I EXCAVACIONES

UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C.

INGENIERIA CIVIL

EXCAVACIONES

GENERALIDADES

EXCAVACION

Es todo aquel tipo de trabajo que permite extraer material para construccin o bien para dar paso a una obra especfica.

TIPOS DE SUELOS

Entre los diversos estudios tendientes a encontrar un sistema de clasificacin de suelos, destacan los efectuados por el doctor A. Casagrande, en la Universidad de Harvard, los cuales cristalizaron en el conocido Sistema de Clasificacin de Suelos para Aeropuertos el cual ha sido ligeramente modificado para constituir el Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos usado ampliamente en la actualidad.

El sistema divide a los suelos en dos grandes fracciones: la gruesa formada por partculas mayores que la malla No 200 (0.074 mm) y menores que la malla de 3" (7.62 cm) y la fina formada por las partculas que pasan la malla No 200.

CLASIFICACION EN FUNCIN DEL TIPO DE MATERIALES

MATERIAL CLASE I (Equivalencia MATERIAL CLASE A)

Es un material suave y flojo que puede ser atacado con pala y como auxiliar pico.

MATERIAL CLASE II (Equivalencia MATERIAL CLASE B)

Es aquel material para cuya extraccin es indispensable pico y pala.

MATERIAL CLASE II-A (Equivalencia entre MATERIAL CLASE B y C)

No es econmico atacar este material con pico siendo indispensable aflojarlo con marro y cua o bien con explosivo o equipo neumtico.

MATERIAL CLASE III (Equivalencia MATERIAL CLASE C)

Roca fija; se requiere del uso de explosivos para su extraccin. O equipo especial como el caso de las rompedoras.

CLASIFICACION POR ZONAS DE TRABAJO EN EXCAVACIONES.

ZONA (A)

Es aquella donde el trabajo se puede realizar a campo abierto o bien en zonas pobladas condicionadas a que no existan instalaciones que interfieran con los procedimientos constructivos a emplear.

ZONA (B)

Es aquella donde el trabajo se realiza en zonas urbanas, siempre que no existan instalaciones o servicios que interfieran con el proceso constructivo o que puedan ocasionar riesgo.

ZONA (C)

Es aquella donde el trabajo se realiza en zona urbana en la cual existen instalaciones o servicios que dificulten el proceso constructivo.

CLASIFICACION DEL MATERIAL EN SU ESTADO FISICO

1. Material en banco.- en su estado natural

2. Material suelto.- una vez extrado pero antes de ser colocado.

3. Material colocado.- donde va a permanecer indefinidamente.

CLASIFICACION DE LAS EXCAVACIONES

l) A CIELO ABIERTO

2) EN CANALES

3) EN TUNELES

Los dos primeros tipos de excavaciones permiten tener los grados de libertad que hacen posible la excavacin.

En la excavacin de tneles hay que proporcionar los grados de libertad que hagan posible la excavacin de la misma

CONCEPTOS

PESO VOLUMTRICO

Peso volumtrico es la relacin de peso y volumen de un material.

Pv = W/V W = Peso en kg o tn.

V = Volumen en m3 Pv= Peso volumtrico en Tn/m3 o Kg./m3.

Para las operaciones de movimiento de tierras se utiliza: Peso volumtrico seco que es que es la relacin del peso de slidos sin contenido de humedad y el volumen masa.

Pv (seco) = Ws/Vm Ws = peso slido sin contenido de agua

Vm = Volumen masa

PESO VOLUMTRICO SATURADO

Pv(saturado) = ( Ws + Ww )/Vm

Siendo: Ww = peso del agua

PESO ESPECFICO

El peso especfico es un adimensional, resultado de la comparacin de dos pesos, el cual se puede determinar dividiendo el peso del cuerpo en el aire entre el peso del agua desplazada al sumergir el cuerpo.

HUMEDAD

Se conoce como contenido de agua o humedad de un suelo la relacin entre el peso del agua en el mismo y el peso de su fase slida expresada como porcentaje.

w (%) =( Ww x 100)/Ws

CONCEPTO DE ABUNDAMIENTO

Abundamiento de un material es el incremento en volumen que sufre un material, conservando su peso, despus de ser extrado. Se define como sigue:

A = Mat. Suelto / Mat. En Banco > 1.

siempre se expresar como un coeficiente denominado:Coeficiente de abundamiento.

VALORES DEL COEFICIENTE DE ABUNDAMIENTO

...

A mnA maxA prom

Material Clase I 1.251.35 1.30

Material Clase II 1.30 1.40 1.35

Material Clase IIa 1.35 1.45 1.40

Material Clase III 1.45 1.65 1.50

ANGULO DE REPOSO DEL MATERIALCuando se realiza un excavacin con cualquier mtodo constructivo y se deposita el material suelto, se forman bancos de material los cuales adquieren un ngulo de reposo, l cual si no se considera una distancia lo suficientemente alejada de la excavacin este material se puede deslizar a la zona de excavacin.

En la tabla siguiente se indican algunos ngulos de reposo de materiales.

