consecuencia de factores tales como:
mismo modo, podemos afirmar, y así lo muestran las
presencia de agua, lajamiento y eventos sísmicos por
estadísticas, que una gran par te de los accidentes
incremento del campo de esfuerzo, y daños en los sistemas
fatales son asociados a falla del techo.
a consecuencia de las operaciones productivas, todos
estos factores críticos sumados, evidentemente generan
La estadística de seguridad minera del año 2004
condiciones de riesgo y de colapsos de las excavaciones
proporcionada por el Ser vicio Nacional de Geología y
subterráneas y de superficie.
Minería, SERNAGEOMIN, muestra que la accidentabilidad
no ha variado mayormente en comparación con los
años anteriores, esto es, la accidentalidad se mantiene
2.3
CONTROL DEL DAÑO COMO CONSECUENCIA
en valores controlados; sin embargo, igual pueden
DE LA CAIDA DE ROCA
ocurrir hechos no esperados. Así lo demuestra el gráfico
2.1, donde la tendencia en general muestra un descenso
Mecanización de la operación de fortificación
en los índices.
Los eventos de colapso de la roca si bien es cier to
normalmente se producen en frentes en desarrollo y en
En 1975 la frecuencia de los accidentes incapacitantes
cámaras de explotación, también pueden presentarse en
fue de 37, mientras que en el año 2004 fue de 7,5. Es
áreas previamente estabilizadas. Es por ello que la mayoría
muy significativo que durante siete años consecutivos
de las operaciones mineras están tendiendo a convertir
se registren valores de un solo dígito. Una especie de
la operación manual de estabilización en una operación
Montaña Rusa se visualiza en el gráfico. Se muestran
totalmente mecanizada, de manera de conseguir una
allí distintos períodos anuales en los que, cada cierto
mayor productividad y, lo más importante, evitar exponer
tiempo de descenso aparece una brusca subida. Esto
al trabajador a una área que aún no está estabilizada.
nos hace reflexionar que aún se manifiestan accidentes
significativos, los que deben ser controlados para llegar
En operaciones mineras donde se ha llevado a mecanizar
las operaciones de estabilización, se ha reducido el
30
a la tasa ideal de "cero".
Capítulo 2: Generalidades
Del gráfico 2.2, se desprende que las empresas
y que desde el año 2000 prácticamente las horas hombres
contratistas han mantenido una tasa con poca variación
de contratistas han superado a las horas hombres de
en los últimos 7 años; sin embargo, en el año 2004 las
las empresas mandantes.
empresas mandantes subieron a una tasa cercana a dos
dígitos. De todas formas, una consideración importante
En cuanto a la tasa de fatalidad, ésta se ha mantenido
es el hecho que, mientras más pequeñas son las
en valores bajo 0,2 muertes por millón de horas hombres
empresas, ya sean éstas mandantes o contratistas, la
trabajadas en los últimos 4 años. Dicha tasa es atingente
tasa sube. Lo anterior lleva a meditar sobre la necesidad
principalmente a la pequeña minería y a la minería
de capacitar y controlar aquellas empresas más pequeñas
artesanal.
que se han incorporado a la industria, especialmente en
los años 2005 y 2006, cuando se alcanzaron valores
En general, los accidentes por desprendimiento de
históricos en el precio de los metales (sobre los 3,4
rocas, si bien han disminuido, comparado con décadas
dólares la libra de Cu). Así se han puesto en marcha
pasadas, sigue constituyendo una de las cuatro o cinco
yacimientos de escalas menores y las empresas
categorías de las principales causales de los accidentes
mandantes, por lo general, son contratistas y
ocurridos en la minería. Cabe destacar que esta
subcontratistas con menos de 12 personas.
disminución, por supuesto, se ha debido a la capacitación
de los operarios y, en forma muy impor tante, a la
Por otro lado, en general, estas empresas han aumentado
implementación de elementos de soporte y reforzamiento
el registro de accidentabilidad en un 35% en dos años,
de las masas rocosas. De allí la impor tancia de los
con una alta tasa de frecuencia. La tendencia es
sistemas de refor zamiento en situaciones
claramente conocida en el sentido que en el último tiempo
estructuralmente controlados y presencia de altos niveles
las empresas contratistas han crecido exponencialmente
de esfuerzos.
Gráfico 2.1
Tasa de Frecuencia de accidentes incapacitantes (Años 1975 - 2004)
Tasa Frecuencia
40
30
20
10
75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04
Años
Fuente: SERNAGEOMIN
31
Gráfico 2.2
12
9,1
8,6
7,5
2002
2003
2004
6,2
2000
8,0
7,5
7,7
1999
7,9
8,6
8,6
8,6
8,0
6,5
7,3
8,0
6,6
8
7,8
Tasa Frecuencia
10
9,3
9,5
11,5
Mandantes
Contratistas
Total
9,5
Tasa de Frecuencia de accidentes incapacitantes. Empresas mandantes v/s Contratistas (Años 1998 - 2004)
6
4
2
1998
2001
Años
Fuente: SERNAGEOMIN
2.5
RELACIÓN MARCO - PERNO
Estos sistemas requieren un gran volumen y peso de
material que es necesario muchas veces transpor tar
Con certeza se puede decir que se han hecho grandes
a grandes distancias, subiendo los costos involucrados
esfuerzos para desarrollar mejores sistemas de soporte y
y, además, necesitan una constante manutención;
lograr mejor estabilidad. Uno de estos aportes lo constituye
dependiendo de la condición geomecánica del terreno,
el trabajo que se presenta y que tiene relación con un
5 ó 6 per nos SAFEROCK ® pueden reemplazar
mejoramiento general del sistema de refuerzo usando, tuerca
eficientemente un marco de acero o madera que,
y perno
SAFEROCK®,
sistema diseñado y fabricado por
según se desprende desde la práctica e informaciones
Gerdau AZA, y su planchuela. Por largo tiempo los sistemas
obtenidas de terreno, estos últimos no son muy
de soporte fueron pasivos de piso a techo, tal como son los
efectivos en el control de la estabilidad (Ver figuras
marcos en madera y acero. (Ver figuras 2.5 y 2.6).
2.7a y 2.7b).
Figura 2.5: Marco de Madera (Thomas Imgrund 2002)
32
Figura 2.6: Marco de Acero
Capítulo 2: Generalidades
Figura 2.7a: Pernos SAFEROCK®
2.6
HISTORIA DE SU APLICACIÓN EN MINERÍA
Figura 2.7b: Equivalencia Pernos y Marco
propuso los conceptos básicos de apernado como un
método sistemático de soporte de techos débiles. De
Históricamente, antes de 1900, los típicos sistemas
esta manera nacen las primeras aproximaciones
de soporte de techo en minas fueron postes de madera
teóricas de refuerzo interno de masas rocosas. Algunas
y vigas. Entonces, tempranamente hacia 1905, pernos
de estas ideas, tal como se dijo anteriormente acerca
al techo fueron reportados en minas de carbón en los
del apernado del techo, son aún los fundamentos de
Estados Unidos.
modernas teorías y manuales de apernado de rocas.
Más tarde, en 1920, sistemas de reforzamiento más
Las varillas de madera se idearon para no dañar la
completos fueron aplicados, dando origen al principio
maquinaria de cor te de carbón y las cintas
de "sopor te por suspensión de techo" y al principio
traspor tadoras; también se usaron en tiempos de
de sustento de "viga", ambos dieron la base a los
escasez de acero durante la guerra. Estas varillas sin
principales fundamentos modernos de reforzamiento
tensar sólo sir vieron para refuerzo muy ligero.
de rocas.
Se colocaban varillas secas a los techos en
Esas fueron las primeras informaciones sobre el uso
per foraciones ajustadas, de tal manera que ésta se
de reforzamiento interno en la masa rocosa y fue
expandía debido a la humedad de la roca. Este aumento
aplicado en una geología estratiforme; de esta manera
de volumen producía fuerzas radiales traducidas
el sopor te pasó a ser activo. En aquel entonces, la
finalmente a fricción, impidiendo que la roca resbalara
idea tal vez vino del simple hecho de que un perno
sobre la madera. En Australia se utilizaron para reducir
pudo atar la roca, tal como un perno y tuerca unen
la dilución y disminuir el daño a las cintas
dos piezas aisladas. Este hecho fue considerado como
transpor tadoras.
una tecnología revolucionaria en el control de terrenos
o super ficies expuestas en una excavación.
En Chile fueron usadas como refuerzo temporal en los
niveles de hundimiento, donde las galerías tienen corta
En 1943, Weigel, en el Engineering and Mining Journal,
vida útil, esto es, hasta iniciado el hundimiento mediante
33
voladura de la base del bloque, desde donde se realizan
En 1979, J.J. Scout, introdujo el sistema Splitset, y en
las per foraciones radiales. Se emplean muy poco en la
1980 Atlas Copco hizo lo propio con el sistema Swellex.
actualidad.
Estos dos productos utilizan el anclaje mediante la fricción
del elemento con el macizo rocoso alrededor de las
En 1945, el anclaje de expansión apareció en Inglaterra,
excavaciones.
Holanda y USA, y en 1949 se hace popular el reemplazo
de marcos en forma muy rápida.
Durante la década de los 80 el Conebolt para estallido
de rocas, fue introducido en las minas sudafricanas y su
Con la intención de reducir el número de accidentes
aplicación en otros continentes está aún en desarrollo.
causados por falla del techo, el USBM (U.S. Bureau of
Mines) fue par tidario del uso de la tecnología de
En 1984, el USBM estimó que se habían utilizado cerca
apernado del techo en 1947. Debido a su efectividad,
de 120 millones de pernos y que más del 90% de la
en más de 200 minas en USA se empleó este nuevo
producción de carbón había sido realizada bajo techos
método de sopor te de techo en menos de dos años.
apernados (Bieniawski, 1987).
En 1952 el consumo anual había alcanzado 25 millones
de pernos.
Atlas Copco, en 1997, introdujo el perno cedente EXL
Swellex. En el 2003 Atlas Copco junto a MAI presentan
En Canadá el uso de pernos se inició en 1950. Entre
el Swellex Pm Line y el sistema de instalación mecanizada
1952 y 1962 se comienzan a usar barras con resaltes
SDA.
colocadas en barrenos con lechada de cemento. En 1960
aparecen las resinas como elemento de unión entre el
Sin embargo, se dice que un gran número de estos
perno y la roca.
sistemas de refuerzo puede no estar logrando las
expectativas de diseño esperada, debido principalmente
En 1968, 55 millones de pernos fueron usados anualmente
a los conceptos erróneos que se manejan, producto de
en USA por 912 minas de carbón y el 60% de la producción
la desinformación y, por otro lado, a los problemas
de carbón fue realizada en condiciones de soporte utilizando
asociados con las operaciones de instalación, agudizado
techos apernados. En 1970, esta tecnología alcanzó un
todo esto por el poco control.
alto nivel de desarrollo.
El apernado de techo (Ver figura 2.8) ganó rápidamente
Estos antecedentes fueron siendo conocidos por la mayor
mucha popularidad debido, no solo al patrocinio del
parte de las compañías mineras, lo que permitió que los
USBM, sino también, principalmente, a su control efectivo
techos y paredes de las vías principales en las minas
del terreno y a la reducción de costos. Veamos algunas
fueran reforzadas con estos sistemas para proteger
ventajas del apernado sobre otros sistemas tradicionales.
personas y equipos ante fallas de estas super ficies
• Reducción de los requerimientos de almacenaje y
expuestas. Posteriormente, el apernado de techo fue
aceptado y ampliamente usado en la industria minera del
carbón, lo que se manifestó en una reducción considerable
en los accidentes y al mismo tiempo en un gran incremento
de la productividad.
34
transporte.
• Reducción de las aberturas que es necesario lograr
para un claro dado.
• Prevención de deformaciones del techo mediante una
instalación rápida después de la excavación.
Capítulo 2: Generalidades
• Mejoramiento de la ventilación y pérdida de la
resistencia en la vía del aire por eliminación de
obstrucciones, tales como marcos, postes y vigas.
• Entregar mas libertad para vehículos sin riesgo de
dañar el soporte.
• Entregar soporte natural para colgar cañerías, tubos
y cables eléctricos.
Hoy, el apernado de rocas no solo es ampliamente usado
en minas subterráneas de carbón, sino también, se
encuentran aplicaciones en minería de superficie, minería
en roca dura, túneles, ingeniería civil, y en la mayor parte
Figura 2.8: Galería sólo con pernos
donde se requiere estabilidad del terreno.
Durante los primeros años de la explotación de una
En Chile su uso es bastante difundido, donde se han
mina, las cámaras suelen ser pequeñas y aisladas, por
realizado esfuerzos por mejorar estos sistemas y a la
lo que es posible mantener la seguridad y minimizar la
vez, proporcionar apoyo técnico en terreno y además
dilución con un modesto sistema de estabilización. Es
mediante difusión escrita.
muy impor tante por otro lado, el análisis de cambios
en el campo de esfuerzos, siendo ideal instalar los
En minería los laboreos permanentes tales como
sistemas de estabilización previo a que aparezcan las
chimeneas, subestaciones de carguío, transporte, rampas,
inestabilidades de la roca durante la etapa más avanzada
subestación de chancado, subestaciones de manutención
del minado.
de equipos, subestaciones eléctricas, requieren de un
sistema de estabilización segura durante la vida útil de
Un ejemplo claro de esto es la pre-instalación de sistemas
la mina. Lo mismo ocurre en excavaciones de obras
de estabilización en puntos de extracción, donde estos
civiles que utiliza una alta densidad de sistema de
son desarrollados o preparados, antes que la cámara
estabilización. La diferencia entre ambos es que las
localizada sobre ellos, sea explotada. (Ver figura 2.9).
aberturas mineras tienden a tener grandes deformaciones
como resultado de los esfuerzos inducidos debido al
Los puntos de extracción están por lo general en masas
progreso del minado.
de roca estable, donde no se requiere sistema de
estabilización.
Por lo general, estos diseños tienden a ser bastante
conservadores con la finalidad de disminuir al mínimo la
Sin embargo, cuando las cámaras o bloques son
manutención y rehabilitación, la que puede ser muy
explotados y los puntos de extracción están en la
dificultosa y de altos costos. Los sistemas de monitoreo
operación, el cambio de esfuerzos, debido a la creación
en estos casos pasan a ser una herramienta muy útil,
de una nueva excavación y las fuerzas dinámicas producto
con la finalidad de controlar el comportamiento de los
del movimiento de mena fragmentada, puede resultar en
sistemas que permitan realizar los cambios en el momento
un alto nivel de sobre-tensionado de la roca alrededor
oportuno.
de estos puntos de extracción.
35
Cuando estos cambios son advertidos con anticipación
y la roca ha sido reforzada suficientemente, la estabilidad
de los puntos de extracción puede mantenerse durante
la vida útil de la cámara o bloque.
Cuando la mina subterránea alcanza un nivel alto de
explotación y la cantidad de material removido ha sido
desplazado hacia los puntos de extracción y además se
han recuperado pilares en las áreas mas avanzadas, los
problemas en los sistemas de estabilización alcanzan
niveles muy severos y complejos. Entonces aquí el ingeniero
debe recurrir a su experiencia ganada en las primeras
etapas de explotación para lograr que se continúe dando
seguridad en los accesos y manteniendo los niveles de
dilución en valores económicamente aceptables.
Figura 2.9: Punto de extracción
magnitud de la falla del macizo rocoso y el rendimiento
de los sistemas de estabilización.
Dependiendo de la naturaleza y escala de los problemas,
éstos pueden mantenerse en el mismo nivel que en las
Las diversas maneras de mejoramiento de la masa
etapas iniciales de explotación o, en otros casos, se
rocosa, tales como inyecciones químicas o de cemento,
aplican diseños innovativos. En esta etapa se puede
congelamiento del terreno, y otras, tienen por finalidad
justificar técnica y económicamente el uso de sistemas
incrementar la resistencia o disminuir las características
más sofisticados. Del mismo modo, en esta etapa de
de deformación de una masa de roca.
minado, el departamento de ingeniería debe contar con
una base de datos geotécnicos. Éstos pueden incluir los
En el caso particular de refuerzo de rocas el objetivo es
resultados de las obser vaciones y medidas de las
mejorar la resistencia a la tensión y al corte de las masas
deformaciones que han ocurrido en la excavación, la
rocosas adyacentes a la superficie de las excavaciones.
36
Capítulo 3
La Ingeniería de Excavaciones
3.1
Ingeniería de Rocas
3.2
Propuesta para la Ingeniería de Excavaciones
3.3
Método de Análisis de Riesgo
Capítulo 3: La Ingeniería de Excavaciones
3.1
INGENIERIA DE ROCAS
civil, mecánica y minera, que se combinan entre sí para
crear el proceso del diagrama 3.1.
La Mecánica de Rocas o Geomecánica es un término a
menudo usado para incluir todas las etapas que llevan
Este proceso global puede ser muy detallado o igualmente
a definir y controlar el comportamiento de la roca alrededor
básico, dependiendo de la magnitud de la operación
de una excavación. Desde las definiciones geológicas y
minera y de los recursos disponibles. En lo fundamental
mecánicas, a través de la caracterización de macizos
debe incluir: definición estructural del macizo rocoso
rocosos, al diseño de reforzamiento y cálculo de factores
incluyendo aspectos tales como, discontinuidades, fallas,
de seguridad, la mecánica de rocas entrega las bases
zonas de cizalla, evaluación de los parámetros
para la valoración de la estabilidad de una excavación
fisicomecánicos de la roca intacta y estructuras;
(cuantificación de las necesidades de reforzamiento).
identificación y cuantificación de los modos de fallas
basado en análisis estructural y de esfuerzos; el modo
En el contexto de definiciones, es mejor hablar de ingeniería
de influencia de la excavación y el diseño del reforzamiento
de rocas como los componentes de ingeniería geológica,
de rocas.
Caracterización de las Masas rocosas
Estabilidad controlada por:
Geología Estructural
Esfuerzos
Meteorización
Flujos de Agua
Tipos de inestabilidad
Formación de bloque
y/o cuñas
Análisis de
resistencia al corte
de las
discontinuidades
Prevenir fallas por
gravedad o
deslizamiento de
bloques o cuñas
Ambiente de altos
Meteorización provoca
esfuerzos in-situ e
expansiones y
inducidos que
contracciones de la
superan la resistencia
roca
de la roca
Estudios y acciones recomendadas
Excesiva presión y
flujos de agua en
poros y
discontinuidades
Análisis de esfuerzos
Realizar ensayos de
en zonas fracturadas
durabilidad y
Comparar esfuerzos
expansión a testigos
medidos con el criterio
de roca
de fractura
Objetivo del diseño
Secuencia de
Prevenir fallas por
excavación
para
gravedad y reforzar
retardar al mínimo el
zonas de potencial
tiempo entre
falla
excavación y protección
Instalar piezómetros
para determinar
presión de agua y su
distribución
Drenar y/o inyectar
mezclas para controlar
presiones y flujos de
aguas
Influencias de eventos dinámicos
Diseño de reforzamiento
Diagrama 3.1: Procedimiento analítico del diseño de reforzamiento.
39
Se puede decir que los dos factores más importantes que
La utilización de la mecánica de rocas ayuda a entender
afectan la estabilidad de cualquier excavación, son los
de mejor manera el comportamiento de macizos rocosos,
esfuerzos y las estructuras de la roca. La combinación de
siendo esperable una más efectiva y segura operación.
varios regímenes de esfuerzos y fragmentación podrá
Los análisis de esfuerzos son realizados en el sitio y los
dictar el comportamiento de la excavación, como se verá
resultados son más fáciles de evaluar gracias a poderosas
en el procedimiento de diseño. La intensidad de los
herramientas computacionales. Es muy importante repetir
esfuerzos puede variar de muy baja, a muy alta y la
el proceso de diseño en etapas posteriores de minado.
intensidad de fragmentación desde la roca masiva a
Por ejemplo, cuando una roca masiva dura falla, produce
estructuras como cubos de azúcar o intensamente
pequeños fragmentos y, a menudo, es señal de que la
diaclasado. La roca masiva presenta alta resistencia, pero
roca está sobreestresada y se está rompiendo de una
también acumula carga y puede fallar violentamente. La
manera frágil incontrolable. Esto podría ser precursor de
roca muy fracturada tiende a deformarse bajo esfuerzos
un evento sísmico y falla dinámica que la mayoría de los
y de forma muy compleja.
refuerzos de rocas son incapaces de controlar.
Obviamente, la forma y tamaño de la excavación también
De la información que se maneja, debido a la gran variedad
afectan la respuesta de la excavación.
de elementos de soporte existente en el mercado, parece
ser improbable que los materiales del sistema de refuerzo
Lo anteriormente expuesto será analizado con más detalle
fallen debido a la calidad, sino más bien, la falla se
en el procedimiento de diseño.
produce por mala aplicación o instalación.
Hoek (1996) presenta un resumen de distintos tipos de
3.1.1 Excavación Optimizada
problemas de inestabilidad, los parámetros críticos que
los gobiernan, métodos de análisis y criterio de
La Mecánica de Rocas es una ciencia relativamente nueva,
aceptabilidad tanto para túneles de obras civiles como
es inseparable al comportamiento mecánico del material
excavaciones mineras, taludes y fundaciones. Las tablas
de roca y se usa en la actualidad para optimizar el
3.1a y 3.1b presenta los dos primeros, que son de interés
rendimiento de las excavaciones mineras en roca.
para este texto.
40
Capítulo 3: La Ingeniería de Excavaciones
Tabla 3.1a
Problemas típicos y parámetros críticos en excavaciones de Ingeniería Civil (Hoek 1996, modificado)
Estructura
Túneles en rocas blandas
Problemas Típicos
Parámetros Críticos
Falla de roca cuando la resistencia es
Resistencia del macizo y de las
excedida por los esfuerzos inducidos.
características estructurales individuales.
Potencial expansión, particularmente
rocas sedimentarias.
Secuencia y métodos de excavación
Capacidad y secuencia de instalación de
sistemas de soporte.
Túneles superficiales en
rocas fracturadas
La gravedad provoca falla en caída libre Orientación, inclinación y resistencia al
o deslizamiento de cuñas o bloques
corte de las discontinuidades en el
definidos por la intersección de
macizo rocoso.
discontinuidades. Derrumbe de material Forma y orientación de la excavación.
soportado inadecuadamente.
Calidad de perforación y voladura durante
la excavación.
Capacidad y secuencia de instalación del
sistema de soporte.
Grandes cavernas en roca
La gravedad provoca falla o deslizamiento Forma y orientación de la caverna en
fracturada
de cuñas o fallas de corte o tensión en relación a la orientación, inclinación y
el macizo rocoso, dependiendo del
resistencia al corte de las estructuras
espaciamiento y característica estructural en el macizo rocoso.
y magnitud de los esfuerzos in-situ.
Esfuerzos in-situ en el macizo rocoso.
Excavación y secuencia de soporte y
calidad de la perforación y voladura.
41
Tabla 3.1a (conclusión)
Problemas típicos y parámetros críticos en excavaciones de Ingeniería Civil (Hoek 1996, modificado)
Estructura
Cámaras en corte y relleno
Problemas Típicos
Parámetros Críticos
Fallas de cuñas y bloques estructurales Orientación, inclinación y resistencia al
desde el techo y pared pendiente.
corte de estructuras en la masa rocosa.
Fallas por esfuerzos inducidos y estallido Esfuerzos in-situ en la masa rocosa.
de rocas en ambientes de altos esfuerzos. Forma y orientación de la cámara.
Calidad, ubicación y drenaje del relleno.
Accesos de cámaras
Dilución del mineral debido a fallas del
Calidad y resistencia de la roca.
techo y paredes. Estallido de rocas o falla Esfuerzo in-situ e inducidos en la roca
progresiva inducida por altos esfuerzos alrededor de la excavación.
de los pilares entre cámaras.
Calidad de perforación y voladura en la
excavación.
Puntos de extracción y piques Fallas locales del macizo rocoso debido Calidad y resistencia de la roca.
de traspaso
42
a la abrasión y desgaste de los sistemas Esfuerzos in-situ e inducidos por la
débiles de soporte en piques y puntos
construcción de la excavación y cambios
de extracción. En casos extremos esto
de esfuerzos debido a la explotación.
puede llevar a perder las cámaras o
Selección y secuencia de instalación del
piques.
soporte.
Capítulo 3: La Ingeniería de Excavaciones
Tabla 3.1b
Métodos de análisis y criterios de aceptabilidad para excavaciones de Ingeniería Civil. (Hoek 1996, modificado)
Estructura
Métodos de Análisis
Túneles en rocas blandas
Análisis de esfuerzos usando métodos
Criterios de Aceptación
La capacidad de soporte instalado,
numéricos para determinar la extensión debería ser suficiente para estabilizar el
de la zona de falla y posibles
macizo rocoso y limitar la deformación
desplazamientos en la masa rocosa.
en un nivel aceptable. Máquinas de
Análisis de interacción usando métodos tunelería y estructuras internas deben
numéricos para determinar la capacidad ser diseñados para una deformación del
y secuencia de instalación del soporte
túnel debido a expansión o deformación
y estimar desplazamiento en el macizo
dependiente del tiempo. Monitoreo de
rocoso.
deformación es un aspecto importante
de control de la construcción.
Túneles superficiales en rocas Técnicas de proyección estereográfica o Factor de seguridad incluyendo los efectos
fracturada
métodos analíticos son usadas para la
del reforzamiento, debe exceder 1.5 para
determinación y visualización de todas
deslizamientos y 2.0 para caída de cuñas
las cuñas potenciales en el macizo rocoso y bloques.
alrededor del túnel.
Secuencia de instalación de soporte es
Análisis de equilibrio límite de cuñas
crítico.
críticas son usadas para estudios
Cuñas y bloques deben ser identificados
paramétricos sobre el modo de falla,
y soportados antes que ellos sean
factor de seguridad y requerimientos de expuestos totalmente por la excavación.
soporte.
Grandes cavernas en roca
fracturada
Técnicas de proyección esférica o
Un diseño aceptable es logrado cuando
métodos analíticos son usados para la
el modelo numérico indica que la
determinación y visualización de todas
extensión de la falla ha sido controlada
las cuñas potenciales en el macizo
por el soporte instalado, que el soporte
rocoso.
no es sobre-estresado y que los
Esfuerzos y desplazamientos inducidos desplazamientos en la masa rocosa se
por cada etapa de la excavación de la
han estabilizado.
caverna son determinados por análisis
El monitoreo de desplazamientos es
numérico y son usados para estimar los esencial para confirmar la predicción del
requerimientos de soporte para las
diseño.
paredes y techo de la caverna.
43
Cámaras en corte y relleno
Análisis numérico de esfuerzos y
La inestabilidad local debe ser controlada
desplazamientos para cada etapa de la
por la instalación de pernos o cables
excavación dará una indicación de los
cementados para proporcionar seguridad
problemas potenciales.
y minimizar dilución.
Modelos numéricos mas sofisticados
La inestabilidad es controlada por la
permitirá incluir el soporte suministrado
geometría y secuencia de excavación de
por el relleno o el reforzamiento de roca
las cámaras, la calidad y secuencia de
por medio de cables o pernos
relleno.
cementados.
Condiciones aceptables de minado son
alcanzadas cuando la mena es
recuperada en forma segura.
Accesos de cámaras
Algunas reglas empíricas, basadas en
Un diseño de este tipo puede ser
la clasificación de masas rocosas, son
considerado aceptable cuando la seguridad
disponibles para estimar las
y los bajos costos de recuperación de una
dimensiones de la cámara.
gran parte o porcentaje del yacimiento ha
Análisis numérico del trazado de la
sido alcanzado.
cámara y secuencia de minado, usando
Fallas en piques y galerías de transporte
análisis tridimensional para yacimientos
con factor de seguridad inaceptable
de formas complejas, entregará
requieren de patrones de soporte. En
indicaciones de problemas potenciales
condiciones de alto esfuerzos,
y estimación de los requerimientos de
destrezamiento locales pueden ser usados
soporte.
para reducir los estallidos de rocas.
Puntos de extracción y piques Equilibrio límites ó análisis numérico no
de traspaso
La forma de las aberturas deben ser
son particularmente útiles si los
mantenidas durante su vida útil. Pérdidas
procesos de desgaste y abrasión no son
de control pueden resultar en una dilución
incluidos en estos modelos.
seria del mineral y abandono de la
Diseños empíricos basados en
excavación. Sistemas resistentes tal
experiencias anteriores o métodos de
como pernos o cables cementados,
prueba y error pueden ser usados.
pueden ser instalados durante la
excavación de la cámara. En estos casos,
un sistema de control de inestabilidad
puede ser muy útil.
44
Capítulo 3: La Ingeniería de Excavaciones
3.2
PROPUESTA PARA LA INGENIERIA DE
y, algunas veces, sin consideración de efectos sobre los
EXCAVACIONES
otros. Sin embargo, una simple metodología de diseño
puede ser desarrollada para integrar los procesos de
3.2.1 Conceptualización
diseño y sus interacciones, de manera tal que pueda ser
posible realizar pequeños ajustes en el diseño para el
En la minería, donde las circunstancias laborales lo
rendimiento de la voladura, reducir la inestabilidad de la
impiden, las excavaciones son desarrolladas con
excavación y, consecuentemente, decrecer los
herramientas diferentes para cada etapa del proceso.
requerimientos de refuerzo. Una metodología para
Un interesante trabajo se ha realizado en el Australian
enfrentar este problema requiere de una descripción
Mineral Industries Research Association (AMIRA) y que
uniforme, cálculo y presentación de herramientas para
se recomienda desarrollar basado en parámetros propios.
el uso de las diferentes disciplinas que intervienen en
En los siguientes párrafos, se presenta un resumen de
el diseño.
esta filosofía, que está basada en el paper "Excavation
Engineering - The Integration of Excavation Design" (C.R.
En concordancia con los autores de la publicación, el
Windsor, A.G. Thompson and G.P Chitombo).
problema de ingeniería en excavaciones mineras puede
ser dividido en tres procesos de diseño principales:
La ingeniería de excavación envuelve tres procesos de
1. Diseño de Excavación
diseño: diseño de excavación, diseño de voladura y diseño
2. Diseño de Voladura
de reforzamiento. La ingeniería de excavación pretende
3. Diseño de Refuerzo
la integración y simulación de estos tres procesos de
diseño.
En la industria minera estas tareas a menudo son
atendidas por personal diferente con un exper ticia
Los autores de la publicación consideran que el diseño
específica, quienes conducen su trabajo usando datos
de minas, canteras o excavaciones civiles requieren la
de entrada particular y cálculos de ingeniería, presentando
interacción de los diferentes diseños. Los elementos
sus resultados también en forma particular.
dominantes para la minería son la geometría del
yacimiento, las leyes y esquemas de extracción. El trazado
En forma muy clara, ellos asocian este problema de
geométrico, la seguridad y el propósito, son los elementos
ingeniería de excavaciones a los términos de teoría
dominantes para las excavaciones de ingeniería civil. Es
de conjunto. La ingeniería de excavación puede ser
sabido que los efectos del diseño de excavación están
aproximadamente descrita como la "unión" de los
asociados a las estrategias de voladuras y requerimientos
diseños de excavación, de voladura y de refuerzo.
de soporte y refuerzo artificial. Un óptimo diseño pretende
Similarmente, el volumen de interacción y
maximizar la extracción y la eficiencia en voladura y
colaboración entre estos procesos puede ser
minimizar la dilución, sobrequiebre y requerimientos de
proporcionado por la "intersección" de los tres
refuerzo o soporte.
conjuntos. Para los tres procesos de diseño, su unión
(U = DE < DR) y su intersección (I = DE > DV > DR)
En realidad, los procesos de diseño son complicados,
se muestran esquemáticamente en el diagrama de
por lo que son llevados generalmente en forma separada
Venn. (Ver figura 3.1).
45
3.2.2
Sistema Universal de Clasificación de Rocas
de Masas Rocosas
DE
La literatura de mecánica de rocas muestra numerosos
sistemas de clasificación que han sido propuestos en
I
DV
ingeniería de rocas. Algunos de los más conocidos son:
RQD
Rock Quality Designation (Deere, 1964)
Q
Rock Mass Quality (Bar ton, Lien and Lunde,
DR
= Unión (<)
= Intersección (I)
DE = Diseño de excavación
DV = Diseño de voladura
DR = Diseño de reforzamiento
Figura 3.1: Diagrama de Venn para la ingeniería de excavaciones.
1974)
RSR
Rock Structure Rating (Wickham, Tiedeman and
Skimer, 1974)
RMR
Rock Mass Rating (Bieniawski, 1974)
MRMR Rock Mass Rating Modificado (Laubscher, 1977)
R
Rock Mass Rating Simplificado (Brook and
Dharmaratne, 1985)
La razón de la intersección (I) y la unión (U) indican que
GSI
Geological Strength Index (Hoek, 1994)
las dos condiciones extremas de interacción son posibles.
RMi
Rock Mass Index (Palmstrom, 1995)
Primeramente, el caso cuando una persona (o un grupo)
es responsable de diseños simultáneos de los tres
Cada uno de ellos han realizado mejoras, dando origen
aspectos de la excavación, aquí I/U=1. Luego, el caso
a distintas versiones.
donde tres personas (o tres grupos) son responsables
cada cual en el aspecto particular de diseño, pero sin
El análisis de los sistemas de clasificación en el contexto
interacción y colaboración; aquí los tres conjuntos son
de la ingeniería de excavación sugiere que estos han
disjuntos e I/U=0. Investigaciones han identificado formas
sido desarrollados para el diseño de excavaciones
para desarrollar la metodología de ingeniería de excavación
subterráneas y su soporte o refuerzo; pero muy pocos
que puede simplificar y mejorar la interacción entre los
han sido desarrollados para otros aspectos de la ingeniería
tres procesos de diseño. Esta metodología requiere la
de la excavación (estabilidad de taludes, diseño de
investigación y desarrollo de dos conceptos:
voladuras, etc.). Una característica común de estos
1. Un sistema universal de clasificación de rocas.
sistemas de clasificación es que muestran como resultado
2. Un sistema universal de visualización de datos.
una "cualidad" o "Rating" para masas de rocas que están
en función de uno o más parámetros que describen las
Un sistema universal de clasificación de rocas permitirá
características de la misma.
una descripción estándar del macizo de roca para usar
durante los diseños de la excavación, de voladura y de
Una forma correcta sugiere que un macizo rocoso podría
refuerzo. Un sistema universal de visualización de datos
estar completamente descrito en un conjunto finito de
permitirá tener los antecedentes de entrada y salida de
parámetros o un conjunto universal de parámetros, que
cada proceso y ser vistos simultáneamente.
pueden ser rateados entre 0 a 100.
46
Capítulo 3: La Ingeniería de Excavaciones
Este rating puede ser llamado Índice de Ingeniería de
Rocas (Rock Ingineering Index). El conjunto de parámetros
universales y el índice de ingeniería de rocas podrían
CNF
formar los componentes principales de un sistema de
clasificación de masa rocosa universal.
CDV
Los parámetros relevantes en cada aspecto del diseño
de ingeniería de excavación forman subconjuntos del
CCS
conjunto de parámetros universales, tal como lo muestra
el diagrama de Venn en la figura 3.2.
CNF = Conjunto de parámetros para fragmentación requerida
CCS = Conjunto de parámetros para capacidad sobrequiebre
CDV = Conjunto de parámetros para el diseño de la voladura
CDE
V
Figura 3.3: Diagrama de Venn para voladura.
II
VI
CDV
existencia de una intersección indica que la fragmentación
III
I
IV
puede afectar el sobrequiebre y destaca aquellos
parámetros que influyen en cualquier interacción.
VII
CDR
3.2.3 Análisis de Bloques
CDE = Conjunto de parámetros para diseño de la excavación
CDR = Conjunto de parámetros para el diseño de reforzamiento
CDV = Conjunto de parámetros para el diseño de la voladura
Figura 3.2: Diagrama de Venn para conjunto de parámetros.
Los planteamientos expuestos anterior mente
demandan una considerable inversión en
investigación, trabajo que ha sido llevado a efecto
por los autores de la publicación, cuyo proyecto fue
Las diferentes interacciones de estos subconjuntos de
denominado Blasting and Reinforcement Technology
parámetros indican cuáles de ellos son de uso común
(BART). En este proyecto los conceptos de Sistema
y requieren una descripción estandarizada (regiones I, II,
Universal de Clasificación de Macizo Rocoso y la
III, IV). Similarmente, algunos parámetros son sólo
interacción del diseño de excavación, diseño de
requeridos para aspectos específicos de la ingeniería de
voladura y diseño de refuerzo, fue estudiada en el
excavación (regiones V, VI, VII). Además una subdivisión
contexto de la minería. En este trabajo los datos
del subconjunto de parámetros puede estar hecha en
son registrados empleando isopletogramas, los que
base al índice de ingeniería de rocas. Por ejemplo, la
permiten una visualización vectorial de los datos.
figura 3.3 muestra como el conjunto de parámetros de
diseño de voladura, contiene parámetros usados en un
Esta herramienta consiste en un diagrama que
índice de fragmentación y un índice de capacidad de
presenta las isolineas (o contornos de la misma
sobrequiebre de masa rocosa. Parámetros comunes a
magnitud) de una relación funcional que es variable
ambos índices son contenidos en su intersección. La
direccionalmente.
47
Para este caso, el parámetro elegido es la forma de
de los bloques, su forma y distribución de tamaños,
los bloques in-situ. El tema es tratado mediante la
incluidos los bloques pequeños contenidos en los
teoría de bloques, que no será analizada en este
mayores, tendrá efecto sobre la fragmentación, daño
texto. En un sistema vectorial de coordenadas
y sobrequiebre del macizo rocoso remanente. Sin
esféricas puede ser representado completamente
embargo, la discusión para aspectos de diseño de la
usando la rotación en los planos ver ticales y
excavación y reforzamiento, los bloques impor tantes
horizontales para indicar la orientación (representando
son los formados en el macizo remanente de la nueva
buzamiento y dirección de buzamiento) y una distancia
super ficie creada; en cambio, para voladura, los
radial indica la magnitud.
bloques internos son impor tantes.
