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ESSUMININSTITUTO PRIVADO DEL NORTECLASIFICACIN DEL MACIZO ROCOSO INTRODUCCIONLa geomecnica es quizs una de las ramas tecnolgicas ms antiguas,los griegos y egipcios en sus construcciones emplearon los macizosrocosos para obras. En las pirmides construidas en Egipto seemplearon bloques de caliza dura. Todas estas fastuosas obras,contaron con excelentes mineros que desarrollaron una amplia gama deconstrucciones subterrneas y fortificaciones que hoy se observan yconservan en nuestros das.En los Tneles y Taludes rocosos, los mecanismos de inestabilidad soncontrolados por el grado de alteracin y por las anisotropas existentesen el macizo, tales como la estratificacin, juntas, fallas, cuya relacincon los mecanismos de inestabilizacin es regida por los siguientesfactores:Distribucin espacial de las discontinuidades, relacin entresuposicin(rumbo y buzamiento) con la direccin deltnel. Siendo este el ms importante a considerarse en el trazode entrada y salida del tnel.Presencia y naturaleza de los materiales de relleno de lasdiscontinuidades.Irregularidades en las superficies de las discontinuidades.Rotura y movimientos anteriores.Las rocas situadas a una cierta profundidad estn sujetas a esfuerzos,resultado del peso de los estratos subyacentes, tensiones tectnicasresiduales, etc. Cuando se realiza una excavacin subterrnea en estasrocas, el campo de esfuerzos es alterado localmente y se produce unaredistribucin de las tensiones originales que existen en el medio. Lastensiones que actuaban en la roca extrada para realizar el tnel, seredistribuyen y deben ser soportadas por la roca que se encuentra en lasproximidades de la excavacin.Los procedimientos para realizar el diseo de obras subterrneas sereducen a tres:Mtodo Emprico: se basa en las clasificaciones geomecanicas.Este procedimiento est ampliamente aceptado por su facilidad decompresin y aplicacin, al relacionar los problemas de diseo yconstruccin de tneles con las calidades de los macizos rocososen los que se sitan. Sin embargo, no se puede garantizar suprecisin considerando que son vlidas en las fases de viabilidady anteproyecto.Mtodo Observacional: de carcter cualitativo, requiere de otrasherramientas para realizar medidas y observaciones en laexcavacin. Se miden las convergencias, los desplazamientos enel interior del macizo rocoso prximo a la excavacin y lastensiones y cargas sobre los sostenimientos.Mtodo Numrico: Con el uso de modelos numricos se puedenhacer estimaciones del estado tensional en los macizos rocososatravesados por la excavacin as como de las deformacionesproducidas. La dificultad se tiene al estimar los parmetrosgeotcnicos de los modelos.Los tres mtodos exigen una caracterizacin geolgica ygeomecnica de los macizos rocosos. Dentro de los aspectosms importantes cabra destacar:1.Identificacin delmaterial(Litologa,caractersticasresistentes).2.Estructurasdelmacizorocoso(superficiedediscontinuidad, estructura y dominio estructural).3.Caractersticas geomecnicas de las discontinuidades(orientacin,espaciado,dimensiones,rugosidad,resistencia, apertura, relleno, circulacin de agua).3 CLASIFICACION GEOMECANICASUna parte importante de la caracterizacin de los macizos rocosos, loconstituyen sin dudas, las clasificaciones geomecnicas, que surgieronde la necesidad de parametrizar observaciones y datos empricos, deforma integrada, para evaluar las medidas de sostenimiento en tneles.Las mismas son un mtodo de ingeniera geolgica que permite evaluarel comportamiento geomecnico de los macizos rocosos, y a partirdeestas estimar los parmetros