MATERIALANGULO

Arena seca20 30

Arena hmeda30 45

Tierra seca20 45

Tierra hmeda25 45

Tierra muy hmeda (lodo)25 30

Grava20 - 50

FORMAS DE PAGO

Generalmente la excavacin se paga medido en banco.

La carga y acarreo se paga por volumen abundado

CONTROL DE EQUIPO

Cuando un equipo es adquirido, se le debe de dar al mismo una identificacin, como un nmero que ser utilizado durante su vida til. Junto al equipo, se debe de tener una bitcora de todos los arreglos y refacciones que ha tenido y sobretodo, los problemas que ha presentado. De esta forma, se podr obtener un indicador real del costo de la maquinaria y se podr analizar la opcin de rentar o comprar con todas las cartas sobre la mesa

EQUIPOS DE EXCAVACIN

EQUIPO ESTTICO

Es aquel equipo que para realizar su trabajo no requiere de realizar un desplazamiento de la maquina, si no hasta que se termina el alcance de la excavacin del mismo as se tienen los equipos como:

1. Pala Mecnica

2. Draga

3. Excavadoras y Retroexcavadoras

EQUIPO DINAMICO

Es aquel equipo que para realizar sus trabajos requiere de un desplazamiento del equipo y por lo tanto de la fuerza de traccin del mismo as se tiene los equipos como:

1. Cargador Frontal

2. Zanjadora

3. Tractor o Dozers

Estos ultimos se deber de calcular si el equipo puede con el material que va a desplazar, por lo que se deber de calcular la Potencia real del equipo en funcin de:

Altitud

Temperatura

Resistencia al Rodamiento

Pendiente

Para lo cual se utilizara el siguiente procedimiento.

Al hablar de potencia, hay que hacer un distingo entre la del motor, la de la polea y la de la barra. Esta ltima es la ms caracterstica o principal , puesto que es la efectiva y de ella se puede disponer . Las diferencias entre ellas se derivan de las prdidas por el accionamiento de los mecanismos intermedios; de ah que la potencia real o efectiva en el trabajo de la mquina queda determinada por la siguiente formla:

.

FV=75 PK .

. F = 75 PK V

donde:

F = Fuerza efectiva de trabajo (kg.)

P = Potencia en el motor (cv o hp)

V = Velocidad de operacin (m/s)

K = Constante o factor de eficiencia.

INFLUENCIAS SOBRE LA POTENCIA DEL MOTOR

ALTITUD Y TEMPERATURA, Estos factores influyen en el peso especfico del aire y, por consiguiente, en la potencia del equipo. En la Tabla, se listan los porcentajes, en funcin de la temperatura del lugar, que modifican la potencia del tractor.

*Altitud en mTemperatura en C

42322115104-7

095.4097.1099.10100100.8101.8103.9

30592.0093.7095.5096.4097.4098.40103.3

91585.5087.2088.8089.6090.591.4093.30

152579.5080.9082.2583.3084.2089.9086.70

213673.8075.2086.7077.5078.2079.0080.60

274568.6069.9071.3072.0072.7073.4074.80

* Sobre el nivel medio del mar.

Ejemplo: Cul ser la potencia efectiva de un Tractor que trabaja a 2,135 m. de altura y a una temperatura de 21 C?

Solucin: De acuerdo a la Tabla el factor de influencia correctora es de 76.70%, por lo tanto , la potencia real ser:

P real = P x 76.70 = 0.76 P

100

Para determinar la potencial real, pueden seguirse o aplicarse las siguientes reglas prcticas:

1a. A partir de los 16 C y para elevaciones de cinco en cinco grados , deducir 1% de la potencia a nivel del mar.

2a. Para disminuciones de temperatura por cada 5 C menos, aumentar en 1% la potencia a nivel del mar.

3a. Por cada 100.00 m de altitud, a nivel del mar disminuir en 1% la potencia

Ejemplo : Supongamos el mismo caso anterior:

Solucin con la regla primera:

21 - 16 = 5, deber descontarse 1% a la potencia

Segn la regla tercera 2,135 m = 21.35 % deber descontarse

Por cada 100 m seria 21.35%

por tanto, la potencia real ser:

(100%- 1% - 21.35%) P =0.777 P

Valor muy prximo al que aparece en la tabla.

Los descuentos anteriores se modifican si se usa turbo-generador, ya que con este mecanismo se inyecta aire a presin, con lo que compensa la influencia de la altitud. Por ejemplo, en el tractor Caterpillar D7G, con turbo-generador, el porcentaje de la potencia en el volante para diferentes elevaciones significa:

De 0 a 2300 m 100%

De 2300 a 3000 m 92%

De 300 a 3800 m 85%

Es decir que la reduccin de potencia influye arriba de los 2,300 m. de altitud.

RESISTENCIA AL RODAMIENTO. Esta resistencia se define como la fuerza motriz necesaria para mover una mquina a velocidad pequea y uniforme, sobre una superficie plana.

Se ha comprobado que, para mover una mquina sobre superficies de condicin y naturaleza variable, ms importante que el material del piso es su estado fsico; es decir, su compacidad y la naturaleza y frecuencia de sus ondulaciones.