El trabajo, del mismo modo, presenta las técnicas de
Cuando se cor ta una super ficie del macizo rocoso,
análisis de bloque, donde el macizo rocoso alrededor
se crea un nuevo ar reglo de bloques. Daño,
de la excavación puede, usualmente, ser definido
inestabilidad, sobrequiebre y dilución pueden ocurrir
como masivo, estratificado o fracturado. En un macizo
por la tendencia al movimiento de bloques individuales
rocoso fracturado o estratificado la intersección entre
o un grupo de ellos. La inestabilidad de bloques es
las discontinuidades crea un ensamble total o parcial
común alrededor de la super ficie de la excavación.
de bloques de rocas (Ver figura 3.4).
En este tipo de problemas, como se indicó anteriormente,
la aproximación de la "Teoría de Bloques" es una
herramienta apropiada a emplear (Warburton (1981),
MASIVO
FRACTURADO
Priest (1985) y Goodman y Gen-hua Shi (1985).
Windsor (1992) ha realizado apor tes al tema y
adicionalmente propone un programa para análisis
de tamaño de bloques. El proceso de análisis es
mostrado en el diagrama 3.2 y en la representación
gráfica de tipos de bloques en la figura 3.5.
Resumiendo, la metodología para el diseño de
ingeniería de excavaciones expuesta en la publicación
Figura 3.4: Comportamiento de macizo rocoso masivo y fracturado.
involucra tres procesos: diseño de excavación, diseño
de voladura y diseño de refuerzo. Dos componentes
El arreglo geométrico de los bloques afectan varios aspectos
son los más impor tantes, que deben ser definidos y
de la ingeniería de excavaciones.
estudiados: un sistema de clasificación de masas de
roca universal y una base universal de visualización
En lo que a voladura se refiere, el grado de formación
48
de datos.
Capítulo 3: La Ingeniería de Excavaciones
Suma de todos los bloques internos y
externos de todas las formas y tamaños
Separable
No Separable
Análisis de
estabilidad de
bloques
Infinito
Inestable
Estable
Análisis de
tamaño de
bloques
Análisis de forma
de bloques
Finito
Bajo tamaño
Sobre tamaño
Demanda de reforzamiento
para lograr la estabilidad
Sin demanda para voladura
o reforzamiento
Demanda de voladura para
lograr fragmentación
Diagrama 3.2: Procedimiento para análisis de bloques.
c
e
a
b
c
e
a
c
d
d
a
b
d
a
b
c
a = bloque infinito
b = bloque finito, no separable
c = bloque finito, separable, no deslizante
d = bloque finito, separable, posible deslizante
e = bloque finito falla caída libre
Figura 3.5: Tipos de bloques según su estabilidad (Modificado de C.R. Windsor & A.G. Thompson).
49
3.3
METODO DE ANALISIS DE RIESGO
Sensibilidad
3.3.1
Actividad
Intensidad
Introducción
La minería subter ránea y de super ficie, por
aproximadamente dos décadas ha utilizado sistemas de
Probabilidad de Ocurrencia
rating para el análisis de estabilidad de macizos rocosos.
Los sistemas mas conocidos son: Rock Mass Rating (RMR)
de Bieniawski, Mining Rock Mass Rating (MRMR) de
Riesgo
Laubscher (corresponde a una modificación del anterior),
el Slope Mass Rating (SMR) de Romana y el Indice de
Calidad de Túneles (Q) de Barton. En los últimos años
han sido introducidos el Geological Strength Index (GSI)
de Hoek y el Rock Mass index (Rmi) de Palmströn. Estos
Figura 3.6: Esquema general para el análisis de riesgo geotécnico.
tienden a ser sistemas imprecisos en la evaluación de
inestabilidades, tanto en excavaciones subterráneas
macizos rocosos clasificados como blandos o débiles,
abandonadas como en acantilados cercanos a zonas
debido principalmente a que su principal parámetro son
urbanas. Del mismo modo, fue empleado en el análisis
las discontinuidades (aproximadamente entre un 40 y
de riesgo geotécnico en sitios históricos, tal como en el
50% del peso total de la clasificación), que en el caso de
Valle de los Reyes en Egipto.
rocas masivas, y además tectonizadas, dificultan su
definición. Por otro lado, se sabe que la mayoría de los
La metodología de Tritch et al. (1996) está basada en
procedimientos dependen de la evidencia de los testigos,
tres etapas. La primera, es la fase de intervención donde
que muchas veces son difíciles de obtener y, por lo tanto,
el ingeniero o el experto debe observar el lugar en estudio
es común encontrar grados de incertidumbre en la etapa
para obtener información sobre, por ejemplo, el estado
de caracterización.
de meteorización, el estado y tamaño aproximado de los
posibles bloques y/o cuñas a fallar, etc. En otras palabras,
se define la sensibilidad, la actividad y la intensidad de
3.3.2 Método de trabajo
los fenómenos que podrían ocurrir. La segunda y tercera
etapa del este análisis consisten en el razonamiento de
Con el propósito de determinar el riesgo inducido tanto
acuerdo con ciertas reglas dadas por el experto en la
en taludes naturales o artificiales (minería y obras civiles)
materia, respecto a la probabilidad de ocurrencia y nivel
y estructuras mineras subterráneas, se considera el
de riesgo en cada caso en particular.
siguiente esquema lógico de análisis propuesto por Tritch
et al. (1996) (Ver figura 3.6). Este método fue empleado
En un análisis típico, los parámetros observados son
en Francia en el proyecto "Plan de Prévention des Risques
clasificados en clases de valores. En la tabla 3.2 se
Naturels Prévisibles, PPR", para analizar situaciones de
muestra un ejemplo de clases de actividades.
50
Capítulo 3: La Ingeniería de Excavaciones
Tabla 3.2
Ejemplo de clases de actividad. (Tritch et al. 1996)
Clase de actividad
Descripción
No existe alteración masiva
Dormida
No existen fracturas
Nuevas trazas de morfología
Inactiva
Alteración superficial
Fracturas mecánicas antiguas
Trazas de morfología fresca
Fresca
Profunda alteración
Desarrollo de fracturas mecánicas
Trazas morfológicas
Activa
Alteración activa
Desarrollo y apertura de fracturas mecánicas
La sensibilidad del sitio puede ser calculada a partir de
El valor asignado por cada parámetro se muestra en la
la siguiente ecuación:
tablas 3.3a y 3.3b.
S = 4PF + 2ER + HF + DIR + 2PEN
Un ejemplo de razonamiento del riesgo considerando
Donde:
sensibilidad, actividad, intensidad y la probabilidad de
PF
: espaciado de fracturas
riesgo, se muestra en la tabla 3.4.
ER
: espaciado y rugosidad de las diaclasas
HF
: humedad de las fisuras
DIR : dirección estructural con respecto al frente
PEN : inclinación de las fisuras con respecto al frente
51
Tabla 3.3a
Parámetros de Sensibilidad
Parámetro
Valor asignado
Espaciado de fracturas (PF)
< 0,2 m
3
desde 0,2 a ≤ 0,6 m
2
desde > 0,6 a 2 m
1
>2m
0
Espaciado y rugosidad diaclasas (ER)
Espaciado > 5 mm, continua relleno arcilla
3
Espaciado < 5 mm, superficie potencial deslizamiento
2
Espaciado < 1 mm, superficie alterada
1
Cerrada, sin alteración rugosidad
0
Humedad de fisuras (HF)
Corriente de agua
3
Goteo de agua
2
Húmeda
1
Seca
0
Dirección estructural respecto al frente (DIR)
< 5°
3
Desde 5° hasta menos de 15°
2
Desde 15° hasta menos de 30°
1
≥ 30°
0
Inclinación de fisuras respecto al frente (PEN)
desde -15° a menos de -5°
3
desde -5° a menos de 5°
2
desde 5° a 15°
1
> 15°
0
Indice de Sensibilidad (S = 4PF + 2ER + HF + DIR + 2PEN)
Muy favorable
Rating de "S"
S < 25
Favorable
25 ≤ S < 50
Desfavorable
50 ≤ S < 75
Muy desfavorable
52
S ≥ 75
Capítulo 3: La Ingeniería de Excavaciones
Tabla 3.3b
Probabilidad de riesgo según la clase de actividad y sustentabilidad
Clases de actividad (Tabla 3.2)
Indice de Sensibilidad (Tabla 3.3a)
Actividad
Muy Favorable
Favorable
Desfavorable
Muy Desfavorable
Dormida
Insignificante
Baja
Baja
Intermedia
Inactiva
Baja
Baja
Intermedia
Intermedia
Fresca
Intermedia
Intermedia
Alta
Alta
Activa
Alta
Alta
Alta
Alta
Tabla 3.4
Ejemplo de razonamiento de riesgo. (Intensidad y probabilidad como input y riesgo como output)
Intensidad del fenómeno
Probabilidad de ocurrencia
Falla de la roca
Insignificante
Bajo
Bajo
Intermedio
Falla de bloques
Bajo
Bajo
Intermedio
Intermedio
Colapso
Bajo
Intermedio
Intermedio
Alto
Intermedio
Intermedio
Alto
Alto
Colapso mayor
Intensidad del fenómeno
(m3)
Falla de la roca
< 10-3
Falla de bloques
desde 10-3 a 1
Colapso
>1
Colapso mayor
> 10
En un típico diseño de un sistema geotécnico, el ingeniero
debe obtener una estimación de los parámetros que se
utilizarán en el sitio, seleccionar los métodos más
apropiados, e interpretar los resultados del análisis.
53
Capítulo 4
Procedimiento de Diseño
para Túneles en Roca
4.1
Revisión al Procedimiento de Diseño para Túneles en Roca
4.2
Procedimiento de Diseño de Túneles en Roca
4.3
Control del Debilitamiento de las Excavaciones Subterráneas
4.4
Tamaño de la Excavación y Número de Discontinuidades
4.5
Nivel de Esfuerzo
4.6
Diseño de Soporte para Rocas Sobrestresadas
4.7
Definición del Criterio de Falla
4.8
Concepto Arco de Roca
Capítulo 4: Procedimiento de Diseño para Túneles en Roca
4.1
REVISION AL PROCEDIMIENTO DE
aproximación muy confiable del compor tamiento bajo
DISEÑO PARA TUNELES EN ROCA
las condiciones en que se encuentra la masa rocosa
de la construcción subterránea. La instrumentación
4.1.1
Introducción
es otra componente impor tante de verificación.
En las últimas décadas, la construcción subterránea
Tal como el caso de las fundaciones de los puentes,
ha experimentado a nivel mundial un impor tante
los métodos de análisis consideran el comportamiento
incremento, tanto en el número de obras como en
del conjunto del sistema; en otras palabras, el acero
su tecnología. Los propósitos pueden ser también
del perno, la lechada de cemento y la roca.
muy diversos, entre los que se cuentan: túneles
carreteros y de ferrocarriles, proyectos
La naturaleza de las discontinuidades permite tener
hidroeléctricos, grandes cavernas como recintos
presente distintos modos de falla y que aparentemente
depor tivos y aparcamiento de vehículos, accesos a
puede ser una situación compleja, situación que en la
la explotación de yacimientos mineros, etc. Del
actualidad se ha superado con el uso de modernas
mismo modo, los motivos para generar estos
técnicas de análisis. Del mismo modo, es posible
espacios subterráneos pueden ser muy diversos,
pensar que las excavaciones en roca siempre están
entre los que se incluyen los problemas de espacio
bajo condiciones de esfuer zo-deformación, que
en las grandes ciudades y las r estricciones
generalmente están en equilibrio antes de que la
medioambientales, tanto en obras civiles como en
excavación sea efectuada. Distinto es el caso en
explotaciones mineras.
unidades geológicas cuyas rocas tienen muy alta
resistencia a la compresión que pueden acumular un
Las metodologías de diseño permanecieron por
alto nivel de energía, la que después de un cier to
mucho tiempo invariables hasta que las condiciones
límite esta energía es liberada abruptamente, generando
de las masas rocosas fueron más adversas y fue
estallidos de roca (rockburst). (Ver Figura 4.1).
necesario introducir nuevas tecnologías, tanto de
diseño como de sistemas de sopor te. Así ha ocurrido
en la minería subterránea en Chile, donde en las
más impor tantes minas (El Teniente, Andina y El
Salvador), los niveles de esfuerzos y profundidades
Las investigaciones en el campo de la ingeniería
geotécnica ha ido incorporando nuevas y potentes
herramientas que han contribuido al desarrollo de
la disciplina, especialmente en lo referido a
modelación numérica, utilizando para ello diversos
softwar es que emplean elementos finitos o
diferencias finitas (FLAC, PHASE), logrando una
Gentileza de David Regalado, 2005
son cada vez mayores.
Figura 4.1: Estallido de Roca Uchucchacua, Perú.
57
En el diseño del refuerzo se debe dar primeramente
proyecto dado. En este punto del diseño es muy útil
énfasis al control de los más probables modos de
la infor mación acumulada de otros proyectos
falla que pueden conducir a un colapso. La información
similares. Seguramente desde la etapa de exploración
necesaria para el diseño no se encuentra normalmente
y programas de sondajes, aún no se disponga de la
en las etapas previas, pero se debe tratar de obtener
información detallada y necesaria para el análisis
durante el tiempo de investigación geológica para la
de detalle y diseño; por esto, el ingeniero diseñador
exploración, diseño y etapa de constr ucción del
debe conocer técnicas de estabilización que se han
proyecto. El diseñador de sistemas de refuerzo debe,
empleado y han sido exitosas. Este conocimiento
por lo tanto, dar más énfasis a los modos de
debe incluir conocimiento de mecánica de rocas y
defor mación que a los cálculos de esfuer zos,
estabilización que pueden ser proporcionados por
deformaciones y car gas. Los procedimientos de
libros, publicaciones técnicas, etc. Debe incluir, del
construcción y el suministro de especificaciones
mismo
deben ser también considerados como par te del
especificaciones técnicas y experiencia en trabajos
proceso de diseño para asegurar sus requerimientos.
similares al considerado en el proyecto. Las
Lo anterior es de vital impor tancia cuando existen de
alternativas de refuerzo y esquemas de excavación
por medio situaciones contractuales de trabajo con
son, en general, considerados en el diseño final.
modo,
una
revisión
de
planos,
terceros, que puede tener un significativo efecto
económico para ambas par tes en el proyecto.
4.1.3 Etapa de Diseño Final
El procedimiento de diseño de un refuerzo de roca no
debe restringirse sólo a los elementos del sistema,
Una vez que se dispone de la información de geología
sino que también debe ser considerado como un
e ingeniería de rocas y ha finalizado el plan del proyecto,
elemento integrado a las estructuras de roca.
recién puede ser entregado un diseño detallado. Este
debería contener un set de planos y especificaciones
En las siguientes secciones se entregarán
que haya indicado el contratista o el departamento de
primeramente las diferentes etapas del diseño; luego,
construcción y el refuerzo que el diseñador considerará
las características básicas del diseño; en tercer lugar,
necesario para estabilizar la estructura de roca. El
los procedimientos o guías empíricas basadas en
diseño no debe incluir sólo el número, el largo, el tamaño
experiencias de otros proyectos; y por último, las
y la orientación de los elementos de refuerzo, sino que
técnicas analíticas que pueden ser usadas para asistir
también la secuencia de excavación-refuerzo y los
al diseñador.
requerimientos detallados de la instalación. Esta última
condicionante juega un papel impor tante en el
desempeño del sistema, puesto que la operación de
4.1.2 Etapa Preliminar de Diseño
instalación debe ser realizada de acuerdo con
procedimientos y normas de calidad de los elementos
Los esfuerzos primeramente deben estar orientados
que envuelve el sistema. (Ver capítulo Procedimiento
a la determinación en forma aproximada del tipo y
de Instalación). Los análisis de los posibles modos de
volumen de refuerzo que puede ser requerido en un
deformación son realizados en esta etapa, con el fin
58
Capítulo 4: Procedimiento de Diseño para Túneles en Roca
de tener un conocimiento detallado acerca de la roca.
La segunda etapa considera un estudio de factibilidad
El estudio detallado debe ser realizado a recientes
donde se efectúa la clasificación de la masa rocosa de
proyectos, para asegurar que mejores métodos no hallan
la región. En esta etapa se pueden usar diferentes
sido revisados. Una serie de test en laboratorio e in-
metodologías de clasificación, con el objetivo de tener
situ debería ser considerado para verificar que los
una aproximación de los sistemas de soporte que se
elementos y procedimientos sean aceptables desde el
emplearán. En esta etapa también se realiza un examen
punto de vista práctico. Las especificaciones deben
crítico de los problemas del túnel, se confeccionan
considerar cierta flexibilidad en los requerimientos del
secciones transversales y se definen los métodos
sistema de refuerzo de roca de manera tal que sea
alternativos de construcción.
económicamente factible.
La tercera etapa considera la caracterización de detalle
Las especificaciones del sistema de refuerzo servirán
del sitio bajo un plan de trabajo que involucra mapeo
no solamente como guía para el operador o instalador
de detalle geológico, perforación de exploración y, si es
del sistema y requerimientos de control de calidad, sino
necesario, construcción de algunas galerías auxiliares.
que también proveerá un medio de información para el
Los test pueden ser geofísicos, de laboratorio e in-situ.
contratista y el inspector con los requerimientos del
La determinación de los esfuerzos actuantes y la
sistema para cada parte del proyecto. Algunos estudios
condición de aguas subterráneas aportan antecedentes
de proyectos precisan los requerimientos de refuerzo
para el estudio de estabilidad de la excavación.
adicional a los patrones básicos de instalación.
La cuarta etapa considera el análisis de estabilidad. Con
este análisis se logra la clasificación de masa rocosa,
4.2
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE TUNELES
la cual nos entrega información sobre los mecanismos
EN ROCA
de control de la excavación. Estos mecanismos de control
pueden ser: estructurales, esfuer zos, tiempo y
El procedimiento de diseño de túneles en roca incorpora
meteorización provocada especialmente por el excesivo
cinco etapas que involucran los estudios previos y la
flujo y presión de las aguas subterráneas.
construcción final. La primera etapa considera la
adquisición de datos preliminares, en la que el propósito
La quinta etapa envuelve el diseño final y la construcción,
del túnel definirá su forma y tamaño. Por otro lado, la
consistente en la preparación de dicho diseño final y
información de geología y topografía son elementos
en la explicitación de los métodos alternativos de
impor tantes que deben estar a disposición de los
construcción.
diseñadores desde el principio. Posteriormente se debe
realizar una caracterización geotécnica preliminar con
Luego, se podría incluir una sexta etapa, que considera
un plan de investigación involucrando mapeo de
el diseño de un programa de monitoreo para validar el
super ficie, exploración geofísica y valorización de
modelo o solucionar algunos requerimientos técnicos.
parámetros geotécnicos a partir de muestras tomada
Finalmente se preparan los contratos y estiman los
en terreno.
costos involucrados.
59
4.2.1 Fundamentos y Principios
comúnmente se denomina "Infraestructura de la
Mina". Dependiendo del sistema de explotación,
La filosofía del diseño de refuer zo envuelve dos
será necesaria la construcción de galerías, piques,
aspectos que se consideran en el fallamiento de las
chimeneas, cámaras de explotación dinámica, etc.
excavaciones subterráneas. Por un lado, la estabilidad
Esta infraestructura se puede ver afectada en su
depende de la situación geométrica en el ámbito
estabilidad en cualquiera de sus casos, como se
general de la mina. Es decir, el fallamiento depende
verá más adelante.
de la distribución espacial de todas las excavaciones
y de la secuencia con que se desarrollan y, por otro
En general, este diseño minero puede usar tanto
lado, la estabilidad depende de las condiciones
metodologías manuales como computacionales.
específicas locales, tales como el nivel de esfuerzos
y la calidad del macizo rocoso circundante a la
A continuación, se presentan los principales aspectos
excavación.
considerados (Hoek, Kaiser y Bawden 1995).
La zonificación del macizo rocoso desde el punto de
vista geomecánico es de vital impor tancia en la etapa
4.2.2 Riesgo de Diseño
del diseño.
El riesgo aceptable muchas veces es de dificultosa
Esta zonificación se puede realizar sobre la base de
definición para la pequeña y mediana minería y obras
una característica específica de resistencia del macizo
civiles de pequeña envergadura, especialmente por
rocoso (Resistencia a la Compresión Simple, "RQD"
su relación directa a los costos.
Rock Quality Designation, etc.), o utilizando sistemas
de clasificación de macizos rocosos más completos,
La figura 4.2 muestra los dos extremos de esta
como los señalados en el capítulo 3 Ingeniería de
situación. Por un lado, el refuerzo del túnel del lado
Excavaciones.
derecho es económicamente inaceptable y en el lado
izquierdo hay una clara violación a los estándares
Esta categorización ser virá para estandarizar el uso
de seguridad.
de sistemas de refuerzo para cada unidad geotécnica
definida. Sin embargo, en la minería vetiforme la
estandarización es más difícil debido al cambio
4.2.3
Factor de Seguridad
continuo de las calidades de roca a cor ta distancia.
Hoy día se recomienda la utilización del análisis Fuzzy
Una aproximación clásica usada, para determinar el
para definir los valores de los parámetros.
factor de seguridad es la relación entre la capacidad
"C" de sopor te (fuerzas resistentes) y la demanda
La explotación de cuerpos mineralizados necesita
"D" (fuerzas que favorecen el fallamiento).
para la extracción de la especie útil, la preparación
En donde:
y desar rollo de una serie de excavaciones
subter ráneas. Lo anterior constituye lo que
60
F=
C
(Factor de Seguridad)
D
Capítulo 4: Procedimiento de Diseño para Túneles en Roca
Figura 4.2: Variantes de riesgo.
Un factor F = 1,3 puede ser utilizado para labores
bloques, etc.), que al inter ceptar la sección
temporales y un factor de 1,5 a 2,0 para labores
desarrollada de una excavación, provoca su caída o
permanentes.
deslizamiento al interior de la misma. Lo anterior se
debe a que la roca estresada ha sido removida
permitiendo que la roca remanente se mueva debido
4.2.4
Estudio de Sensibilidad
a la descarga.
Este estudio envuelve una serie de cálculos en los que
B. Los Esfuer zos: Los macizos rocosos están
cada parámetro significativo es variado sistemáticamente
sometidos a esfuerzos, producto de la sobrecarga
hasta un rango máximo creíble, en orden a determinar su
y del origen tectónico. Cuando se realiza una
influencia sobre el factor de seguridad.
excavación se produce una redistribución de estos
esfuerzos, que se denominan esfuerzos inducidos.
Generalmente, esto considera una mayor perturbación
4.3
CONTROL DEL DEBILITAMIENTO DE LAS
del campo de esfuerzos preexistentes tanto en su
EXCAVACIONES SUBTERRANEAS
magnitud, como en su orientación. Si estas fuerzas
superan la resistencia del macizo rocoso, el
Tal como se expresara en la sección 3.1, Ingeniería
fallamiento es posible.
de Rocas, para entender los desplazamientos que
ocurren en una masa rocosa es de vital impor tancia
C. El Tiempo y Meteorización: La capacidad de
identificar los tres más impor tantes debilitamientos,
deformación del macizo al estar sometido a un
que pueden estar controlados por:
cier to nivel de esfuerzo durante un tiempo "t" y la
A. Las Estructuras: La intersección en
meteorización provocada especialmente por el agua,
discontinuidades de cualquiera de sus tipos, puede
son elementos que deben ser considerados en la
configurar diversas for mas geométricas (cuñas,
estabilidad de la excavación. En los alrededores de
61
una excavación abier ta a la atmósfera, cualquier
presión de fluido existente en la masa de roca será
reducida a cero (o más estrictamente, a la presión
atmosférica). Esto hace que la excavación actué
como un sumidero, y cualquier fluido dentro de la
masa de roca tenderá a infiltrar hacia la excavación
(Ver figura 4.3).
4.4
TAMAÑO DE LA EXCAVACION Y NUMERO
DE DISCONTINUIDADES
De hecho, todos los macizos rocosos están fracturados
Figura 4.3: Filtración de agua en túneles.
y es muy raro el caso donde el espaciamiento entre
discontinuidades es apreciablemente más grande que las
dimensiones de un proyecto de excavación.
A
En general, la estabilidad de una excavación cumple con
las siguientes relaciones:
Estabilidad =1/Nº de discontinuidades
B
Estabilidad =1/tamaño de la excavación
La figura 4.4 muestra que, en la medida que aumenta de
C
tamaño la excavación, en un mismo macizo rocoso,
aumenta el número de bloques y/o cuñas potenciales a
fallar.
En la mayoría de los casos las discontinuidades se
Figura 4.4: Efecto del tamaño de la excavación y el número de
discontinuidades.
presentan en forma bi-dimensional, por lo que es necesario
apoyarse en técnicas como la "Línea de Detalle", "Mapeo
de Celdas" ú otros aparatos más sofisticados como es
más allá de 200 m de profundidad, por lo que los niveles
la "Bore Hole Camera", para realizar proyecciones
de esfuerzos son relativamente bajos (no mayor a 10
espaciales de estas discontinuidades (Ver figura 4.5).
MPa). Así, en rocas masivas las excavaciones no sufren
daños por este concepto y por lo tanto no requieren
refuerzo, excepto localmente o para satisfacer reglamentos
4.5
NIVEL DE ESFUERZOS
de seguridad internos de la empresa.
La mayoría de los cuerpos vetiformes que se explotan en
En rocas fisuradas asociada a bajos esfuer zos,
el ámbito de la pequeña minería, están localizados no
normalmente se presentan desprendimientos y/ó
62
Capítulo 4: Procedimiento de Diseño para Túneles en Roca
Figura 4.5: Cámara Introscópica.
deslizamientos de bloques menor es debido
principalmente a efectos gravitatorios. El apernado
debe ser diseñado para sopor tar el peso muer to de
las cuñas y/o bloques.
En r ocas altamente fisuradas, se pr oducen
desprendimientos y/ó deslizamientos de pequeñas
cuñas y/ó bloques formados por la intersección de las
discontinuidades. Este fenómeno puede continuar
propagándose hasta formar grandes cavidades si no se
adopta oportunamente un sistema de refuerzo. En este
caso, el shotcrete con malla y apernado proporcionan
un adecuado sopor te. Diferentes modos de falla se
muestran en la figura 4.6.
63
Figura 4.6: Tipos de fallas que ocurren en diferentes niveles de esfuerzos y calidades de masas rocosas
(modificada desde Martín et al., 1999).
64
Capítulo 4: Procedimiento de Diseño para Túneles en Roca
Figura 4.6 (Continuación): Tipos de fallas que ocurren en diferentes niveles de esfuerzos y calidades de masas rocosas
(modificada desde Martín et al., 1999).
65
Figura 4.6 (Conclusión): Tipos de fallas que ocurren en diferentes niveles de esfuerzos y calidades de masas rocosas
(modificada desde Martín et al., 1999).
66
( (
) )
Capítulo 5: Computación Aplicada al Diseño de Excavaciones
5.1.
ASPECTOS GENERALES
Entre los cálculos más comunes del diseño de excavaciones
se encuentran los que siguen: análisis de caída o
Un gran avance se percibe en los últimos años en relación
desplazamiento de elemento de rocas y dimensionado de
a las herramientas computacionales, tanto en los hardware
los elementos artificiales de retención, generación de las
como en los software, de tal manera que los equipos
curvas de comportamiento para cualquier tipo de terreno
actuales han aumentado sus prestaciones de servicios
y para cualquier tamaño de excavación, verificación del
y accesibilidad. Así como en casi todas las disciplinas
sistema de refuerzo o soporte para cada una de las etapas
se han elaborado nuevos programas o herramientas
que envuelve la construcción, análisis de la inestabilidad
informáticas, también lo ha sido el cálculo y el diseño
en los taludes de los portales, tanto para fallas planas
de excavaciones, tanto en superficie como subterránea.
asociadas a rocas mas competentes relacionadas a rocas
Lo anterior es desarrollado en conjunto con modelos
muy fracturas o suelos, etc. Los ejemplos antes
físicos y matemáticos, que el trabajo multidisciplinario
mencionados corresponden a cálculos sencillos que la
ha incorporado como una herramienta de amplio dominio
informática puede solucionar en forma rápida y acertada.
en el análisis y en el propio diseño.
Para otros problemas que envuelve el proceso de
excavación, tales como voladura y los relacionada con
Del mismo modo, el avance de la tecnología en las
hidrogeología, también existen programas muy
distintas disciplinas, ha tenido un impacto en las técnicas
competentes.
de excavaciones subterráneas.
En relación con algunos aspectos vinculados con parámetros
Considerando lo anterior y los avances en la informática,
de resistencia y de deformación, ocurre que en una primera
ha sido posible abordar construcciones por necesidades
etapa sólo se conocen éstos en forma parcial o incompleta,
de carácter ambiental, espacial y económico entre otros.
por lo que las técnicas computacionales avanzadas no
cuenten con el input necesario. Lo anterior significa que
El uso de la informática en el diseño de obras subterráneas
en ocasiones es necesario aproximar o simplificar
tiene la ventaja significativa de realizar diferentes cálculos
informaciones, obteniendo de esta manera resultados
basados también en diferentes teorías, con la utilización
aproximados. La aplicación de los resultados obtenidos,
de parámetros geotécnicos de la masa rocosa, en la cual
en definitiva dependerán, por una parte, de la calidad
la construcción se llevará a efecto. Con ello se han ido
intrínseca del programa utilizado en un problema específico
obteniendo resultados en las diferentes etapas de los
y, por otro lado, de los valores reales de los parámetros
procesos de cálculo, con una rapidez y precisión que
del medio rocoso en que se está realizando la construcción.
hasta hace un tiempo atrás eran insospechados.
En otras palabras, de la calidad y pertinencia de los
estudios geológicos-geotécnicos realizados.
Lo anterior permite acceder a una detallada información
del proceso de diseño y conseguir una mayor seguridad,
La implicancia de lo anteriormente expuesto tiene como
debido a la gran variedad de cálculos y maneras de
resultado que los programas computacionales empleados
resolverlos. De esta forma, se obtiene un notable ahorro
deben ser considerados como herramientas de apoyo con
en horas hombres de ingenieros, que se utilizarían para
alto rendimiento en tiempo, calidad y cantidad de información.
realizar la misma actividad en forma manual y que muchas
Utilizados en el diseño de excavaciones desde el punto de
veces por motivos de costo y tiempo se hacen inviables.
vista geotécnico, mediante el análisis profundo de los
75
resultados obtenidos se puede deducir la representatividad
ITASCA ha desarrollado programas aún más completos
de los parámetros geotécnicos. Del mismo modo, son de
de aplicación, como FLAC (Fast Lagrangian Analysis of
importancia las hipótesis utilizadas, lo que sugiere un
Continua), que es un poderoso programa de modelación
cuestionamiento que debe ser constantemente verificado.
en dos dimensiones continuo para suelos, rocas y
Es perjudicial para la ingeniería de roca considerar cualquier
comportamiento estructural. Usado interactivamente, es
resultado obtenido por esta vía como diseño definitivo y
una herramienta de diseño y análisis general para ingenieros
admitiendo sus resultados como conclusión final.
geotécnicos, civiles y de minas y puede ser aplicada a una
amplia variedad de problemas en estudios de ingeniería.
El uso de las herramientas computacionales, para analizar
los diversos problemas geotécnicos y aquellos referidos a
Entre los métodos empíricos se encuentran las
excavaciones subterráneas, se ha extendido y generalizado
clasificaciones geomecánicas (ver "Propuesta para la
cada día más, tanto en empresas de servicio como en
Ingeniería de Excavaciones", sección 3.2, capítulo 3) y
universidades e instituciones de investigación.
otros que suelen utilizarse con la finalidad de obtener
datos preliminares tanto del terreno como del sistema
Especial mención se debe hacer a lo realizado por Hoek,
de refuerzo a utilizar.
tanto en su libro "Support of Underground Excavation in
Hard Rock", donde describe y utiliza herramientas
Los métodos analíticos son más completos que los
computacionales tales como DIPS UNDWEDGE, PHASES,
anteriores y se basan principalmente en teorías tales
WEDGE, EXAMINE, SLIDE y otros, cuyas herramientas fueron
como "la elasticidad", lo que proporciona cálculos más
desarrolladas y sancionadas en aplicaciones reales.
precisos. Sin embargo, a pesar de la aplicación de estas
teorías y de los cálculos involucrados, sus resultados
Se recomienda ver los demos en www.rockscience.com; en
aún carecen de confiabilidad.
ellos son incorporados los principales principios de mecánica
de roca y criterios de fractura, tales como Mohr-Coulomb
Como se ha dicho, por último existen los métodos
y Hoek-Brown, que a partir de los valores GSI (Geological
numéricos basados en la representación del
Strength Index) y cálculos de la interacción de los sistemas
comportamiento del terreno y del sostenimiento como
de refuerzo y sostenimiento con el terreno, mediante la
elementos o zonas. Estos últimos métodos son los que
metodología de curvas características. Para el diseño de
arrojan resultados más precisos y se aproximan más a
refuerzo de un túnel, los métodos empíricos, analíticos y
la realidad. Sin embargo, se recomienda el monitoreo
numéricos constituyen las herramientas mas usadas, y así
del comportamiento del terreno y de los sistemas de
los resultados obtenidos son discutidos en cada uno de
estabilización para la verificación de los modelos aplicados.
los casos para llegar a una aproximación y solución acertada.
Esa solución posteriormente se puede ajustar durante la
ejecución de la obra, en la medida que sostenga nuevos
5.1.2 Modelación Numérica
datos de la masa rocosa, de tal manera que se pueda
generar una nueva base de datos con el consecuente nuevo
Se beneficiará la planificación de largo plazo si los
cálculo. Tanto como los métodos empíricos y numéricos,
ingenieros de diseño proponen un análisis numérico
se han generado diversas planillas de cálculo y programas
detallado. Los regímenes de esfuerzo pueden ser
más completos.
pronosticados, de tal manera que la secuencia de minado
76
Capítulo 5: Computación Aplicada al Diseño de Excavaciones
también se puede planificar con el fin de enfrentar un
La aplicación de métodos continuos es más adecuada
nivel de esfuerzo aceptable o controlable. Lo anterior
en los análisis de roca masiva intacta, de rocas débiles
puede bajar la intensidad de los estallidos de rocas y
y de macizos rocosos altamente fracturados o
crear mayor estabilidad desde el punto estructural. La
meteorizados. En el caso de masas rocosas con presencia
modelación numérica es una útil herramienta y cada
de múltiples sets de fracturas, lo cual puede ser el
día los ingenieros están utilizando más esta tecnología;
controlador del mecanismo de falla, el modelamiento de
sin embargo, los modelos obtenidos deben validarse
un discontinuo puede ser el más apropiado.
con apoyo de las obser vaciones de ter reno y
principalmente desde el monitoreo de los sistemas
El estado tensional de un macizo rocoso se puede calcular
diseñados.
por métodos numéricos, donde el compor tamiento
mecánico de estos materiales es representado por
La mayor par te de estos sistemas de refuerzo tiene
ecuaciones que requieren una solución, no sin antes
buena respuesta bajo condiciones estáticas, pero
haber definido algunas hipótesis que simplifican el
cuando no están bien diseñados llegan a ser peligrosos
problema y que son necesarias principalmente para
bajo condiciones dinámicas, puesto que se deben
resolver el compor tamiento complejo de algunos
enfrentar eventos sísmicos o altos esfuer zos y
materiales.
deformaciones. Por lo anterior, es importante destacar
que predecir las futuras condiciones de menado
Una primera clasificación de los métodos numéricos
facilitará el manejo y control del compor tamiento de
involucra la utilización de elementos de dominio y, por
los sistemas de refuerzo, aún en condiciones variables
otro lado, elementos de contorno. Los métodos que
de esfuerzos tal como ocurre en la minería.
utilizan elementos de dominio tratan el terreno como un
medio continúo dividiéndolo en elementos o zonas. Lo
anterior permite analizar comportamientos complejos y
5.2
GUÍA PARA EL MODELAMIENTO NUMÉRICO
entre ellos se encuentran los métodos de diferencias
finitas, elementos finitos y elementos discretos. La
El análisis numérico, presenta la alternativa de representar
construcción de la malla del modelo requiere de esfuerzos
el compor tamiento de los macizos rocosos como un
considerables; el objetivo es evitar la interacción entre
continuo o un discontinuo. En el primero, el
ellos, de tal manera que sus contornos deben estar lo
compor tamiento se asocia a una aproximación de
suficientemente lejos de las excavaciones. Estos métodos
conectividad y continuidad de los desplazamientos y
son más versátiles y potentes.
esfuerzos entre los elementos. Por otro lado, en el método
discontinuo la masa de roca es representada como un
Por otro lado, la metodología de elementos de contornos
ensamble de distintos bloques o cuerpos interactuando
divide en elementos los contornos del problema, por lo
entre ellos, los que a su vez son subdivididos en una
que las necesidades tanto en potencia como en equipos
malla de diferencias finitas, lo que permite ser
de informática son menores. Esto permite que el usuario
representado bajo las leyes de esfuerzo - deformación
tenga una experiencia y habilidad de menor grado, por
lineal o no lineal.
lo que los resultados y precisión son mucho menores.
77
5.2.1 Método de Diferencias Finitas
la operación o trabajo, más que con las ventajas
comparativas de los mismos.