geotcnicos de diseo y el tipodesostenimiento de un tnel. Adems de las obras subterrneas,sedestacanlasaplicaciones entaludesy cimentaciones. Lasclasificaciones llevan ms de 50 aos en uso, pero es a partir de ladcada de los 70 cuando se extienden internacionalmente. Clasificacin de Terzaghi:En 1946 Terzaghi propuso una clasificacin para estimar lascargas que podan soportar los arcos metlicos colocados en untnel. Describi distintos tipos de terreno y basndose en suexperiencia en el sostenimiento con arcos metlicos de lostneles Alpes, a partir de la anchura y la altura del tnel, clasificlos terrenos en nueve tipos atendiendo esencialmente a lascondiciones de fracturacin en las rocas y a la cohesin oexpansividad en los suelos. Esta teora tiene la limitacin de noser aplicable a tneles de anchura superior a 9 metrosconsiderando que el techo de la excavacin se encuentra situadopor debajo del nivel fretico. Singh y otros (1995) modifican lateora de terzaghi para tneles y cavernas ya que al medir lapresin de sostenimiento en estas estructuras observan que noaumenta proporcionalmente con el tamao de la excavacin, talcomo afirmaba Terzaghi, por lo cual recomiendan unos rangos depresin de sostenimiento para ambos casos.Tabla . Estimacin de la carga del terreno (todas las distancias en pies)TipoCondiciones de la rocaHp (carga del terreno)1Dura e intacta02Estratificada o esquistosa dura0 a 0.5B3Masiva, moderadamente fisurada0 a 0.25B4'Moderadamente fragmentada y fisurada0.25 a 0.35(B+Ht)5'Muy fragmentada y fisurada0.35(B+Ht) a 1.1(B+Ht)6'Completamente trinchada1.1(B+Ht)7Prensada, profundidad moderada1.1(B+Ht) a 2.1(B+Ht)8Prensada grande profundidad0.21(B+Ht) a 4.5(B+Ht)9ExpansivaHasta 250pies, independientemente del valor de (B+Ht)3.2.2 Clasificacin de Lauffer:A partir de las ideas de Stini (1950) sobre la importancia de losdefectos de un macizo rocoso en su comportamiento mecnico,Lauffer en 1958 llego a la conclusin de que el tiempo demantenimiento para un tramo sin sostenimiento depende de lacalidad de la roca en la que se excava. En un tnel, el tramo sinsostenimiento se define como la distancia entre el frente y la zonasostenida ms cercana. La importancia de este concepto es queun aumento de la anchura del tnel significa una reduccin en eltiempo de colocacin del sostenimiento. La clasificacin originalde Lauffer ha sido modificada por numerosos autores entre ellosPacher en 1974 y actualmente forma parte del mtodo deexcavacin de tneles conocido como Nuevo Mtodo Austriaco. Longitud libre o vano critico: Diaetro o longitud de galeria que sepuede mantener estable sin revestimientoTabla. Lauffer clasific los terrenos en siete categoras:Tabla .Tiempo de estabilidad o mantenimiento (Stand Up Time): Tiempoque puede mantenerse, sin desmoronarse, dicha longitud libre.Terreno arcillosos con fuerte empujesespeciales para ser atravesados por un tnelSegundosTiempo deEstabilidadTLongitudLibre LClaseDescripcinSostenimientoObservacionesASana-4.0020 AosTerreno muy bueno Una excavacin no revestida, con luz libre de 12 m permanece estable durante varios aos.BAlgoFracturadaDe techo4.006 mesesTerreno buenoCFracturadaDe techo3.001 Semanaterreno medioDFriableCerchas Ligeras1.505 Horasterreno mediocres Rocas BlandasEMuy FriableCerchas pesadas0.8020 MinutosTerreno malo Roca blanda de dbil cohesinFDe EmpujeInmediatoPesado y deFrente0.402 MinutosSe considera muy difciles y necesitan mtodoscomo inyecciones, congelacin, uso de escudos, etc.GDe Empuje Inmediato FuertePesado y deFrente0.1510requiere MtodosClaseTipo de RocaCalidad del terrenoARoca sanaMuy buenoBRoca sana, compacta pero