Como norma puede establecerse que la resistencia al rodamiento, expresada en kilogramos por tonelada de carga (kg/t), es como se lista en la siguiente tabla:

T A B L A

Naturaleza del terreno

Resistencia al RodamientoOrugas kg/tonLlantas

Kg/ton

1.- Camino duro, estabilizado, pavimentado, sin penetracin bajo la accin de las cargas Humedecido y conservado28 kg/t20 kg/t

2.- Camino firme, uniforme, aplanado afectado ligeramente bajo la accin y regularizacin conservando40 kg/t33 kg/t

3.- Camino de tierra, ondulado, que flexiona bajo la accin de cargas ligeras, con poco mantenimiento, sin humedad

70 kg/t50 kg/t

4.- Camino en tierra con surcos y rodadas mal conservado y sin ninguna estabilizacin90 kg/t75 kg/t

5.- Camino lodoso, blando, fangoso sin mantenimiento110 kg/t100 a 200 kg/t

Ejemplo: Supongamos un tractor Caterpillar D7, sobre orugas, equipado con cuchilla regulable, con peso de 18.50 toneladas que ha de trabajar sobre un suelo de tierra, ondulado, flexionable bajo la accin de cargas ligeras, con poco mantenimiento, sin humedad. Cul ser la fuerza tractiva necesaria para vencer la resistencia al rodamientoSolucin: La resistencia al rodamiento en kg. por tonelada, segn la tabla es 70 kg/t, por tanto, la resistencia total a vencer, ser:

70 kg/t x 18.t = 1,295 kg.

PENDIENTE. La fuerza necesaria "N" (fig.) para vencer una pendiente tiene como valor, segn la figura.

N = Q sen i

FIGURA

pero si N se expresa en kilogramos y Q en toneladas, entonces

N = 1000 Q sen i

dnde:

N = Fuerza necesaria para vencer la pendiente (kg)

Q = Peso de la mquina (kg) o (t).

i = Angulo en grados o porcentaje.

En la tabla se listan los valores de "N" para distintas pendientes.

T A B L A

Pendiente expresada en %Angulo CorrespondienteFuerza Necesaria en kg/ton

21 08' 7''20

42 17' 4''40

63 26' 0''60

84 34' 4''80

105 42' 6''99

158 31' 8''148

2011 18' 6''196

2514 02' 2''242

Ejemplo se tienen un tractor con un peso de 18.50 ton, y una inclinacin del camino del 15 %, cual es la resistencia por pendiente:

Solucin.- de la tabla con 15 % se obtiene 148 kg/t

148 kg/t x 18.50 t. = 2,738 kg

EFICIENCIA A LA TRACCION

Es la eficiencia que tienen cada equipo a la traccion expresada en kg. La cual se obtienen utilizando la siguiente tabla, multiplicada por el peso del equipo.

TABLA

Tipo de caminoNeumticosOruga

Concreto0.88 - 1.000.45

Arcilla seca0.50 - 0.58

Arcilla Mojada0.40 - 0.49

Arena Disgregada0.20 - 0.350.30

Grava de cantera0.60 - 0.70

Tierra Suelta0.30 - 0.400.60

Tierra Compacta0.50 - 0.600.90

Ejemplo se tienen un tractor de orugas con un peso de 18.50 ton, en un camino de tierra suelta cual es la eficiencia a la traccin:

Solucin.- de la tabla con tierra suelta se obtiene 0.60 kg/t

0.60 kg/t x 18.50 t. = 11,100 kg

ANALISIS, PLANEACION Y DETERMINACIN DE MTODO CONSTRUCTIVO DE UNA EXCAVACIN

Para realizar cualquier trabajo de excavacin podemos planear y determinar el mtodo constructivo, utilizando dos procesos bsicos:

Trabajo de oficinas donde se aplica el anlisis de:

Anlisis del proyecto a realizar

Anlisis de especificaciones de obra.

Revisin de los planos geolgicos locales. Donde se determinara el tipo de roca y estratos.

Trabajo de Campo

Excavaciones en el sitio sean existente o por sondeo, para determinar el tipo de material y su dureza.

Mtodo Manual con pico y pala, barrenos

Mtodo Mecnico la utilizacin de maquinara, tractor, taladro

Mtodo Instrumental solo se utilizan para pruebas geofsicas., (se utilizan ondas de choque que viajan a travs de la roca a una velocidad proporcional a la dureza y as se determina si es roca slida, intermperizada, semislida

DETERMINACION DE COSTO DE PRODUCCION DE EXCAVACION

Existen dos tipos de autores

a-- La obtencin de costo unitario de produccin, a partir de un rendimiento real, donde prevalece la produccin unitaria del equipo de construccin.

El procedimiento es:

1. Se obtienen el ciclo de trabajo en segundos

2. Se obtiene la cantidad de ciclos en una hora

3. Se obtiene la produccin por hora multiplicando la capacidad del equipo por los ciclos por hora, lo que nos da un rendimiento terico. m3/hr

4. Se aplican los factores estadsticos de produccin y se obtienen el Rendimiento real m3/hr

5. Se divide el costo horario entre el rendimiento real y se obtiene l $/hr.

b.- La obtencin del costo unitario de produccin a partir del costo total de la actividad, donde se revisa en funcin de las actividades precedentes y subsecuentes al trabajo de produccin del equipo.