Esta técnica es una de las más antiguas para resolver
ecuaciones diferenciales a partir de condiciones iniciales
El método de diferencias finitas explícito utilizado por
y/o de contornos. Principalmente, consiste en el reemplazo
FLAC (www.itasca.cl), lo hace idealmente apropiado para
de las derivadas de cada conjunto de ecuaciones por una
modelar problemas geomecánicos que consisten en
expresión algebraica, traducida a variables de terreno tal
varias etapas, tales como excavaciones secuenciales,
como son las tensiones o desplazamiento y deformaciones,
cor te y rellenos (Cut and Fill) y cargas de diversas
en puntos discretos del espacio donde las variables son
naturaleza. El método puede aceptar grandes
indefinidas, dentro de los elementos localizados entre los
desplazamientos, deformaciones y comportamiento no
puntos discretizados.
lineal del material, aún cuando el fallamiento abarque
una gran área. (Ver figura 5.1).
Por el contrario, la metodología de elementos finitos usa
funciones especificadas para los valores de campo, los
que varían a lo largo de todo el elemento y de una forma
predeterminada.
La secuencia de cálculo utilizada en programas de
diferencias finitas primeramente incluye las ecuaciones
de equilibrio (ecuaciones de movimiento), a partir de las
cuales se obtienen velocidades y desplazamiento en cada
intersección de la malla o nodo, consecuentemente la
utilización de ecuaciones constitutivas, es decir, (relación
- tensión - deformación), genera nuevas tensiones a partir
de las deformaciones, cerrando de esta manera el ciclo.
Operacionalmente los cálculos se repiten hasta que el
equilibrio sea alcanzado.
Los métodos de diferencias finitas y elementos finitos
poseen algunos aspectos principales comunes. Uno de
ellos es la generación de ecuaciones algebraicas por
resolver. Si bien el origen de estas ecuaciones para
Figura 5.1: Programa FLAC.
ambos métodos es distinto, las ecuaciones de resultados
son idénticas. De allí que las bondades de uno u otro
El programa trae incorporado el lenguaje de programación
método no tienen mayor significancia debido a que las
Fish, que permite agregar capacidades de análisis y
ecuaciones finales son las mismas; entonces, la
procesamiento de los modelos acorde con los
utilización de cualquiera de ellos está relacionada con
requerimientos específicos de los diversos usuarios.
78
Capítulo 5: Computación Aplicada al Diseño de Excavaciones
5.2.2 Método de Elementos Finitos (FEM)
para resolver las ecuaciones algebraicas. En el caso de
los elementos finitos, comúnmente las soluciones son
El método de elementos finitos modela el terreno en
implícitas de matrices orientadas.
forma de malla, donde los elementos son dicretizados
en forma variable interactuando entre puntos llamados
El programa PHASES, es un software para diseño de
nodos. Cada elemento tiene propiedades individuales,
excavación y soporte que utiliza elementos finitos en un
restringidas a su vez por las condiciones iniciales de
modelo elastoplástico 2D para el análisis de diseño de
contorno. Una vez definida la malla se aplica la teoría de
excavaciones, tanto en superficie como subterráneas y
elasticidad, con el fin de obtener la matriz que definirá
para su necesidad de soporte. Este programa puede
los movimientos de cada nodo, incluidas las tensiones.
tener aplicaciones en rocas o suelos y además incluye
En términos generales, esta metodología es muy parecida
el análisis de situaciones conectadas a aguas
al de las diferencias finitas. Sin embargo, el programa
subterráneas. También los modelos Cam-Clay y Cam-Clay
de elementos finitos combina las matrices elementales
Modificado pueden ser usados en aplicaciones de suelo.
en una matriz de rigidez global, situación que no ocurre
El criterio de fractura generalizado de Hoek-Bronw puede
en el método de diferencias finitas. El método de
ser usado para el análisis de resistencia de macizos
diferencias finitas utiliza formas de implícitos o explícitos,
rocosos. Diferentes sistemas de refuerzo son incluidos
Figura 5.2: Programa PHASES
79
en el programa, del mismo modo elementos de soporte
los métodos de contorno, se basa en la formulación
como shotcrete o sistemas de multicapa incluidos los
de una aber tura en un medio elástico y continuo y
geotextiles (Ver figura 5.2.).
se utiliza para la modelación de juntas.
5.2.3 Método de Elementos Discretos (DEM)
5.2.5 Métodos Híbridos
Considera el terreno como un medio discontinuo
Aquí se combinan distintos métodos para adoptar las
representándolo en una malla, donde cada elemento
ventajas de cada uno, utilizándolos respectivamente en
representa un bloque rígido libre y que se conecta
la zona del material donde puede ser mejor simulado.
con otros mediante los puntos de contacto, pudiendo
Está idea está basada en el hecho de que al perturbar
girar o deslizarse donde la deformación puede ocurrir
un material, mediante por ejemplo una excavación
en un mayor grado que la de los propios bloques, lo
subterránea, éste presenta una zona o campo cercano
que no se logra por otro método. Los cálculos son
a la excavación en la que el material puede presentar
efectuados por técnicas de soluciones explícitas.
comportamientos complejos, mientras que existe otra
zona alejada de la excavación en la que el
comportamiento es elástico y puede ser simulado por
5.2.4 Método de los Elementos de Contorno
métodos numéricos más sencillos.
Como se ha indicado anteriormente, estos métodos
Así, existen programas híbridos que utilizan elementos
sólo dividen en elementos los contor nos del
finitos o discretos en las proximidades de las
problema, es decir las excavaciones, la super ficie
excavaciones, al tiempo que utilizan los elementos de
topográfica en el caso de excavaciones someras,
contorno para discretizar y modelar las zonas alejadas
los contactos entre distintos materiales y las juntas
de la misma.
(las cuales son definidas explícitamente,
considerando el material interior como un medio
continuo e infinito).
5.3 CALCULOS EN DOS O TRES DIMENSIONES
Existen tres tipos de métodos de elementos de
Como es conocido, el comportamiento de una excavación
contorno: los indirectos, los directos y los métodos
subterránea es básicamente tridimensional en secciones
de desplazamiento-discontinuidad. Los dos primeros
próximas al frente, debido al efecto cúpula que se produce
son los más impor tantes, caracterizándose los
en esa zona, efecto que desaparece a medida que la
indir ectos en que primeramente buscan unas
sección queda más alejada del frente, convirtiéndose
tensiones ficticias que satisfagan las condiciones
entonces el problema en bidimensional con un efecto
de contorno. Estas tensiones se utilizan para el
arco o bóveda.
cálculo de las tensiones y desplazamiento finales.
El método directo se basa en que los
Los cálculos tridimensionales son más precisos, pero
desplazamientos son calculados directamente a
requieren un mayor esfuerzo en la preparación del modelo,
par tir de las condiciones de contorno. El tercero de
mayor tiempo de cálculo, mayores prestaciones de los
80
Capítulo 5: Computación Aplicada al Diseño de Excavaciones
equipos informáticos y un análisis de resultados más
problema, para posteriormente proceder a los cálculos
minucioso, con los que en resumen se añade dificultad
definitivos con programas más complejos de diferencias
al ya de por sí complejo cálculo.
finitas o elementos finitos en medios continuos y
elementos discretos en medios discontinuos. Los cálculos
Al realizar cualquier modelo se deben analizar todas las
en 3D se dejan en la mayoría de los casos para
condicionantes para elegir un tipo u otro de cálculo, pero
comprobaciones o para análisis de zonas, como por
conviene decir que los cálculos bidimensionales son
ejemplo intersecciones.
suficientemente representativos para la mayoría de los
problemas a analizar, descartando intersecciones o cruce
de túneles, entre otros. Las secciones próximas al frente
5.4 RESUMEN
se pueden analizar mediante cálculos bidimensionales
teniendo en cuenta el efecto cúpula indicado
• Las clasificaciones de macizos rocosos son valiosas
anteriormente, lo cual se puede hacer bien suponiendo
herramientas para definir los sistemas de soporte en
una relajación de las tensiones iniciales, de manera que
forma preliminar y que finalmente se transforman en
en cada fase del proceso constructivo se disipan un
la base para la toma de decisiones de los sistemas
porcentaje de dichas tensiones iniciales, o bien suponiendo
de soporte permanente.
una disminución de la rigidez del sostenimiento para que
• Las etapas consideradas en el proceso de diseño de
la carga que soporte sea menor. Además de este efecto,
excavaciones son secuenciales y además muy
para que el cálculo bidimensional tenga en cuenta todos
importantes al evaluar finalmente el comportamiento
los requisitos 3D, se debe obtener el sostenimiento
del sistema roca-soporte de la excavación, aunque en
equivalente de pernos y cerchas, dividiendo las
muchos casos el monitoreo no siempre es
propiedades no geométricas de los mismos por su
implementado.
espaciado en el plano perpendicular al de trabajo.
• La óptima definición de los mecanismos de control de
la inestabilidad de las excavaciones resultará en una
En definitiva, se debe analizar en cada caso cuál es el
buena elección de los parámetros a considerar en los
método numérico más apropiado a aplicar, además de
métodos de análisis y los criterios de aceptabilidad.
decidir si el cálculo se realiza en dos o tres dimensiones,
• Los métodos numéricos se han transformado en una
lo cual en principio no es tarea fácil. En consecuencia,
herramienta recurrente en los estudios de mecánica
se puede pensar en que para los cálculos previos y en
de roca aplicando a situaciones complejas, donde el
terrenos competentes éstos se pueden realizar con algún
campo de esfuerzos in-situ es el controlador de la
programa de métodos híbridos con el fin de acotar el
estabilidad de las excavaciones.
81
Capítulo 6: Sistema de Refuerzo de Rocas
6.1
CONCEPTUALIDADES DEL REFUERZO
6.1.1
Sopor te y Refuerzo
A. Túneles
Los términos Sopor te y Refuerzo son empleados, en
general, en forma similar. Sin embargo, existe una
diferencia sustantiva en como ellos estabilizan la
masa de r oca alrededor de una excavación.
Básicamente, el sopor te aplica cargas reactivas en
la super ficie de la excavación utilizando sistemas
tales como marcos, enmaderados, shotcrete, etc.
Por otro lado, el refuer zo pretende mejorar las
propiedades del macizo rocoso mediante la interacción
de los elementos internos y externos del sistema.
B. Taludes
6.1.2
Pre-refuerzo y Post-refuerzo
El pre-refuerzo es la colocación de un sistema con la
debida antelación a la creación de la excavación. Por
el contrario, el post-refuerzo es aplicado después de
la creación de la excavación, metodología usual en
la mayoría de los casos de excavación aplicada.
El pre-refuerzo mejora sustancialmente los factores
de seguridad y productividad. Por otro lado, en muchos
casos se utilizan ambos métodos en el proceso de
desarrollo de una excavación.
Pre-refuerzo
6.1.3
Pre-tensionado y Post-tensionado
El pre-tensionado es la aplicación de una cierta tensión
al sistema durante su instalación. El pos-tensionado
Post-refuerzo
Figura 6.1: Pre y Post Refuerzo en Túneles y Taludes.
es la tensión aplicada al sistema después de su
instalación. El pre-tensionado tiene por finalidad evitar
movimientos iniciales de la masa de roca, tratando de
85
mantenerlos al mínimo. En condiciones de sobre-
la estabilidad total; en cambio, otros sistemas sólo
estresamiento este método puede conducir a la falla
pretenden mantener las estabilidades de algunos
del sistema. Del mismo modo, en ambientes de estallido
bloques, y en algunos casos solo cumplen la función
de rocas es deseable disminuir la transferencia de
de retención de desmoronamientos menores.
carga al elemento de refuerzo.
6.2
6.1.4
TIPOS DE REFUERZO
Refuerzo: Temporal y Permanente
La mayoría de las excavaciones subterráneas son
En general, la razón que justifica la excavación y su
realizadas para cumplir un rol impor tante tanto, en
vida útil definen la calidad del refuerzo. Para este tema
Obras Civiles como en proyectos de Minería. Las
es importante señalar que las excavaciones en minería
técnicas empleadas, en general, incluyen sofisticados
y obras civiles requieren sistemas de refuer zo
sistemas mayores de anclajes de suelos o rocas
diferentes. Por ejemplo, los laboreos que están
(Ground Anchors), sistemas de cable (Cable Bolts) y
destinados a conducir la extracción de un cierto mineral
pernos (Rock Bolts). Básicamente, se logra la
son hechos en el cuerpo mineralizado. Lo anterior
estabilidad de la excavación construida en suelo o
significa que éstas deben permanecer estables el
r oca mediante la instalación de elementos
tiempo necesario para cumplir el requerimiento de
estructurales en el interior de su masa.
extracción. Este periodo puede ser de meses en algunos
casos como de años, en otros, dependiendo de si la
Las diferencias entre estas técnicas están asociadas
excavación cumple una función de ser vicio o de
al tamaño y a los estándares del propio diseño e
producción. En cambio, para excavaciones de obras
instalación. Las técnicas de anclaje mayores de
civiles se requiere un tiempo mucho mas largo de
suelo o rocas, tienden a tener mayor longitud y una
estabilidad.
mayor capacidad de refuerzo; el sistema de pernos
es el de menor longitud y de menor capacidad entre
Es muy impor tante definir los sistemas con la debida
los tres sistemas considerados; y el sistema de
antelación, para que éstos se encuentren en la cantidad
cable está localizado para controlar problemas bajo
y calidad en el momento apropiado y su instalación se
condiciones intermedias entre los dos sistemas
realice de acuerdo con normas y procedimientos. Cabe
anteriores. El sistema mayor de anclaje de terreno,
destacar que muchos de estos sistemas fallan debido
es empleado más bien para solucionar problemas
a su precaria condición de instalación y a la falta de
de estabilidad en proyectos de ingeniería civil y en
control.
longitudes mayores a 10 m. Sin embargo, también
son usados en excavaciones especiales de minería
Algunos ingenieros les conceden un orden de prioridad
subterránea, tales como subestaciones (chancado,
a los sistemas, dependiendo del momento en que
eléctricas, de drenaje, plantas metalúrgicas, etc.),
éstos son instalados. Por otro lado, les conceden una
mientras que la técnica de cables es usada en la
orden de prioridad en función de los roles que
industria minera para longitudes de 3 hasta 12 m,
desempeña cada uno de los sistemas instalados. Así,
y en casos especiales, para más de 20 m. En tanto,
puede haber un sistema cuyo objetivo sea mantener
el sistema de per nos es utilizado en ambas
86
Capítulo 6: Sistema de Refuerzo de Rocas
ingenierías, pero para solucionar, en general,
problemas cuyas longitudes sean iguales o menores
a 3 m. Las diferencias entre estos tres sistemas varia
ANCLAJES
MAYORES
mercado de una gran cantidad de opciones, tanto en
sus componentes básicos, como en las metodologías
de instalación, que pueden satisfacer de la misma
manera una gran cantidad de problemas de estabilidad,
a pesar de las cada vez más difíciles condiciones
geotécnicas donde se están construyendo estas
Capacidad de Refuerzo
considerablemente, debido a la existencia en el
CABLES
PERNOS
excavaciones hoy día.
Longitud de Refuerzo
La utilización de una extensión libre y otra par te
anclada en suelo o roca en el sistema de anclaje
mayor, comenzó en Europa (Alemania y Francia) en la
Figura 6.2: Relación entre capacidad y longitud de refuerzo de los
tres sistemas.
década del 50. Las cargas de trabajo en estos
sistemas pueden llegar a alcanzar entre 600 y 800
procedimientos serios, tomando en cuenta tanto la
kN (dependiendo de la técnica usada, ya sea de
geometría de las discontinuidades y las fuerzas como
inyección o de compactación).
los desplazamientos que pueden ocurrir.
En Australia se han alcanzado hasta 1.200 kN, con
Así han aparecido reglas, car tas, procedimientos y
longitudes sobre los 120 m.
esquemas de clasificación de masas de roca (Bar ton
et al., 1974, Bieniawski, 1976). En general, son
Los sistemas de pernos y cables se usan para
procedimientos simples, rápidos, muy populares y de
solucionar problemas de estabilidad local, alrededor
alguna forma se puede decir que han sido exitosos.
de una excavación construida en macizo rocoso
fracturado o en el que se espera un cier to grado de
fractura, producto de los esfuerzos inducidos por la
6.3
ACCION DEL REFUERZO
propia construcción. Estos sistemas actúan para dar
respuesta al principal fenómeno de falla que se presenta
En la mayoría de los ar tículos, los comentarios
en los desplazamientos y rotaciones de los bloques
principalmente se refieren a que los elementos de
pre-formados, producto de las discontinuidades en
refuerzo tratan de entregar fuerzas adicionales y
cualquiera de sus tipos que aparecen en el macizo
controlar los desplazamientos en materiales de suelos
rocoso. La relación entre capacidad y longitud de los
o rocas; sin embargo, bajo un esfuerzo excesivo
tres sistemas, es diferenciada y se muestra en la
comienza a manifestarse la pr opagación de
figura 6.2.
dislocaciones o discontinuidades a escala macro o
micro. Para evitar esto, el sistema de refuerzo debe
El diseño de refuer zo de rocas es un problema
transferir car ga desde un lado a otro de una
complejo que debe realizarse bajo nor mas y
discontinuidad. El nivel de reacción y deformación
87
que experimenta el sistema depende de sus
puede decir que la defor mación de rocas es
características esfuerzo-deformación y de la rigidez
generalmente controlada por las discontinuidades,
del enlace entre cualquiera de los lados de la
las que pueden ser: zonas de cizalla, fallas geológicas,
discontinuidad. De lo anterior se puede inferir que
planos de estratos, diaclasas, entre otras.
los requisitos necesarios para un sistema son:
1. Capacidad de fuerza suficiente para satisfacer la
demanda de inestabilidad.
2. Capacidad de desplazamiento para satisfacer la
demanda de inestabilidad.
3. Una respuesta del conjunto para lograr el equilibrio.
La relajación y la deformación progresiva pueden originar
un colapso de una porción de la estructura de roca en
los casos en que esfuerzos de corte, a lo largo de las
discontinuidades, constituyen tan sólo una fracción de
la resistencia al cor te del macizo rocoso in-situ. En
macizos rocosos fracturados, numerosos factores
El desarrollo de los sistemas de pernos y cables
determinan la naturaleza y extensión de la deformación
tienden a dar énfasis a la rigidez para enfrentar
de la masa de roca, a saber:
diferentes ambientes geomecánicos.
1. La resistencia, grado de deformación, orientación
y frecuencia de las discontinuidades.
Existen diferentes conceptos de refuerzo de roca, los
cuales dependen de las teorías que han sido aplicadas
2. El tamaño, forma y orientación de la excavación
con respecto a las discontinuidades.
para calcular el refuerzo requerido. El concepto central,
3. El método de excavación.
encontrado en la mayoría de todas estas teorías, es
4. El estado de esfuer zos en el macizo rocoso
el fortalecimiento del macizo rocoso. En otras palabras,
circundante de la excavación.
el refuerzo se usa para mejorar la habilidad de la
5. La resistencia de la roca intacta.
roca para ser autosopor tada. Uno de los principales
propósitos del refuerzo es prevenir que se produzcan
El refuer zo previene o limita la defor mación y
fallas progresivas a lo largo de las discontinuidades
dilatación de la roca que puede colapsar. La
que poseen menor resistencia que la matriz de roca,
resistencia de la roca se mantiene o se mejora al
de tal manera que la roca se autosopor te debido al
aplicar un sistema de refuerzo. Una mayor explicación
mejoramiento de esta resistencia.
dice que el refuerzo entrega una mayor resistencia
a la tensión, cor te y fricción a lo lar go de las
La roca in-situ puede ser definida como una compleja
discontinuidades. Al respecto, esto es similar al
estructura de bloques discretos o fragmentos unidos
refuer zo diagonal de estr ucturas de concreto
o débilmente unidos por un elemento cementante.
reforzado. La primera razón es que el refuerzo entrega
En la mayoría de las aplicaciones de ingeniería civil
una inmediata r estricción, la que r educe la
o de proyectos mineros, la resistencia del material
deformación, logrando una estabilización opor tuna
de la roca intacta entre discontinuidades es
o temprana de la excavación. La resistencia al cor te
relativamente alta en comparación al esfuer zo
de las discontinuidades, en general, es menor
esperado, exceptuando condiciones de altos esfuerzos
después de que se produzca un deslizamiento entre
como ocurre en túneles construidos a muy alta
discontinuidades o separación entre las paredes.
profundidad y, en otros casos, en regiones de alta
Por esta razón, el refuerzo debe ser instalado tan
actividad tectónica, como es el territorio chileno. Se
pronto cuando la excavación haya sido construida.
88
Capítulo 6: Sistema de Refuerzo de Rocas
Como ocur re en el diseño de estr ucturas, los
componente de estos sistemas, debe ser considerada
parámetros usuales son determinados no sólo por
por ser la par te principal hacia donde convergen
los procedimientos de diseño que se encuentren
e s t a s car gas. La figura 6.3 muestra estos
disponibles, sino también por los antecedentes de
componentes y la interacción entre ellos.
experiencias y reglas empíricas apropiadas.
Los elementos de refuerzo deben estar dotados de
resistencia a la corrosión cuando son utilizados en
ambientes húmedos y con elementos químicos
corrosivos. El elemento base de estos sistemas puede
ser adherido permanentemente a la masa de roca
mediante lechadas de cemento o resinas.
El refuerzo de rocas juega un rol impor tante en el
mantenimiento y aseguramiento de la estabilidad en
la mayoría de las excavaciones de ingeniería civil y
de minería. El amplio rango de formas y dimensiones
de estas excavaciones se realiza, del mismo modo,
en un variado rango geomecánico. Todo este ambiente
produce como resultado una amplia gama de
Figura 6.3: Representación conceptual del sistema de refuerzo
SAFEROCK®
mecanismos de deformación de la roca.
Afor tunadamente, existe una gran variedad de
Componentes
sistemas de refuerzo en el mercado. Los países que
0 La roca
Interacciones
0-2
SAFEROCK®
tienen una avanzada tecnología en estos sistemas
1 El perno
han desarrollado una gran cantidad de excelentes
2 Elemento de adherencia
1-2
documentos, pero, por otro lado, estos resultados no
(lechada de cemento ó resina)
1-3
pueden ser aplicados a todos los sistemas de
3 Tuerca
SAFEROCK®-planchuela
3-0
refuerzos, ni menos aún en todas las excavaciones,
4 Planchuela
4-0
debido principalmente a que las condiciones varían
de sitio en sitio.
El compor tamiento del sistema está definido por la
interacción de esos cinco componentes.
a) La roca interactúa con los elementos internos y
6.4
COMPONENTES DEL SISTEMA DE REFUERZO
SAFEROCK®
externos del sistema.
b) E l p e r n o S A F E R O C K ® i n t e r a c t ú a c o n l o s
componentes internos y externos del sistema.
Un sistema de refuerzo comprende al menos cuatro
componentes principales y, por supuesto, coexistirán
diversos modos de transferencia de carga entre
estos elementos. Aunque la masa de roca no es un
c) Los componentes internos interactúan con la roca
y el elemento principal.
d) Los componentes externos interactúan con la roca
y el elemento principal.
89
6.5
CLASIFICACION DEL SISTEMA DE REFUERZO
6.5.1 El sistema CMC
SAFEROCK®
El sistema de refuer zo con pernos SAFEROCK ® ,
La reacción del sistema de refuerzo está determinada
depende potencialmente del componente interno que
por la sumatoria de los compor tamientos de cada uno
ocupa el área anular entre el elemento y la pared del
de los componentes principales y su múltiple
barreno. Se utiliza generalmente lechada de cemento,
interacción. El modelo de este sistema mecánico debe
lo cual requiere un cier to tiempo antes de que el
mostrar la "per formance", y desde allí predecir cual
elemento pueda entrar en servicio. Este periodo puede
de los componentes debe ser optimizado. El sistema
variar desde unos pocos segundos hasta algunos
de refuerzo con pernos SAFEROCK ® grauteados, se
días, dependiendo del tipo de lechada y de sus
clasifica como un sistema CMC ó "Continuously
componentes. Otro elemento usado son las resinas.
Mechanically Coupled" (Sistema de Acoplamiento
Mecánico Continuo). Para claridad y diferenciación, en
La función de la lechada o resina es proporcionar
el gráfico 6.1 se muestra, además, el compor tamiento
un mecanismo de transferencia de carga entre la
de los sistemas DMFC, "Discretely Mechanically or
roca y el elemento de refuerzo. El perno SAFEROCK®
Frictionally Coupled" (Acoplamiento Mecánico o
posee una geometría tal, cuya variación proporciona
Friccional Discreto) y el CFC "Continuously Frictionally
una inter ferencia geométrica entre el elemento y la
Coupled (Sistema de Acoplamiento Friccional Continuo).
lechada. Cuando esta inter ferencia geométrica se
extiende a lo largo del elemento, lo denominamos
Las figuras 6.4a y 6.4b representan los sistemas
acoplamiento mecánico continuo.
CMC y CFC, respectivamente.
La interacción entre el macizo rocoso y los sistemas
de refuer zo es muy compleja. Esto debido a las
Gráfico 6.1:
Compor tamiento de los tres tipos de refuerzo
(CMC, DMFC y CFC).
variables naturales y a los complicados mecanismos
de falla de la masa rocosa y a la mecánica de
transferencia de carga, entre el sistema de refuerzo
y la masa de roca.
Fuerza (F)
CMC
DMFC
CFC
90
Capítulo 6: Sistema de Refuerzo de Rocas
Figura 6.4a: Sistema CMC SAFEROCK®
6.5.2
Figura 6.4b: Sistema CFC
Elemento Externo Perno- Tuerca SAFEROCK®
(1-3)
Existen tres opciones básicas del elemento externo
de fijación y que son comunes a toda clase de sistema
de refuerzo: acoplamiento integral, mecánico y friccional.
El acoplamiento externo mecánico para los pernos
SAFEROCK® diseñados y fabricados por Gerdau AZA
en 22 mm de diámetro, lo constituye una rosca o
tuerca para desplazarse sobre los hilos del perno.
En la sección 6.6.3, se presentan los resultados
resumidos del cálculo analítico del compor tamiento
perno-tuerca SAFEROCK® (Ver figura 6.5).
Figura 6.5: Perno SAFEROCK® de 22 mm.
91
6.6
COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DE REFUERZO
La figura 6.7 muestra los desplazamientos en sentido
PERNO-TUERCA SAFEROCK®
longitudinal, que indican un máximo de 71 µm.
Para conocer el comportamiento del sistema de refuerzo
con pernos y tuercas SAFEROCK®, se han realizado
estudios analíticos, empleando herramientas de elementos
finitos, para obser var los niveles de esfuerzos que es
capaz de resistir y las deformaciones que se producen al
aplicar 12 toneladas a la barra SAFEROCK® (117.600
Newton) para minería. En el análisis, se consideraron
cargas en el ensamblaje del perno con la rosca de la
tuerca y perno empotrado en su base, simulando la acción
de carga que la tuerca ejerce sobre él.
Figura 6.6: Esfuerzos de Von Mises.
6.6.1
Comportamiento del Perno SAFEROCK®
Tipo de Análisis: Análisis de tensiones estáticas, para las
propiedades mecánicas del material que se muestran en
la tabla 6.1.
Como se puede apreciar en la figura 6.6 de la barra, los
resultados de los esfuerzos de Von Mises tienen un valor
máximo de 781 MPa y un valor máximo en la rosca de
400 MPa. Las propiedades del acero Gerdau AZA
A440-280 utilizado en la fabricación del perno SAFEROCK®
son: resistencia a la tracción igual a 440 MPa, y tensión
de fluencia de 280 MPa. Para este material, los valores
promedios obtenidos en la simulación bordean el límite
de fluencia.
92
Figura 6.7: Desplazamientos.
Capítulo 6: Sistema de Refuerzo de Rocas
La geometría de la rosca del perno SAFEROCK ® ,
tiene mayor super ficie de apoyo debido a su diseño,
y la menor holgura que tiene respecto al perno
tradicional, que impide que la unión perno-tuerca se
suelte, cuando es aplicada la carga, aún cuando se
produce un angostamiento de la barra. Sin embargo,
se debe tomar en consideración la deformación por
aplastamiento en la super ficie de la rosca.
Otra característica del compor tamiento del sistema
perno-tuerca SAFEROCK ® que al estar bajo cargas
de trabajo, es que en el extremo libre de la unión
Figura 6.9: Ensamblaje Perno-Tuerca SAFEROCK®.
perno-tuerca, se produce cur vatura de la barra.
Este estudio utilizó simulaciones mediante elementos
finitos de los esfuer zos y deformaciones que se
ejercen al aplicar 12 toneladas a la tuerca usada
como elemento de unión. El modelo analizado
corresponde a su compor tamiento estático. La tuerca
SAFEROCK® en estudio es de fundición nodular dúctil
ASTM A536, que funciona como elemento de unión
con el perno SAFEROCK ® de 22 mm de diámetro
(Ver figuras 6.8 y 6.9).
En el modelo se supone la aplicación de carga en
el ensamblaje perno-tuerca. En este modelo, la tuerca
se considera con movimiento restringido en su par te
externa (super ficie externa) y la carga se distribuye
en todas las roscas en contacto.
6.6.2
Compor tamiento de la Tuerca SAFEROCK ®
Tipo de Análisis: Análisis de tensiones estáticas,
para las propiedades mecánicas del material que se
muestran en la tabla 6.2.
Figura 6.8: Tuerca SAFEROCK® de fundición nodular.
93
Como se puede apreciar en la figura 6.10, los resultados
de los esfuerzos de Von Mises para el comportamiento
de la tuerca SAFEROCK® tienen un valor máximo de 350
MPa, y en la rosca un valor máximo de 280 MPa.
Las propiedades de la fundición nodular (dúctil) ASTM
A536 utilizada en la fabricación de la tuerca SAFEROCK®
son: resistencia última a la tracción igual a 457 MPa y
tensión de fluencia de 320 MPa.
Uno de los valores obtenidos mediante ensayo
(tensión de fluencia) es mayor que los parámetros
que tenemos según el tipo de material, pero debemos
Figura 6.11: Desplazamiento de la Tuerca SAFEROCK®.
considerar que los máximos se producirán solo en
zonas puntuales, por lo que este valor no representa
el compor tamiento completo de la tuerca. Por esto,
en este caso, nuestro valor medio es de 245 MPa,
concluimos que un valor medio será más apropiado
siendo menor que el límite de fluencia del material.
para medir el compor tamiento general de la tuerca;
Los desplazamientos en sentido longitudinal indican un
máximo de 7,4 µm, dada la geometría de la rosca de la
tuerca que tiene mayor superficie de apoyo y la disminución
de la holgura, lo que impide que la unión perno-tuerca
se suelte a pesar de que se produce un angostamiento
de la tuerca. (Ver figura 6.11).
Sin embargo, se debe tomar en consideración la
deformación por aplastamiento en la super ficie de la
rosca.
Figura 6.10: Esfuerzos de Von Mises - Tuerca SAFEROCK®.
94
Capítulo 6: Sistema de Refuerzo de Rocas
Figura 6.12: Ensamblaje Tuerca Rosca.
95
Gráfico 6.2
Comportamiento de la deformación de la planchuela
180
150
Carga (kN)
120
90
60
30
0
0
5
10
15
20
Deformación (mm)
25
Figura 6.13a: Planchuela deformada.
Figura 6.13b: Planchuela lisa.
96
30
35
Capítulo 6: Sistema de Refuerzo de Rocas
6.8
LECHADA COMO ELEMENTO DE ADHERENCIA
En las siguientes secciones se presenta la información
EN SISTEMA DE REFUERZO
básica, junto con algunas consideraciones teóricas
asociadas a propiedades físicas y mecánicas de la
Las lechadas de cemento son usadas en conjunto con
lechada de cemento. La mayor parte de la información
varios sistemas de refuerzo. Estos sistemas de refuerzo
se deriva de experiencias en el concreto (Taylor 1997)
requieren un rango de propiedades físicas y mecánicas,
y la industria de inyección de rocas (Houlsby, 1990), pero
tanto para la pasta de cemento fresca para ser ubicada
puede ser usada para explicar algunos de los
eficientemente, como para la pasta de cemento
comportamientos observados de la lechada de cemento
endurecida, para obtener un rendimiento efectivo del
asociada a aplicaciones de refuerzo. Esta información
refuerzo.
puede también ser usada en el diseño de la mezcla para
un sistema de refuerzo dado, equipos comunes y
Se ha establecido que el refuerzo para estabilizar rocas
procedimiento de instalación.
alrededor de las excavaciones, puede ser considerado
como un sistema de componentes individuales (Windsor,
1997). El rendimiento global del sistema de refuerzo
6.8.1
Lechada de Cemento
es controlado por el comportamiento de los componentes
individuales y la interacción entre ellos.
Las lechadas de cemento son usadas para fijar los
elementos internos en la mayor parte de los sistemas
También se puede considerar que la instalación del
de refuerzo; por ejemplo, un barreno puede ser rellenado
refuerzo es un sistema de procesos individuales que
con lechada antes de introducir una barra SAFEROCK®.
tienen interacciones entre ellos. Estos procesos de
Alternativamente, permite que la barra pueda ser
instalación, individuales y colectivos, controlan la calidad
ubicada primeramente en el barreno antes de que la
global del sistema de refuerzo y su rendimiento
lechada sea bombeada. En estos dos casos, las
subsiguiente.
propiedades físicas de la lechada de cemento deben
ser diferentes para permitir una ubicación efectiva del
La discusión de los procedimientos que se aplican
refuerzo dentro del barreno. Las propiedades de la
generalmente a todos los sistemas de refuerzo, es
lechada pueden definir el equipo de mezclado y bombeo
particularmente relevante para los sistemas de refuerzo,
que se requiere. Desafor tunadamente, en muchos
los cuales dependen total o parcialmente de las lechadas
casos la mezcla de cemento está basada en los equipos
de cemento para proveer transferencia de carga entre el
disponibles y no en los requerimientos de diseño del
elemento de refuerzo y la roca y para dar protección extra
sistema de refuerzo.
a los efectos de la corrosión. La lechada de cemento en
ambos estados, pulpa y endurecido, es un material
Las lechadas de cemento más simples se forman por
complejo con un amplio rango de propiedades, los cuales
la mezcla de polvo de cemento con agua para formar
dependen de los constituyentes y de la proporción relativa
una pasta (pulpa). Las propiedades físicas y mecánicas
usada durante la mezcla. Estas propiedades impactan
de la pasta dependen de las propiedades del polvo de
directamente en la elección del equipo usado para el
cemento, del volumen de agua agregado y de las
mezclado y colocación dentro del barreno y en el
condiciones bajo las cuales la pasta de cemento es
rendimiento resultante del sistema de refuerzo.
colocada y endurecida.
97
Capítulo 6: Sistema de Refuerzo de Rocas
Figura 6.14a: Comportamiento Hidráulico Newtoniano.
Capítulo 6: Sistema de Refuerzo de Rocas
Figura 6.14b: Comportamiento Hidráulico Pseudoplástico.
Figura 6.14c: Comportamiento Hidráulico Plástico.
Capítulo 7: Respuesta del Sistema Refuerzo - Roca
7.1
CONCEPTOS FUNDAMENTALES
macizo rocoso estable. (Ver figuras 7.1a y b).
Aspectos a considerar:
7.1.1
Principios Importantes
a) Elemento de refuerzo.
b) El largo, debe ser lo preciso para terminar en una
Los aspectos fundamentales para la comprensión del
región estable.
comportamiento del sistema de refuerzo, de la acción
c) La transferencia de carga entre los elementos y la
de las diferentes piezas que lo forman y su efecto en la
roca debe cumplir este requisito: que la capacidad de
estabilidad de la excavación, son el concepto de
los elementos sea al menos igual a la demanda dada
transferencia de carga y los componentes principales del
por el volumen inestable.
sistema de reforzamiento. (Ver figura 6.3, capítulo 6
Sistema de Refuerzo de Rocas).
El refuerzo ha sido ampliamente usado tanto en roca
• Movimiento de roca que transfiere carga desde roca
masiva en expansión continua como en roca fracturada;
inestable al elemento de refuerzo.
en esta última, el sistema trabaja con el fin de entregar
• Transferencia de carga a través del elemento de
tensión y resistencia al cor te adicional a las
refuerzo desde una región inestable (externa) a una
discontinuidades. La figura 7.2 muestra la deformación
región estable (interna).
típica de un sistema de refuerzo con pernos SAFEROCK®,
• Transferencia de carga del elemento de refuerzo a un
Figura 7.1a: Transferencia de carga en sistema de refuerzo con
pernos SAFEROCK®.
tanto en roca masiva como en roca fracturada.
Figura 7.1b: Transferencia de carga en refuerzo tipo anclaje.
105
además, por el confinamiento o deformación del barreno
como reacción a la dilatación de la lechada y puede ser
igualmente afectado por los cambios en el estado de
esfuerzos de la masa rocosa alrededor del barreno y como
consecuencia del proceso de curado de la lechada.
7.2.1
Efecto del Cambio de Esfuerzo
en la Adherencia de la Lechada
Varios estudios han concluido que el cambio de esfuerzos
en los alrededores de una excavación, es decir en la
masa de roca, puede afectar en forma importante la
adherencia del elemento de refuerzo en las interfases
del sistema. De lo anterior se desprende que el incremento
de los esfuerzos provoca un incremento en la resistencia
de la adherencia, hasta un límite en que estos esfuerzos
Ecml
no superen la resistencia a la compresión de la lechada
Figura 7.2: Deformación típica de un sistema de refuerzo con pernos
SAFEROCK®.
ya endurecida. Por otro lado un decrecimiento en el nivel
de esfuerzo puede reducir la resistencia. Para casos de
rocas de mala calidad este decrecimiento de esfuerzo
7.2
INTERACCION (0-2) EN LA INTERFASE
puede llevar la resistencia a niveles críticos o nulos.