fracturadaBuenoCRoca bastante fracturada o algo alteradaMedioDRoca muy fracturada o bastante alterada o blandaMediocreERoca triturada o muy alterada, conjuntos rellenos de milonito. Roca muy blanda. Terrenos arcillosos con fuertes empujes.MaloFCaractersticas anlogas a los suelosMuy difcil,especialesG ndice de Calidad de la roca (RQD):El ndice RQD (Rock Quality Designation) fue definido en 1967por Deere y otros para estimar cuantitativamente la roca decalidad existente en un sondeo. Se define como el porcentaje depiezas de roca intacta mayores de 100 mm que hay en la longitudtotal de una maniobra en un sondeo. Hay que considerar que elRQD es un parmetro que depende de la direccin del sondeopudiendo variar mucho segn su orientacin. Para determinar elRQD existen dos tipos de mtodos: directos e indirectos. Dentrode los primeros estara la recomendacin de la SociedadInternacional de Mecnica de Rocas (ISRM) de usar un tamaode corona de diamante de al menos 54.7 mm con sondeo dedoble tubo. Entre los indirectos estn los mtodos ssmicos y elsugerido por Palmstrom (1982). El RQD es un parmetrofundamental tanto en la clasificacin de Bieniaswski y como en lade Barton.Se basa en la recuperacin modificada de un testigo (Elporcentaje de la recuperacin del testigo de un sondeo)Depende indirectamente del nmero de fracturas y delgrado de la alteracin del macizo rocoso.Se cuenta solamente fragmentos iguales o superiores a100 mm de longitud.El dimetro del testigo tiene que ser igual o superior a 57.4mm y tiene que serperforadoconundobletubodeextraccin de testigo.Tabla . Recomendacin de sostenimientoRQD, de acuerdo con diversos autorespara tneles,basado en el valorcomo alternativas a los anclajescerchas ligeras a medianas espaciadasanclajesreforzadoAutorSin sostenimientoSostenimiento con anclajesSostenimiento con cerchasDeere et al (1970)RQD 75 -100RQD 50 - 75Espaciados entre 1.5 - 1.8 mRQD 50 - 75Cerchas ligeras espaciadas 1.5 a 1.8 mRQD 25 - 50Espaciados entre 0.9 - 1.5 mRQD 25 - 50de 0.9 a 1.5 m Como alternativa a losRQD 0 - 25Cerchas medianas a circulares pesadas espaciadas de 0.6 a 0.9 mCecil(1970)RQD 82 - 100RQD 52 - 82Como alternativamente a los anclajes, 40 - 60 mm de hormign proyectadoRQD 0 -52Cerchas u hormign proyectadoMerrit(1972)RQD 72 - 100RQD 23 - 72Espaciados entre 1.2 y 1.8 mRQD 0 - 23RQD (%)Calidad de Roca 10 cm x 100 %L = 17 cmlongitudes total de la corrida de testigoL = 0Ninguna pieza > 10 cmRQD = 38 + 17 + 20 + 35 x 100 % = 55 %200L = 20 cmTipo de Roca Regular segn tabla RQDL = 35 cmInterrupcin de la perforacinL = 0No recuperadoFrmula Alternativa (Cuando no hay sondeos):Palmstrom (1982) sugiri que, el RQD puede ser estimado a partir delnmero de discontinuidades por unidad de volumen, visibles enafloramientos rocosos o socavones. La relacin sugerida para masasrocosas libres de arcillas es:: Nmero de juntas identificadas en el macizo rocoso por m3.2.4 Clasificacin geomecnica de Bieniawski (RMR):La clasificacin geomecnica RMR, tambin conocida comoclasificacin geomecnica de Bieniawski, fue presentada porBieniawski en 1973 y modificada sucesivamente en 1976, 1979,1984 y 1989. Permite hacer una clasificacin de las rocas 'in situ'y estimar el tiempo de mantenimiento y longitud de un vano. Seutiliza usualmente en la construccin de tneles, de taludes y decimentaciones. Consta de un ndice de calidad RMR (Rock MassRatting), independiente de la estructura, y de un factor decorreccin.Clasificacin de bieniawski (R.M.R.)Se valora una serie de parmetros:(1) Resistencia del material intactoValor mximo = 15(Ensayo carga puntual o compresin simple)(2) R.Q.D.Valor