Existen dos procedimientos, en el primero se analiza las actividades precedentes y las subsecuentes y se fijan las condiciones de productividad del equipo y as se obtiene un rendimiento terico que nunca podr ser mayor a la de la produccin unitaria.

El segundo mtodo se fija un costo mensual del equipo y sobre la base del programa de obra con todas las actividades se obtienen un rendimiento Terico mensual y de ah el unitario, el cual no ser mayor a la de la produccin unitaria.

RENDIMIENTO PTIMO DE UN EQUIPO

Es la relacin del costo horario mnimo posible, entre la productividad mxima posible por hora

EXCAVACION EN ROCA

Para poder excavar en roca, es necesario romperla o fraccionarla primero para que pueda ser manejada con los equipos de excavacin. El fraccionado del material se lleva a cabo barrenando hasta cierta profundidad y colocando explosivos dentro de la perforacin, para hacerlos detonar.

Las excavaciones en roca se pueden clasificar en:

Excavaciones a cielo abierto

Excavaciones en canales

Excavaciones en tneles

El ciclo en excavaciones en roca estar regido por los siguientes conceptos:

1. Barrenacin

2. Carga y tronada

3. Ventilacin (en tneles)

4. Rezaga

Barrenacin.

Por Barrenacin se entiende la horadacin del terreno practicada por medio de herramientas manuales y/o mecnicas, con la finalidad de hacer hoyos destinados a alojar explosivos para aflojar roca, pudiendo tener distintos dimetros y longitudes, dependiendo del tipo de herramienta y

equipo que se utilice.

CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS PARA BARRENACION

I. Perforacin por percusin:

a) Perforadoras de percusin por cable o de pulseta

b) Perforadoras de percusin directa con pistn que puede ser accionada neumtica o electrnicamente.

c) Perforadoras neumticas de martillo o taladro de percusin que incluyen las rotatorias de percusin.

II. Perforacin por rotacin:

a) Perforadoras rotatorias con herramienta (broca) cortante

b) Perforadoras rotatorias con herramientas (broca) abrasivas

c) Perforadora rotatoria con herramienta (broca) trituradoras

III. Perforacin por fusin:

a) Perforadoras de fusin

b) Perforadoras de chorro o flama

Equipo de Percusin.- En forma general estas mquinas realizan su trabajo en forma mecnica, golpeando la roca, siendo el impacto sobre la misma la que produce la perforacin al fragmentarla y triturarla.

Equipo Rotatorio.- En vez de golpear la roca, la barrena gira, realizando la perforacin de la roca por tres formas por cortante, en forma abrasiva y por trituracin. Por el interior de la tubera de perforacin se inyecta el aire que sirve como medio enfriador de la herramienta y como limpiador, expulsando al exterior del barreno las partculas obtenidas en el corte.

El equipo ms utilizado en los trabajos de Barrenacin es el de las perforadoras neumticas de martillo o taladro de percusin, realizando su trabajo por medio de aire comprimido, en donde a la vez la broca golpea y gira produciendo la perforacin. Los dimetros que existen son de 7/8"-30"

A la roca fragmentada se le llama detrito; la eliminacin de este detrito se realiza por medio de aire comprimido o por medio de agua presin.

EXPLOSIVOS

El uso de explosivos se utiliza para romper rocas para que estas sean usadas como agregados o bien para poder excavarlas con maquinaria pesada.

Hay muchos tipos de explosivos y muchos mtodos para usarlos. Para cada explosivo hay un clculo y un tratamiento y se debe elegir l mas adecuado para la operacin que se desea realizar.

EXPLOSIVOS COMERCIALES

Hay cuatro categoras de explosivos, estos son: dinamita, slurries, ANFO y explosivos de dos componentes. Para que estos explosivos sean usados, deben reaccionar con tiempo y causar ondas en las rocas. Loas primeros tres tipos de explosivos son los mas usados en barrenos y las combinaciones no se consideran explosivos hasta ser combinados.

DINAMITA

Este se basa en nitroglicerina y no se usa solo en operaciones de explosivos por su gran sensibilidad, ya que podra haber regases de este material de operaciones anteriores que podran poner en riesgo la operacin.

La dinamita permite hacer barrenos pequeos por su gran poder de liberacin de energa.

SLURRIES

Estos son explosivos contra agua de nitrato de amonio y combustible. La ventaja de este es que puede ser mezclado en obra y meterse en bolsas de plstico en los hoyos y al ser ms denso que el agua, estas bolsas bajaran hasta el fondo.

ANFO

Este representa el 80% del uso de explosivos en Estados Unidos. Este es el mtodo ms econmico y es mucho ms seguro que la dinamita.

La mezcla de este es similar a la anterior con algunos agregados y para explotarla se usan los mtodos de tiempo convencionales.

Este no es resistente al agua por lo que se recomienda hacer la operacin inmediatamente despus de instalar los explosivos cuando estos se colocan en hoyos hmedos.