ROCA/LECHADA (GROUTING)
Si se analiza el proceso de instalación de un sistema de
Esta interfase comprende la pared del barreno y la lechada
reforzamiento, se parte de la base que el barreno es
y depende de un aspecto importante, como es la adherencia
perforado en una roca estresada, por lo que las paredes
alcanzada entre la roca y la lechada, la que es dependiente
de barreno se deforman hacia su interior, inmediatamente
de la compatibilidad química y de agentes contaminantes.
como avanza la perforación.
El entrelazado mecánico de esta componente está
determinado por la rugosidad tanto longitudinal como
Después de realizar la per foración las paredes son
perimetral de la pared del barreno; y, además, la resistencia
radialmente destresadas. Bajo estas condiciones el
y deformación tanto de la roca como de la lechada y los
elemento del sistema de refuerzo es instalado. Este
esfuerzos radiales de la inter fase. (Ver figura 6.3 del
sistema puede estar por un periodo largo bajo estas
capítulo 6).
condiciones, pero así como avanza el minado, o se crean
nuevas excavaciones cercanas al punto de instalación,
La componente de fricción es determinada por el coeficiente
se genera un cambio de esfuerzo.
de fricción entre el material y el esfuerzo radial a través de
la interfase. El estado de esfuerzo radial afecta indistintamente
En un incremento de esfuerzo se produce una contracción
a las componentes mecánicas y de fricción. Es influenciado
del barreno, y durante una reducción de los esfuerzos
106
Capítulo 7: Respuesta del Sistema Refuerzo - Roca
ocurrirá una expansión del barreno, en general ocurren
endurecida puede llegar a separarse del elemento de
desplazamientos radiales.
soporte o de las paredes del barreno. La relajación o
decrecimiento de la presión en las interfases genera por
Como la lechada endurecida forma parte del sistema de
lo tanto una reducción en la resistencia de adherencia.
refuerzo, la inter faz elemento de refuerzo - lechada
también es alterada.
Un ejemplo se visualiza en la figura 7.3, donde la sección
de la galería inicial es ampliada, provocando un
Como se ha dicho, un incremento de los esfuerzos genera
destresamiento en el techo. Otro ejemplo común es la
una contracción del barreno y por lo tanto una compresión
pared de la pendiente después de iniciada la explotación
en la lechada endurecida, aumentando la presión en la
de una cámara, esto ocurre principalmente en su parte
interfase elemento - lechada, traduciéndose finalmente
baja. En los puntos de extracción de sistemas de
en un incremento de la resistencia última de adherencia.
explotación, que generan grandes cámaras vacías o
hundimiento de las mismas, la visera formada queda en
Un decrecimiento de los esfuerzos en la masa rocosa
condición propensa a que el sistema de refuerzo falle,
resulta en una expansión del barreno, es decir, la roca
este puede ser una combinación de cables y pernos. (Ver
se relaja. Como resultado de este fenómeno, la lechada
figuras 7.4a y b, y 7.5a y b).
107
Zona
Relajada
Zona
Relajada
108
Capítulo 7: Respuesta del Sistema Refuerzo - Roca
109
110
Capítulo 7: Respuesta del Sistema Refuerzo - Roca
por lo que se podría considerar mecánicamente acoplada.
La interfase envuelta en la transferencia de carga a través
de una superficie relativamente rugosa y suave para un
En términos de la macro-mecánica, las superficies podrían
elemento de refuerzo friccionalmente acoplado es una sola.
ser consideradas relativamente suaves y puramente
En ambos casos la fuerza axial en el refuerzo puede ser
friccionales. Consecuentemente, el comportamiento de
transferida a un número de interfases a la roca o viceversa.
transferencia de las interfases es controlado por la rugosidad
En el caso de SAFEROCK®, hay dos interfases mayores y el
y entonces dependen de su correspondiente escala.
nivel de fuerza transferida depende de:
1. La resistencia del refuerzo
Las interfases que intervienen en la transferencia de cargas
2. La resistencia al corte de la interfase refuerzo-lechada
a través de una superficie relativamente rugosa y suave
3. La resistencia al corte de la lechada
para un elemento de refuerzo con pernos
SAFEROCK®
acoplado se muestran en la figuras 7.7a y 7.7b siguientes.
4. La resistencia al corte de la interfase lechada-roca
5. La resistencia de la roca
En el caso friccionalmente acoplado, existe solamente
una inter fase y el nivel de transferencia de fuerzas
depende de:
1. La resistencia del refuerzo
2. La resistencia al corte de la interfase refuerzo-roca
3. La resistencia de la roca
En cada uno de los casos de resistencia al corte de las
inter fases, probablemente la mayoría controlará la
capacidad de transferencia de carga. Todas las interfases
son caracterizadas por "zonas de interfases" que tienen
la potencia de suavizar la transferencia de carga. Las
zonas de interfases se han coloreado en cada una de
las figuras; básicamente se representan zonas de
degradación del material o contaminación, lo cual puede
permitir un relativo deslizamiento en ó entre las zonas.
La posible opción de ingeniería de mejorar en forma
prematura este desplazamiento incluye:
1. Incrementar el área de la superficie de la interfase
2. Incrementar el entrelazado mecánico a través de la
interfase
3. Reducir la contaminación de la interfase
4. Incrementar la resistencia de cada material en la
interfase
111
7.5
MODOS DE FALLA BAJO CARGA AXIAL DEL
El primer caso (A) de ruptura ocurre si la carga actuante
SISTEMA SAFEROCK®
al corte, sobre la superficie del perno empotrado excede
la capacidad máxima del perno. El segundo caso (B)
La carga es transferida entre dos zonas separadas de
ocurre cuando hay inadecuada resistencia al corte o
masa rocosa a través de la tensión aplicada al perno.
resistencia de adherencia en la interfase perno-lechada;
tal es el caso cuando el perno que es usado es del tipo
Las interfases perno-lechada-roca deben también soportar
liso. El tercer caso (C) ocurre cuando existen fallas de
esta transferencia de carga. De este modo pueden ocurrir
dosificación o mala operación de la inyección de la lechada,
al menos cinco modos de falla:
dejando zonas no cubiertas; por lo tanto, constituyen
A) ruptura del perno SAFEROCK®.
planos de debilidades o de ruptura. Los dos últimos casos
B) falla en la interfase perno-lechada.
(D y E), normalmente ocurren cuando las rocas son débiles
C) falla en la columna de lechada.
o de mala calidad, mejorando este problema por medio
D) falla en la interfase lechada-roca.
del cambio de diseño del perno (destrenzado). Todas las
E) falla en los alrededores de la perforación.
fallas anteriores pueden producirse en condiciones de
estallido de rocas. (Ver figura 7.8).
A
B
C
D
Figura 7.8: Diversos modos de fallas en pernos SAFEROCK® bajo carga axial.
112
E
Capítulo 8: Evaluación del Sistema de Refuerzo
8.1
REFUERZO DE ROCA INTACTA
Se puede pensar que el uso de refuerzo es solo en
macizos rocosos discontinuos con el fin de prevenir
desplazamientos discretos de bloques. Sin embargo,
el uso de refuerzo es beneficioso, especialmente con
respecto a un proceso de falla frágil, debido al
confinamiento adicional, controlando de esta manera
en forma efectiva los desplazamientos y reduciendo
el fenómeno de expansión o dilatación del macizo
rocoso.
8.2
REFUERZO EN ROCA FRACTURADA
Figura 8.1: Refuerzo en roca altamente fracturada.
El modo de acción del refuerzo en un medio discontinuo
es diferente, porque no sólo pretende un mejoramiento
Considerando ahora el largo y el diámetro del perno,
en las propiedades estructurales de la roca, sino
éstos deben proporcionar una resistencia de adherencia
también evitar grandes desplazamientos de bloques
en las interfases lechada - perno y roca - lechadas tales
completos.
que sean capaces de sostener la tensión necesaria en
el perno, el cual dependerá del grado de fractura del
Dos de los más impor tantes factores son: la
macizo rocoso. Además, el diámetro del perno también
factibilidad cinética (el hecho de que los bloques
se puede determinar sobre la base de la resistencia a
están libres al movimiento, dada la situación
la tensión del material del perno.
geométrica de las áreas expuestas en el macizo
rocoso de la excavación) y el carácter del refuerzo
(cantidad, longitud y orientación).
Ejemplo 1: Un túnel circular está siendo excavado en
un macizo rocoso bloqueado (fracturado) utilizando
Un caso simple de refuerzo de un material discontinuo
per foración y voladura (ver figura 8.2). Existe una zona
es el de un bloque reforzado mediante un anclaje de
de excavación per turbada (Excavation Disturbed Zone
tensión sobre una super ficie de roca. El anclaje debe
EDZ), alrededor del túnel excavado (definida sobre la
estar instalado de tal manera que el bloque y la roca
base de una zona de disturbio por voladura donde
ubicada abajo actúen como un continuo, de modo que
existen bloques sueltos, los que pueden fallar
el movimiento del bloque se inhiba. Sin el perno, el
deslizándose o cayendo por efecto de la gravedad). La
mecanismo básico indica que el bloque se deslizará
EDZ se extiende aproximadamente 0,75 m hacia el
siempre que el ángulo exceda el ángulo de fricción de
interior del macizo rocoso desde la super ficie de
la superficie de roca (para una superficie sin cohesión).
excavación. ¿Qué presión de refuerzo se requiere en
Este es el primer criterio para indicar la potencialidad
la corona para estabilizar los bloques sueltos de la
de falla.
EDZ, dado un fr (peso unitario de la roca) de 25 kN/m3?
115
Entonces, el área de techo por cada perno es de 8 m2.
Con respecto a la orientación del perno y la tensión, no
siempre el ángulo del perno puede ser orientado con
óptimo efecto. Si recordamos, la orientación óptima es
aquella donde el perno tiene la mínima tensión; entonces
el ángulo entre el perno y la superficie inclinada es igual
al ángulo de fricción entre el bloque y esa super ficie
inclinada.
El diseño de refuerzo de excavaciones, usualmente
requiere asumir ciertas simplificaciones que serán de
mucha importancia en la entrega de una solución a este
tipo de problemas. Tal como se ha expresado en las
secciones anteriores, la "teoría de bloque" se ha
transformado es una herramienta muy útil. Esta se basa
116
Capítulo 8: Evaluación del Sistema de Refuerzo
en una aproximación racional, que complementada con
respuesta de la excavación, tales como deformaciones
el diseño de refuerzo para bloques potencialmente
debido a los esfuerzos inducidos y/o fallas de bloques
inestables, forman un principio teórico sólido.
por gravedad o deslizamientos. En general, la estructura
de la masa de roca es la que controla el tipo de
8.3
DISEÑO DE REFUERZO
comportamiento o los mecanismos de falla que pueden
ocurrir. Cuando la condición estructural es importante,
El diagrama 8.1 muestra un esquema de diseño apropiado
es decir, cuando la masa de roca se encuentra altamente
para la incorporación de los procesos y condiciones bajo
fracturada, puede ocurrir una respuesta del tipo discontinuo
las cuales se encuentra una excavación dada. Esta propuesta
y los bloques de roca pueden moverse hacia la excavación,
indica que una excavación sin refuerzo es inestable bajo
generando de esta manera una condición potencial de
las condiciones con que está construida, necesita un
riesgo, pudiendo inclusive ocurrir el desmoronamiento
rediseño para lograr una estabilidad adecuada al propósito
parcial o total de la excavación. (Ver figura 8.4).
para la cual fue hecha, por lo cual se debe considerar si se
trata de una excavación de corta o larga vida útil. Si las
Las tecnologías más apropiadas para enfrentar este tipo
necesidades de su construcción no permiten su rediseño,
de inestabilidades, están asociadas al uso de elementos
se debe proponer un esquema de refuerzo, el que debe ser
estructurales insertos y adheridos a la masa de roca,
evaluado para su aceptación o bien, proceder a sus
tales como los pernos SAFEROCK® y en algunos casos
modificaciones con el fin de optimizar el diseño.
donde la excavación ha generado un área de inestabilidad
mayor, pueden ser usados cables cementados. La etapa
La forma adecuada de interpretación es predecir la
más crítica en un diseño de refuerzo es la evaluación
Figura 8.4: Respuesta de un macizo rocoso discontinuo.
del esquema propuesto. Esta dificultad se debe a la
la propuesta de un esquema de refuerzo debe ser analizada
compleja interacción que se desarrolla entre el sistema
y evaluada en forma anticipada a la excavación y, del
de refuerzo y los bloques de roca. Como se ha expresado
mismo modo, los antecedentes que han sido tomados
anteriormente, el sistema de refuerzo tiene varios
en consideración deben ser incorporados a un sistema
componentes o elementos que interactúan en la
tal que, después de lo cual, el diseño constantemente
transferencia de carga.
pueda ser revisado, ordenado y puesto al día, o sea, que
permita ser corregido progresivamente en la medida en
Es casi imposible lograr un tratamiento de ingeniería
que se avanza en las diferentes etapas del proceso
ajustado a principios y fundamentos teóricos precisos,
constructivo.
debido a que los diferentes parámetros que intervienen
en el problema muchas veces no pueden ser cuantificados.
Se sugiere que las aproximaciones que puedan ser
consideradas en el diseño debieran tomar en consideración
8.4
COMPORTAMIENTO DEL REFUERZO EN ROCA
FRACTURADA
una respuesta global de la masa de roca, más que
respuestas específicas de detalle, las que pueden diluir
El compor tamiento en este caso de masa rocosa se
el problema y que en muchos casos puede quedar sin
caracteriza por la naturaleza y disposición de las
respuesta apropiada. Existen tres métodos que facilitan
discontinuidades. De acuerdo con los varios temas
estas aproximaciones y ellas son; las reglas de diseño
analizados anteriormente, las discontinuidades cercanas
propuestas por (Lang, 1961); la clasificación de masas
a la excavación definen el ensamblaje de los bloques
de roca ("Q" de Barton, RMR de Bieniawski, GSI de Hoek,
periféricos y su influencia en la estabilidad. Cuando se
RMi de Palmström y otros), y el análisis probabilístico. Sin
instala un arreglo o esquema de refuerzo a través de los
embargo, las propuestas de diseño obtenidas mediante
bloques super ficiales, el sistema los intercepta y los
estas metodologías no pueden ser evaluadas hasta que
refuerza. El movimiento de bloques está definido por tres
el proyecto esté en marcha. En una aproximación ideal,
desplazamientos transnacionales y tres rotacionales hacia
118
Capítulo 8: Evaluación del Sistema de Refuerzo
la excavación. Estos desplazamientos se relacionan con
han mostrado que los cables son más efectivos en
una combinación compleja de tensión y cor te y
tensión y toleran respuestas de cor te; por otro lado;
componentes de flexión, torsión y compresión.
los estabilizadores de fricción requieren una carga
significativa de cor te para alcanzar su eficiencia. Un
Las experiencias en relación al tema han demostrado
elemento pretensionado no puede tolerar compresión
que el refuerzo es más efectivo cuando los niveles de
porque esto reduce la tensión y puede ocasionar una
esfuerzo generadores de inestabilidad son bajos. Algunos
pérdida total del collar de retención.
comportamientos de esquemas de refuerzo son mostrados
en la figura 8.5 siguiente.
8.5
Estos esquemas muestran la difer encia del
PROCEDIMIENTO PARA REFUERZO EN ROCA
FRACTURADA
compor tamiento que depende de cómo el refuerzo
intercepta una discontinuidad y qué vector de
Un análisis riguroso debiera incluir el detalle de los
desplazamiento asociado a la discontinuidad es
antecedentes sobre la geometría de la excavación, mapeo
obtenido. Por supuesto, diferentes componentes del
estructural del sitio, parámetros de la roca intacta y
sistema operan con diferentes eficiencias en los
ambiente geológico. De esta manera se puede definir
distintos casos mostrados. Por ejemplo, experiencias
con más claridad la respuesta de una excavación bajo
estas condiciones. Los datos requeridos pueden ser más
reales cuando se toman en cuenta consideraciones
simplificadas tales como que:
a) Las discontinuidades sean planas y continuas
b) La discontinuidad divida el macizo rocoso en un
ensamble de bloques
c) Este ensamble de bloques super ficiales esté
destrezado
T
T
d) La evaluación se restrinja al análisis de bloques
superficiales
e) Los bloques superficiales inestables actúen como un
T+S
S+C
T
T+S
cuerpo rígido
Estas consideraciones están tomadas en cuenta
S
S+T
en la teoría de bloques y asociadas a la orientación
y dimensiones de la excavación, a la orientación,
al espaciado, posición y resistencia al cor te de las
discontinuidades, sin olvidar la densidad de la roca.
Si la posición y orientación de cada discontinuidad y de
T: Tensión; S: Cizalla; C: Compresión
Figura 8.5: Tensión, compresión, corte bajo carga axial.
la excavación son conocidas, se puede formular un
modelo del ensamblaje.
119
En el caso que la fábrica de la estructura de roca sea
8.6
conocida (orientación media y los sets de discontinuidades),
EVALUACION DE ESTABILIDAD DE BLOQUES
NO REFORZADOS
se establece que para propósitos de diseño se asume
que las discontinuidades llegan a construir bloques de
El procedimiento para evaluar la estabilidad de un
distintas formas. Por lo anterior, el procedimiento de
ensamble no reforzado se muestra en el diagrama
diseño consta de las siguientes etapas:
8.2, pudiéndose allí distinguir tres par tes principales:
1. Evaluación de la estabilidad de bloques no reforzados.
a) Análisis de la forma del bloque: Considera la
2. Diseño del refuerzo de bloques.
definición de todas las formas posibles de bloques,
3. Evaluación de estabilidad de bloques reforzados.
sus modos de compor tamiento y su vector de
desplazamiento.
Este procedimiento es aplicado a cada forma de bloque
b) Análisis de tamaño de bloques: Considera la
en el ensamblaje construido. Lo recomendable es que en
definición del rango de tamaños de cada forma de
los casos complicados hay que actuar con “espíritu
bloque.
conservador” e ingeniería con “apropiada discreción”.
c) Evaluación de estabilidad del bloque: Considera el
análisis de cada forma de bloque en un rango de
tamaños.
Datos de forma
Orientación de discontinuidad
y orientación de frente de la
excavación
Datos dimensionales
Longitud de traza, valores de
espacio, tamaño de la
excavación
Datos propiedades del material
Densidad de roca, fricción de
discontinuidad, cohesión de
discontinuidad
Análisis
Forma de bloque
Análisis de tamaño
de bloque
Evaluación de estabilidad de bloques sin refuerzo
Diagrama 8.2: Procedimiento de identificación de tamaños y formas de bloques que requieren refuerzo.
120
Capítulo 8: Evaluación del Sistema de Refuerzo
Las formas de bloques definen su orden y movilidad.
longitud de traza para el set de discontinuidades
El orden de la forma del bloque define el número de
asociado. Se formará parcialmente un bloque más
caras que constituyen su super ficie. El rango puede
grande que la longitud de traza de tamaño de bloque.
variar desde un tetraedro a un poliedro. La movilidad
de un bloque es la habilidad de remover el bloque
El valor de espaciado de tamaño de bloque limitado
desde una masa de roca, sin provocar cambios o
define el tamaño de bloque más grande individual
disturbios de los bloques adyacentes. En las figuras
para una forma de bloque dada. En general, un valor
8.6a y 8.6b se muestra un análisis de la condición
de espaciado medio es asociado con cada set. Uno
de bloques a par tir del software Blockeval de G.S.
de los sets tendrá un valor de espaciado el cual
Esterhuizen.
limita el tamaño máximo de un bloque individual. Un
volumen grande de bloque se puede formar, pero
Para identificar y valorar la movilidad de todas las
esto comprimirá un número de componentes más
formas de bloques que bordean la excavación se
pequeños.
requiere un análisis de for ma. La experiencia
demuestra que los bloques de alto orden son menos
Es común el uso de tamaño de bloque limitado al
propensos a la movilidad. De esta manera, se le debe
claro de la excavación. Sin embargo, en muchas
dar más énfasis a bloques de menor orden.
circunstancias el tamaño máximo de bloque es dado
por el largo de traza del tamaño de bloque limitado.
La predicción de tamaños representativos para todos
Además, la valorización del espaciado del tamaño de
los bloques individuales, es un problema complicado
bloque podría ser más pequeño que la longitud de
que debe ser superado definiendo un límite de tamaño
traza del tamaño del bloque limitado. Esto lleva a la
de bloques. Tres alternativas han sido propuestas
noción de que los esquemas de refuerzo necesitan
por Windsor (1992):
ser diseñados a ubicarse un rango de tamaños de
a) El espacio de la excavación delimitado por el tamaño
bloque.
de bloque.
b) La longitud de la traza limitada por el tamaño de
bloque.
Esto es, puede ser necesario integrar retenedores de
super ficie con elementos cor tos o largos de refuerzo.
c) El valor del espaciado limitado por el tamaño de
bloque.
Teniendo definida la lista de formas de bloques móviles
y su límite de tamaño asociado, la estabilidad de
El espacio de la excavación limitado por el tamaño
cada bloque debe ser evaluada en un análisis de
es el bloque más grande que puede moverse hacia
equilibrio límite. Para este análisis las propiedades
la excavación y se encuentra generalmente limitado
de material necesitan ser definidas. Estas
por uno de los espacios de la excavación.
propiedades, junto con los datos de bloques, se usan
para identificar cuáles de los bloques móviles son
La longitud de la traza limitado por el tamaño de
inestables. El grado de movilidad, el listado de bloques
bloque es el bloque más largo que puede formarse
inestables con los datos de forma asociados, el modo
completamente, el cual no contiene una línea de una
de inestabilidad, el tamaño y el balance de fuerzas
cara de bloque que es más grande que la máxima
se utilizan para proponer un esquema de refuerzo.
121
Single block analysis
Single block analysis
Data file:
pyramid.jce
Data file:
Block data
Dip
Dip dir
pyramid.es
Block data
Side
Length
Above ?
Dip
Dip dir
Joint 1
65
270
3
Joint 1
65
270
3
Joint 2
62
180
2
Joint 2
62
180
2
Joint 3
75
88
Joint 3
75
88
Joint 4
70
5
Depth
Joint 4
70
5
Depth
Top surface
10
0
1.8
Top surface
10
0
0.9
Excavation
20
50
Excavation
20
50
Density (kg/ cu m)
View block
2700
Support
Density (kg/ cu m)
Above ?
View block
2700
Support
Spacing
1.2
x
1.5
m Capacity
100
[KN]
Spacing
Results
1.2
x
1.5
m Capacity
100
[KN]
Results
Calculate
Block is removable
Block weight 185.90 KN
Calculate
Block is removable
Save
Block weight 51,40 KN
Save
Stablished by support
Print
Stablished by support
Print
Factor of safety = 1.84
Quit
Factor of safety = 7,01
Quit
Pyramid
8.7
Side
Length
DISEÑO DE REFUERZO DE BLOQUES
Block planes
caras de los bloques puede ser usada para evaluar
la efectividad del refuerzo instalado en diferentes
El diseño de refuerzo requiere la especificación del
orientaciones. La efectividad de r efuer zo es
tipo de refuer zo, orientación, longitud, número y
determinada empíricamente como se muestra en las
capacidad. El diagrama 8.3 muestra las etapas
figuras 8.7 y 8.8. Un factor de efectividad puede
requeridas utilizando los datos desde la valorización
usar para optimizar la tensión en el refuer zo o
de bloques no reforzados en propuesta a un esquema
simplemente estimar la eficiencia para una
de refuerzo.
orientación par ticular, la que puede ser restringida
por otros factores, tales como acceso o limitación
El vector de desplazamiento y la orientación de las
122
de equipamiento.
Capítulo 8: Evaluación del Sistema de Refuerzo
Vector de desplazamiento
del bloque
Orientación de caras del
bloque
Efectividad de la
orientación del refuerzo
Resultado del
balance de fuerzas
Estimación del refuerzo
total requerido
Diseño del tamaño de
bloque
Longitud mínima de
refuerzo
Area de caída libre
Selección de tipos de
refuerzo con largo
mínimo requerido
Estado de posible esquema de refuerzo:
tipo, orientación, longitud, número y capacidad
Diagrama 8.3: Marco de integración del diseño de refuerzo.
t
Figura 8.7: Desplazamiento de bloque sobre discontinuidad.
s
Figura 8.8: Variados desplazamientos.
123
mínimo de anclaje variará con el tipo de refuerzo. El mínimo
inestables a través de la valorización de la estabilidad de
de longitud total de refuerzo necesitará ser incrementado si
bloques no reforzados.
el refuerzo se orienta en ángulos desfavorables.
Se recomienda realizar un listado de distintos tipos de
refuerzo y su longitud requerida para disponer de estos
8.8
VALORIZACION DE ESTABILIDAD DE
BLOQUES REFORZADOS
antecedentes en cada caso.
En esta etapa es necesario considerar cada bloque inestable,
La capacidad efectiva de un elemento de refuerzo puede ser
la posibilidad de rotación del bloque y las consecuencias
reducida de acuerdo con la capacidad obtenida desde la
de tener diferentes ubicaciones del patrón de refuerzo.
orientación del refuerzo. La capacidad efectiva requerida de
Previamente, por lo general se asume que en excavaciones
un esquema de refuerzo puede exceder el balance de fuerzas
de superficie esos bloques pueden sólo trasladarse, pero
para un tamaño de bloque elegido. El número mínimo de
no es generalmente aplicable en excavaciones subterráneas.
elementos de refuerzo puede ser calculado para cada uno
Lo mismo se puede decir que la disposición del refuerzo,
de los sistemas desde el listado de las longitudes por tipo
es menos importante para deslizamiento de bloques en
de refuerzo. En general, el número de elementos de refuerzo
superficie de excavaciones, comparados con fallas en caída
por bloque junto con las áreas de caras de bloques controlará
libre y rotación de bloques en el techo o pared pendiente
el espaciado para cada tipo particular de refuerzo. Es
de excavaciones subterráneas. En el último caso, el refuerzo
importante señalar que más de una forma de bloque se hará
será generalmente cargado en forma no uniforme y una
presente por las discontinuidades de la masa de roca.
simple aproximación de equilibrio de fuerza no es válida.
Los elementos de refuerzo son cargados igualmente sólo
Entonces es una tarea importante seleccionar un esquema
cuando el refuerzo es eventualmente distribuido en el centro
de refuerzo para todos los bloques identificados como
de masa del bloque. Esto resulta en una rotación
Longitud
mínima de
Anclado
Longitud del
refuerzo
Zona
estable
Distancia
Zona
estable
Figura 8.9: Diseño del largo del refuerzo en relación al tamaño de
bloque.
124
Figura 8.10: Consecuencias de la posición específica en un arreglo
de reforzamiento.
Capítulo 8: Evaluación del Sistema de Refuerzo
Longitud de anclado
Punto efectivo de
acción del refuerzo
Elemento de refuerzo
Longitud de bloque
Collar
Figura 8.11: Efectividad del refuerzo.
125
8.9
TEORIAS DE REFUERZOS
8.9.1
Teoría de Suspensión
La teoría de Jun Lu Luo (1999) se refiere a la formación
de vigas inmediatamente después de realizada una
Posible
plano de falla
excavación. Este fenómeno se advierte principalmente en
el estrato inmediato sobre el techo. Lo anterior significa
que si el sistema de estabilización no es instalado en forma
adecuada y en el tiempo oportuno, las estratificaciones
ubicadas sobre el techo podrían separarse desde el techo
principal y fallar. En este caso, los más apropiados son
pernos al techo y anclados en roca sana y tensionados de
tal manera que el techo se sostenga por sí solo.
Así, en muchos casos el techo inmediato se suspende
del techo principal mediante pernos, separados entre
si a la distancia S, como se muestra en la figura 8.12,
o de otra forma, los estratos débiles se suspenden
desde estratos estables, como en la figura 8.13. Los
pernos mantienen el peso muerto de los estratos entre
la cabeza del perno y el anclaje. Para este caso, el
peso envuelto en este problema y para cada perno
puede ser calculado por Peng, (1984).
P=
wtBL
(n1 + 1) (n2 + 1)
S
Figura 8.12: Efecto de suspensión de techo apernado.
126
Figura 8.13: Efecto de suspensión parcial en un talud.
Capítulo 8: Evaluación del Sistema de Refuerzo
Pc
Figura 8.14: Refuerzo trabajando por suspensión.
127
Considerando una viga compuesta por "n" capas
idénticas sin pernos, como se muestra en la figura
8.16 (caso 1), la resistencia a cur varse, B 1, puede
ser calculada a par tir de la ecuación:
bh2
B1 = n
6
Donde
n : número de capas
b : largo de la viga
h : espesor de la capa
Figura 8.15: Efecto de viga de reforzamiento.
La rigidez del curvado, T1, puede ser expresado como:
T1 = n
Ebh3
12
Donde:
E : Módulo de Young de la roca
Para una viga compuesta consistente en "n" capas
idénticas con pernos atándolas firmemente, como se
muestra en la figura 8.16 (caso 2), la resistencia a
la cur vatura, B2, puede ser calculada por la ecuación.
B2 =
b(nh)2
6
La rigidez, T2, puede ser calculada desde
T2 =
Eb(nh)3
12
La resistencia a la cur vatura de la viga apernada es
incrementada "n" veces comparada con la viga no
apernada, mientras que la rigidez se incrementa n 2
veces. El mejoramiento de la resistencia a la curvatura
es siempre bueno para la estabilidad del techo; sin
embargo, bajo cier tas condiciones el incremento de
la rigidez puede causar carga extra desde el estrato
superior actuando sobre la viga.
128
Capítulo 8: Evaluación del Sistema de Refuerzo
Caso 1: Sin reforzamiento
Caso 2: Con reforzamiento
Figura 8.16: Efecto viga.
Puede ser que la tensión de la viga no falle debido
diferentes orientaciones a la línea de techo, el apernado
al incremento de la resistencia al curvado, pero podría
al techo entrega fuerzas de fricción a lo largo de las
ocurrir por corte en los dos extremos una vez que las
fracturas, grietas o planos débiles.
fuerzas de corte acumuladas excedan la resistencia al
corte de la viga compuesta, como se muestra en la figura
Se previenen y reducen los deslizamientos y la
8.17. Se puede observar que este tipo de falla tiene las
separación a lo largo de la inter fase, como muestra
siguientes características:
la figura 8.18. Si los pernos son instalados inclinados
• La viga apernada falla separándose
a la línea de techo y perpendiculares al plano de
• Los planos de falla en los dos extremos de la viga
fractura, como lo muestra la figura 8.19a, el mínimo
son cercanamente ver ticales.
• El plano de falla superior está exactamente en el
esfuerzo axial que puede entregar un perno para la
estabilidad es:
horizonte apernado donde la pre-tensión de los
pernos crea un área de esfuerzo tensional alrededor
del anclaje de cada perno, y
• Algunas veces usando pernos más largos incrementa
la altura de la falla del techo.
8.9.3 Entrelazado
Cuando los estratos del techo se encentran altamente
fracturados formando bloques, o el techo inmediato
contiene uno a varios sets de discontinuidades con
129
Figura 8.17: Falla de la viga por corte.
Figura 8.18: Efecto de ensamblaje del reforzamiento.
Figura 8.19a: Refuerzo inclinado a la línea de techo.
130
Capítulo 8: Evaluación del Sistema de Refuerzo
Discontinuidad
Figura 8.19b: Refuerzo perpendicular a la línea de techo.
Zona Compresiva
Figura 8.20: Zona de compresión continua.
131
Capítulo 9
Estudio del Perno SAFEROCK ®
9.1
Modelamiento Numérico de Pruebas de “Pull Out” (Software Flac)
9.2
Ensayo de Pull Out, Perno SAFEROCK®
Capítulo 9: Estudio de Perno SAFEROCK®
Elemento
de Refuerzo (Perno)
Pieza Anular
de la Lechada
EXCAVACIÓN
m
Tensión Axial
del acero
m
Nodo
de Refuerzo
m
Deslizador
(Fuerza Cohesiva
de Lechada = sbond)
Dureza del esquileo
de la lechada = kbond
Figura 9.1: Vista esquemática con ensayo pull out test.
Figura 9.2: Representación conceptual de un perno de refuerzo
grouteado a columna completa (después de Itasca manual Flac
2.0 v4.0 (2004)).
Donde:
fs
: fuerza al cor te que se desarrolla en el grouting
k bond : rigidez al cor te del grouting
uc
: desplazamiento axial del perno
um
: desplazamiento axial del medio circundante
(suelo o roca)
l
: longitud del perno
Capítulo 9: Estudio de Perno SAFEROCK®
tg =
G Dm
d
(2+t)
•
ln ( 1 +
2t
d
)
relación de naturaleza cohesiva y friccional (capaz de
representarse por el criterio de fractura de Mohr-Coulomb).
El grouting se compor ta como un material elástico,
perfectamente plástico con dependencia de la presión de
confinamiento de su entorno y que no es capaz de perder
resistencia después que falla.
La probeta se diseña con dimensiones tales que permite
un anclaje grouteado de 1,0 m de profundidad al interior
de la masa rocosa. (Ver gráficos 9.2 y 9.3).
Gráfico 9.2
Prototipo con probeta a ser modelada.
Extremo de perno
traccionado a una
velocidad V
A esta superficie se le
impide movimiento en
dirección Y
Longitud del perno
grouteado
Gráfico 9.3
Representación numérica en Flac 2d de la probeta.
Capítulo 9: Estudio de Perno SAFEROCK®
la longitud mínima de anclaje definida dentro del
modelamiento (1,0 m).
Por otro lado, la posición del borde del modelo se
encuentra a una distancia tal del eje del perno que no
debería incidir en la estimación de la carga - deformación
desarrollada durante el ensayo pull out.
Tamaño de zona
Se considera un tamaño regular de zona a lo largo de
todo el modelo de 4 cm de ancho en dirección horizontal
(x) y de 10 cm de alto en dirección vertical (y).
Condiciones de borde del modelo
Para representar el ensayo pull out test se establecen
las siguientes condiciones de borde en el modelo:
Pared x: en ambos lados (libre de desplazamiento en
ambos sentidos).
Pared y: en base inferior (libre de desplazamiento en
ambos sentidos) en base superior donde se
aplica la carga (restringido de desplazamiento
en sentido vertical (y)).
9.1.7
Modelo Constitutivos de los Materiales
Se considera que los materiales utilizados dentro de la
modelación responden de manera elástica - perfectamente
plástica. Esto, tanto para el modelo constitutivo de la
probeta como de los pernos de reforzamiento y grouting.
9.1.8
Propiedades Elásticas de la Probeta
La probeta que vendría a representar al macizo rocoso
considera las siguientes propiedades representativas
dentro del modelo:
Módulo volumétrico= 5 GPa
Se tiene que los valores de kbond y sbond estimados de
manera empírica e indirecta, son los siguientes:
kbond = 2,22
• 109
N/m/m
sbond = 7,70
• 105
N/m
elástica como cuando se produjo la falla del grouting en
la zona plástica.
De manera complementaria, cada 100 pasos se plotearon
puntos que relacionan la máxima carga aplicada al
Finalmente, para efectos de incorporación del patrón de
extremo del perno, versus la deformación equivalente
apernado en las propiedades elásticas del grouting se
acumulada.
considera la división de su valor por el espaciamiento
promedio en su instalación que en este caso corresponde
De manera alternativa y con el objeto de esquematizar
a 1,0 m (patrón de 1,0 m x 1,0 m).
de mejor forma el desarrollo de la carga a lo largo del
eje del perno SAFEROCK®, tanto en la zona elástica antes
que el grouting falle, como posteriormente cuando se
9.1.11 Criterio de Evaluación de la Principal
Condición Modelada
rompe la adherencia del grouting, fueron graficadas las
siguientes variables que son capaces de entregarse
dentro del modelamiento. (Ver gráficos 9.4 a 9.9b
La simulación del ensayo pull out se realiza aplicando una
inclusive).
carga en el extremo superior del perno SAFEROCK® de
• Carga axial;
manera indirecta con una velocidad de 1 • 10-6 m/s.
• Desplazamiento al corte;
• Fuerza al corte;
• Razón de crecimiento de carga axial;
9.1.12 Monitoreo de Parámetros de Interés
• Deformación axial;
• Desplazamiento en el eje x;
Las variables de interés dentro del modelo corresponden
• Velocidad en el eje x;
a la carga desarrollada a lo largo del eje del perno y a la
• Desplazamiento en el eje y;
correspondiente deformación acumulada. Para ello, se
• Velocidad en el eje y.
implementó una función fish que permite incorporarlas
dentro del modelo.
Finalmente, la programación numérica utilizada en Flac
2d con la correspondiente función fish se visualiza al
Estas mismas variables con denominación "ff y dd" son
final de esta nota técnica.
monitoreadas a lo largo del eje del perno de manera
interactiva cada 100 pasos mecánicos propios de la
modelación.
9.1.14 Interpretación de Resultados
• La fuerza máxima al corte desarrollado a lo largo del
9.1.13 Representación Gráfica de los Resultados
eje del perno SAFEROCK ® es alcanzada con un
desplazamiento acumulado de cerca de 14 mm.
Se estimó la fuerza axial desarrollada a lo largo del eje
Después de este punto, el elemento es simplemente
de perno cada cierto intervalo de pasos tanto en la zona
"sacado" de donde se encuentra adherido
Capítulo 9: Estudio de Perno SAFEROCK®
artificialmente a través del grouting.
• Antes de llegar a los 14 mm de deformación acumulada
el grouting no ha fallado. No obstante en el entorno
de los 10 mm, se inicia el fallamiento del grouting
tendiendo a propagarse rápidamente a lo largo de la
longitud del perno.
• Si la longitud grouteada fuera lo suficientemente
grande, la fuerza axial del perno debería eventualmente
alcanzar valores cercanos a su resistencia máxima.