mximo = 20(3) Distancia entre las discontinuidadesValor mximo = 20(4) Condicin de las discontinuidadesValor mximo = 30(5) Agua subterrneaValor mximo = 15Clasificacin de RMR (oscila entre 0 y 100):ClaseCalidad de RocaRMRI II III IVVmuy buena buena regular malamuy mala81-10061-8041-6021-400-20ensayo deMpa> 5 mm de espesor oJuntas continuasTABLA 3.6 PARAMETROS DE CLASIFICACION Y SUS VALORACIONESParmetroRango de valores1Resistencia de la roca intactandice de carga puntual> 10 Mpa4 - 10 Mpa2 - 4 Mpa1 - 2 MpaPara este rango bajos, es preferible elcompresin uniaxialResistencia compresiva uniaxial> 250 Mpa100 - 250 Mpa50 -100 Mpa25 - 50 Mpa5 - 25MPa1 - 5MPa< 1Valoracin1512742102Calidad de testigo de perforacin RQD90% - 100%75% - 90%50% - 75%25% - 50%< 25%Valoracin201713833Espaciamiento de discontinuidades> 2 m0.6 - 2 m0.2 - 0.6 m60 - 200 mm< 60 mmValoracin201510854Condicin de las discontinuidadesSuperficies muy rugosas no continuas Cerradas, sinapertura paredes rocosas sanasSuperficies ligeram. Rugosas Apertura < 1 mm Paredes ligeramente intemperizadasSuperficie ligeram. Rugosas Apertura < 1 mm Paredes altamente intemprerizadasEspejo de falla o panizo< 5 mm de espesor Apertura de1 - 5 mm Juntas continuasPanizo suave apertura > 5 mmValoracin3025201005Agua subterrneaFlujo por 10 m de longitud de tnel (l/m) Presin de agua / Principal mximo Condicin generalNinguno0Completamente seco< 10< 0.1Hmedo10 - 250.1 - 0.2Mojado25 - 1250.2 - 0.5Goteo> 125> 0.5FlujoValoracin1510740TABLA 3.7 AJUSTE DE LA VALORACION POR ORIENTACION DE LAS DISCONTINUIDADES (Ver TABLA 3.11)ParmetroMuy favorableFavorableRegularDesfavorableMuy desfavorableValoracionesTneles y minas0-2-5-10-12Cimentaciones0-2-7-15-25Taludes0-2-25-50TABLA 3.8 CLASE DE MASA ROCOSA DETERMINADAS POR LAS VALORACIONES TOTALESValoracin100 - 8180 - 6161 - 4140 - 21< 21Nmero de claseIIIIIIIVVDescripcinRoca muy buenaRoca buenaRoca regularRoca malaRoca muy malaTABLA 3.9 SIGNIFICADO DE LAS CLASES DE ROCASNmero de claseIIIIIIIVVTiempo de auto sostenimiento20 aos span 15 m1 ao span 10 m1 semana span 5 m10 hrs span 2.5 m30 minutos span 1 mCohesin de la masa rocosa Kpa> 400300 - 400200 - 300100 - 200< 100Angulo de friccin de masa rocosa> 4535 - 3525 - 3515 - 25< 15TABLA 3.10 PAUTAS PARA LA CLASIFICACION DE LAS CONDICIONES DE LAS DISCONTINUIDADESLongitud de discontinuidades(persistencia)Valoracin< 1 m61 - 3 m43 - 10 m210 -20 m1> 20 m0Separacin (apertura)ValoracinCerrada6< 0.1 mm50.1 1 mm41 - 5 mm1> 5 mm0RugosidadValoracinMuy Rugosa6Rugosa5Ligeram. Rugosa3Lisa1Espejo de falla0Relleno (panizo)ValoracinNinguno6Relleno duro < 5 mm4Relleno duro > 5 mm2Relleno suave < 5 mm1Relleno suave > 5 mm0IntemperizacinValoracinSana6Ligera5Moderada3Muy intemperiz.1Descompuesta0TABLA 3.11 EFECTO DE LA ORIENTACION Y BUZAMIENTO DE LAS DISCONTINUIDADES EN TUNELERIARumbo perpendicular al eje del tnelRumbo paralelo al eje del TnelAvance con el Buzam. 45 - 90Avance con el Buzam. 20 - 45Buzamiento 45 - 90Buzamiento 20 - 45Muy favorablefavorableMuy desfavorableModeradoAvance contra el Buzam. 45 - 90Avance contra el Buzam. 