INICIADORES Y EQUIPOS DE RETRASO

Es prctica comn el explotar muchas filas al mismo tiempo, por lo que se usan iniciadores que dan la secuencia para que la fragmentacin y la seguridad del proceso sean las adecuadas.

ROMPIMIENTO DE ROCA

El mecanismo que contribuye para que la roca se fragmente es la presin que se forma en los barrenos al llevarse a cavo la explosin. Primero la presin es radial y la trituracin se da en las inmediaciones del barreno, pero al viajar las ondas en forma recta, la trituracin se completa hasta el rea en donde se encuentra el siguiente barreno.

DISEO DE EXPLOSIVOS

No hay una solucin tpica para todos los casos de explosivos puesto que las necesidades son diferentes en cada caso. Depende del tamao de roca que queremos obtener, el tipo de material, las situaciones topogrficas y por supuesto el presupuesto.

BURDEN

Se conoce como la distancia que hay entre la ltima o primera lnea de explosivos y la parte libre del corte como podra ser el caso de un corte en una carretera. Si se calcula mal, las rocas pueden salir volando por distancias grandes y la fragmentacin ser mucho mayor a la deseada, por lo que hay que ser cuidadosos con ese clculo.

STEMMING

Se conoce como la distancia entre barrenos tanto en filas como en profundidad y debe ser calculada con cautela porque si es muy corta, las rocas quedaran muy grandes y si es mas corta de lo que debe, podra ser peligroso como en el caso anterior.

PROFUNDIDAD DE BARRENO

Se debe de dar un grado de holgura a la profundidad para evitar errores que podran ser costosos, por lo tanto se calcula la pendiente que llevara el barreno y se har un pie mas profundo en todos los casos.

DIMETRO DE BARRENO

Este depende de la distancia que hay entre barrenos y sobre todo de la clase de explosivo que se utiliza. Tambin se considera el dimetro de las partculas que se desean obtener de la operacin.

FACTOR DE PLVORA

La cantidad de explosivo que se necesita para fracturar una yarda cbica de roca es una medida de la economa del diseo. Esto se puede ver en tablas para ver si el diseo que se realizo es eficiente en cuanto a la cantidad de explosivos y los resultados obtenidos.

Consideraciones de manejo de material

El manejo de la roca fracturada va de la mano con la operacin de explosivos, ya que dependiendo del dimetro de la misma se tomaran las decisiones para elegir el mtodo mas adecuado de acarreo.

EXCAVACIN DE ROCA EN ZANJAS

Cuando se usan explosivos para abrir zanjas, lo ms importante a considerar es el ancho de la tubera o conducto que se instalar en la misma, es por este camino que se debe de realizar el diseo y hay que ser muy cuidadosos con el mismo.

SEPARAMIENTO DE ROCAS

Esta es una tcnica que se usa en superficies planas y la forma de calcularse es ms sencilla, usualmente se usan dimetros de barrenos de 2.5 a 3 pulgadas y separaciones entre los mismos de 18 a 36 pulgadas. Esto depende de la clase de material que se ataca y del tamao de partculas que se desean obtener.

SEGURIDAD

Un accidente en explosivos podra fcilmente matar o herir a una buena cantidad de personas, por lo tanto se debe tomar la mayor cantidad de medidas de seguridad. Dichas medidas las da el fabricante y como adicionales se debe evacuar totalmente el rea desde que la fase elctrica comienza.

FALSAS EXPLOSIONES

Es posible que una o ms cargas no exploten en el momento adecuado, estas deben ser explotadas si es posible y en caso o de que esto sea imposible se deben retirar antes de instalar la siguiente operacin.

EFECTOS A TERCEROS

Es posible que las cargas que se utilizan pudieran afectar las estructuras vecinas, por eso seria bueno fotografiar con anterioridad todas estas para no caer en problemas con terceros.

Antes de detonar los explosivos se debe poner dispositivos que midan las vibraciones que se producen en el suelo para poder hacer un anlisis de mayor precesin y evitar daos costosos a otros.

CARGA Y TRONADA.

Se refiere a la colocacin del explosivo dentro del barreno y el trabajo necesario para hacer la detonacin de esta Carga.

REZAGA.

Es el trabajo necesario para retirar el material producto de la excavacin.

EXPLOSIVO.

Es un producto qumico que reacciona exotrmicamente en tiempos muy cortos, generando gran cantidad de gases que se transforman en trabajo mecnico que producen el resquebrajamiento de la roca.

VELOCIDAD DEL EXPLOSIVO.

Capacidad que tiene una mezcla para generar gases en la unidad de tiempo.

Rapidez con la que se propaga una onda de detonacin a lo largo de una columna de explosivo cuyo dimetro sea de 1 a 1 1/4 de pulgada.

Entre ms rapidez tenga un explosivo, mas potencia tendr; los parmetros que la determinan son el tipo de explosivo y el material a detonar.

POTENCIA DEL EXPLOSIVO.

Est representada en funcin del contenido de nitroglicerina expresado con un % del volumen total de explosivo.