A partir de esto, el perno debería romperse cuando la
deformación de extensión sea tal que iguale la
deformación máxima de fractura del elemento
(generalmente, cerca de un 3% del material con el
cual se encuentra fabricado el perno). No obstante,
Flac 2d no contabiliza la deformación límite del perno.
Conclusiones: El uso de modelos numéricos
bidimensionales representa una adecuada herramienta
para simular el comportamiento del elemento de refuerzo
cuando es sometido a ensayos del tipo Pull Out Test.
Esto, considerando la flexibilidad que incorporan en el
caso de requerir análisis de sensibilidad de los resultados
obtenidos a partir de la modificación de la cantidad y/o
magnitud de las variables moderadas.
Los resultados obtenidos al simular un elemento de
refuerzo con las características entregadas en este
análisis son representativas solamente al considerar las
propiedades elásticas descritas en el mismo.
La realización de ensayos Pull Out Test preliminares,
permitirá estimar de mejor forma aquellos valores de
sbond, sfriccion y kbond- lo cual derivará a su vez en la
extrapolación de mejores simulaciones numéricas tanto
en cantidad como en representatividad.
1.200
1.000
0.800
0.600
0.400
0.200
0.000
-0.200
-0.600
-0.300
0.000
0.300
0.600
0.900
1.200
1.000
0.800
0.600
0.400
0.200
0.000
-0.200
-0.600
142
-0.300
0.000
0.300
0.600
0.900
Capítulo 9: Estudio de Perno SAFEROCK®
(*10**+05)
8.000
7.000
6.000
5.000
4.000
3.000
2.000
1.000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
(*10**-04)
Gráfico 9.7a
Carga axial desarrollada a lo largo del eje del perno
SAFEROCK® pre - yield point.
Gráfico 9.7b
Carga axial desarrollada a lo largo del eje del perno
SAFEROCK® post - yield point.
12
1
11
1
10
1
9
9
8
8
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
-
0
1
2
3
4
-1
0
1
2
3
4
143
12
12
11
11
10
10
9
9
8
8
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
-1
1
2
3
4
-1
12
12
11
11
10
10
9
9
8
8
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
-1
144
0
0
1
2
3
4
-1
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
Capítulo 9: Estudio de Perno SAFEROCK®
9.2
ENSAYO DE PULL OUT, PERNO SAFEROCK®
diseñados y fabricados en acero grado A440-280 por
Gerdau AZA. Para centrarlos se emplearon cuñas de
Las pruebas de Pull Out se realizaron en una roca de 12
madera.
ton aproximadamente. La masa de roca presentó dos
tipos de litologías bastante claras, metandesita mineralizada
El principal objetivo del ensayo de Pull Out consistió
y esquisto. Las perforaciones se realizaron en un diámetro
en determinar la resistencia que se alcanza en la
de 35 mm, con equipo roto-percutivo modelo Jackleg, con
inter fase perno-lechada (grouting) en dos tipos de
profundidades desde 20 hasta 67 cm y en distintas
hilo, perno tradicional y perno SAFEROCK®. Las barras
direcciones, considerando los planos de fractura y foliación.
fueron sometidas a extracción utilizando un sistema
hidráulico, midiendo simultáneamente el
Para lo anterior la roca se dividió en tres caras; "A", "B"
desplazamiento y la carga axial.
y "C". La cara "A" y "B" estaban formadas principalmente
por un esquisto dinámico y la cara "C" compuesta por
La carga axial se aplicó en inter valos de 2,2 ton,
andesita. (Ver gráfico 9.10). La roca presentó dos sistemas
hasta alcanzar la fluencia del acero o el arranque de
preferenciales de discontinuidades que pasan a lo ancho
aquellos con menores longitudes de anclaje. Según
de la misma, no obstante existen grietas tardías producto
el análisis visual hecho a las barras arrancadas, el
de las tensiones dinámicas producto de la gran cantidad
desprendimiento se produce a lo largo de la inter fase
de perforaciones hechas durante prácticas mineras. Sin
perno - lechada quedando restos de la misma entre
embargo, su solidez permitió realizar las pruebas en muy
los hilos y prácticamente sin presencia de lechada
buenas condiciones tal como lo muestra la figura 9.3.
en la par te lisa del perno. (Ver figura 9.4).
La lechada empleada es semejante a la utilizada en la
En todas las pruebas no se detectó gran diferencia en
minería, esto es, una relación agua - cemento igual a 0,4
el comportamiento al corte en la interfase perno-lechada
que puede alcanzar resistencias a la compresión uniaxial
de los dos tipo de hilo (tradicional y SAFEROCK®), no
entre 250 y 280 kg/cm2.
obstante se detectaron problemas en la parte externa
del sistema, esto es, la unión tuerca perno. En dos
Primeramente se llenaron los barrenos con lechada luego
se colocaron pernos
SAFEROCK®
de 22 mm de diámetro,
pernos helicoidales de hilo tradicional se detectó
aplastamiento en las roscas del perno.
145
Figura 9.3: Tipos de rocas y discontinuidades.
146
Capítulo 9: Estudio de Perno SAFEROCK®
carga se produce un aplastamiento por compresión, lo
que provoca el salto de la tuerca. Por otro lado la rugosidad
de este perno ayuda a resistir la carga de corte en la
inter fase lechada - perno, pero se puede mejorar
aumentando la componente friccional.
9.2.1.2 Aspectos Constructivos del Sistema
Los hilos del perno SAFEROCK® son construidos de tal
manera que, la barra tiene un hilo dividido en dos partes
por dos secciones lisas, situación que apunta a evitar
el giro del perno. La barra es laminada con un tipo de
hilo bastante grueso y de paso amplio, se instala en la
9.2.1
Figura 9.4: Perno SAFEROCK® arrancado.
masa rocosa utilizando lechada de cemento o resinas.
Planteamiento y Análisis del Problema
Externamente la tuerca se mantiene constantemente a
compresión sobre una planchuela deformada, con la
El problema que fue abordado en el presente trabajo de
finalidad de mantener la elasticidad del sistema.
investigación aplicada, corresponde al origen, consecuencia
y solución que se ha propuesto para mejorar el
comportamiento en la parte externa (perno - tuerca) y la
9.2.2
Interpretación y Conclusiones
par te interna (perno - lechada - roca) del sistema de
refuerzo de masas rocosas, a partir de pernos SAFEROCK®
Proporcionalmente y desde los gráficos 9.11 y 9.12, se
diseñados y fabricados por Gerdau AZA. En el perno
desprende una mejor adherencia de la lechada en el
helicoidal tradicional se produce la falla en la parte externa
perno SAFEROCK® debido al aumento de superficie de
por cabalgamiento de la tuerca sobre los hilos del perno.
contacto en la interfase perno - lechada. No hay evidencia
significativa de aplastamiento de la rosca.
Por otro lado, este trabajo es complementario a la
investigación realizada en el proyecto "Mecanismos de
El perno helicoidal tradicional muestra clara evidencia
Falla en Pernos Helicoidales como Sistema de Refuerzo
de aplastamiento lo que permite el salto de la rosca.
de Masas Rocosas", encargado por la misma empresa.
La experiencia realizada de Pull out, permite verificar
que el perno helicoidal tradicional se salta cuando el
9.2.1.1 Posibles Causas de la Falla
sistema está cercano a la fluencia 12 ton. Esto significa
que solo se trabaja en el rango elástico, quitándole la
En los estudios realizados en la investigación anterior se
posibilidad que el sistema trabaje en el rango plástico
identificaron algunas posibles causas de esta falla. El hilo
que permita una mayor deformación después de la
del perno helicoidal tradicional al ser de aplicada una
fluencia.
147
Las mejoras introducidas en el nuevo diseño del perno
transferencia de carga en que, la rugosidad es mayor.
SAFEROCK®, han sido validadas por las pruebas realizadas
Se debe destacar que la máxima carga aplicada fue de
donde, los pernos SAFEROCK® tuvieron un comportamiento
16 ton, verificándose una pequeña marca en los hilos
elásto - plástico, acercándose en gran medida al
del perno y no un aplastamiento total como sucedió en
comportamiento ideal. Del mismo modo, se verifica en
los pernos helicoidales tradicionales.
la par te interna del sistema un mejoramiento en la
148
Capítulo 9: Estudio de Perno SAFEROCK®
Figura 9.5: Aplastamiento de rosca.
149
10.1 Introducción
10.2 Reglas Empíricas para Esfuerzos y Control de Terreno
10.3 Mecanismos Teóricos de Refuerzo
10.4 Clasificación de Refuerzos de Rocas para Túneles
10.5 Indice de Calidad de Túneles “Q”
10.6 Geological Strength Index “GSI”
10.7 Indice de Masa Rocosa “RMI”
10.8 Ejemplos
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
10.1
INTRODUCCION
rocosas, mencionadas especialmente en los capítulos 3 y 4.
El siguiente capítulo tiene como objeto entregar algunas
Estas especificaciones pueden ser utilizadas inicialmente,
herramientas de diseño, desde la más simple, como son las
sin embargo una buena ingeniería de rocas necesita
reglas empíricas de aplicación en las clasificaciones de masas
modelación numérica y validación en terreno.
10.2
REGLAS EMPIRICAS PARA ESFUERZOS Y CONTROL DE TERRENO
1. El esfuerzo ver tical "sv "puede ser calculado
sobre la base de sobrecarga con una exactitud
de 20%. Esto es suficiente para propósitos de
ingeniería.
Fuente: Z.T. Bieniawski
2. El ancho de la zona de esfuerzos relajados
"EDZ" alrededor de un pique circular que es
construido por el método de per foración y
voladura, es aproximadamente igual a un tercio
del radio "R" de la excavación del pique.
Fuente: J.F. Abel
3. La longitud de un perno "L" debe ser entre 1/2
a 1/3 del ancho de la galería "A".
Fuente: Mont Blanc Túnel Rule (c. 1965)
153
4. En minería metálica, la razón largo/espaciado
(L/E) del perno es normalmente 1,5:1. En
roca fracturada, debería ser a lo menos 2:1.
(En túneles civiles y minas de carbón,
típicamente es 2:1).
Fuente: Lang and Bischoff (1982).
5. En minería, la razón longitud/espaciado (L/E) del
perno, es aceptable entre 1,2: 1 y 1,5:1.
Fuente: Z.T. Bieniawski (1992).
6. En terrenos de buena calidad, la longitud "L" de un perno
al techo puede ser 1/3 del claro "A". La longitud de un
perno de pared o caja puede ser 1/5 de la altura de pared
"L1". El patrón de espaciado puede ser obtenido dividiendo
la longitud del perno por 1 a 1/2.
Fuente: Mike Gray (1999).
7. La tensión desarrollada en un perno mecánico es
incrementada por aproximadamente 40 lbs, por cada
pie-lb de incremento aplicado en el torque.
Fuente: Lewis and Clarke.
154
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
8. Un perno de roca mecánico instalado a 30º
de la perpendicular puede dar solo un 25% de
la tensión producida por un perno con igual
torque que es perpendicular al frente de roca,
a menos que se utilice una planchuela esférica.
9. Por cada pie de perno de fricción (split set)
instalado, hay una tonelada de anclaje.
Fuente: MAPAO.
10. La resistencia al cor te de un perno puede ser
asumida igual a la mitad de la resistencia a
la tracción (Fu).
Fuente: P.M. Dight.
11. El espesor de la viga (zona de compresión
uniforme) "t" en el techo de una galería
reforzada es aproximadamente igual a la
longitud del perno, menos el espaciado
entre ellos.
Fuente: T.A. Lang
155
12. Barrenos para uso de resinas deben ser
per forados 1/4" más grandes en diámetro
que el del perno. Si es incrementado a 3/8"
la carga de pull out no es afectada, pero la
rigidez de la inter fase perno/resina baja a
más de un 80%,
Fuente: Dr. Pierre Choquette.
13. Barrenos per forados para pernos cementados:
Debería ser 1/2" a 1" mayor que el diámetro
del perno. Area anular "A a " más grande es
deseable en terrenos más blandos para
incrementar el área de adherencia.
Fuente: Dr. Pierre Choquette.
10.3
MECANISMOS TEORICOS DE REFUERZOS
(Modificado de T. H. Douglas & L. J. Ar thur)
Suspensión de bloques individuales:
Los bloques pueden fallar. El reforzamiento
previene la falla.
Incremento de resistencia al deslizamiento de
bloques individuales:
156
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
Construcción de viga:
Generalmente en roca estratiforme.
Prevención de fallas por vuelco de columnas de
bloques:
También puede ocurrir una deformación de las
columnas de roca debido al alto esfuerzo ver tical.
Constr ucción de arco de roca fracturada:
Incrementando el tamaño efectivo de los bloques de
roca controlando la deformación radial e incrementando
la resistencia al corte de las potenciales superficies
de falla.
157
Prevención de derrumbes (progresiva liberación de
bloques sueltos):
Bloques 1 fallan o se deslizan desde la pared o el
techo, permitiendo moverse a los bloques 2, 3 y 4,
el 5 se desliza hacia fuera de la pared. Dependiendo
de la estructura de roca, esto puede resultar en un
per fil estable con un considerable sobre-quiebre o
puede continuar progresivamente y dejar un colapso
total en la excavación.
Proporcionar presión radial de soporte para limitar la
extensión de falla en la zona plástica. Sin
reforzamiento, la zona plástica fallada se forma en
rocas frágiles altamente estresadas y puede avanzar
a sectores más profundos en la masa de roca.
Fluencia controlada:
Esta condición usualmente se alcanza en rocas con
bajo módulo de deformación y/o en aquellas que
tienen tendencia excesiva a movilizarse. El
reforzamiento a veces es requerido en forma inversa
para controlar el piso. El reforzamiento puede controlar
la masa de roca en fluencia o movimiento alrededor
de la excavación.
158
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
10.4
CLASIFICACION DE REFUERZO DE ROCAS
PARA TUNELES
Tabla 10.1
Clasificación para Túneles sobre 8 metros de Claro (modificado de T.H. Douglas y L.J. Arthur)
Clase 1
Clase 2
Roca extremadamente
Roca extremadamente
Roca extremadamente
Roca extremadamente
fuerte a fuerte, fresca a
fuerte a fuerte, fresca a
fuerte a fuerte, fresca a
fuerte a fuerte, fresca a
suavemente meteorizada.
moderadamente
suavemente meteorizada.
suavemente meteorizada.
meteorizada. Ancho a
Ancho a moderadamente
Ancho a moderadamente
moderadamente ancho
ancho espaciado del
ancho espaciado de
espaciado del
fracturamiento.
fracturas. Impermeable a
fracturamiento.
Impermeable a
moderadamente
moderadamente
impermeable.
Variedades
Descripción de roca
Clase 4
Clase 3
impermeable.
Perfil del túnel
Perfil perforado obtenido a
Moderado a fuerte sobre-
Moderado a fuerte sobre-
Perfil con fracturado con
un moderado sobre-quiebre
quiebre en juntas parte
quiebre en fracturas de
severo sobre-quiebre.
por juntas en el techo y la
superior de las paredes.
techo. Moderado sobre-
Tamaño medio de los
parte superior de las
Moderado sobre-quiebre en quiebre en juntas de parte bloques definidos por el
paredes.
juntas del techo.
espaciado de juntas a
alta de la pared.
400mm o menos.
Carácter de la masa de
Escaso a aislado desatado
Desatado de rocas en parte Desatado de roca
Generalmente desatado en
roca
de masa rocosa por
baja de la caja requiere
(Planchones) en el techo
voladura con facilidad por
voladura.
retención.
requiere retención.
desmoronamiento
continuado después de que
el material suelto es
removido.
Claro del túnel
Sobre 8 m
<3 m
3a5m 5a8m
Longitud de los pernos
No requiere soporte
1,5 m
2,0 m
3,0 m
1,5 m
2,0 m
3,0 m
1,5 m
2,0 m
3,0 m
-
1,5 m
2,0 m
2,5 m
1,5 m
2,0 m
2,5 m
0,75 m
1,0 m
1,5 m
<3 m
3a5m 5a8m
<3 m
3a5m 5a8m
Arreglo del Espaciado
longitudinal de los pernos
Orientación de los pernos
-
Radial
Vertical
Radial
Nota:
Relacionar la Tabla 10.1 con la Figura 10.1 siguiente.
159
Figura 10.1: Clases de Condiciones del Terreno.
10.5
INDICE DE CALIDAD DE TUNELES "Q"
3. J r
Rugosidad de las juntas (el valor de este
parámetro depende también del relleno y
Para realizar esta clasificación, Barton definió lo que
del tamaño de las juntas).
denominó como el índice de calidad de túneles, más
4. J a
Meteorización de las juntas.
conocido como "el índice de calidad de túneles Q".
5. J w
Coeficiente reductor que tiene en cuenta
la presencia de agua.
En esta clasificación se catalogan los macizos rocosos
basándose en los siguientes seis parámetros:
1. R.Q.D. "Rock Quality Designation"
2. J n
160
Número de familia de juntas.
6. SRF
"Stress Reduction Factor", factor
dependiente de las tensiones.
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
Usando los seis parámetros definidos anteriormente
(J w/SRF) : indica el estado tensional en el macizo
se puede establecer la calidad del macizo rocoso
rocoso.
mediante la siguiente relación:
Q = (RQD/Jn)
•
(Jr/Ja)
•
Para poder utilizar esta clasificación es necesario
(Jw/SRF)
hacer uso de las tablas, las cuales se describen a
Donde:
continuación:
(RQD/J n): representa el tamaño de los bloques.
(J r/J a)
: equivale a la resistencia al cor te entre los
bloques.
Tabla 10.2
Razón entre los Parámetros para establecer la Calidad del Macizo Rocoso
RQD Indice de fracturación
RQD
Jn
Indice de diaclasado
Jn
Jr
Indice de rugosidad de la discontinuidad
Jr
Ja
Indice de alteración o relleno de la discontinuidad
Ja
Jw
SRF
Medida del tamaño de bloque
Medida del ángulo de fricción entre bloques
Factor de reducción por la presencia de agua o
filtraciones a través de la discontinuidad
Jw
Factor representativo de las condiciones
SRF
Medida de las tensiones efectivas
tensionales de la roca
Tabla 10.3
Valores de la Calidad del Testigo RQD
RQD
Calidad
(%)
A
Muy Mala
0 a 25
B
Mala
Más de 25 a 50
C
Media
Más de 50 a 75
D
Buena
Más de 75 a 90
E
Exelente
Más de 90 a 100
Nota:
Cuando se obtienen valores del RQD inferiores a 10 (incluyendo el 0), se toma un valor nominal de 10 para calcular el índice Q.
Los inter valos de 5 unidades para el RQD, es decir, 100, 95, 90, etc., tienen suficiente precisión.
161
Tabla 10.4
Valores del Indice de Diaclasado Jn
Jn
A
Roca masiva, sin diaclasar o con fisuración escasa
0,5 - 1,0
B
Una familia de diaclasas
2
C
Una familia y algunas diaclasas aleatorias
3
D
Dos familias de diaclasas
4
E
Dos familias y algunas diaclasas aleatorias
6
F
Tres familias de diaclasas
9
G
Tres familias y algunas diaclasas aleatorias
12
H
Cuatro o más familias, diaclasas aleatorias, roca muy fracturada, roca en terrones, etc.
15
I
Roca triturada, terrosa
20
Nota:
En intersecciones de túneles, se utiliza la expresión (3 • Jn)
En las bocas de los túneles, se utiliza la expresión (2 • Jn)
Tabla 10.5
Valores del Indice de Rugosidad de las Discontinuidades Jr
a) Contacto entre las dos caras de la discontinuidad
b) Contacto entre las dos caras de la discontinuidad ante un desplazamiento cortante inferior a 10 cm
Jr
A Diaclasas discontinuas
4
B Diaclasas onduladas, rugosas o irregulares
3
C Diaclasas onduladas, lisas
2
D Diaclasas onduladas, perfectamente lisas
1,5
E Diaclasas planas, rugosas o irregulares
1,5
F Diaclasas planas, lisas
1,0
G Diaclasas planas, perfectamente lisas
0,5
Nota:
i) Las descripciones se refieren a caracterizaciones a pequeña escala y escala intermedia, por este orden.
c) No existe contacto entre las caras de la discontinuidad ante un desplazamiento cortante
H Zona que contiene minerales arcillosos con un espesor suficiente para impedir el contacto
de las caras de la discontinuidad.
I
Zona arenosa, de gravas o triturada con un espesor suficiente para impedir el contacto
entre las dos caras de la discontinuidad.
Jr
1,0
1,0
Nota:
ii) Si el espaciado de la principal familia de discontinuidades es superior a 3 m, se debe aumentar el índice Jr, en una unidad.
iii) En el caso de diaclasas planas per fectamente lisas que presenten lineaciones, y que dichas lianeaciones estén orientadas según
la dirección de mínima resistencia, se puede utilizar el valor Jr = 0,5
162
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
163
Tabla 10.7
Valores del Factor de Reducción por la Presencia de Agua Jw
Presión de
Clases de excavaciones con presencia de agua
Agua
Jw
(kg/cm2)
A Excavaciones secas o pequeñas afluencias de forma localizada,
inferiores a 5 l/min.
B Afluencia o presión medias, con lavado ocasional de los rellenos
de las discontinuidades.
C Afluencia importante o presión alta en rocas competentes con
discontinuidades sin relleno.
D Afluencia importante o presión alta, produciéndose un lavado considerable
de los rellenos de las diaclasas.
E Afluencia, excepcionalmente alta o presión elevada en el momento
de realizar las voladuras, decreciendo con el tiempo
F Afluencia excepcionalmente alta o presión elevada de carácter persistente,
sin disminución apreciable.
164
<1
1,0
1 - 2,5
0,66
2,5 - 10
0,5
2,5 - 10
0,33
> 10
0,2 - 0,1
> 10
0,1 - 0,05
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
165
Nota:
iv) Los fenómenos de deformación o fluencia de rocas suelen ocurrir a profundidades: H > 350 • Q 1/3 (Singh et al., 1992). La
resistencia a compresión del macizo rocoso puede estimarse mediante la expresión: q(MPa) = 7 • y • Q 1/3, donde “y” es la
densidad de la roca en g/cm3 (Singh, 1993)
Q=
RQD
Jn
J
J
• r • w
J a SRF
Para la evaluación del índice "Q", ya sea en un túnel o a
La forma recomendada de aplicar el sistema "Q", consiste
partir de sondajes o desde superficies de rocas, la mejor
en que el sistema de refuerzo o sopor te va siendo
manera es vaciar estos datos en una representación del
diseñado en la medida que se va produciendo el avance
tipo histograma, tal como lo muestra el gráfico 10.1. Si
de la excavación, esto ayudará a obtener un registro
los valores de los parámetros aparecen mas concentrados
geológico antes de aplicar el hormigón proyectado. En la
hacia la derecha, significa que la roca es de mejor calidad,
figura 10.2 aparecen los registros de los antecedentes
por el contrario si aparecen mas concentrados a la izquierda
geológicos y las recomendaciones del sistema de refuerzo
las calidades de rocas son peores.
o soporte recomendados.
166
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
Gráfico 10.1
Registro de datos del índice “Q”. (Modificado de Barton 2000).
LOCALIZACION: GJ=ØVIK, CAVERNA OLIMPICA
PROFUNDIDAD: 25 A 50 M. BOVEDA
Q (INTERVALO TIPICO)=4 - 27
Q (VALOR MEDIO) = 7.4
50 - 80
1
X 2-3 X
9 - 12
1
1-2
65
1.0
2.1
X
X
9.2
1.0
2.0
T
A
M
A
Ñ
O
D
E
MUY MALA
MALA
EXC.
BUENA
RQD %
TROZOS DE TESTIGO
> 10cm
0
10
20
30
40
TIERRA CUATRO
B
L
O
Q
U
E
S
MEDIA
50
TRES
60
70
80
90
100
UNO
DOS
110
NINGUNO
Jn
NUMERO DE FAMILIAS
DE DIACLASAS
30
15
12
9
RELLENO GRUESO
6
4
3
RELLENO DELGADO
2
1
REUBRIMIENTO
0.5
SIN RELLENO
SELLADOS
T
A
N
(Ør)
Y
INDICE DE RUGOSIDAD
- MINIMO FAVORABLE
30 30
30 30 30 30
HUMEDO
30
30 30 30
30
30
30
30
30
PRESIÓN ALTA
FLUJOS MUY ALTOS
30
SECO
T
A
N
(Øp)
Ja
INDICE DE ALTERACION
- MINIMO FAVORABLE
0.66
1
0.5
1.5
1.5
PRESIÓN ALTA
FLUJOS MUY ALTOS
E
S
T
A
D
O
T
E
N
S
I
O
N
A
L
Jn
2
3
HUMEDO
4
SECO
Jw
INDICE DE RUGOSIDAD
- MINIMO FAVORABLE
0.05
FLUENCIA
0.1
0.2
EXPANSIVOS
0.33
0.5
FRACTURACION
0.66
1
TENSION / RESISTENCIA
SRF
FACTOR DE
REDUCCION DE
TENSIONES
20 15 10 5
20 15 10 5
10 7.5 5 2.5
100 50 20 10 5
2 0.5 1 2.5
167
MACIZO ROCOSO
SOSTENIMIENTO
B
DISCONTINUIDAD ESPESOR >50 CM
PERNOS DE EXPANSION
PERNOS CON BANDAS INTERMEDIAS
ZONA TRITURADA SIN ARCILLA
ZONA
TRITURADA
CON ARCILLAS
B
METEORIZADA
PERNOS INYECTADOS
HORMIGON PROYECTADO
80
DIRECCION / BUZAMIENTO
HORMIGON PROYECTADO
CON MALLAZO Y PERNOS
INYECTADOS
DIQUES Y CAPAS
REVESTIMIENTO DE HORMIGON
ARMADO
ROCA
GNEIS
816-838
MAPA DEL TUNEL Y SOSTENIMIENTO ASOCIADO
LOCALIDAD: HYLEN, ULLA-FORRE
ROCA
FECHA
PROYECTO
Nº
HOJA
Nº
FIRMA
SUSCEPTIBLES DE HUNDIMIENTOS
FRACTURACION INTENSA PARCIALMENTE
TRITURADO CON PEQUEÑA PRESENCIA DE
ARCILLAS, ORIGINALMENTE, PRESENTABA
GRANDES FILTRACIONES DE AGUA.
ZONA TRITURADA CON ARCILLAS
MINERALES DE RELLENO
SOSTENIMIENTO
RECOMENDADO
ENTRE ORSC
NOTAS:
816-838
SOSTENIMIENTO
TEMPORAL
ESPACIO
DESCRIPCION DEL
MACIZO ROCOSO
HORMIGON
ARMADO
TRAMOS
SUSCEPTIBLES DE HUNDIMIENTOS
MINERALES DE RELLENO
ENTRE ORSC
ESPACIO
TRAMOS
MUESTRA
DE ARCILLA
DESCRIPCION DEL
MACIZO ROCOSO
SOSTENIMIENTO
TEMPORAL
SOSTENIMIENTO
RECOMENDADO
NOTAS:
75,0 - 76,0 TRITURADO CON PEQUEÑA PRESENCIA DE
76,5 - 77,4 ARCILLAS, ORIGINALMENTE, PRESENTABA
GRANDES FILTRACIONES DE AGUA.
816-838 ZONA TRITURADA CON ARCILLAS
PIZARRAS
NEGRAS
MAPA DEL TUNEL Y SOSTENIMIENTO ASOCIADO
LOCALIDAD: TUNEL, SUBMARINO DE BJERKAS
FECHA
FIRMA
PROYECTO
Nº
HOJA
Nº
Figura 10.2: Ejemplo del registro de estructuras, índice de "Q" y recomendaciones para el refuerzo y sopor te (Modificado
de Bar ton 2000).
168
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
Gráfico 10.2
Relaciones RQD/Jn, SRF y refuerzo. (Modificado de Barton 2000).
120.00
100.00
B c/c 1.1-1.2 m
B c/c 0.8-1.2 m + MALLA METALICA
Ó B c/c 1.2-1.8 m + S(fr) 5-20 cm
Lm
ROD
80.00
60.00
40.00
20.00
OS
CAS
SIN
P
LE
ROB
MAS
TE
ON
NSI
ALE
SA
CI
PRE
ABL
ES
0.00
0
100
200
300
400
500
SRF
LEYENDA
MACIZOS ROCOSOS NORMALMENTE FRACTURADOS SOMETIDOS A BAJAS TENSIONES
ROCAS DURAS SOMETIDAS A TENSIONES ELEVADAS
169
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
10.6
GEOLOGICAL STRENGTH INDEX "GSI"
orientación es desfavorable respecto a una de las caras
expuestas por la excavación, esta condición dominará el
El GSI (Geological Strength Index), ha sido desarrollado
comportamiento de la masa de roca. Los gráficos 10.5
después de muchas discusiones y durante varios
al 10.11 inclusive, muestran los rangos típicos de GSI
años, por ingenieros y geólogos con quienes E. Hoek
para distintas litologías.
ha trabajado en distintas par tes del mundo. Este
trabajo propone en una tabla muy práctica, que se ha
Los gráficos 10.12 y 10.13 muestran como se puede
elaborado en for ma muy cuidadosa, que las
adaptar el GSI en la determinación del sistema de refuerzo
combinaciones que allí aparecen sean condiciones
o soporte para cada caso en particular.
que realmente aparezcan en la naturaleza. Como se
puede apreciar en el gráfico 10.4, dos aspectos son
Este índice tiene otras aplicaciones, mas relacionadas
considerados desde la litología que se está estudiando:
con el criterio de fractura de Hoek y Brown y su relación
la estructura y la condición de la super ficie de la
con el de Mohr- Coulomb, tema que no será analizado
discontinuidad. Es impor tante que se considere que,
en este texto y que puede ser encontrado en la literatura
cuando planos estructurales estén presentes y su
de mecánica de rocas.
171
Gráfico 10.4
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos de arcilla.
MUY POBRE
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos compactos o fragmentos angulares.
POBRE
Superficies alteradas y suaves, con efectos climáticos
moderados.
INTERMEDIA
Superficies asperas, ligeramente afectada por el clima, con
presencia de hierro.
BUENA
MUY BUENA
De la Iltologia, las condiciones de estructura
y superficie de las discontinuidades, estime el
valor medio del GSI. No trate de ser demasiado
preciso. En un rango de 33 a 37, es más
apropiado considerar un GSI=35. Note que la
Ta b l a n o s e a p l i c a a a n o m a l í a s
estructuralmente controladas. En donde los
planos estructurales débiles estén presentes
en una orientación desfavorable con respecto
al frente de excavación, esto dominará el
c o m p o r ta m i e n t o d e m a s a d e r o c a .
La fuerza de esquileo de las superficies en las
rocas que son propensas al deterioro como
resultado de cambios en contenido de
humedad, será reducida si el agua está
presente. Al trabajar con rocas normales a
muy pobres, un cambio a la derecha puede
ser hecho para condiciones humedas. La
presión de agua es tratada con un análisis de
tensión eficaz.
CONDICIONES DE LA SUPERFICIE
INDICE DE FUERZA GEOLÓGICO PARA LAS
MASAS DE PIEDRAS ARTICULADAS
(Hoek y Marinos, 2000)
Superficies muy ásperas y frescas sin efectos climáticos.
Rangos típicos de GSI para macizos rocosos fracturados (Marinos & Hoek 2000).
CALIDAD DECRECIENTE DE LA SUPERFICIE
ESTRUCTURA
INTACTOS o MACIZOS Especímenes de roca intactos o
roca masiva insitu con pocas
discontinuidades.
90
N/A
N/A
80
MUY FRAGMENTADO - masa
parcialmente fragmentada con
bloques angulares multi-labrados
formados por 4 o más juegos de
uniones.
FRAGMENTADO/DISCONTINUO/
AGRIETADO - capas con bloques
angulares formados por muchos
juegos discontinuos intersectándose.
Persistencia de capas o schistosity.
DESINTEGRADO - pobremente
entrelazado, masa de la piedra
muy rota con mezcla de pedazos
de piedra angulares y
redondeados.
LAMINADO - falta de bloques
debido a capas o schistosity poco
espaciadas o débiles.
172
70
COHESION DECRECIENTE DE LA ROCA
FRAGMENTADO - masa de roca
entrelazada y continua que
consiste en bloques cúbicos
formados por tres juegos
discontinuos que se intersectan.
60
50
40
30
20
10
N/A
N/A
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
Gráfico 10.5
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos de arcilla.
MUY POBRE
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos compactos o fragmentos angulares.
POBRE
Superficies alteradas y suaves, con efectos climáticos
moderados.
INTERMEDIA
Superficies asperas, ligeramente afectada por el clima, con
presencia de hierro.
BUENA
MUY BUENA
De la Iltologia, las condiciones de estructura
y superficie de las discontinuidades, estime el
valor medio del GSI. No trate de ser demasiado
preciso. En un rango de 33 a 37, es más
apropiado considerar un GSI=35. Note que la
Tabla no se aplica a anomalías
estructuralmente controladas. En donde los
planos estructurales débiles estén presentes
en una orientación desfavorable con respecto
al frente de excavación, esto dominará el
comportamiento de masa de roca.
La fuerza de esquileo de las superficies en las
rocas que son propensas al deterioro como
resultado de cambios en contenido de
humedad, será reducida si el agua está
presente. Al trabajar con rocas normales a
muy pobres, un cambio a la derecha puede
ser hecho para condiciones humedas. La
presión de agua es tratada con un análisis de
tensión eficaz.
CONDICIONES DE LA SUPERFICIE
INDICE DE FUERZA GEOLÓGICO PARA LAS
MASAS DE PIEDRAS ARTICULADAS
(Hoek y Marinos, 2000)
Superficies muy ásperas y frescas sin efectos climáticos.
Rangos típicos de GSI para areniscas (Marinos & Hoek 2000).
CALIDAD DECRECIENTE DE LA SUPERFICIE
ESTRUCTURA
INTACTOS o MACIZOS Especímenes de roca intactos o
roca masiva insitu con pocas
discontinuidades.
90
N/A
N/A
80
MUY FRAGMENTADO - masa
parcialmente fragmentada con
bloques angulares multi-labrados
formados por 4 o más juegos de
uniones.
FRAGMENTADO/DISCONTINUO/
AGRIETADO - capas con bloques
angulares formados por muchos
juegos discontinuos intersectándose.
Persistencia de capas o schistosity.
DESINTEGRADO - pobremente
entrelazado, masa de la piedra
muy rota con mezcla de pedazos
de piedra angulares y
redondeados.
LAMINADO - falta de bloques
debido a capas o schistosity poco
espaciadas o débiles.
70
COHESION DECRECIENTE DE LA ROCA
FRAGMENTADO - masa de roca
entrelazada y continua que
consiste en bloques cúbicos
formados por tres juegos
discontinuos que se intersectan.
1 60
50
40
30
2
20
10
N/A
N/A
Advertencia:
Las areas sombreadas son indicativas y pueden no ser apropiadas para las condiciones especificas de diseño.
Los valores especificos que aparecen no son recomendados para su uso especifico, el uso de rangos es recomendado.
1. MACIZO o COMPACTADO (sin presencia de cemento arcilloso)
2. FRAGMENTADO (sin presencia de cemento arcilloso)
173
Gráfico 10.6
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos de arcilla.
MUY POBRE
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos compactos o fragmentos angulares.
POBRE
Superficies alteradas y suaves, con efectos climáticos
moderados.
INTERMEDIA
Superficies asperas, ligeramente afectada por el clima,
con presencia de hierro.
BUENA
Superficies muy ásperas y frescas sin efectos climáticos.
De la Iltologia, las condiciones de estructura y
superficie de las discontinuidades, estime el
valor medio del GSI. No trate de ser demasiado
preciso. En un rango de 33 a 37, es más
apropiado considerar un GSI=35. Note que la
Tabla no se aplica a anomalías estructuralmente
controladas. En donde los planos estructurales
débiles estén presentes en una orientación
desfavorable con respecto al frente de
excavación, esto dominará el comportamiento
de masa de roca.
La fuerza de esquileo de las superficies en las
rocas que son propensas al deterioro como
resultado de cambios en contenido de humedad,
será reducida si el agua está presente. Al trabajar
con rocas normales a muy pobres, un cambio
a la derecha puede ser hecho para condiciones
humedas. La presión de agua es tratada con un
análisis de tensión eficaz.
MUY BUENA
INDICE DE FUERZA GEOLÓGICO PARA LAS
MASAS DE PIEDRAS ARTICULADAS
(Hoek y Marinos, 2000)
CONDICIONES DE LA SUPERFICIE
Rangos típicos de GSI para areniscas (Marinos & Hoek 2000).
CALIDAD DECRECIENTE DE LA SUPERFICIE
ESTRUCTURA
INTACTOS o MACIZOS Especímenes de roca intactos o
roca masiva insitu con pocas
discontinuidades.
90
N/A
N/A
80
MUY FRAGMENTADO - masa
parcialmente fragmentada con
bloques angulares multi-labrados
formados por 4 o más juegos de
uniones.
FRAGMENTADO/DISCONTINUO/
AGRIETADO - capas con bloques
angulares formados por muchos
juegos discontinuos intersectándose.
Persistencia de capas o schistosity.
DESINTEGRADO - pobremente
entrelazado, masa de la piedra
muy rota con mezcla de pedazos
de piedra angulares y
redondeados.
LAMINADO - falta de bloques
debido a capas o schistosity poco
espaciadas o débiles.
70
COHESION DECRECIENTE DE LA ROCA
FRAGMENTADO - masa de roca
entrelazada y continua que
consiste en bloques cúbicos
formados por tres juegos
discontinuos que se intersectan.
60
50
40
1
30
20
N/A
N/A
2
10
Advertencia:
Las areas sombreadas son indicativas y pueden no ser apropiadas para las condiciones especificas de diseño.
Los valores especificos que aparecen no son recomendados para su uso especifico, el uso de rangos es recomendado.