45 - 90Buzamiento 0 - 20, independiente del rumboModeradoDesfavorableModeradoTabla 3.12 Bieniawski (1989) publico un conjunto de pautas para la seleccin del sostenimiento de tneles enroca, en base al RMR, estas pautas son reproducidas en la siguiente tabla.PERNOS DE ROCA (20 MM DE DIAMETRO, COMPLETAMENTE INYECTADOS)CLASE DE MASAROCOSAEXCAVACIONSHOTCRETECIMBRASRoca muyI - buenaRMR: 81 - 100Frente completo 3 m de avanceGeneralmente no se requiere ningn sostenimiento excepto pernos espordicosII - Roca buenaRMR: 61 - 80Frente completo 1 - 15 m de avance. Sostenimiento completo a20 m del frenteLocalmente, pernos de 3 m en la corona, espaciados a 2.5 m con malla de alambre ocasionalmente50 mm en la corona donde sea requeridoNingunoIII - Roca regularRMR: 41 - 60Socavn en el tope y banqueo 1.5 -3 m de avance en el socavn iniciar el sostenimiento despus de cada voladura. Completar el sostenimiento a 10 m del frente.Pernos sistemticos de 4 m de longitud, espaciados 1.5 - 2.0 m en la corona y en las paredes, con malla de alambre en la corona50 - 100 mm en la corona y 30 mm en las paredesNingunoVI - Roca malaRMR: 21 - 40Socavn en el tope y banqueo 1.0 -1.5 m de avance en el socavn iniciar el sostenimiento con el avance de la excavacin. 10 m de avance del frente.Pernos sistemticos de 4 - 5 m de longitud espaciados 1 - 1.5 m en la corona y en las paredes, con malla de alambres100 - 150 mm en la corona y 100 mm en las paredesArcos ligeros a medianos espaciados a 1.5 m donde son requeridosRoca muyV - malaRMR: < 20Galera mltiples 0.5 - 1.0 m de avance en el socavn de tope instalar el sostenimiento con el avance de la excavacin. Shotcrete tan pronto como sea posible despus de la voladuraPernos sistemticos de 5 - 6 m de longitud espaciados 1 - 1.5 m en la corona y en las paredes. Pernos en el piso150 - 200 mm en la corona, 150 mm en las paredes y 50 mm en el frenteArcos medianos a pesados espaciados a 0.75 m con encostillado de acero y marchavantes de ser necesario. Cerrar laseccin (invert) Clasificacin segn Barton:Basndose en una gran cantidad de casos tipo de estabilidad enexcavaciones subterrneas, el Norgerian Geotechnical Institute(N.G.I.), propuso un ndice para determinar la calidad del macizorocoso en tneles y taludes.El valor numrico de ste ndice Q se define por:Esta clasificacin utiliza seis parmetros para definir laclase demacizo:1. - RQD, ndice de calidad de la roca.2. - Jn, ndice del nmero de familias de fracturas3. - Jr, ndice de rugosidades en las fracturas4. - Ja, ndice de alteracin de las paredes de las fracturas5. - Jw, ndice del caudal afluente6. - SRF, ndice del estado de tensin del macizoPara explicar cmo llegaron a la ecuacin para determinar elndice Q, los autores ofrecen los siguientes comentarios: El primercociente (RQD/Jn), que representa la estructura del macizo esuna medida rudimentaria del tamao de los bloques o de laspartculas con dos valores extremos (100/0.5 y 10/20) con unfactor de diferencia de 400. Si se interpreta el cociente enunidades de centmetros, los tamaos de partculas de 200 a 0.5cm. se puede apreciar como aproximaciones gruesas perobastante realistas. Probablemente los bloques ms grandestendran varias veces este tamao y los fragmentos chicos menosde la mitad. El segundo cociente (Jr / Ja), representa la rugosidady las caractersticas de la friccin de las paredes de las fisuras ode los materiales de relleno. Este cociente se inclina a favor dejuntas rugosas e inalteradas que se encuentran en contactodirecto se puede pensar que estas superficies estn cerca de laresistencia optima, que tendern a dilatarse fuertemente cuandoestn sometidas a esfuerzos cortantes y por lo tanto sern muyfavorables a la estabilidad de un tnel. Cuando las fisuras tienenrecubrimientosyrellenos arcillososdelgadosse reducenotablemente su resistencia, sin embargo, el contacto de lasparedes despus de un ligero desplazamiento por el esfuerzocortante puede ser muy importante y salvar la excavacin de uncolapso. Donde no haya contacto de paredes, la situacin para laestabilidaddeuntnelse representa de maneramuydesfavorable.El tercer cociente (Jw / SRF), consiste en dos