En Mxico se pueden encontrar explosivos de 40 a 60 % de nitroglicerina y en casos especiales hasta de 75%

LOS EXPLOSIVOS SE DIVIDEN EN:

Si no est especificado en el cartucho

Explosivo pesado = 60% de potencia P.V.=1,550kg/3

Explosivo ligero = 40% de potencia P.V.= 900 kg/m3

Siendo la potencia directamente proporcional a la densidad

Entre las caractersticas de un explosivo se pueden enunciar:

a) Velocidad

b) Impermeabilidad

c) Inflamabilidad

d) Emanacin de gases.

Factores que definen el tiempo de explosivo

.- Tipo de material

.- Estado de sanidad

.- Tamao mximo de material. por obtener

.- Sitio (a cielo abierto, tnel, etc.)

.- Forma (en tajo, ladera, tnel etc.)

Explosivos de fcil fabricacin (caseros).

Estos explosivos son a base de Nitrato de Amonio combinado con otro agente (azcar, almidn), de origen vegetal, ayudado por un iniciador (elemento oxidante) que puede ser aceite lubricante o diesel.

Tambin podemos considerar la plvora, fabricada con una sal de cido ntrico y potasio, azufre y carbn vegetal, que da una potencia de 15% de nitroglicerina.

MONEO.

Es el retiro de obstculos por medio de explosivos.

Todo explosivo requiere de un agente externo o accesorio. Entre las funciones que realizan se enumeran las siguientes

1.- Sirven para lo que se llama labor de cebado

2.- Suministran o trasmiten una flama

3.- Ondas detonadoras o impulsos

LOS EXPLOSIVOS SE CLASIFICAN EN:

1.- Iniciadores

2.- Detonadores

3.- Mechas detonantes

1.- Iniciadores: Entre los iniciadores se pueden considerar:

a) Mecha para mina o cauela.

Cordn formado por varias capas de hilaza que contiene plvora en su ncleo, teniendo caractersticas impermeables, la forma de propagacin del fuego es por medio de braza, su objeto es detonar al fulminante y velocidad

dad de ignicin vara de 125-131 seg/m.

b) Ignitacord.- Tiene la apariencia de cable, normalmente ms delgado que la cauela, y la propiedad de encender mechas, se caracteriza porque genera flama. Se produce en tres velocidades de combustin:

A) De 26-35 seg/m,

B) De 32-65 seg/m,

C) De 13-16 seg/m.

c) Quaricord.- Tiene menos capacidad de combustin que el anterior, se utiliza en voladuras de 2o. orden (canteras), no es resistente al agua, puede substituir a las cauelas y a su velocidad de ignicin 32-65 seg/m.

2.- Detonadores.- Se clasifican en:

a) Fulminantes. Son tubos o casquillos que contienen un explosivo altamente sensible, de muy alta potencia y que se caracteriza por denotar por una chispa del tren. de fuego.

b) Estopines (espoletas). Son fulminantes con dispositivo activado por impulso elctrico, pudiendo existir estopines instantneos o Ms (milisegundos) que tienen la ventaja de permitir controlar los tiempos de expulsin en milsimas de segundo, constituyen un elemento primordial en voladura de 1er. orden (tneles).

3.- Mechas detonantes.

Primacord: Mecha detonante que contiene un ncleo de Tetranitrato de Pentacrititol (Niperita), que tiene propiedades explosivas de alta potencia, es impermeable y elstico (permite dobleces) tiene una velocidad de ignicin de 6400 m/seg. La potencia de la Niperita es de 65 a 70%, se utiliza cuando se tienen barrenos de gran dimetro.

Ecord: Contenido menor de Niperita con una potencia de 40 a 45% y velocidad de ignicin de 5400 m/seg.

Las herramientas que se utilizan son:

a) Pinzas corrugadas que permiten hacer la liga de las mezclas con los fulminantes.

b) Mquinas explosoras que dan la energa necesaria para trasmitir impulso elctrico al circuito de voladura.

Cebo: El elemento cebador es un cartucho al cual se le realiza una ranura (con un objeto de madera) y se le introduce un fulminante o un estopn, cuya finalidad es iniciar la explosin dentro del barreno.

Posiciones de los cebos:

c1 Posicin del cebo cuando es activado por estopn y existe humedad en el barreno.

c2 Cuando es activado por estopn, no existiendo humedad.

c3 Cuando es detonado por fulminante o mecha explosiva.

La holgura mxima entre cartucho y barreno es de 1/8"

Taco: Tapn que se le coloca al barreno para evitar la fuga de gases (pudiendo ser cualquier material inerte, cementado que produzca buen sello como: arcilla, concreto, pero es muy costoso).

Atacador o Fainero: Elemento para compactar la dinamita, es un cilindro de madera dura cortado de tal forma que el hilo de la madera sea longitudinal.

DISEO DE EXPLOSIVOS:

El diseo de explosivos, se hace con el auxilio del Mtodo Americano para voladura de rocas (mtodo emprico)

Al realizar un diseo de voladura se consideran las interrogantes siguientes:

1.- Que cantidad de explosivos por m3 se necesita?

2.- De qu dimetro se va a realizar el barreno?

3.- De qu potencia va a ser el explosivo?