1. COMPACTADO, EN CAPAS, FRACTURADO
2. FRAGMENTADO. ESTRIADO
Las rocas blandas son clasificadas por el GSI asociadas a su proceso tectonico. De otra forma GSI no es recomendado. Lo mismo
es valido para los las rocas sedimentarias.
174
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
Gráfico 10.7
ESTRUCTURA
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos de arcilla.
MUY POBRE
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos compactos o fragmentos angulares.
POBRE
Superficies alteradas y suaves, con efectos climáticos
moderados.
INTERMEDIA
Superficies asperas, ligeramente afectada por el clima, con
presencia de hierro.
BUENA
MUY BUENA
De la Iltologia, las condiciones de estructura
y superficie de las discontinuidades, estime el
valor medio del GSI. No trate de ser demasiado
preciso. En un rango de 33 a 37, es más
apropiado considerar un GSI=35. Note que la
Tabla no se aplica a anomalías
estructuralmente controladas. En donde los
planos estructurales débiles estén presentes
en una orientación desfavorable con respecto
al frente de excavación, esto dominará el
comportamiento de masa de roca.
La fuerza de esquileo de las superficies en las
rocas que son propensas al deterioro como
resultado de cambios en contenido de
humedad, será reducida si el agua está
presente. Al trabajar con rocas normales a
muy pobres, un cambio a la derecha puede
ser hecho para condiciones humedas. La
presión de agua es tratada con un análisis de
tensión eficaz.
CONDICIONES DE LA SUPERFICIE
INDICE DE FUERZA GEOLÓGICO PARA LAS
MASAS DE PIEDRAS ARTICULADAS
(Hoek y Marinos, 2000)
Superficies muy ásperas y frescas sin efectos climáticos.
Rangos típicos de GSI para calisas típicas (Marinos & Hoek 2000).
CALIDAD DECRECIENTE DE LA SUPERFICIE
INTACTOS o MACIZOS Especímenes de roca intactos o
roca masiva insitu con pocas
discontinuidades.
90
N/A
N/A
80
MUY FRAGMENTADO - masa
parcialmente fragmentada con
bloques angulares multi-labrados
formados por 4 o más juegos de
uniones.
FRAGMENTADO/DISCONTINUO/
AGRIETADO - capas con bloques
angulares formados por muchos
juegos discontinuos intersectándose.
Persistencia de capas o schistosity.
DESINTEGRADO - pobremente
entrelazado, masa de la piedra muy
rota con mezcla de pedazos de
piedra angulares y redondeados.
LAMINADO - falta de bloques
debido a capas o schistosity poco
espaciadas o débiles.
70
COHESION DECRECIENTE DE LA ROCA
FRAGMENTADO - masa de roca
entrelazada y continua que
consiste en bloques cúbicos
formados por tres juegos
discontinuos que se intersectan.
160
50
40
2
3
30
20
10
N/A
N/A
Advertencia:
Las areas sombreadas son indicativas y pueden no ser apropiadas para las condiciones especificas de diseño.
Los valores especificos que aparecen no son recomendados para su uso especifico, el uso de rangos es recomendado.
1. MACIZO
2. COMPACTADO
3. FRAGMENTADO
175
Gráfico 10.8
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos de arcilla.
MUY POBRE
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos compactos o fragmentos angulares.
POBRE
Superficies alteradas y suaves, con efectos climáticos
moderados.
INTERMEDIA
Superficies asperas, ligeramente afectada por el clima, con
presencia de hierro.
BUENA
MUY BUENA
De la Iltologia, las condiciones de estructura
y superficie de las discontinuidades, estime el
valor medio del GSI. No trate de ser demasiado
preciso. En un rango de 33 a 37, es más
apropiado considerar un GSI=35. Note que la
Tabla no se aplica a anomalías
estructuralmente controladas. En donde los
planos estructurales débiles estén presentes
en una orientación desfavorable con respecto
al frente de excavación, esto dominará el
comportamiento de masa de roca.
La fuerza de esquileo de las superficies en las
rocas que son propensas al deterioro como
resultado de cambios en contenido de
humedad, será reducida si el agua está
presente. Al trabajar con rocas normales a
muy pobres, un cambio a la derecha puede
ser hecho para condiciones humedas. La
presión de agua es tratada con un análisis de
tensión eficaz.
CONDICIONES DE LA SUPERFICIE
INDICE DE FUERZA GEOLÓGICO PARA LAS
MASAS DE PIEDRAS ARTICULADAS
(Hoek y Marinos, 2000)
Superficies muy ásperas y frescas sin efectos climáticos.
Rangos típicos de GSI para granito (Marinos & Hoek 2000).
CALIDAD DECRECIENTE DE LA SUPERFICIE
ESTRUCTURA
INTACTOS o MACIZOS Especímenes de roca intactos o
roca masiva insitu con pocas
discontinuidades.
90
N/A
N/A
80
MUY FRAGMENTADO - masa
parcialmente fragmentada con
bloques angulares multi-labrados
formados por 4 o más juegos de
uniones.
FRAGMENTADO/DISCONTINUO/
AGRIETADO - capas con bloques
angulares formados por muchos
juegos discontinuos intersectándose.
Persistencia de capas o schistosity.
DESINTEGRADO - pobremente
entrelazado, masa de la piedra
muy rota con mezcla de pedazos
de piedra angulares y
redondeados.
LAMINADO - falta de bloques
debido a capas o schistosity poco
espaciadas o débiles.
70
COHESION DECRECIENTE DE LA ROCA
FRAGMENTADO - masa de roca
entrelazada y continua que
consiste en bloques cúbicos
formados por tres juegos
discontinuos que se intersectan.
60
50
40
30
20
10
N/A
N/A
Advertencia:
Las areas sombreadas son indicativas y pueden no ser apropiadas para las condiciones especificas de diseño.
Los valores especificos que aparecen no son recomendados para su uso especifico, el uso de rangos es recomendado.
* El gràfico solo muestra masas rocosas frescas. El granito sometido a condiciones climatologicas puede ser representado en
forma irregular en el gráfico GDI, debido a que se le pueden asignar mayores valores variables de GSI o incluso comportarse como
un suelo de ingeniería.
176
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
Gráfico 10.9
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos de arcilla.
MUY POBRE
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos compactos o fragmentos angulares.
POBRE
Superficies alteradas y suaves, con efectos climáticos
moderados.
INTERMEDIA
Superficies asperas, ligeramente afectada por el clima, con
presencia de hierro.
BUENA
MUY BUENA
De la Iltologia, las condiciones de estructura y
superficie de las discontinuidades, estime el
valor medio del GSI. No trate de ser demasiado
preciso. En un rango de 33 a 37, es más
apropiado considerar un GSI=35. Note que la
Tabla no se aplica a anomalías estructuralmente
controladas. En donde los planos estructurales
débiles estén presentes en una orientación
desfavorable con respecto al frente de
excavación, esto dominará el comportamiento
de masa de roca.
La fuerza de esquileo de las superficies en las
rocas que son propensas al deterioro como
resultado de cambios en contenido de humedad,
será reducida si el agua está presente. Al
trabajar con rocas normales a muy pobres, un
cambio a la derecha puede ser hecho para
condiciones humedas. La presión de agua es
tratada con un análisis de tensión eficaz.
CONDICIONES DE LA SUPERFICIE
INDICE DE FUERZA GEOLÓGICO PARA LAS
MASAS DE PIEDRAS ARTICULADAS
(Hoek y Marinos, 2000)
Superficies muy ásperas y frescas sin efectos climáticos.
Rangos típicos de GSI para rocas ultra básicas, ofiolitas (marinos de Marinos & Hoek 2000).
CALIDAD DECRECIENTE DE LA SUPERFICIE
ESTRUCTURA
INTACTOS o MACIZOS Especímenes de roca intactos o
roca masiva insitu con pocas
discontinuidades.
90
N/A
N/A
80
MUY FRAGMENTADO - masa
parcialmente fragmentada con
bloques angulares multi-labrados
formados por 4 o más juegos de
uniones.
FRAGMENTADO/DISCONTINUO/
AGRIETADO - capas con bloques
angulares formados por muchos
juegos discontinuos intersectándose.
Persistencia de capas o schistosity.
DESINTEGRADO - pobremente
entrelazado, masa de la piedra muy
rota con mezcla de pedazos de
piedra angulares y redondeados.
LAMINADO - falta de bloques
debido a capas o schistosity poco
espaciadas o débiles.
70
COHESION DECRECIENTE DE LA ROCA
FRAGMENTADO - masa de roca
entrelazada y continua que consiste
en bloques cúbicos formados por
tres juegos discontinuos que se
intersectan.
1
60
50
40
30
20
2
10
N/A
N/A
Advertencia:
Las areas sombreadas son indicativas y pueden no ser apropiadas para las condiciones especificas de diseño.
Los valores especificos que aparecen no son recomendados para su uso especifico, el uso de rangos es recomendado.
1. FRESCO
2. SERPENTINO con FRAGMENTOS y ESTRIAS
177
Gráfico 10.10
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos de arcilla.
MUY POBRE
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos compactos o fragmentos angulares.
POBRE
Superficies alteradas y suaves, con efectos climáticos
moderados.
INTERMEDIA
Superficies asperas, ligeramente afectada por el clima, con
presencia de hierro.
BUENA
MUY BUENA
De la Iltologia, las condiciones de estructura y
superficie de las discontinuidades, estime el
valor medio del GSI. No trate de ser demasiado
preciso. En un rango de 33 a 37, es más
apropiado considerar un GSI=35. Note que la
Tabla no se aplica a anomalías estructuralmente
controladas. En donde los planos estructurales
débiles estén presentes en una orientación
desfavorable con respecto al frente de
excavación, esto dominará el comportamiento
de masa de roca.
La fuerza de esquileo de las superficies en las
rocas que son propensas al deterioro como
resultado de cambios en contenido de humedad,
será reducida si el agua está presente. Al
trabajar con rocas normales a muy pobres, un
cambio a la derecha puede ser hecho para
condiciones humedas. La presión de agua es
tratada con un análisis de tensión eficaz.
CONDICIONES DE LA SUPERFICIE
INDICE DE FUERZA GEOLÓGICO PARA LAS
MASAS DE PIEDRAS ARTICULADAS
(Hoek y Marinos, 2000)
Superficies muy ásperas y frescas sin efectos climáticos.
Rangos típicos de GSI para neis (modificado de Marinos & Hoek 2000).
CALIDAD DECRECIENTE DE LA SUPERFICIE
ESTRUCTURA
INTACTOS o MACIZOS Especímenes de roca intactos o
roca masiva insitu con pocas
discontinuidades.
90
N/A
N/A
80
MUY FRAGMENTADO - masa
parcialmente fragmentada con
bloques angulares multi-labrados
formados por 4 o más juegos de
uniones.
FRAGMENTADO/DISCONTINUO/
AGRIETADO - capas con bloques
angulares formados por muchos
juegos discontinuos intersectándose.
Persistencia de capas o schistosity.
DESINTEGRADO - pobremente
entrelazado, masa de la piedra
muy rota con mezcla de pedazos
de piedra angulares y
redondeados.
LAMINADO - falta de bloques
debido a capas o schistosity poco
espaciadas o débiles.
70
COHESION DECRECIENTE DE LA ROCA
FRAGMENTADO - masa de roca
entrelazada y continua que
consiste en bloques cúbicos
formados por tres juegos
discontinuos que se intersectan.
60
50
40
30
20
10
N/A
N/A
Advertencia:
Las areas sombreadas son indicativas y pueden no ser apropiadas para las condiciones especificas de diseño.
Los valores especificos que aparecen no son recomendados para su uso especifico, el uso de rangos es recomendado.
*Gneis. Las Areas sombreadas no cubren las masas rocosas a la interperie
178
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
Gráfico 10.11
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos de arcilla.
MUY POBRE
Superficies con filtraciones y efectos climáticos severos,
con capas o rellenos compactos o fragmentos angulares.
POBRE
Superficies alteradas y suaves, con efectos climáticos
moderados.
INTERMEDIA
Superficies asperas, ligeramente afectada por el clima, con
presencia de hierro.
BUENA
MUY BUENA
De la Iltologia, las condiciones de estructura y
superficie de las discontinuidades, estime el
valor medio del GSI. No trate de ser demasiado
preciso. En un rango de 33 a 37, es más
apropiado considerar un GSI=35. Note que la
Tabla no se aplica a anomalías estructuralmente
controladas. En donde los planos estructurales
débiles estén presentes en una orientación
desfavorable con respecto al frente de
excavación, esto dominará el comportamiento
de masa de roca.
La fuerza de esquileo de las superficies en las
rocas que son propensas al deterioro como
resultado de cambios en contenido de humedad,
será reducida si el agua está presente. Al
trabajar con rocas normales a muy pobres, un
cambio a la derecha puede ser hecho para
condiciones humedas. La presión de agua es
tratada con un análisis de tensión eficaz.
CONDICIONES DE LA SUPERFICIE
INDICE DE FUERZA GEOLÓGICO PARA LAS
MASAS DE PIEDRAS ARTICULADAS
(Hoek y Marinos, 2000)
Superficies muy ásperas y frescas sin efectos climáticos.
Rangos típicos de GSI para equisto (modificado de Marinos & Hoek 2000).
CALIDAD DECRECIENTE DE LA SUPERFICIE
ESTRUCTURA
INTACTOS o MACIZOS Especímenes de roca intactos o
roca masiva insitu con pocas
discontinuidades.
90
N/A
N/A
80
MUY FRAGMENTADO - masa
parcialmente fragmentada con
bloques angulares multi-labrados
formados por 4 o más juegos de
uniones.
FRAGMENTADO/DISCONTINUO/
AGRIETADO - capas con bloques
angulares formados por muchos
juegos discontinuos intersectándose.
Persistencia de capas o schistosity.
DESINTEGRADO - pobremente
entrelazado, masa de la piedra
muy rota con mezcla de pedazos
de piedra angulares y
redondeados.
LAMINADO - falta de bloques
debido a capas o schistosity poco
espaciadas o débiles.
70
COHESION DECRECIENTE DE LA ROCA
FRAGMENTADO - masa de roca
entrelazada y continua que consiste
en bloques cúbicos formados por
tres juegos discontinuos que se
intersectan.
60
50
1
40
30
2
20
3
N/A
10
N/A
Advertencia:
Las areas sombreadas son indicativas y pueden no ser apropiadas para las condiciones especificas de diseño.
Los valores especificos que aparecen no son recomendados para su uso especifico, el uso de rangos es recomendado.
1. FUERTE
2. DEBIL
3. FRAGMENTADO
179
Gráfico 10.12
Adaptación del GSI para definir sistemas de refuerzo y/o soporte para labores permanentes (Modificado
de Ramírez, J. 2003)
SOSTENIMIENTO DE LABORES
PERMANENTES
SEGUN INDICE GSI MODIFICADO.
SIN SOPORTE O PERNO OCACIONAL
C
PERNO SISTEMATICO (1.5 X 1.5 m.)
MALLA OCACIONAL.
D
SHOT 2" S/FIBRA + PERNO SIST(2X2)
O PERNO SIST. 1.2 X 1.2 m. + MALLA.
E
SHOT 2" C/FIBRA + PERNO SIST(1.5X1.5)
O PERNO SIST. 1.0 X 1.0 m. + MALLA.
F
CAMARA METALICA.
ESTRUCTURA
MODERADAMENTE FRACTURADO
MUY BIEN TRABADA, NO DISTURBIADA,
BLOQUES CUBICOS FORMADOS POR TRES
SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES ORTOGONALES,
(RQ 50 - 75)
(6 A 12 FRACTURAS POR METRO)
FALLAS AISLADAS ESPACIADAS MAS DE 5.0 m.
A
A
B
MUY FRACTURADA
MODERADAMENTE TRABADA, PARCIALMENTE
DISTURBIADA, BLOQUES ANGULOSOS
FORMADOS POR CUATRO O MAS SISTEMAS
DE DISCONTINUIDADES.
(RQ 25 - 50)
(12 A 20 FRACTURAS POR METRO)
FALLAS ESPACIADAS ENTRE 3.0 Y 5.0 m.
B
C
D
E
D
E
F
INTENSAMENTE FRACTURADA
PLEGAMIENTO Y FALLAMIENTO, CON MUCHAS
DISCONTINUIDADES INTERCEPTADAS FORMANDO
BLOQUES ANGULOSOS O IRREGULARES.
(RQ 0 - 25)
(MAS DE 20 FRACTURAS POR METRO)
FALLAS APRETADAS.
180
(SE DESGREGA EN FRAGMENTOS CON GOLPE DE PICOTA)
B
CON FRAGMENTOS DE ROCA. (Rc 5 A 25 MPa)
SIN SOPORTE O PERNO OCACIONAL
SUPERFICIE PULIDA O CON ESTRIACIONES, MUY ALTERADA, RELLENO ARCILLOSO O
A
MUY POBRE (BLANDA, MUY ALTERADA)
CAMARA METALICA.
ABERTURAS MENORES A 3 MT.
(SE INDENTA SUPERFICIALEMTES CON UN GOLPE DE PICOTA)
F
(Rc 25 A 50 MPa)
SHOT 3" C/FIBRA + PERNO SIST(1.0X1.0)
O PERNO SIST. 0.8 X 0.8 m. + MALLA.
DISCONTINUIDADES LISAS, MODERADAMENTE ALTERADA, ABIERTAS,
E
POBRE (MODERADAMENTE RESISTENTE, LEVE O MODERADAMENTE ALTERADA)
SHOT 2" C/FIBRA + PERNO SIST(1.5X1.5)
O PERNO SIST. 1.0 X 1.0 m. + MALLA.
(SE ROMPE CON UNO O DOS GOLPES DE PICOTA)
D
LIGERAMENTE ABIERTA. (Rc 50 A 100 MPa)
PERNO SISTEMATICO (1.5 X 1.5 m.)
MAS MALLA.
DISCONTINUIDADES RUGOSAS, LEVEMENTE ALTERADA, MANCHAS DE OXIDACION,
C
(SE ROMPE CON TRES O MAS GOLPES DE PICOTA)
PERNO SISTEMATICO (1.5 X 1.5 m.)
MAS MALLA OCACIONAL.
MUY CERRADAS. (Rc 100 A 250 MPa)
B
DISCONTINUIDADES MUY RUGOSAS, LIGERAS MANCHAS DE OXIDACION,
SIN SOPORTE O PERNO OCACIONAL
BUENA (MUY RESISTENTE, LEVEMENTE ALTERADA)
A
REGULAR (RESISTENTE, LEVEMENTE ALTERADA)
CONDICION SUPER. DE FRAC.
ABERTURAS DE 3 A 5 MT.
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
Gráfico 10.13
Adaptación del GSI para definir sistemas de refuerzo y/o soporte para cámaras (Modificado de Ramírez,
J. 2003)
SOSTENIMIENTO DE T A J E O S
SEGUN INDICE GSI MODIFICADO.
ZONA MINERALIZADA
ZONA DE CAJAS
ABERTURA DE MAS DE 12 MT.
CONDICIÓN SUPER. DE FRAC.
ABERTURA DE MAS DE 12 MT.
A
PERNO OCACIONAL O SISTEMATICO.
A
SIN SOPORTE O PERNO OCACIONAL
B
PERNO SISTEMATICO (1.2X1.2 m.)
B
PERNO SISTEMATICO (2.5 X 2.5 m.)
ABERTURAS DE 9 A 12 MT.
SIN SOPORTE O PERNO OCACIONAL
B
PERNO SISTEMATICO (1.5X1.5 m.)
B
PERNO SISTEMATICO (2.0 X 2.0 m.)
C
PERNO SISTEMATICO (1.25X1.25 m.)
MALLA OCACIONAL
C
PERNO SISTEMATICO (1.75 X 1.75 m.)
MALLA OCACIONAL
POBRE (MODERADAMENTE RESISTENTE, LEVE O MODERADAMENTE ALTERADA)
DISCONTINUIDADES LISAS, MODERADAMENTE ALTERADA, ABIERTAS,
(Rc 25 A 50 MPa)
(SE INDENTA SUPERFICIALEMTES CON UN GOLPE DE PICOTA)
A
REGULAR (RESISTENTE, LEVEMENTE ALTERADA)
DISCONTINUIDADES RUGOSAS, LEVEMENTE ALTERADA, MANCHAS DE OXIDACION,
LIGERAMENTE ABIERTA. (Rc 50 A 100 MPa)
(SE ROMPE CON UNO O DOS GOLPES DE PICOTA)
SIN SOPORTE O PERNO OCACIONAL
BUENA (MUY RESISTENTE, LEVEMENTE ALTERADA)
DISCONTINUIDADES MUY RUGOSAS, LIGERAS MANCHAS DE OXIDACION,
MUY CERRADAS. (Rc 100 A 250 MPa)
(SE ROMPE CON TRES O MAS GOLPES DE PICOTA)
A
MUY POBRE (BLANDA, MUY ALTERADA)
SUPERFICIE PULIDA O CON ESTRIACIONES, MUY ALTERADA, RELLENO ARCILLOSO O
CON FRAGMENTOS DE ROCA. (Rc 5 A 25 MPa)
(SE DESGREGA EN FRAGMENTOS CON GOLPE DE PICOTA)
ABERTURAS DE 9 A 12 MT.
MODERADAMENTE FRACTURADO
MUY BIEN TRABADA, NO DISTURBIADA,
BLOQUES CUBICOS FORMADOS POR TRES
SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES ORTOGONALES,
(RQ 50 - 75)
(6 A 12 FRACTURAS POR METRO)
FALLAS AISLADAS ESPACIADAS MAS DE 5.0 m.
A
A
B
MUY FRACTURADA
MODERADAMENTE TRABADA, PARCIALMENTE
DISTURBIADA, BLOQUES ANGULOSOS
FORMADOS POR CUATRO O MAS SISTEMAS
DE DISCONTINUIDADES.
(RQ 25 - 50)
(12 A 20 FRACTURAS POR METRO)
FALLAS ESPACIADAS ENTRE 3.0 Y 5.0 m.
B
C
D
E
D
E
F
ABERTURAS DE 5 A 9 MT.
ABERTURAS DE 5 A 9 MT.
A
SIN SOPORTE O PERNO OCACIONAL
A
SIN SOPORTE O PERNO OCACIONAL
B
PERNO SISTEMATICO (2.0X2.0 m.)
B
PERNO SISTEMATICO (2.25 X 2.25 m.)
C
PERNO SISTEMATICO (1.5X1.5 m.)
MALLA OCACIONAL
C
PERNO SISTEMATICO (2.0 X 2.0 m.)
MALLA OCACIONAL
D
SHOT 2" C/FIBRA + PERNO SIST(1.75X1.75)
O PERNO SIST. 1.0X1.0 m. + MALLA
D
PERNO SISTEMATICO (2.0 X 2.0 m.)
MAS MALLA
E
SHOT 3" C/FIBRA + PERNO SIST(1.6X1.6)
O PERNO SIST. 0.6X0.6 m. + MALLA
E
SHOT 2" C/FIBRA + PERNO SIST(2.0X2.0)
O PERNO SIST. 1.2X1.2 m. + MALLA
ABERTURAS MENORES DE 5 MT.
ABERTURAS MENORES DE 5 MT.
A
SIN SOPORTE O PERNO OCACIONAL
A
SIN SOPORTE O PERNO OCACIONAL
B
PERNO SISTEMATICO (2.25 X 2.25 m.)
B
PERNO SISTEMATICO (2.5 X 2.5 m.)
C
PERNO SISTEMATICO (1.75 X 1.75 m.)
MALLA OCACIONAL
C
PERNO SISTEMATICO (2.25 X 2.25 m.)
MALLA OCACIONAL
D
SHOT 2" C/FIBRA + PERNO SIST(2X2)
O PERNO SIST. 1.2X1.2 m. + MALLA
D
PERNO SISTEMATICO (1.5 X 1.5 m.)
MAS MALLA
E
SHOT 3" C/FIBRA + PERNO SIST(1.6X1.6)
O PERNO SIST. 0.6X0.6 m. + MALLA
E
SHOT 2" C/FIBRA + PERNO SIST(2.0X2.0)
O PERNO SIST. 1.2X1.2 m. + MALLA
F
CUADROS DE MADERA O ABANDONO
F
CUADROS DE MADERA O ABANDONO
ESTRUCTURA
INTENSAMENTE FRACTURADA
PLEGAMIENTO Y FALLAMIENTO, CON MUCHAS
DISCONTINUIDADES INTERCEPTADAS FORMANDO
BLOQUES ANGULOSOS O IRREGULARES.
(RQ 0 - 25)
(MAS DE 20 FRACTURAS POR METRO)
FALLAS APRETADAS.
181
182
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
Tabla 10.12
Rating para el tamaño y continuidad de las fracturas (jL) - Palmström (1995)
Largo de Estructura
Clasificación
Tipo
Fractura Continua
Fractura Discontinua
< 0,5 m
Muy Corta
Estratificación, foliación
3
6
0,5 - 1,0 m
Corta/Pequeña
diaclasa
2
4
1 - 10 m
Media
diaclasa
1
2
10 - 30 m
Larga
diaclasa
0,75
1,5
> 30 m
Muy larga
Fractura rellena, manto
0,5
1
Tabla 10.13
Rating para el factor de rugosidad de fracturas (jR) - Palmström (1995)
Planetareidad de las fracturas (rugosidad a mayor escala)
Planar
Levemente
Fuertemente
ondulada
ondulada
Escalonada
Fracturas
entrelazadas
Muy rugosa
3
4
6
7,5
9
Textura de las
Rugosa
2
3
4
5
6
superficies de
Levemente
Rugosa
1,5
2
3
4
4,5
fractura
(rugosidad de
Suave
1
1,5
2
2,5
3
menor escala)
Pulida
0,75
1
1,5
2
2,5
Slickensided
0,6 - 1,5
1-2
1,5 - 3
2-4
2,5 - 5
• Para fracturas tipo fallas jR=1
• Para fracturas irregulares, se sugiere usar jR=5
• Para fracturas de tipo Slickensided el valor de jR depende de la presencia y apariencia de estriaciones; los
valores altos son usados para estrías bien marcadas
183
Tabla 10.14
Caracterización y rating para el factor de alteración de fracturas (jA) - Palmström (1995)
A. Contacto entre dos superficies de roca
Clasificación
Descripción
jA
• Fracturas limpias
- Fracturas cerradas o "soldadas"
- Paredes de roca fresca.
- Alteración de las paredes:
1 grado más alterada
2 grados más alterada
• Sin relleno o con relleno impermeable (cuarzo,
epídota.)
• La super ficie de fractura no presenta
recubrimiento o relleno, excepto en manchas.
• La superficie de fractura exhibe un grado de
alteración más alto que la roca.
• La superficie de fractura exhibe dos grados
de alteración más altos que la roca.
0,75
1
2
4
• Recubrimiento o relleno fino:
- Arena, sedimento, calcita, etc.
- arcilla, clorita, Talco, etc.
• Recubrimiento de materiales de fricción sin
arcilla.
• Recubrimiento de materiales blandos y
cohesivos.
3
4
B. Fracturas con contacto parcial o sin contacto entre las paredes de las fracturas.
Tipo de material de relleno
• Arena, sedimento, calcita, etc.
• Materiales de arcilla compactados.
• Materiales de arcilla esponjados.
• Materiales de arcilla esponjados.
184
Descripción
• Relleno de materiales de fricción
sin arcilla.
• Relleno "endurecido" de
materiales blandos y cohesivos.
• Relleno de media a baja
consolidación
• Material de relleno exhibe claras
propiedades de esponjamiento.
Contacto parcial.
Sin contacto
Rellenos finos.
Relleno grueso
(< 5 mm) jA
o gouge. jA
4
8
6
10
8
12
8 - 12
12 - 20
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
Gráfico 10.14
Parámetro jP en función de jC y diferentes formas para determinar tamaño de bloque.
FORMAS DE BLOQUES
0.5
1.5
0.4
2
1.5
2
2
0.3
3
3
0.2
4
3
4
4
5
5
6
6
5
6
8
8
8
0.1
10
0.08
10
0.06
10
15
0.05
20
0.04
15
15
100
5
2
10
5
2
1
5
100
2
0.1
90
5
75
2
10
20
5
60
0.03
30
Dm3
30
20
25
0.02
2
1
30
0
50
60
50
5
60
.1
2
2
5
JC = 30
10
8
2
Cm3
10
4
2 o 3 familias de
discontinuidades
(b = 50 - 60)
2 familias de
discontinuidades
(b = 75 - 100)
100
5
1
100
0.5
80
0.1
0.2
0.3
100
=0
80
80
2
0.01
JC
60
Solo 1 familia de
discontinuidades
(b = 150 - 200)
50
VOLUMEN DE LOS BLOQUES (Vb)
0.6
1.5
1
M3
1
1
0.2 0.5 0.7 0.9
RQD
0.8
ESPACIAMIENTO PROMEDIO ENTRE DISCONTINUIDADES (m)
1
0.8
3 o más familias
de discontinuidades
(b = 27 - 33)
NUMERO VOLUMETRICO DE DISCONTINUIDADES (Disc/m3)
0.1
1
5
2
0.1
2 3
0.000001
5 7
2 3
0.00001
5 7
0.0001
2 3
5 7
0.001
2 3
5 7
2 3
0.01
5 7
2 3
0.1
5 7
1
PARÁMETRO DE LA DISCONTINUIDAD (JP)
185
Tabla 10.15
Clasificación de volúmenes de bloque relativos a tamaño (volumen) de partículas de suelo - Palmström 1995
Clasificación para
Clasificación para
Volumen de bloque
Clasificación
Volumen aprox.
densidad de fractura
tamaño de bloque
(Vb)
partículas de suelo
de la partícula
-----
-----
-----
Arena gruesa
0,1 - 5 mm3
-----
-----
-----
Grava fina
5 - 100 mm3
Extremadamente
Extremadamente
alta
pequeño
< 10 cm3...
...Grava media
0,1 - 5 cm3
Muy alta
Muy pequeño
10 - 200 cm3...
...Grava gruesa
5 - 100 cm3
Alta
Pequeño
0,2 - 10 dm3...
...Guijarros
0.1 - 5 cm3
Moderada
Moderado
10 - 200 dm3...
...Colpas
5 - 100 dm3
Baja
Grande
0,2 - 10 m3...
...Bloques
> 0,1 m3
Muy baja
Muy grande
10 - 200 m3
-----
-----
Extremadamente
Extremadamente
baja
grande
> 200 m3
---------
---------
Tabla 10.16
Categoría y valor de RMi
Categoría de RMi
Categoría de la resistencia
de macizo rocoso
Valor de RMi
Extremadamente bajo
Extremadamente débil
< 0,001
Muy bajo
Muy débil
0,001 - 0,01
Bajo
Débil
0,01 - 0,1
Moderado
Media
0,1 - 1
Alto
Resistente
1 - 10
Muy alto
Muy resistente
10 - 100
Extremadamente alto
Extremadamente resistente
> 100
En la aplicación de RMI en ingeniería de rocas, la división
entre materiales continuos y discontinuos está basada
b) Rocas altamente fracturadas o rocas triturada
(particulada) donde CF > 100
en Deere (1969), que expresa un factor de continuidad
como la razón:
Un macizo rocoso discontinuo tiene un factor de
CF = Diámetro de túnel/Diámetro de bloque = Dt/Db
continuidad entre los valores anteriores.
Un macizo rocoso continuo se presenta con:
La inestabilidad en material rocoso continuo puede ser
a) Una roca levemente fracturada (masiva) con un factor
controlada tanto por los esfuerzos reinantes como por
de continuidad CF < 5; ó
186
un carácter estructural. De acuerdo a Hoek & Brown
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
(1980), el fallamiento por estructura en macizos rocosos
confinado por un sopor te. En él los siguientes tipos
altamente fracturados es generalmente controlado por
de inestabilidad pueden ocurrir:
los esfuerzos, donde ocurre la sobrefatiga (material rocoso
• Si la formación toma lugar instantáneamente
incompetente).
(frecuentemente acompañado de sonido), el
fenómeno es llamado rock burst (estallido de
Si el sobreesfuerzo ocurre o no, será determinado por la
roca). Este ocur re como fragmentación o
razón entre el set de esfuerzos dominantes en el material
lajamiento (slabbing, en roca masiva, dura y frágil
que rodea la abertura o labor subterránea, y la resistencia
tal como andesita, granito y cuarcita).
del macizo rocoso. Dado que el RMi es válido en terrenos
• Si la deformación ocur re más lentamente, el
continuos y expresa la resistencia (relativa) a la compresión
squeezig (estrechamiento) toma lugar. Este ocurre
del macizo rocoso, éste puede ser usado en el cálculo de
como tantos movimientos internos de la super ficie
factor de competencia dado por:
de la aber tura o túnel en r oca altamente
Cg = RMi/sø
fracturada, o en roca masiva deformable, flexible
o dúctil tal como esteatita, evaporizas, lutitas o
Donde:
esquistos débiles.
sø : esfuerzo tangencial alrededor de la aber tura
subterránea (este esfuerzo puede ser determinado
Así, en r oca masiva, el compor tamiento de
a partir de los esfuerzos verticales y horizontales en
fallamiento esto es, si el rock burst o el squeezing
la roca y la forma de la abertura subterránea).
ocurrirán o no, está determinado por las propiedades
de deformación del material rocoso.
El término "factor de competencia" fue usado por
Nakano (1979) para reconocer el potencial de
squeezing (expansión de roca) en roca blanda en
túneles en Japón.
10.7.1 Estabilidad y Sopor te de Roca en Material
Rocoso Discontinuo
En roca masiva, el factor de competencia es:
Los principios del método para evaluar soportes en este
Cg = RMi/sø = f s s c /s ø
tipo de material son mostrados en el gráfico 10.15. El
fallamiento ocurre cuando cuñas o bloques, limitados
Donde:
por fracturas, deslizan o caen del techo o de las cajas.
f s : (0,05/Db)0.2 , factor de escala para la resistencia
Las propiedades de la roca intacta son relativamente de
a la compresión uniaxial. (D b es el diámetro del
menor importancia, dado que este tipo de fallamientos
bloque medido en metros). En macizo rocoso
comúnmente no involucra el desarrollo de fracturas a
altamente fracturado, el factor de competencia
través de la roca (Hoek 1981). Sin embargo, la resistencia
es:
del macizo rocoso es frecuentemente influenciada por la
Cg = RMi / s ø = JP s c / s ø
resistencia de las paredes de las fracturas o
discontinuidades, y el control sobre este aspecto es el
El material rocoso fatigado tenderá a fallar si está
que contribuirá a la estabilidad.
187
Gráfico 10.15
Abacos de sostenimientos para terrenos continuos y discontinuos.
ALTA
0.7
1
MEDIA BAJA
SIN INESTABILIDADES INDUCIDAS
POR TENSIONES
CONVERGENCIA
PARA ROCAS MASIVAS SIN SOSTENIMIENTO
HORMIGON PROYECTADO
REFORZADO
100 - 120 mm
+
PERNOS ESPACIADOS
0.5 - 1.5 m
PARA MACIZOS ALTAMENTE ENTRELASADOS
USAR ABACO DE SOSTENIMIENTO PARA
MATERIALES DISCONTINUOS
HORMIGÓN PROYECTADO
50 - 100 mm
+
PERNOS ESPACIADOS
0.5 - 2 m
FUERTE
ESTALLIDO DE LA ROCA
0.1
0.2
0.5
SANEO
+
APERNADO
PUNTUAL
SIN SOSTENIMIENTO
ALTOS NIVELES
DE TENSION
SIN INESTABILIDADES
INDUCIDAS POR TENSIONES
1
2.5
ROCAS
MASIVAS
FRAGILES
MUY ALTA
0.5
ROCAS MASIVAS
DUCTILES Y ALTAMENTE
DAÑADAS
0.35
10
FACTOR DE COMPETENCIA Cg = RMi / σ0
2
)
(m
3
60
mm
m
40 mm
50 m
20
OS
15
10
8
L
UA
T
UN
SP
6
N
1.
4
ER
5
0.04 0.06 0.1
0.2
3
1
0.01 0.02
AP
2
2
O
AD
ROCAS DIACLASADAS Y ZONAS METEORIZADAS
Nj
m
0m
RN
Db
PE
Co
E
5
1.
DO
TA
EC SOR
Y
RO PE
N P ES
GO DE
I
m
RM m
HO 100
TR
EN
Wt 0 Ht
m
0m
20
40
TO
IEN OS
AM N
CI ER
PA E P )
ES NTR (m
E
RELACION DE TAMAÑOS Sr =
O
NT
IE
M
60
IA
100
C
PA
200
DO
TA
EC O
DE
Y
O N
O NT
EL DO IGO
PR MIE
D
A
M
ON TI
IAL CT OR
IG ES ON
EC YE H
SP PROO DE
RM REV MIG
E
O
H ÁS OR
O N T
EÑ IGO IEN
M EH
DISORM STIM
D
H EVE
R
ES
400
TERRENO DISCONTINUO
600
0.4 0.6 1
2
4
6
10
20
40 60 100
200 400 600 1000
FACTOR DE ESTADO DEL TERRENO Gc = SL RMi C
PARA ZONAS METEORIZADAS:
Srz = Tz • Coz / Dbz PARA ZONAS DONDE Srz , Sr Y Tz ,Wt O Tz Ht SIENDO Srz = Srz
Gcz = SL • RMim • C DONDE RMim = (10Tz 2 • RMiz + RMio ) / (10Tz2 + 1)
Ejemplo 1 (Página 192)
Ejemplo 2 (Página 193)
Nota: El sostenimiento en terrenos continuos es válido para túneles cuyo diámetro Dt < 15m. Se debe tener en cuenta que
el diagrama de convergencia para materiales granulares se basa en un número limitado de datos (Palström, 1995)
188
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
10.7.2 Factor de Condición de Material Rocoso (Gc)
en Materiales Discontinuos
general de niveles de esfuerzo (SL) fue elegido
para evaluar, en forma muy simplificada, la
contribución de esfuerzo sobre la resistencia al
El factor de condición de material rocoso (Ground condition
corte. Como un incremento en el nivel de esfuerzo
factor, Gc) para materiales discontinuos incluye las
tiene una influencia positiva (SL) determinar un
características del macizo rocoso que tiene una
factor de multiplicación. El rating de SL que
significativa influencia en la estabilidad, así como la
aparece en la tabla 10.17 está dado
acción de esfuerzos externos. Esto es expresado como:
aproximadamente por SL=1/SRF.