parmetros defuerzas, SRF es un valor de: 1) la carga que se disipa en el casode una excavacin dentro de una zona de fallas. Y de rocaempacada en arcillas; 2) los esfuerzos en una roca competente, y3) las cargas compresivas en rocas plsticas incompetentes. Sepuede considerar como un parmetro total de esfuerzos. Encuanto al parmetro Jw se trata de una medicin de la presin delagua que tiene un efecto negativo en la resistencia al esfuerzocortante de las fisuras debido a la reduccin en el esfuerzoefectivo normal. El agua puede causar adems, un ablandamientode las arcillas e incluso posiblemente su lavado.Clasificacin de Q (oscila entre 0.001 y 1000)ESTIMACIN DE LOS PARMETROSNMERO DE FAMILAS DE JUNTAS (Jn).El nmero de familias de juntas (Jn), en el macizo observado seevidencias que van desde roca fracturada hasta roca con unmximo de tres familias de juntas con otras ocasionales, quehacen una valoracin de este parmetro como se muestra en elcuadro que sigue:Q (rock mass quality)valorizacin0.001-0.010.01-0.10.1-1.01.0-44-1010-4040-100100-400400-1000excepcionalmente mala extremadamente mala muy malamala regular buenamuy buena extremadamente buenaexcepcionalmente buenaRUGOSIDAD DE LAS JUNTAS (Jr).En la descripcin de las superficiesde las juntas, tanto dediaclasas como de los estratos, estas se presentan comosuperficies uniformes, planas y rugosas. Las juntas de lasdiscontinuidades, se valoran a continuacin:Jr Coeficientes de rugosidad de la juntavalorjuntas rellenas juntas limpiasDiscontinuas Onduladas, rugosas Onduladas, lisas Planas, rugosas Planas, lisasLisos o espejo de fallaOnduladosPlanos14321.511.50.5Jn Nmeros de familiasvalorRoca masivaUna familia de juntasId. Con otras juntas ocasionalesDos familias de juntasId. Con otras juntas ocasionalesTres familias de juntasId. Con otras juntas ocasionalesCuatro o ms familias, roca muy fracturadaRoca triturada0.5-123469121520METEORIZACIN DE LAS JUNTAS (Ja)Las juntas, en general, no tienen evidencia de gran alteracin ypor esa razn, para todos los sectores del trazo del tnel,calificamos los contactos en las zonas de diaclasamiento, como:Ligeramente alteradas con rellenos arenosos no blandoAGUA EN LAS JUNTAS (Jw)En el macizo se observa presenciade agua y porlas suscaractersticas hidrogeolgicas, es probable que se produzcanhumedecimientos y en casos extremos se darn flujos deregulares caudales a presin por la infiltracin del agua de lasprecipitaciones pluviales. Por ello la valoracin de este parmetroes de 0.15Ja Coeficiente de rugosidad de la juntavalorjuntas de paredes sanas Ligera alteracin Alteraciones arcillosas Con detritus arenososCon detritus arcillosos pre-consolidadosId. Poco consolidadosId. ExpansivosMilonitos de roca y arcillaMilonitos de arcilla limosaMilonitos arcillosos-gruesos0.75-1244688-128-12510-20FACTOR DEL ESTADO TENSIONAL (SRF)Puesto que el macizo est compuesto roca competente enestratoscasiverticales,regularmentediaclasadospocofracturados y con una cobertura variable, corresponde describirlos sectores como sigue:SRFValorZona dbiles:Multitud de zonas dbiles o milonitosZona dbiles aisladas, con arcilla o roca descompuestaId. Con cobertura > 50 mAbundantes zonas dbiles en roca competenteZona dbiles aisladas en roca competenteId. Con cobertura > 50 mRoca competente Pequea cobertura Cobertura media Gran coberturaTerreno fluyenteCon bajas presiones descompuestaCon altas presiones descompuestaTerreno expansivoCon presin de hinchamiento moderadaCon presin de hinchamiento alta1052.57.552.52.510.5-25-1010-205-1010-15Jw Coeficiente reductor por la presencia de aguavalorExcavaciones secas o con