4.- En donde se van a colocar los barrenos?

El Mtodo Americano para voladura de rocas, es un mtodo iterativo, en el cual para un determinado diseo se puede "jugar" con diferentes parmetros entre ellos l O del barreno, la distancia D, del frente al barreno, as como tambin la carga de explosivo pesado a utilizar que se puede variar de D a D/2, hasta llegar a una separacin entre barrenos comprendida entre

D< s < 1.3D

La separacin comprendida entre estos valores da la distribucin ptima, para una voladura eficiente.

TABLA 1

TIPO DE ROCA T EN KG/CM2

Granito65

Basalto,Riolitas y Andesitas 55

Pizarras y Dolomitas 48

Calizas40

Conglomerados35

Areniscas28

Tepetate20

Entre los elementos que varan las cantidades de explosivos en m3 est la resistencia de la roca a la tensin, el tamao mximo de material a obtener y el estado de sanidad de la roca.

Consumo especfico de explosivo Q es la cantidad necesaria de explosivo para obtener un m3 de material de tamao mximo de una yarda cbica.

Se calcula con la frmula:

Q = f * T / j *

En la cual:

Q = Consumo especfico

f = Factor de tamao

j = Factor de sanidad

T= Resistencia a la tensin en kg/cm2

H = Altura del frente en m

TABLA 2

TAMAO DE MATERIAL EN M3

FACTOR DE TAMAO

f

Mximo de 0.76 1

Mximo de 1.1 - 1.2

Mximo de 1.3 1.5

Mximo de 1/8 2

TABLA 3

ESTADO DE LA ROCA

FACTOR DE SANIDAD

Sana30

Semicontaminada35

Contaminada40

Coeficiente de Barrenacin = Longitud del barreno / Volumen tronado por barreno

DIAGRAMA DE BARRENACIN.

Debe contener los datos siguientes:

1.- Distribucin de barreno y diam.

2.- Carga de los mismos

3.- Tiempo de detonacin

Para el diagrama de Barrenacin se va a utilizar la disposicin a tresbolillo, utilizando una distribucin de tiempos que permitan refrenar la expulsin del material, teniendo el material ms cerca del frente y facilitando la rezaga del mismo.

EXCAVACION EN CANALES ( con explosivos)

Existen dos casos para este tipo de excavaciones:

Primer caso: la plantilla del canal tiene 6.0 m o ms la altura > 9 m

Segundo caso: la plantilla es < 6 m y la altura < 9 m

En el primer caso la explotacin se realiza como si fuera a cielo abierto, los barrenos debern seguir una confrontacin de ese tipo o bien una confrontacin inclinada en los extremos, dependiendo de la altura y el ngulo de talud.

En el segundo caso es necesario realizar la explotacin auxilindose de barrenos de cua, para permitir un grado de libertad hacia donde se dirijan las ondas explosoras, por lo tanto, la voladura se realiza hacia el centro de la seccin.

Estos barrenos de cua ocupan ms de la mitad de la seccin transversal del canal y siempre sern cargados con explosivo pesado, sin determinar el diseno de los mismos, pero si la cantidad para fines estimativos y de P. U.

EXCAVACIONES DE TUNELES (con explosivo)

Los tneles se construyen con diversas finalidades entre las cuales se pueden mencionar las siguientes:

- Pasajes para ferrocarriles y vehculos automotrices

- Accesos a minas

- Canales para conduccin de agua

- Conduccin de hidrocarburos o lneas de transmisin, etc.

En todo tnel deben de considerarse distintos aspectos, los principales son:

- Geometra de la seccin depende del tipo de libramiento o uso

- Tamao de la seccin

- Longitud del tnel

- Topografa

- Geologa

- Ventilacin

En este tipo de excavaciones los explosivos deben tener ciertas caractersticas; debindose emplear explosivos pesados con una potencia mayor del 60% que no produzcan gases txicos y que sean impermeables, de fcil manejo durante las operaciones de transporte y colocacin, permitiendo una carga continua a lo largo del barreno (cohesivo) y deben tener como iniciadores Estopines de milsimas de seg. (Ms)

La dimensin mnima en tneles ser de 4 ft a 5 ft y en general no depende de la magnitud sino de la seccin. Los dimetros de Barrenacin varan entre 1" y 2" para satisfacer estas condiciones existen varios mtodos constructivos :

1. Mtodo de Seccin y Banqueo

2. Mtodo de la Cua o Frente Completo

3. Mtodo del Agujero Quemado

La operacin repetitiva de colocacin se realiza con: plataformas de perforacin (yumbos) Un yumbo deber cubrir los siguientes requisitos mnimos:

a) Ser lo ms ligero posible a fin de facilitar las maniobras empleadas en su trabajo.

b) Adaptarse a las necesidades del frente de trabajo, sirviendo tanto, para los propsitos de Barrenacin, como de la carga y poblado de explosivos en los barrenos del frente.

c) En caso de ser muy grande, a fin de evitar la necesidad de largos transportes, debe ser construido de forma, de que al ser retirada a una prudente distancia del frente de trabajo, pueda replegarse en alguna de sus partes, para dejar espacio suficiente que permita el paso del equipo de rezagado y acarreo.