Gc = Rmi
•
SL
•
C
La influencia de la presión de agua en las fracturas
Donde:
es especialmente difícil de incorporar en un factor
SL: factor de nivel de esfuerzos, el cual expresa la
de nivel de esfuerzo. Usualmente, las fracturas
contribución de las fuerzas externas actuantes a
alrededor de una excavación se encontrarán secas.
través de las fracturas del macizo rocoso alrededor
Luego, la influencia de la presión de aguas sobre
de la excavación. Un nivel de esfuerzo relativamente
el esfuerzo efectivo es limitada. El esfuerzo total
alto contribuirá a una "estr uctura apretada"
debe ser seleccionado de la tabla 10.17.
incrementando la resistencia al cor te a lo largo de
las fracturas y, por ello, aumentando la estabilidad.
C : factor de ajuste que cuantifica la mayor estabilidad
de una pared ver tical comparada con un techo
Inversamente, un menor nivel de esfuer zos es
horizontal. Milne (1992) introdujo un factor de
desfavorable para la estabilidad. Sin embargo, un
ajuste por gravedad para compensar dicha
macizo rocoso fracturado contiene un número de
diferencia. Basado en Milne (1992) este factor
fracturas variables en diferentes orientaciones, esto
queda determinado por:
hace prácticamente imposible el cálculo y la
C=5-4
•
cos u
incorporación en forma simple del efecto exacto
del nivel de esfuerzo. El sistema Q de Barton (1974),
Donde u es el ángulo de manteo de la super ficie
usa un "stress reduction factor (SRF)" para este
medido desde la horizontal (C=1 para un techo
efecto. En forma similar, para el RMI, un factor
horizontal y C = 5 para una pared ver tical).
189
Tabla 10.17
Rating para el factor de nivel de esfuerzos (SL) - Palmström 1995
Sobrecarga
Clasificación
Esfuerzo máximo
1
Aproximada
Factor de Esfuerzos Niveles (SL)
(válido para k=1)
• Muy bajo nivel de
< 0,25 MPa
< 10 m
0 - 0,25
esfuerzos
• Bajo nivel de
Promedio
0,1
0,25 - 1 MPa
10 - 35 m
0,25 - 0,75
0,5
1 - 10 MPa
35 - 350 m
0,75 - 1,25
1,0
> 10 MPa
> 350 m
1,25(*) - 2,0
1,5(*)
esfuerzos
• Moderado nivel
de esfuerzos
• Alto nivel de
esfuerzos
En los casos donde la presión de aguas es de importancia para la estabilidad, se sugiere:
• Dividir SL por 2.5 para una influencia moderada.
• Dividir SL por 5 para una mayor influencia.
(*)
Un alto nivel de esfuerzos puede ser desfavorable para la estabilidad en paredes altas, un SL entre 0,5 y 0,75
es sugerido.
190
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
Tabla 10.18
Factor de orientación para fracturas y zonas (Palmström 1995, basado en Bieniawski 1984)
En las cajas
En el Techo
Clasificación
Rating para factor
Para azimut
Para azimut
Para todo azimut
dip < 20º
dip < 20º
dip > 45º
Favorable
1
dip 20 - 45º
dip 20 - 45º
dip 20 - 45º
Regular
1,5
dip > 45º
-
dip < 20º
Desfavorable
2
-
dip > 45º
Muy desfavorable
3
10.7.4 Estabilidad y Soporte para Fallas en Zonas
Débiles
de orientación (Co)
d) Posible presencia y efectos de "Swelling", "Sloughing",
o de materiales permeables en la zona.
Las zonas débiles consisten en macizos rocosos que
Estos aspectos a menudo dependen de la geometría y
tienen propiedades significativamente más pobres que el
las condiciones del lugar en particular.
material rocoso que lo rodea. En estos términos, las zonas
débiles incluyen fallas, zonas o bandas de rocas débiles
La composición de zonas débiles y fallas puede ser
dentro de roca relativamente resistente.
caracterizada por el RMi y por sus parámetros. El material
en al zona débil debe ser considerado como continuo
Las siguientes características de estas zonas son de
luego de ser relacionado con el tamaño de túnel. Sin
principal importancia para la estabilidad:
embargo el sistema presentado para material rocoso
a) Orientación y dimensiones de la zona (ancho)
discontinuo también puede ser usado para cubrir muchos
b) Reducción de esfuerzo en la zona comparado con el
tipos de zonas donde la razón de tamaño y el factor de
esfuerzo en el macizo rocoso que la rodea.
c) Efecto de arco de material rocoso que rodea la zona
condición de material rocoso pueden ser ajustados con
los parámetros de la zona débil.
débil.
191
192
Capítulo 10: Herramientas Prácticas de Diseño
193
Capítulo 11: Procedimientos de Instalación SAFEROCK®
11.1
PROCEDIMIENTO DE INSTALACION
6. Proceso de fraguado de la lechada ó del grout químico.
La estabilidad de una excavación depende en gran medida
Las actividades de per foración e inyección del grout
de las técnicas de los sistemas y de la experticia de los
químico son dos actividades que tienen una incidencia
operadores encargados de la instalación de los sistemas
directa en el comportamiento y rendimiento del sistema
de refuerzo.
de refuerzo, razón por la cual es fundamental realizar
una operación eficiente en estos procesos.
A pesar de los numerosos avances que ha tenido el
desarrollo de la tecnología del Rock Bolting, aún queda
bastante por hacer, pues estudios realizados en la minería
11.1.1 Revisión de los Elementos del Sistema
del carbón australiana, indican que el 35 % de los sistemas
de refuerzo no entregan un óptimo desempeño, siendo
Previo al ensamblado del sistema se debe realizar una
tres las causas básicas; la mala calidad de la técnica
revisión de los componentes, consistente en: observar
empleada en la instalación, la falta de capacitación y la
si existe presencia de corrosión, daño mecánico, aditivos
escaza experticia del recurso humano.
químicos o grasos, salpicadura de soldadura,
microfracturas visibles, deformaciones y doblados
El proceso de instalación es una de las más peligrosas
producido por manipulación o almacenaje.
operaciones, dentro de los trabajos en minería y consta
de varias actividades, las cuales deben ser monitoreadas.
Al utilizar cualquier tipo de limpiador químico para limpiar
De la misma manera, para conseguir un proceso eficiente
grasas u otros elementos se debe tener la precaución
se requiere verificar el cumplimiento de las dimensiones
de que éste no sea agresivo y que, posterior a su
del elemento estructural y sus tolerancias, el cumplimiento
aplicación, no afecte a la interfase lechada, elemento
de las especificaciones del material y la evaluación de la
estructural, de manera que el sistema de refuerzo sea
presencia de daño o contaminación.
capaz de transferir carga de tracción.
Las actividades relevantes en el proceso de instalación de
los pernos SAFEROCK®, son:
11.2
PERFORACION
1. Revisión y evaluación de los elementos del sistema,
tanto componentes principales como auxiliares.
La operación de per foración puede ser realizada con
2. Ensamblado del sistema de anclaje a instalar y verificación
diferentes equipos diseñados para este efecto, tales como
de la presencia de daño en alguno de sus componentes.
equipos de perforación liviana, conocidos como Jack leg;
3. Ejecución de la perforación donde se instalarán los
equipos mecanizados adaptados para per foración,
®
pernos SAFEROCK .
4. Constatar que el extremo libre del pernos SAFEROCK®,
pintado de color amarillo, es el que debe quedar libre y
conocidos como Jumbo de avance, y los equipos
mecanizados diseñados especialmente para la instalación
de anclajes, conocidos como Jumbo Rockbolting.
a la vista, ya que es el que recibe la tuerca.
5. Instalación del sistema de anclaje; colocación del
En la per foración donde se instalará un sistema de
elemento estructural e inyección de la lechada ó del
anclaje deben ser considerados varios aspectos, tales
grout químico adherente.
como:
197
Control de la desviación de la perforación:
11.2.1 Método de Per foración
Existencia de un error de emboquillado y un error por
alineamiento definido por el grado de precisión en el
Elección del Método:
posicionamiento del equipo, tienen incidencia en el
El método de perforación que se utilizará se seleccionará
rendimiento del esquema de refuerzo. El mayor o menor
considerando el tipo de sistema de anclaje por instalar
grado de desviación que se tenga en la per foración es
y las condiciones del terreno, de manera tal que este
determinado por:
proceso sólo permita un mínimo daño o perturbación en
• La experiencia del operador.
las paredes de la perforación. Algunas de las razones por
• El grado de mecanización del equipo.
las cuales se deben complementar estas consideraciones
• La longitud de la perforación
están orientadas a:
• El diámetro de perforación
• Prevenir el colapso de la perforación durante el proceso
• La condición estructural de la roca
• La rigidez de la plataforma de trabajo y/o montaje del
equipo
de la instalación del sistema de refuerzo.
• Minimizar la pérdida de grout durante el proceso de
inyección.
• Minimizar el ablandamiento de paredes en rocas
Es recomendable realizar un control de alineamiento y
permeables y/o degradables.
desviación de la per foración en los 0,8 m iniciales, de
manera de corregir cualquier desviación que pueda incidir
Evacuación del detritus:
en forma negativa en el rendimiento del sistema de anclaje
De igual modo, el método de perforación debe considerar
y, por ende, en el esquema de estabilización.
la obtención de per foraciones limpias y libres de
obstrucción; por lo tanto, toma especial relevancia lograr
La desviación de la per foración se puede minimizar
la evacuación total del detritus de la perforación, para
utilizando barras y tubos de perforación de mayor diámetro
lo cual la mayoría de los equipos de perforación utilizan
y rígidez.
un fluido, que puede ser agua o aire, o algún tipo de
lodo, si se requiere alguna estabilización o reducción de
El diámetro de per foración debe ser seleccionado
fisuramiento durante el proceso de perforación.
de manera tal que garantice que el elemento
estructural del sistema quedará totalmente embebido
El fluido a emplear en el barrido del detritus debe ser
en toda su longitud de anclaje y ajustado a las
elegido de acuerdo a la naturaleza de la roca a perforar
tolerancias permitidas, considerando el tipo de grout
y que éstos no generen una condición nociva sobre el
químico que se usará para la inter fase de adherencia,
elemento estructural, el grout químico y sobre la estabilidad
así como también, eventualmente, que el diámetro
de la pared de la perforación.
de per foración podría aumentarse, ya que puede
darse el caso que las condiciones estructurales de
El uso de aire como sistema de barrido puede ocasionar
la masa r ocosa no per mitan las tolerancias
obstrucciones o taponeo en caso de rocas de baja
especificadas. En el caso que las condiciones del
cohesión o suelos poco cohesivos con humedad. El uso
terreno no ameriten cambios, es impor tante cumplir
de agua en perforaciones con presencia de arcilla o rocas
con las especificaciones definidas en el diseño de
margosas puede producir un fenómeno de expansión de
per foración.
éstas o ablandamiento, si el barrido con agua se mantiene
198
Capítulo 11: Procedimientos de Instalación SAFEROCK®
por un periodo prolongado.
materiales innecesarios para la operación
f) Verificar también condiciones del aire ambiental y
Herramienta de Perforación:
El tipo de elemento o herramienta de perforación debe
necesidades de ventilación.
2) Preparación del área de trabajo:
ser seleccionado de acuerdo con el método definido, la
a) Realizar ventilación si es necesario, hasta que las
clase de terreno a per forar y el grado de desviación
condiciones de aire ambiental sean las permitidas
permitido.
por el reglamento de seguridad minera vigente.
b) Realizar la acuñadura de techos y paredes con
Dentro de las herramientas utilizadas para la perforación
barretilla de seguridad, del largo adecuado a la
se pueden encontrar:
sección de la labor.
• Tricono.
c) Eliminar tiros quedados.
• Bit de botones y de pastillas.
d) Retirar el material que no se requiera para la
• Coronas diamantadas.
• Escareadores.
operación.
e) Marcar la distribución de las perforaciones, según
diseño.
También el tren de barras usado en la perforación puede
estar constituido por:
• Barrenas integrales.
• Barrenas extensibles.
• Barras de perforación.
• Tubos de perforación.
f) Trasladar el equipo de per foración, material y
accesorios.
g) Instalar los andamios, si se requiere, para la
perforación de techo.
3) Instalación del equipo de perforación:
a) Revisar el estado de la red de aire comprimido y
de agua para la perforación. Realizar reparaciones
si corresponde.
11.2.1.1 Perforación Manual
b) Revisar el estado de las mangueras y sus accesorios,
limpiarlas y soplarlas.
La perforación manual se realiza con máquina perforadora
liviana montada sobre empujador. La operación se realiza
en húmedo.
c) Rellenar con aceite el lubricador en la línea de la
perforadora.
d) Acoplar las mangueras a las redes de aire y agua
e) Revisar el estado de los aceros de per foración.
La secuencia de esta operación es la siguiente:
Verificar que correspondan a los diámetros y
1) Inspección del área de trabajo:
longitudes requeridos.
a) Observar el estado de las paredes, techos y pisos
de la labor.
b) Identificar zonas de roca suelta.
c) Detectar posible existencia de tiros quedados.
d) Detectar irregularidades tales como sobre-
f) Verificar el buen funcionamiento del equipo de
perforación.
4) Perforación en húmedo:
a) Iniciar la empatadura de la perforación con la barra
corta.
excavaciones, grietas, filtraciones de agua, etc.
b) Controlar la dirección e inclinación de la barrenadura.
e) Revisar el estado de la fortificación de acceso a la
c) Realizar los cambios de barra conforme a la
frente. Verificar que el área se encuentre libre de
profundización de la barrenadura.
199
d) Soplar los tiros con aire comprimido para eliminar
detritus una vez terminada la barrenadura.
5) Retiro del equipo de perforación:
a) Cerrar las llaves de paso de agua y aire comprimido.
b) Desacoplar las mangueras y ordenarlas.
c) Recuperar los aceros de perforación.
d) Trasladar el equipo, materiales y accesorios fuera
del área de trabajo.
e) Limpiar y ordenar el lugar de trabajo.
de seguridad, del largo adecuado a la sección de
la labor.
c) Eliminar tiros quedados.
d) Retirar el material que no se requiera para la
operación.
e) Marcar la distribución de las perforaciones, según
diseño.
3) Traslado del equipo de per foración, materiales y
accesorios:
a) Antes de trasladar el equipo al frente de trabajo,
se debe realizar la inspección con motor detenido
11.2.1.2 Perforación con Jumbo Electro - Hidráulico
y enseguida con motor en marcha. Esta inspección
considera el chequeo de controles de comando,
La perforación con jumbo electro-hidráulico se realiza en
niveles de aceite hidráulico, aceite del compresor,
labores cuya dimensión de la sección no permite efectuar
lubricador de per foradora y petróleo. Revisar el
la perforación con equipos manuales. Esto preferentemente
estado de los neumáticos, cable de alimentación,
por razones de seguridad, ya que se elimina la necesidad
luces, cajas eléctricas, mangueras hidráulicas,
de utilizar andamios. Asimismo, estos equipos tienen
barras de perforación y otros elementos que sean
mayor rendimiento que los manuales.
necesarios. Drenar agua condensada en trampas
de agua.
La secuencia de actividades para esta operación es la
siguiente:
b) Trasladar el equipo respetando las normas de
circulación impuestas en la faena para equipos
motorizados. A medida que el equipo avanza se
1) Inspección del área de trabajo:
a) Observar el estado de la roca en paredes, techos y
pisos de la labor.
b) Detectar posible existencia de tiros quedados.
c) Detectar irregularidades tales como sobreexcavaciones, grietas, filtraciones de agua, etc.
d) Revisar el estado de la fortificación de acceso a la
frente. Verificar que el área se encuentre libre de
materiales innecesarios para la operación.
f) Verificar las condiciones del aire ambiental y
necesidades de ventilación.
2) Preparación del área de trabajo:
a) Realizar ventilación si es necesario, hasta que las
4) Instalación del equipo en la frente de trabajo:
a) Estacionar el equipo y asegurarlo con gatas de
apoyo al piso.
b) Limpiar la manguera de agua y acoplarla a la red
de alimentación; luego conectar a la bomba.
c) Revisar los comandos; colocar la válvula de
perforación en neutro.
d) Inspeccionar los aceros de perforación.
e) Revisar las cajas eléctricas del equipo y conectar
el cable eléctrico del jumbo a la red de alimentación.
5) Perforación:
a) Posicionar los brazos y barras.
condiciones de aire ambiental sean las permitidas
b) Controlar la dirección de las perforaciones.
por el reglamento de seguridad minera vigente
c) Realizar la empatadura con equipo a media potencia.
b) Realizar acuñadura de techos y paredes con barretilla
200
desplazará el cable eléctrico.
d) Controlar la rotación, percusión y avance de acuerdo
Capítulo 11: Procedimientos de Instalación SAFEROCK®
a la calidad de la roca.
e) Evitar enganchar mangueras al efectuar cambios
en la posición de los brazos.
f) Soplar los tiros una vez terminada la operación de
perforación.
• Huincha aisladora
• Agua y aire
• Acuñador
• Cuchillo
• Alicate
6) Retiro del equipo de perforación:
a) Desconectar el equipo de las redes de alimentación
eléctrica y de agua.
11.3.2 Instalación del Perno SAFEROCK®
b) Limpiar y lavar el equipo protegiendo los puntos en
los que se pueda provocar daño.
El perno SAFEROCK® puede ser instalado en perforaciones
c) Trasladar el equipo fuera del área de trabajo,
ascendentes o descendentes como elemento de refuerzo
respetando las normas de circulación de la faena.
pasivo o activo, con su extremo libre color amarillo a la
vista, el cual es el que recibirá la tuerca.
11.3
INYECCION
11.3.2.1 Perno SAFEROCK® pasivo ascendente
Una de las técnicas más utilizada para lograr la adherencia
entre el elemento estructural y la roca, es empleando
Per foraciones ascendentes mayores a 10° sobre la
una interfase de grout químico que puede ser lechada
horizontal.
de cemento o resina de poliéster.
Para la instalación del perno SAFEROCK® ascendente se
requiere emplear mangueras para inyección y aireación.
La inyección cumple además de ser una interfase, las
En el caso del cable, debe contar con un gancho fijador
siguientes funciones:
o de anclaje en uno de sus extremos, para permitir su
• Proteger al elemento estructural de la corrosión.
anclaje al fondo de la perforación.
• Reforzar el terreno en las zonas adyacentes a la
longitud de anclaje con el fin de aumentar su calidad
Procedimiento de instalación:
mecánica y de capacidad de carga.
• Tubo de aireación (PVC de 7 mm de diámetro): Amarrar
• Transferir la carga desde el elemento estructural del
sistema al terreno circundante o viceversa.
• Sellar el terreno en las paredes de la perforación con
el fin de evitar perdida del grout.
el tubo de aireación en el caso de cable, mediante huincha
aisladora cada dos metros aproximadamente. El tubo
debe sobrepasar en 5 cm el largo del perno SAFEROCK®
al fondo de la perforación. Después de instalado el tubo
no debe cortarse hasta que el cable haya sido instalado.
11.3.1 Equipo y Materiales
• Perno SAFEROCK®
• Cemento Pórtland normal o Portland Puzolánico
• Aditivos
• Mangueras de inyección
• Manguera de aireación
201
La manguera debe cortarse aproximadamente a 70 cm
reutilizada, pues se va retirando a medida que crece
del techo.
la columna de grout en la perforación.
• Tubo de inyección (PVC de 19 mm de diámetro):
• Limpieza de la perforación: Mediante la aplicación de
Insertar una segunda manguera para la inyección del
un flujo de agua y/o aire puede limpiarse la perforación
grout o lechada, 30 cm al interior de la per foración,
para eliminar detritus de rocas que se encuentren
medido a partir del collar de la perforación.
alojadas en el interior de ésta.
La manguera debe cortarse aproximadamente a 30 cm
del techo.
• Tapón del collar: En la boca de la perforación se debe
11.3.3 Proceso de Inyección del Grout o Lechada
confeccionar un tapón de cemento para sellar la
perforación una vez instalado el cable y previo al proceso
Aspectos de seguridad:
e inyección.
• Inspeccionar el área de trabajo antes de iniciar cualquier
El tapón debe tener como mínimo una longitud de
100 mm.
operación.
• Proteger cara, manos y brazos, previos al iniciar de la
• Revisión de la perforación: La perforación previa a la
instalación del cable debe ser revisada para detectar
posibles obstrucciones al interior de ésta.
• Limpieza de la perforación: Una vez instalado el perno
®
SAFEROCK , la perforación puede ser limpiada vía el
tubo de aireación mediante inyección de agua. Esto
operación de grouting.
• Utilizar ropa y equipo de seguridad adecuado para
protegerse del ataque de proyecciones de grouting,
durante el proceso de inyección.
• Usar equipo protector de ojos y mascarilla para polvo
de cemento.
permite eliminar detritus de roca adherido al cable y
• Revisar las conexiones del equipo de grout.
eliminar rocas sueltas en las paredes de la perforación,
• Detener el equipo antes de realizar reparaciones.
que pueden disminuir la capacidad de adherencia del
Aspectos prácticos:
grout o lechada.
• Si el volumen inyectado es superior a lo calculado (por
ej. 2 a 3 sacos de cemento para una perforación de
®
11.3.2.2 Perno SAFEROCK pasivo descendente
65 mm de diámetro x 20 m de longitud) y la perforación
no muestra evidencia de ser llenado, debe detenerse
Per foraciones descendentes menores a 10° bajo la
horizontal.
el proceso.
• Almacenar los sacos de cemento por un período no
En las perforaciones descendentes, es de vital importancia
superior a una semana en el interior de la mina, porque
que la lechada o grout sea inyectada desde el fondo de
éste se deteriora rápidamente bajo condiciones
la per foración. Con esto se asegura que frente a la
ambientales de humedad.
presencia de agua dentro de la per foración ésta sea
• La operación de inyección puede ser monitoreada
desplazada y que la columna de grout no incorpore aire.
colocando al extremo del tubo de aireación un recipiente
Procedimiento de instalación:
con agua. Si se detectan burbujas en el agua es porque
• Tubo de inyección (PVC 20 mm de diámetro): Se
la perforación aún no se ha llenado. Si no se detectan
introduce la manguera al fondo de la perforación. Para
burbujas en el agua, debe detenerse la inyección, pues
el proceso de inyección esta manguera puede ser
el grout ha llenado completamente la perforación.
202
Capítulo 11: Procedimientos de Instalación SAFEROCK®
• El nivel de la mezcla del tambor de mezclado de la
máquina es un buen indicador del proceso de inyección.
Si existe variación del nivel es porque la perforación
está siendo rellenada con grout; si el nivel se presenta
• Use 15 litros de agua por saco de cemento para obtener
una razón agua/cemento de 0,35.
• Use 17 litros de agua por saco de cemento para obtener
una razón agua/cemento de 0,40.
estático, es porque existe bloqueo en la manguera o
la perforación está llena
• Los bloques en la manguera deben eliminarse
inyectando agua y/o aire
Proceso de mezclado:
• Adicionar 2/3 del agua e iniciar el proceso de mezclado.
• Adicionar el aditivo acelerante o plastificante según lo
• En perforaciones que presenten agua, se debe disminuir
calculado por saco de cemento en peso, si es requerido.
la cantidad de agua que se incorpore en el estanque
• Adicionar 2/3 del cemento en forma lenta para conseguir
de mezclado
un buen mezclado.
• Continuar el mezclado hasta obtener una lechada de
Aspectos sobre la instalación
aspecto cremoso consistente. Detener el equipo para
• Empujar el perno SAFEROCK® con mangueras al interior
depositar una porción sobre la mano y comprobar que
de la perforación y hasta el fondo de ésta
• Proceder el aseguramiento del elemento dentro de la
no gotea o se cae de la palma de la mano, cuando ésta
se coloca en forma lateral.
per foración fabricando un tapón de cemento en el
collar de la perforación
Aspecto de inyección:
• Inyectar aire por el tubo de inyección y comprobar si
• El operador debe constantemente inspeccionar el flujo
existe retorno por el tubo de aireación. Si la
de inyección a través del tubo y chequear la consistencia
comprobación es negativa, instalar un segundo tubo
o viscosidad.
de inyección para realizar el proceso en dos etapas
• Conectar el tubo de inyección al equipo y asegurar la
conexión.
• El operador debe chequear si existe retorno de aire por
11.3.4 Preparación de Lechada
el tubo de aireación, durante el proceso de inyección.
• Cuando la per foración ha sido llenada, el tubo de
Aspecto del equipo:
inyección debe doblarse en la mitad y quedar sujeto al
• Revisar las condiciones mecánicas del equipo.
elemento de refuerzo, con huincha plástica.
• Observar y revisar aspectos de limpieza del equipo,
de modo que no existan restos de cemento o agua en
• Desconecte el equipo siguiendo el procedimiento
establecido para ello.
el estanque revolvedor.
• Revisar las condiciones de acoplamiento de mangueras
de inyección y aire.
11.4 RIESGOS Y MEDIDAS DE CONTROL
Aspecto de la dosificación:
En las tablas 11.1 a 11.3 se adjunta una propuesta de
La razón agua/cemento que permite obtener los mejores
AST (Análisis de Seguridad del Trabajo) que puede ser
resultados varía en el rango de 0,3 a 0,4.
mejorado de acuerdo con las condiciones locales,
• Use 13 litros de agua por saco de cemento para obtener
especialmente en lo referido a equipos.
una razón agua/cemento de 0,30.
203
Tabla 11.1
Perforación Manual - AST (Análisis de Seguridad del Trabajo).
Tarea
Inspección área de trabajo.
Riesgos Asociados
Ambiente contaminado con polvo y
Medidas de Control
Uso de protector respiratorio
gases tóxicos
Caída de roca
Uso de casco y zapatos de seguridad
Existencia de tiros quedados
Señalizar el peligro
Exposición a onda expansiva y
Eliminar tiros quedados según
proyección de partículas
procedimiento del Reglamento de
Preparación área de trabajo:
a) Tiros quedados.
Seguridad Minera
b) Acuñadura.
Caída de roca
Uso de casco y zapatos de seguridad
Proyección de partículas
Uso de antiparra
Sobreesfuerzo
Uso de barretilla de largo adecuado
Uso de guantes de protección
c) Traslado de equipo, materiales y
Golpearse o golpear a otro con objetos Manejo correcto de los materiales y
accesorios.
mantener despejada el área de trabajo
Buena visibilidad
Sobreesfuerzo
Distribución adecuada de la carga
Usar medios de transporte en buenas
condiciones
Evitar la sobreexigencia de la capacidad
muscular
d) Instalar andamio.
Caída a nivel
Precaución al realizar las operaciones
Buena visibilidad
Golpearse o golpear a otro con objetos Manejo correcto de de los materiales
y mantener despejada el área de trabajo
Buena visibilidad
Caída a desnivel
Asegurar la estabilidad del andamio
Instalación del equipo de perforación:
a) Revisión de la red de aire
Golpe por azote de mangueras sueltas Uso de cadenillas de seguridad para
comprimido e instalación de
sujetar mangueras
mangueras de aire comprimido y agua
con sus accesorios.
Adoptar posición adecuada al
b) Verificar funcionamiento de equipo Golpearse con equipo
manipular equipo. Uso de guantes y
perforador.
zapatos de seguridad
204
Capítulo 11: Procedimientos de Instalación SAFEROCK®
Tabla 11.1 (Conclusión)
Perforación Manual - AST (Análisis de Seguridad del Trabajo)
Tarea
Riesgos Asociados
Medidas de Control
Perforación en húmedo:
a) Empatadura y avance de la
Proyección de partículas
Uso de antiparra
perforación.
Contacto con barras de perforación
Uso de guantes de seguridad
girando
b) Soplar tiros con aire comprimido. Exposición a ruido
Proyección y emisión de partículas
Uso protector auditivo
Uso de antiparra y protección
respiratoria
Retiro de equipo de perforación,
Golpearse o golpear a otro con objetos Retirar equipo, materiales en forma
traslado de equipo, materiales y
ordenada
accesorios fuera del área de trabajo
Mantener despejado los accesos
Buena visibilidad
Sobreesfuerzo
Distribución adecuada y equilibrada
de la carga sobre los medios de
transporte
Usar medios de transporte en buenas
condiciones
Revisar y preparar área de trabajo
Ambiente contaminado con polvo y
Uso de protector respiratorio
gases tóxicos
Caída de roca
Uso de casco y zapatos de seguridad
Señalizar el peligro
Trasladar equipo al lugar de trabajo Sobreesfuerzo
Distribución adecuada del peso de la
carga y estabilidad de la misma
Conectar y chequear mangueras
Preparar lechada
Golpes con objetos
Buena visibilidad y precaución en la
Caída a nivel
operación de transporte
Golpes con herramientas y/o
Uso de guante de seguridad
materiales
Uso de herramientas en buen estado
Proyección de partículas y polvo
Uso protección respiratoria, guantes
y antiparras
Sobreesfuerzo
Adoptar posición correcta durante la
operación
Vaciar mezcla al equipo lechador
Sobreesfuerzo
Adoptar posición correcta y no
sobrepasar resistencia corporal
Golpearse o golpear a otros
Mantener área despejada e iluminada
205
Tabla 11.2
Instalación Manual de pernos SAFEROCK® (Análisis de Seguridad del Trabajo)
Tarea
Riesgos Asociados
Medidas de Control
Ambiente contaminado con polvo en Uso de máscara contra polvo
Inspección área de trabajo
suspensión
Caída de roca
Uso de casco y zapato de seguridad
Caída de roca
Uso de casco de seguridad
Proyección de partículas
Uso de antiparra
Sobreesfuerzo
Uso de barretilla de largo adecuado
Preparación área de trabajo
a) Acuñadura.
Uso de guantes y zapatos de seguridad
b) Traslado de equipo y materiales
Sobreesfuerzo
Distribución adecuada de la carga y
estabilidad de la misma
al área de trabajo.
Golpes con objetos
Buena visibilidad y precaución en la
Caída a nivel
operación de transporte
Golpe por azote de manguera suelta Uso de cadenilla de seguridad para
c) Revisión de red de aire
unir mangueras
comprimido e instalación de
mangueras y accesorios.
Golpearse (o golpear a otro) al realizar Manejo correcto de materiales y
d) Instalación de andamio.
la instalación
mantener área despejada
Caída a desnivel, desde andamio
Asegurar estabilidad del andamio
Trabajar sobre andamio con cola de
seguridad
®
Instalación del perno SAFEROCK :
a) Limpieza de la perforación con
Proyección de partículas y emisión de Uso de antiparra y protección
aire comprimido.
polvo
b) Preparación de lechada de
Emisión de polvo de cemento y aditivos Uso de protección respiratoria y
respiratoria
guantes
cemento.
Sobreesfuerzo al cargar materiales
y no sobrepasar limite de carga.
c) Inyección de la lechada en la
perforación.
Postura correcta para carga de materiales
Proyección de partículas y caída de
Uso de protección facial y ubicación
lechada por rebalse
del trabajador fuera de la línea de
caída del material
d) Introducción del perno
SAFEROCK® en la perforación con
Golpearse (o golpear a otro) al
Mantener área despejada de
lechada, con el extremo color
manipular el perno
materiales y personas, manipulación
correcta del perno y tener buena
amarillo a la vista.
visibilidad durante la operación.
Retiro de equipos y materiales y
Golpearse o golpear a otro con
Retirar materiales en forma ordenada
limpieza del área de trabajo
materiales
Mantener despejada el área de trabajo
Caída a nivel
Instalación de planchuela y tuerca
del perno SAFEROCK
206
®
Atrición de dedos con llave
Manipulación correcta de herramienta
Capítulo 11: Procedimientos de Instalación SAFEROCK®
Tabla 11.3
Perforación con Jumbo Electro-Hidráulico (Análisis de Seguridad del Trabajo)
Tarea
Inspección área de trabajo.
Riesgos Asociados
Ambiente contaminado con polvo y
Medidas de Control
Uso de protector respiratorio
gases tóxicos
Caída de roca
Uso de casco y zapatos de seguridad
Existencia de tiros quedados
Señalizar el peligro
Exposición a onda expansiva y
Eliminar tiros quedados según
proyección de partículas
procedimiento del Reglamento de
Preparación área de trabajo:
a) Tiros quedados.
b) Acuñadura.
Seguridad Minera
Caída de roca
Uso de casco y zapatos de seguridad
Proyección de partículas
Uso de antiparra
Sobreesfuerzo
Uso de barretilla de largo adecuado
Uso de guantes de protección
Manejo correcto de los materiales y
mantener despejada el área de trabajo
Buena visibilidad
Distribución adecuada de la carga
Traslado de equipo de perforación,
Golpearse o golpear a otro con objetos Mantener buena visibilidad, ubicación
materiales y accesorios:
correcta durante la operación
Sobreesfuerzo
Evitar la sobreexigencia de la
capacidad muscular
Caída a nivel
Precaución al realizar las operaciones
Buena visibilidad
Atropellamiento
Chofer debe tener buena visibilidad
durante el traslado
Vehículo debe poseer focos, alarma
de retroceso y bocina
Las labores de tránsito deben poseer
espacios destinados a refugios para
peatones a distancias adecuadas.
Los peatones deben transitar provistos
de chalecos reflectantes
207
Tabla 11.3 (Conclusión)
Perforación con Jumbo Electro-Hidráulico (Análisis de Seguridad del Trabajo)
Tarea
Instalación del equipo en la frente
Riesgos Asociados
Riesgo Eléctrico
Medidas de Control
Las instalaciones eléctricas deben
ser realizadas por personal autorizado
de trabajo
Las cajas eléctricas y cables eléctricos
deben estar en buenas condiciones
y ser apropiados para la tensión de
trabajo
Golpearse o golpear a otro con
Uso de guantes de seguridad.
herramientas, barras, accesorios, etc Buena visibilidad
Ubicación correcta de los operadores
Precaución al realizar maniobras
Perforación
Proyección de partículas, polvo en
Uso de antiparra y/o protección facial
suspensión
Retiro de equipo de perforación
Exposición a ruido
Uso protector auditivo
Riesgo eléctrico
Las Instalaciones eléctricas deben
ser realizadas por personal autorizado
Las cajas eléctricas y cables eléctricos
deben estar en buenas condiciones y
ser apropiados para la tensión de trabajo
Golpearse o golpear a otro con objetos Uso de guantes de seguridad
Retirar equipo, materiales en forma
ordenada
Mantener despejado los accesos
Buena visibilidad
Sobreesfuerzo
No sobrepasar la capacidad muscular
Distribución equilibrada de la carga
208
Anexos
A1.
Términos y Definiciones
A2.
Normas de Referencia y Alcance del Reglamento de SERNAGEOMIN
A3.
Conversión de Unidades
Anexos
A.1. TERMINOS Y DEFINICIONES
• Diámetro de per foración: Se define de acuerdo al
diámetro de la broca o revestimiento, excluyendo
Los principales términos que a continuación se indican,
cualquier sobrexcavación de la pared de la perforación.
están en concordancia con las normas ASTM A 432 -
• Dispositivos de anclaje: Cualquier dispositivo capaz
95 y ASTM A 615-00. En estas normas se aplican las
de transmitir una carga de tracción a través de un
siguientes definiciones:
fenómeno de adherencia, y compromiso físico entre
• Anclaje permanente: Un anclaje con una vida útil
las super ficies de una barra y un grout químico, o
de diseño superior a dos años.
• Anclajes químicos: Materiales químicos que
proporcionan el anclaje entre el perno o barra y la
pared de la per foración.
• Anclaje temporal: Un anclaje con una vida útil de
hasta dos años.
• Barras con resaltes: Barra que posee indentaciones
o estrías transversales y longitudinales al eje de la
barra, diseñada para ser usada como refuerzo del
hormigón armado.
• Barra plana: Barra de acero que no posee estrías
o indentaciones.
• Barras roscadas: Barras que se utilizan con una
tuerca en un extremo y un dispositivo del anclaje
en el otro.
• Cabeza del anclaje: Parte del anclaje que transmite
con cualquier
otro material adaptable en una
perforación.
• Dispositivos fricciónales del anclaje (Split Set):
Dispositivos diseñados para una transferencia de
carga mediante fuerzas radiales, que actúen sobre
la longitud completa de contacto entre la superficie
del dispositivo y la pared de la perforación, generando
una fuerza de fricción.
• Extensiones o coplas: Son accesorios para aumentar
la longitud de las barras roscadas, o estriadas,
mediante una unión o acoplamientos de ellas.
• Golillas biseladas: Son golillas o arandelas que tienen
en sus caras un corte en ángulo que permite orientar
el
perno o barra, para ser instalada en un bajo
ángulo, de manera de mantener la tuerca en forma
perpendicular al eje del perno.
la carga de tracción desde el elemento estructural,
• Longitud de adherencia: Longitud del anclaje
a una placa o estructura de apoyo en super ficie.
directamente adherida a la lechada de cemento o
• Cabezas de expansión: Dispositivos de anclaje que
grout químico, capaz de transmitir la carga de tracción
se expanden mecánicamente, para adherirse en las
aplicada.
paredes de la per foración y así transferir la carga.
• Longitud fija: Normalmente coincide con la longitud
• Carga de fluencia: Carga del anclaje correspondiente
de adherencia y es la longitud de diseño considerada
al punto final de la primera parte recta de un grafico
para transmitir la carga a la roca, a través de una
de carga del anclaje, versus el coeficiente de fluencia.
interfase química.
• Carga de prueba: Máxima carga de prueba a la cual
se somete un anclaje.
• Carga de ser vicio o de trabajo: Con el uso de
• Pernos estriados y barras roscadas: Barras estriadas
o lisas usadas en la fortificación, las cuales deben
tener deformaciones especiales u otras características
coeficiente de seguridad, es necesario definir el termino
de diseño, para proporcionar una super ficie de
"Carga de Servicio o Trabajo" como la solicitación del
adherencia o anclaje entre el acero y la lechada.
anclaje estimada para un estado de cargas.
• Pernos de fortificación: Barras laminadas en caliente
• Deformación: Tipo de estría o indentaciones que posee
o en frío, con rosca maquinada en un extremo, para
la barra sobre su superficie.
ser utilizados con los dispositivos de anclaje, de
211
manera de reforzar mecánicamente el autosopor te
respecto al compor tamiento requerido.
de los techos de la mina, paredes, o para anclaje de
• Pull-out: Método utilizado en la determinación de las
equipos sobre fundaciones.
• Planchuelas: Son placas de apoyo que sir ven para
propuestas de los elementos de refuerzo que son
granteados a columna completa.
distribuir la carga en la super ficie de la roca.
• Resalte: Estría que posee una barra deformada.
Generalmente son placas cuadradas, fabricadas en
• Resistencia externa del anclaje: Resistencia del
aceros estructurales con una dimensión mínima de
anclaje en la inter fase entre el terreno y la longitud
6" (152 milímetros) por lado.
adherida a la pared de la per foración.
• Prueba de aceptación: Es una prueba de carga que
• Tuercas de la tensión: Tuercas que son diseñadas
mide que cada anclaje cumpla con los criterios de
para inducir y para mantener una tensión en un perno.
aceptación establecidos.
• Tuercas esféricas: Tuerca que son planas en un
• Prueba de arranque: Prueba de carga para establecer
lado y tienen una cara esférica en el otro lado. La
la carga máxima de un anclaje en la inter fase
combinación de una arandela esférica junto con una
lechada/roca y para determinar las características de
planchuela con domo, permite la instalación del perno
un anclaje en el rango de la carga de trabajo.
en un bajo
• Prueba de sistema: Prueba que se realizara en un
sistema de anclaje para verificar su desempeño con
212
ángulo,
de manera de mantener
perpendicular la cabeza del perno con respecto al
eje del perno.
Anexos
A.2
NORMAS DE REFERENCIA Y ALCANCE DEL
y dimensionales que deben cumplir todos aquellos
REGLAMENTO DE SERNAGEOMIN
elementos estructurales que serán utilizados para la
estabilización del macizo rocoso, conocidos comúnmente
A.2.1
Introducción
como "pernos de anclaje de roca y sus accesorios".
Dentro del ámbito nacional no se conocen normas
Esta norma involucra a todos aquellos pernos de anclaje
específicas que estén relacionadas con la fabricación,
que en la actualidad son empleados para el refuerzo de
pruebas y monitoreos para aquellos elementos
roca, tanto en obras civiles como las realizadas por la
estructurales que son empleados para la estabilización
industria minera, a saber:
de macizos rocosos, con el objetivo de mejorar la
• Barras de acero sólido con hilo en ambos extremos.
condición mecánica de este medio.
• Pernos de barra sólida lisa ranurada en un extremo.
• Pernos de barras roscadas.
Como es conocido, el macizo rocoso es un medio en el cual
• Pernos de barras con resalte continuo.
se desarrollan numerosas construcciones de infraestructura
• Dispositivos de extensión, como coplas roscadas,
subterráneas para uso civil, vial y minero, las cuales requieren
dispositivos usados para el anclaje mecánico puntual,
permanecer estables por varios años. Por esta razón y por
sistema roof truss, y otros conformados que son
las características mecánicas que presenta el macizo durante
utilizados como anclajes y que actúan como anclaje
la construcción de las obras subterráneas, es necesario
fraccional.
incorporar elementos de refuerzo y soporte, de manera de
permitir que estas construcciones permanezcan estables
De igual forma también involucra a toda aquella
durante toda su vida útil.
maquinaria mecánica usada para la instalación de
sistemas de anclaje.
Por lo anterior, las normas que se explicitan a continuación
están relacionadas con aquellas normas consideradas que
Todos estos productos representan a los más variados
son aplicables a la fabricación de elementos estructurales,
diseños usados como sistemas de estabilización de
tipos de materiales empleados en su fabricación, propiedades
rocas.
mecánicas, composición química, pruebas de terrenos, de
laboratorio, etc. También se han incluido algunas normas
Las especificaciones indicadas en esta norma están
chilenas que tienen aplicación en la fabricación de elementos
sujetas a cambio y pueden ser revisadas para tratar la
empleados para estructuras de hormigón armado, medio
incorporación de nuevas tecnologías relacionadas con
empleado en la construcción de obras civiles, y normas
pernos de anclajes de roca.
aplicadas a ensayos a morteros y cementos.
Esta norma especifica que los valores unitarios se
expresarán en unidades de libra-pulgada, los cuales
A.2.2
Norma ASTM F 432 - 95 Especificaciones
deben ser tomados como la dimensión estándar. Los
Estándar para Pernos de Anclaje y Accesorios
valores dados en paréntesis en esta norma tienen carácter
de informativos solamente.
Alcance de la norma:
Esta norma especifica los requisitos químicos, mecánicos
También se establece que los aspectos de seguridad
213
indicada en este documento, sólo tienen que ver con las
refuerzo de hormigón.
precauciones que se deben adoptar en la sección 10 de
• A 751: Especificaciones de los métodos, prácticas
esta norma y que dicen relación con los métodos de las
operativas, y la terminología para el análisis químico
pruebas a los que deben ser sometidos. Este documento
de los productos de acero.
no pretende fijar estándar sobre los temas de seguridad
• D 1248: Especificación de los productos para los
relacionados con la aplicación y fabricación de los pernos
plásticos de polietileno moldeados y de los materiales
de anclaje, si las hubiese. Es de responsabilidad del
de plásticos extruidos.
usuario y de los fabricantes establecer prácticas apropiadas
de seguridad y de protección de la salud, así como también
determinar los limites de aplicabilidad y reguladoras, antes
de la utilización de los pernos de anclaje y accesorios.
• F 436: Especificación para la dureza de los aceros
usados en la fabricación de planchuelas.
• F 606: Especificaciones para los métodos de prueba
para determinar las características mecánicas de los
roscados maquinados externamente e internamente
de arandelas y remaches.
A.2.2.1 Documentos referidos
La norma ASTM F432 - 95 toma como referencia las
A.2.3
Normas Chilenas Referenciales Vigentes
siguientes normas ASTM:
• A29/A 29M: Especificación para las barras de acero,
carbón y aleación, forjadas y maquinadas en frío, y
requerimientos generales.
• A 47: Especificación para los fundiciones ferríticas
de hierro maleable.
• A 194/A 194M: Especificación para las tuercas del
acero al carbón y de aleación para los pernos sometidos
a alta presión y temperatura.
• A 220: Especificación para el hierro maleable perlíticos.
• A 370: Especificación de los métodos y de las
definiciones para las pruebas de los productos en
acero.
• A 536: Especificación para las fundiciones dúctiles del
• Norma Chilena NCh204: Acero - Barras laminadas en
caliente para hormigón.
• Norma Chilena NCh201: Acero: Ensayo de doblado de
planchas de espesor superior o igual a 3 mm, barras
y perfiles.
• Norma Chilena NCh200: Productos metálicos - Ensayo
de tracción.
• Norma Chilena NCh211: Barras con resalte en obras
de hormigón armado.
• Norma Chilena NCh203: Aceros para uso Estructural
- Requisitos.
• Norma Chilena NCh434: Barras de acero de alta
resistencia en obras de hormigón armado.
hierro.
• A 563: Especificación para las tuercas de acero al
carbono y de aleación.
• A 568/A 568M: Especificación de los requerimientos
A.2.4
Aspectos sobre los Materiales y Fabricación
de un Sistema de Refuerzo
generales para el acero laminado en bobina al carbono
de alta resistencia y baja aleación, laminados en caliente
El refuerzo de la roca juega un papel fundamental
y laminados en frío.
en la manutención y aseguramiento de la estabilidad
• A 615: Especificaciones de los requerimientos generales
de las excavaciones mineras y de la ingeniería civil.
para las barras lisas y estriadas empleadas para el
En los últimos años esta técnica ha tenido un
214
Anexos
desarrollo impor tante en su aplicación, destacando
barra con per foración interior, tubo de expansión,
la flexibilidad que presenta como método de
cables y anclaje mecánico.
estabilización de roca.
A.2.4.2 Características y Propiedades del Acero
Se denomina Sistema de Refuerzo a todos aquellos
elementos estructurales fabricados preferentemente en
Las cualidades del acero como material de anclaje, lo
acero, que van embebidos con lechada o resina al interior
han llevado a desplazar la aplicación de la madera
de una per foración realizada en la roca o suelo, tales
como elemento de estabilización en la industria minera
como pernos de anclaje y cables, y que permiten modificar
contemporánea, especialmente en aquellas minas
la resistencia mecánica de las discontinuidades y
donde las labores mineras deben mantenerse abierta
estructuras geológicas presentes en el macizo rocoso,
por períodos mayores a 10 años. Las características
mediante un trabajo de transferencia de carga.
básicas del acero que lo han llevado a ser el material
de mayor uso en la fabricación de elementos de
El concepto de Transferencia de Carga, es un aspecto
sostenimientos en minería, que se pueden resumir
fundamental para entender el compor tamiento del
como sigue:
refuerzo de roca y la acción de los diferentes elementos
sobre la estabilidad de una excavación al interior del
macizo rocoso. Este mecanismo permite en forma
A.2.4.3 Ventajas del material
inmediata identificar dos criterios en el diseño y
fabricación de los actuales elementos de refuerzo
1. El acer o es un material muy homogéneo,
existente en el mercado. Se precisa la suficiente longitud
manufacturado bajo condiciones metalúrgicamente
del elemento de refuerzo para conseguir el anclaje en
estables, con pr opiedades mecánicas muy
una región estable; además, la transferencia de carga
determinadas, por lo que se puede usar en el
entre el elemento y la roca debe rápidamente alcanzar
diseño con factores de seguridad más bajos.
la capacidad del elemento de anclaje.
2. El acero tiene un módulo de elasticidad de Young
(E= 2.000.000 kg/cm 2), mucho más elevado que
Los elementos de refuerzo están disponibles en un gran
otros materiales estructurales, lo que le da una
número y en un amplio rango de materiales y capacidades,
ventaja contra las deformaciones, el pandeo, etc.
y admiten variados métodos de instalación.
3. El acero se puede manufacturar en forma de
aleaciones que tienen un conjunto de altos
requerimientos para el diseño.
A.2.4.1 Materiales y Productos
4. El acero es el material que resulta menos afectado
por las condiciones atmosféricas, como la
Los sistemas de anclaje pueden ser fabricados en
temperatura y la humedad.
distintos tipos de materiales que incluyen aceros
5. Los elementos de estabilización que se encuentren
estructurales, acero de alta resistencia, aceros
totalmente defor mados se pueden retirar y
inoxidables, fibra de vidrio y fibra de carbón; también
separarse como chatarra y volver a reciclarse,
se ha utilizado madera y caña de bambú. Los distintos
reduciendo los aspectos ambientales en las
sistemas de anclaje admiten estos tipos: barra rígida,
faenas.
215
A.2.4.4 Estructura química
identificado por la tensión de fluencia del acero y el tipo
de falla.
Químicamente el acero es una aleación de hierro y de
carbono. Existen algunos elementos como el fósforo
El acero se fractura tanto por tendencia a la ductibilidad
(0,01%-0,08%) y el azufre (0,01% -0,06%), que se presentan
como a la fragilidad. Los aceros con bajo contenido
como elementos residuales en el acero. Otros elementos,
de carbono se caracterizan por tener un punto de
como manganeso, silicio, níquel, cromo y molibdeno se
fluencia claramente definido, alcanzan una gran
incorporan en porcentajes variados para formar aleaciones
deformación plástica y tienen una falla dúctil.
especiales que permiten alcanzar diversas propiedades
mecánicas en el acero.
Los aceros de alto contenido de carbono se
caracterizan por no tener claramente definido el punto
de fluencia, presentan una cur va de deformación
A.2.4.5 Características mecánicas
plástica pequeña y tienen una falla más bien frágil.
Cualquier estudio sobre las características del acero tiene
De acuerdo con la norma Chilena NCh.204 vigente, se
que considerar la relación esfuerzo-deformación, la
definen tres grados de aceros para uso en la fabricación
resistencia, los tipos de ruptura, la dureza y el diseño.
de elementos de refuerzo, pero en la práctica se utilizan
los grados A440 - 280H y A630 - 420H.
Todo elemento estructural fabricado en acero tiene estas
características mecánicas:
El acero se puede proporcionar en diferentes longitudes
• Un límite de elasticidad.
y diámetros, y se debe tener siempre presente en la
• Una capacidad de alargamiento desde el limite de
recomendación de un diseño que hay que utilizar
elasticidad.
sistemas de anclaje para los cuales exista una
• Una carga de ruptura.
experiencia comprobada y documentada de su
funcionamiento y de su durabilidad. Así como también
La curva típica de tensión - deformación define un punto
que en algunas circunstancias es deseable la aplicación
como límite elástico bajo una carga determinada de
de un acero de alta resistencia para una aplicación
acuerdo con las características del acero, donde el modulo
puntual y en otras es preferible utilizar un acero de
106
bajo carbono para una distribución de carga sobre un
de elasticidad de Young se toma como E= 2,1 x
kg/cm2. La proporción lineal continúa hasta el punto 0,2%
área determinada.
de deformación. Después de este punto tiene lugar un
espacio de "fluencia" con deformaciones constantes; la
Todo sistema de anclaje debe someterse, como mínimo,
falla sucede después de que se han alcanzado estos
a una prueba de sistema para verificar su validez y se
límites.
debe elaborar un informe detallado de los resultados
de la prueba.
El porcentaje de carbono es el factor más importante en
la resistencia a la tensión dentro de los límites elásticos
Todos los materiales utilizados deben ser compatibles
del acero y en la elongación en el punto de ruptura. Este
entre sí. Esto se aplica en par ticular a los materiales
factor permite definir el grado del acero, el cual queda
adyacentes con una super ficie común.
216
Anexos
Durante todo el tiempo de utilización previsto para el
aceros microaleados o aceros de alta resistencia
anclaje, los materiales deben conser var propiedades
y baja aleación, destinados al uso de estructuras
adecuadas para que el anclaje no pierda su función
de usos generales y estructuras de construcciones
de diseño.
sometidas a cargas de origen dinámico, de acuerdo
con las normas, reglamentos y ordenanzas de
construcción vigentes y de uso general.
A.2.5 Componentes de un Sistema de Anclaje
Establece los criterios de inspección, muestreo y
de aceptación y rechazo. Se aplica a los aceros
a) Barras de Acero
para barras, productos planos y per files, ya sean
Los pernos de anclajes utilizados por la industria minera
laminados, plegados, conformados en frío o
y de la construcción en Chile se fabrican generalmente
soldados.
en acero, y para ello normalmente se utilizan dos grados
de aceros definidos por la norma Chilena NCh204.
• NCh434: Barras de acero de alta resistencia en
obras de hormigón armado.
Esta norma establece las condiciones que deben
Las barras de aceros utilizadas en la fabricación de
cumplirse para el empleo de barras de acero de
pernos de anclajes deben cumplir con las normas
alta resistencia, con resaltes, en obras de hormigón
Chilenas y, eventualmente con las normas ASTM.
armado. Se aplica a las estructuras de hormigón
armado en que se empleen barras de acero cuyo
Normas Chilenas:
límite de fluencia sea igual o superior a 42 kg/mm2
• NCh204: Acero - Barras laminadas en caliente para
y hormigones controlados de las clases D y E.
hormigón armado:
• Normas ASTM:
Esta norma establece los requisitos que deben
- ASTM F 432 -95:
cumplir las barras de acero de sección circular
- ASTM A 615 -00
laminadas en caliente a par tir de lingotes y
- ASTM A 36
palanquillas.
Esta norma se aplica a las barras lisas y con
b) Conectores
resaltes, especificadas anteriormente, destinadas
Los conectores o coplas son elementos accesorios
a emplearse en hormigón armado.
fabricados con el objetivo de permitir la unión,
• NCh211: Barras con resaltes en obras de hormigón
empalme o acoplamiento de elementos de refuerzo.
armado
Esta norma establece las condiciones que deben
Su construcción y diseño deben cautelar la posibilidad
cumplirse para el empleo de las barras con resaltes
de que no disminuya la resistencia a la tracción
en obras de hormigón armado. Se aplica a las
requerida por el sistema de refuerzo.
estructuras de hormigón armado en que se empleen
barras con resaltes de diámetro nominal inferior o
La presencia del acoplamiento no debe impedir el
igual a 26 mm.
libre alargamiento del elemento estructural de acero.
• NCh203: Acero para uso estructural - Requisitos
Esta norma establece los requisitos que deben
Los conectores de acero deben cumplir con la norma
cumplir los aceros, sean estos aceros al carbono,
ASTM F 432-00.
217
c) Centralizadores
El proceso de corrosión de un metal se puede definir
Para el anclaje de los sistemas de refuerzo al interior
como el proceso "lento o acelerado de la naturaleza
de la per foración, se utiliza frecuentemente lechada de
o el medio ambiente que degrada y destruye los
cemento o resina de poliéster, la cual permite generar
materiales" a través de agentes o factor es
la interfase de adherencia entre el elemento estructural
relacionados con la acción química, electromecánica
y la roca.
o biológica.
El espesor del recubrimiento varía de acuerdo al tipo
No hay modo efectivo de identificar las condiciones
de grout químico que se utilice. Para el caso de la
corrosivas con la suficiente precisión como para predecir
lechada de cemento, se debe utilizar un recubrimiento
la velocidad de corrosión del acero en suelos. Proteger
mínimo de 10 mm, y para el caso de usar resina de
efectivamente los productos de acero contra la corrosión
poliéster, el espesor mínimo del recubrimiento debe
se ve hoy día acentuado de manera imperiosa por los
ser 3 mm. No es fácil lograr que este recubrimiento
elevados costos asociados a faenas de mantención y
sea uniforme a través de toda la longitud de anclaje
reemplazo de los elementos corroídos. El tipo y calidad
o adherencia del elemento estructural, más aún si la
de la protección anticorrosiva se determina en función
per foración presenta una dirección angular inclinada
de la agresividad de los suelos o del entorno en donde
con respecto a la ver tical. Para conseguir un
se instalará el sistema de refuerzo.
recubrimiento uniforme se utilizan centralizadores.
El grado de protección anticorrosivo está definido por
Los centralizadores deben ser construidos en acero o
la vida útil del sistema de refuerzo.
en material plástico de manera que presenten
condiciones mecánicas compatibles con el sistema de
Las técnicas más conocidas para una protección
refuerzo y, además, que sean resistentes a la corrosión.
anticorrosiva son:
Los centralizadores deben ser diseñados e instalados
i)
Lechada de cemento: Las lechadas de cemento
considerando el tipo y la calidad de la per foración, el
utilizadas para el anclaje del elemento estructural
peso del elemento estructural y la posibilidad de colapso
pueden ser utilizadas como protección temporal; para
de la per foración durante la instalación del sistema.
ello se requiere que el recubrimiento no sea menor
a 10 mm en toda la longitud.
La separación entre los centralizadores dependerá
Los cementos con altos contenidos de sulfato no
fundamentalmente de la rigidez y peso por unidad de
deben ser utilizados en contacto con los elementos
longitud del elemento estructural.
estructurales.
ii) Resina: La resina de poliéster es otro producto
d) Protección anticorrosiva
utilizado como protección anticorrosiva. La resina
La corrosión es causada por múltiples factores y
debe ser aplicada de manera que se tenga un
cualquiera de ellos puede ejercer una mayor o menor
recubrimiento mínimo del elemento estructural de 5
incidencia en el proceso de corrosión de los metales,
mm, de manera de obtener una barrera protectora
como también pueden ser utilizados para predecir el
permanente.
grado de corrosión esperado mediante una evaluación
Las resinas deben ser estables en el tiempo. No
cuantitativa.
deben contener aditivos o impurezas susceptibles
218
Anexos
de provocar corrosión del elemento estructural.
ser inspeccionada periódicamente con el objeto de evaluar
iii) Galvanizado en caliente: Para la protección de aceros
sus condiciones de estabilidad y requerimientos de
se utilizan variados sistemas de recubrimientos y
"acuñadura", adoptando de inmediato las medidas
tratamientos de diferentes grados de complejidad y
correctivas ante cualquier anormalidad que se detecte.
duración. Dentro de este espectro de soluciones la
En aquellas galerías fortificadas deberá inspeccionarse
galvanización por inmersión en caliente ha sido un
el estado de la for tificación con el fin de tomar las
proceso que ha demostrado ser técnica y
medidas adecuadas cuando se detecten anomalías.
económicamente muy eficiente en la protección contra
la corrosión.
Artículo 159: En los piques cuya fortificación sea total
La galvanización por inmersión en caliente es un
o parcial, la revisión deberá efectuarse en períodos no
proceso que persigue el fin de depositar sobre la
superiores a seis meses, pudiendo el Servicio exigir, de
superficie del acero una cantidad de zinc capaz de
acuerdo con el estado de éstos, revisiones antes de la
protegerlo adecuadamente contra la corrosión. Las
fecha límite.
características físicas, químicas y metalúrgicas de
este depósito lo transforman en una de las
Artículo 160: En los piques para tránsito de personal y
herramientas más eficientes de protección
materiales que no estén protegidos o fortificados, se
anticorrosiva que existe.
deberá disponer la acuñadura permanente a través de
iv) Pintura - Galvanizado en Caliente: El sistema Duplex
personal instruido y preparado para tales fines.
es la combinación de dos sistemas distintos de
protección frente a la corrosión, que se complementan
Artículo 161: Se prohíbe trabajar o acceder a cualquier
entre si, como es el caso de la protección mediante
lugar de la mina que no esté debidamente fortificada,
la colocación de zinc sobre la superficie del acero,
sin previamente acuñar.
seguido de la aplicación de revestimiento sellante
(consistente en pinturas del tipo vinílicas, acrílicas,
Artículo 162: La operación de acuñadura tendrá carácter
epóxica, uretanos, siliconas, etc.).
permanente en toda mina y cada vez que se ingrese a
una galería o cámara de producción. Después de una
A.2.6
Alcance del Reglamento SERNAGEOMIN
tronada, además de la ventilación, se deberá chequear
(Capítulo Sexto For tificación)
minuciosamente el estado de la fortificación y acuñadura.
La Administración deberá elaborar el procedimiento
Ar tículo 157: Los trabajos subterráneos deben ser
respectivo, el que consigne a lo menos:
provistos, sin retardo, del sostenimiento más adecuado
a) Obligatoriedad que tiene toda persona al ingresar al
a la naturaleza del terreno y solamente podrán quedar
lugar de trabajo de controlar "techo y cajas de galerías
sin fortificación los sectores en los cuales las mediciones,
y frentes de trabajo", al inicio y durante cada jornada
los ensayos, su análisis y la experiencia en sectores de
laboral, y proceder, siempre y cuando esté capacitado
comportamiento conocido, hayan demostrado su condición
para ello, a la inmediata acuñadura cuando se precise,
de autosoporte consecuente con la presencia de presiones
o en su defecto, informar a la super visión ante
que se mantienen por debajo de los límites críticos que
problemas mayores.
la roca natural es capaz de soportar.
Artículo 158: Toda galería que no esté fortificada debe
b) Obligatoriedad de la Administración de proporcionar
los medios y recursos para ejecutar la tarea. Ello
219
incluye "acuñadores" apropiados, andamios,
claramente reglamentado, aplicado y controlado por la
plataformas o equipos mecanizados si las condiciones
Administración de la faena minera, informando de ello
y requerimientos lo hacen necesario.
al Servicio.
c) Capacitación sobre técnicas y uso de implementos para
llevar a efecto esta tarea.
Ar tículo 166: Para el caso de apernado y malla, se
deberán cumplir, a lo menos, los siguientes requisitos
Ar tículo 163: Si se requiere acuñar un sector donde
mínimos:
existan conductores eléctricos protegidos o desnudos, la
a) Uso de materiales (malla y perno) de calidad probada
acuñadura deberá hacerse hasta una distancia prudente
y certificada.
en que se garantice que no ocurrirá contacto eléctrico,
b) Colocación de pernos de manera uniforme, cuyas
tanto con la barretilla acuñadora como con otros elementos
longitudes y espaciamientos hayan sido calculados
que se usen. Si es necesario, se deberán desenergizar
con criterio técnico.
los conductores.
c) Uso de golillas "planchuelas" o similar, con una
dimensión mínima de 20 cm de diámetro ó 20 cm de
Artículo 164: El Administrador elaborará un reglamento
lado si es un cuadrado.
interno de fortificación, de acuerdo con las condiciones
d) En la colocación de pernos con cabeza de expansión,
de operación, el cual comprenderá todos los sistemas de
el apriete de la tuerca debe ser tan firme como para
fortificación usados en la empresa, y deberá obtener la
verificar que el anclaje trabaje, absorba la primera
aprobación del Ser vicio, respecto de esta materia, la
deformación y genere en la roca una fatiga de
técnica en uso y sus innovaciones. El Servicio tendrá un
compresión vertical que impida su ruptura.
plazo de treinta (30) días para responder la solicitud,
e) El elemento ligante aplicado en la colocación de pernos
desde la fecha de presentación de ella en la Oficina de
de anclaje repartido, debe emplearse encapsulado o
Partes.
inyectado, cuidando que este elemento ligante se
encuentre en buenas condiciones de uso.
Artículo 165: Los sistemas de fortificación que se empleen
f) Cuando se usen pernos en que la sujeción dependa
deben fundarse en decisiones de carácter técnico que
de la fricción generada por la deformación radial del
consideren, a lo menos, los siguientes aspectos de
perno (split-set o swellex) el diámetro de la perforación
relevancia:
debe ser el adecuado.
a) Análisis de parámetros geológicos y geotécnicos de la
g) En los pernos que se coloquen usando como elemento
roca y solicitaciones a la que estará expuesta a raíz de
ligante cartuchos de resina, todo el largo del perno
los trabajos mineros.
debe quedar ligado a la perforación.
b) Influencia de factores externos y comportamiento de
la roca en el avance de la explotación.
c) Sistema de explotación a implementar y diseño de la
red de galerías y excavaciones proyectadas.
Artículo 167: Cuando se emplee fortificación de madera
deben observarse a lo menos las siguientes reglas:
a) El apriete del poste al sombrero o viga debe asegurarse
d) Uso y duración de las labores mineras.
mediante la aplicación de un taco en forma de cuña
e) Otros, según se observe.
u otro medio igualmente eficaz.
b) En las labores de convergencia pronunciada, la
Cualquiera sea el sistema que se aplique, éste debe estar
220
fortificación debe completarse colocando tendidos de
Anexos
madera entre el techo y el sombrero o viga, los cuales
deberá contar con la autorización del Ser vicio.
se afianzarán a presión.
c) El ensamble del poste a la viga debe ser practicado
Artículo 169: Los soportes para el control de techos,
consiguiendo el mejor contacto directo entre las piezas
paredes y/o pisos, se deben ubicar de manera uniforme,
ensambladas, sin intercalar en lo posible cuñas entre
sistemática y en los intervalos apropiados. El personal
las super ficies de contacto.
destinado a la inspección, así como a la instrucción y
d) En las labores inclinadas, como chiflones, rampas u
ejecución de los trabajos de fortificación minera, será el
otras similares, la instalación de los postes se hará
necesario y con amplia competencia en la función que
de modo tal que su base quede instalada en la bisectriz
desempeña.
del ángulo que forman la normal al piso de la galería
y la vertical al mismo punto.
e) Tanto los postes soportantes como las vigas principales
de sostenimiento deben ser de madera de la mejor
calidad, sin deterioros que afecten sus características
de resistencia. De igual forma, la instalación y
reparación de los sistemas de fortificación con maderas
deberán hacerse con personal entrenado y preparado
para esos objetivos.
f) Todos los espacios que queden entre el sombrero y
el techo deben ser rellenados con encastillados de
madera bien apoyada y adecuadamente repar tida,
para conseguir que la presión del cerro sea trasmitida
uniformemente a la viga y no como una carga puntual
que concentre dicha presión. El mismo criterio debe
emplearse en los costados de galerías con presión
lateral.
Ar tículo 168: Los derrumbes se permiten como par te
programada y controlada de un método de explotación
aprobado por el Servicio. Se prohíbe aceptar, en forma
sistemática u ocasional, el uso de der r umbes
accidentales, siendo obligatoria la prevención de estos
últimos.
Se prohíbe la remoción o adelgazamiento de los estribos
o pilares de sostenimiento sin que sean reemplazados
por elementos que ofrezcan una resistencia similar o
mayor. Ello solo se permitirá si se implementa un
sistema de explotación técnicamente factible, el que
221
• Anthony D. Barley and Chris R. Windsor "Recent Advances in Ground Anchor and Ground Reinforcement Technology
With Reference to the Development of the Art".
• Barton N & Eysten Grinrstad (2000) "El sistema Q para la selección del sostenimiento de excavaciones de túneles
íngeo túneles" pp 27-58.
• Brunner F., Carvajal A., Santander E, Hernández E (1999) Texto. "Manual de Aplicaciones Geomecánicas a la
Explotación de Yacimientos Metalíferos Controlados por Sistemas de Fallas ". I Edición, Universidad de La Serena
- Chile.
• Brunner F., Carvajal A., Díaz R., Gómez M. (1997). "Evaluación de los Métodos de Explotación Minera Aplicados
en Cía. Minera Tamaya". FONDEF report inédito.
• Carvajal A., (2004) "Riesgos Geotécnico: Aplicación de la Teoría Fuzzy en el Análisis de los parámetros geomecánicos
involucrados". 55º Convención del Instituto Ingenieros de Minas de Chile.
• Carvajal A., Ramírez J. Brunner F. (2004) "Proyecto de explotación del cuerpo Ore-body 17, mina Atacocha, Perú.
Congreso de Minería - Sao Paulo v1, p591-596 Brasil.
• Carvajal A. Fernández C. y Carmona J. (2004) "Principales problemas geotécnicos en la explotación simultánea
cielo abierto y subterránea en Michilla S.A., Antofagasta Chile. Congreso de Minería - Sao Paulo v1, p557-564
Brasil.
• Carvajal A. Blanco R & Watson R. (2004) Zonificación del Área del Casco Urbano de Zaruma - Ecuador, según el
grado de peligrosidad geodinámico. Congreso de Minería - Sao Paulo v1, p465-476 Brasil
• Carvajal A., Fernández C. and Carmona J. (2004) "Geomechanical problems in simultaneous exploitation both
Open pit and Underground at Minera Michilla, II Region Antofagasta-Chile". International Mining Forum v1, p105118 Polonia.
• Carvajal A. (2003) "Una revisión a los procedimientos de Diseño de túneles en rocas". Congreso de Estudiantes
de Ingeniería Civil. Universidad de La Serena Chile.
• Car vajal A. (2002) "Principios y Fundamentos Geomecánicos en el Diseño de Sistemas de Cables para la
Estabilización de Macizos Rocosos y su Aplicación Práctica ". Curso Iberoamericano de aplicaciones Geomecánicas
y Geoambientales al Desarrollo Sostenible de la Minería". Universidad Internacional de Andalucía. Huelva v1, p115130 España.
• Carvajal A., Smolka J. And Krzyszton D. (2002) "Investigación sobre la Deformación en la Fase Pos-Crítica para
Brechas de Falla del Distrito Minero de Punitaqui- Región de Coquimbo-Chile." Seminario Geomecánica. Caracas
articulo inédito. Venezuela.
• Carvajal A., Leyton G. (2000) Application of Fuzzy Theory on Rock Mass Classifications Underground Construction
2000 v1, p66-75 Polonia.
223
• Carvajal A., Flores S., Brunner F., Sánchez J., Gómez M. (1998). "Análisis, Diseño y Aplicación de sistemas de
Fortificación Considerando Aspectos Geotécnicos de Yacimientos Vetiformes Asociados a Zonas de Falla Tectónica".
Report Fondef proyect interno.
• Carvajal A., Brunner F., Díaz R., (1998). "El Precableado como reforzamiento en explotación de vetas estructuralmente
controladas y su aplicación en Cía. Minera Tamaya, IV Región, Chile". CINAREM '98 MOA. Minería y Geología, Vol.
XVI, nº1, p27-33. Holguin. Cuba.
• Carvajal A., Krzyston D., (1998) "Parameters Used in Geomechanical Classifications of Jointed Rock Masses".
Underground Construction Cracow. V1, p293-303 Poland.
• Carvajal A., (1996) "Technology of Mining in Chile and Perspectives". Underground School 1996. Poland.
• Car vajal A., (1996) "Compendio de Sistemas de Explotación ". Serie Textos Universitarios. I Edición 1996.
Universidad de La Serena - Chile.
• Carvajal A., (1995) "Efectos de la Sismicidad en la Minería". Congreso de Minería, Iquique, II Región, Chile. Relator.
Publicado actas del congreso con Comité Editorial.
• Carvajal R. A. (2005) Informe técnico "Mecanismos de falla en el sistema de pernos helicoidales como reforzamiento
de masas rocosas". GERDAU AZA S.A.
• Carvajal R. A. (2005) Informe técnico "Sobre ensayos de pull out realizados a pernos helicoidales".
• Carvajal R. A. (2006) Informe técnico "Estudio y Análisis de Modificación de Dimensiones de Tuerca para Pernos
Helicoidales".
• Castillo M. J. (2006) Informe técnico "Estudio y análisis de modificación de dimensiones de tuerca usada en la
minería".
• Cortés A. (2006) Nota técnica "Una visión a la calidad total".
• Chebair J. & Teneb M. (2006) Infome ténico "Procedimiento de instalación de pernos helicoidales con lechada
de cemento y AST".
• Charette F. (2005). Rock Mechanics and Rock Reinforcement in Mining. Rock & Reinforcement. Atlas Copco, pp.
47- 50.
• Geoexploraciones S.A. (1998) "Caracterización Geosismica de Roca en Mina Milagro de la Compañía Minera
Tamaya".
• Hernández Edgardo V. (1999) "Proposición de una clasificación geológica geomecánica para rocas encajadoras
de yacimientos Au -Cu en la zona de cizalla de Punitaqui - Región de Coquimbo ".
• Hoek E. (1996) "Practical Rock engineering". Unversity of Chile.
• Hoek E., P. Kaiser & W. Bawden (1995) "Support of Underground Excavations in Hard Rock".
• Hutchison D. J. & Mark S. Diederichs (1996) "Cablebolting in underground mines".
• I.G.M.E. (1988) "Sostenimiento de excavaciones subterránea".
• JunLu L. (1996) Bolting Theories. A New Rock Bolt Design Criterion and Knowledge-Based expert System Stratified
Roof. Doctoral Thesis. Blacksburg, Virginia. pp.18 - 30.
• López J. L. (2006) Informe técnico " Normas y Procedimientos" SOPROFINT S.A.
• Nord G. (2005) Controllable Rock Reinforcement. Rock & Reinforcement. Atlas Copco, pp.5-6.
• Palmström A. "Caracterización de macizos rocosos mediante el RMi y su aplicación en mecánica de rocas" ingeo
224
Bibliografía
túneles pp 59-95.
• Santander E. Informe técnico (2005) "Simulación Numérica Mediante programa FLAC 2D de ensayo Pull Out Test
a pernos helicoidales de 22mm de diámetro. (Acero A44-28 H).
• Thompson A.G. (2002) "Stability Assessment and Reinforcement of Block Assembiles Near Underground Excavations".
Paper Presented to NARMS-TAC 2002, Toronto Canada.
• Windsor C.R. and Thompson A.G. (1998) "Reinforcement Systems, Classification, Mechanics, Design, Installation,
Testing, Monitoring, Modeling". Presented to NARMS'98 Conference, Cancun Mexico.
• Windsor C.R., Thompson A.G. and Chitombo G.P (1995) "Excavation Engineering - The Integration of Excavation
Design, Blast Design and Reinforcement Design". Presented to Explo95 Conference, Brisbane Australia.
• Windsor C.R. and Thompson A.G. (1992) "Reinforcement Design For Jointed Rock Masses". Presented to 33rd
US Symposium on Rock Mechanics, Santa Fe USA.
• Windsor C.R. and Thompson A.G. (1998) "Cement, Grout, Rock Reinforcement, Density, Viscosity, Cohesion,
Strength, Stiffness, Mixing, Pumping". Presented to NARMS'98 Conference, Cancun Mexico.
• Windsor C.R. (1996) "Rock Reinforcement Systems". Presented to Eurock96 Conference, Torino Italy.
• Windsor C.R. (1997) "Block Stability in Jointed Rock Masses". Presented to Conference on Fractured and Jointed
Rock Masses, Lake Tahoe.
• Windsor C.R. and Thompson A.G. (1996) "Terminology in Rock Reinforcement Practice". Presented to NARMS96,
Montreal Canada.
• Windsor C.R. and Thompson A.G. (1996) "Block Theory and Excavation Ingineering". NARMS96, Montreal Canada.
• Windsor C.R. and Thompson A.G. (1997) "Reinforced Rock System Characteristics". International Symposium on
Rock Mechanics, Norway.
• Windsor C.R. (1999) "Systematic design of reinforcement and support schemes for excavations in jointed rock".
International Symposium, Kalgoorlie.
225