En cada tnel deber disearse una plataforma de perforacin que se adapte a las necesidades especficas del mismo.

TIPOS DE CUAS.

Fundamentalmente existen tres tipos de cuas:

Cua de ngulo.- Los barrenos que la conforma son inclinados.

Cua Fragmentadora.- Se caracteriza porque los barrenos que la conforman son perpendiculares a la seccin.

Cuas Especiales.- Tipo de cuna destinada a la apertura de secciones especficas.

Cuas de ngulo .- Se conocen como cua en V, se recomiendan para secciones cuadradas o rectangulares; la dimensin de la cua vara del 10 al 15 % de la dimensin del frente; en rectangulares depende de la seccin. El ngulo que se considera eficiente es de 200.

Cua en V y Cua doble V utilizable en calizas * rocas duras conglomerados etc. granito, basalto

Cua Pata de Gallo Cua Piramidal

Cua en ngulo para secciones circulares.

Cuas Fragmentadas.- Su caracterstica principal es que va a contener barrenos cargados y otros no; la funcin de los barrenos cargados es dar energa Fragmentadora y la funcin de los barrenos sin carga es orientar esa energa a un determinado sector, dimensin 10 - 15 % tamao mximo.

Secciones cuadradas y/o rectangulares Secciones Circulares

TIPOS DE BARRENOS:

1.- Barrenos de Cua - Siguen especificaciones anteriores.

2.- Barrenos Auxiliares - Contenido en nmero en la masa a

explotar.

3.- Barrenos tabla o Corte - Definir la seccin.

MTODO DE LA CUA O ATAQUE A SECCIN COMPLETA.

Generalmente el ataque de tneles con este mtodo se practica en aquellos de dimensiones tales que resulta econmico el empleo de (yumbos) plataformas de perforacin. Con el mtodo de ataque a seccin completa se excava un tnel a toda su seccin transversal en cada cuele, este mtodo se emplea en tneles hasta de 160 m2.

La cua est localizada aproximadamente al C.G. de la seccin proporcionando un grado de libertad concntrico.

En materiales duros, la cua debe llegar a la misma distancia que los barrenos de tabla, en materiales ms suaves el barreno de tabla se puede profundizar H/3 ms y se considera que la cua aunque llega a 2/3 H llega a abrir hasta H.

MTODOS DE SECCIN Y BANQUEO.

La utilizacin de este mtodo resulta econmica, utilizndose en secciones grandes, bsicamente consiste en excavar una seccin transversal en la parte superior; por ejemplo, con el mtodo de la cua en la 1a. etapa y despus explotar en la 2a. etapa a ciclo abierto o banco.

MTODO DEL AGUJERO QUEMADO.

Este mtodo consiste en abrir un barreno al centro de la seccin de 6", con lo cual se proporciona el grado de libertad requerido para la explotacin, procedindose a denotar igual que con el mtodo de la cua, haciendo la distribucin de barrenos correspondiente. Este mtodo no se aplica en Mxico.

Para la distribucin de los barrenos existen dos mtodos:

1.- Desarrollo de la Seccin.

2.- Por compensacin de Areas de Influencia.

RECOMENDACIONES GENERALES PARA TRANSPORTE Y MANEJO DE EXPLOSIVOS.

Vehculos.- Los pisos de las casetas donde se alojan los explosivos para su transporte deben ser de madera.

La caseta debe ser cerrada y recubierta de algn material incombustible e impermeable.

-Cuando el camin vaya cargado debe llevar banderas rojas e identificado con rtulos (PELIGRO EXPLOSIVOS)

Nunca se debe transportar juntos; Estopines, fulminantes y explosivos, sino siempre por separado.

Los elementos de expulsin de gases nunca deben cruzar la posicin de la caseta.

MANEJO DE EXPLOSIVOS

Los paquetes o cajas de explosivos no deben aventarse o dejar caer al estarlos cargando, descargando o acarreando, debindose depositar cuidadosamente.

Los paquetes o cajas de explosivos no deben abrirse dentro de un almacn de explosivos, ni a un radio de 15 m del almacn.

Deben emplearse herramientas de madera o material no metlico para abrir cajas o paquetes.

No deben emplearse herramientas metlicas.

Los explosivos y detonantes que se les den a los obreros deben colocarse en receptculos aislados, independientes y seguros.

No se debe cargar barrenos durante una tormenta.

REZAGADO DE LA ROCA.

Tiene gran importancia en los costos y tiempos de realizacin de los trabajos el equipo empleado para rezagar y transportar la roca fragmentada, cuya capacidad deber ser determinada en funcin de obtener ciclos en que el conjunto de operaciones se encuentre balanceado.

En excavaciones a cielo abierto no se presentan problemas para determinar el equipo adecuado, pero en excavaciones subterrneas la limitacin de espacio, suele ser uno de los factores que determinan la seleccin del equipo de rezagado (excavadoras y vehculos de transporte).

En tneles de dimensiones reducidas en donde no hay cupo para el empleo de equipo mecanizado, o no es econmico su uso la rezaga se carga a mano, transportndola, bien sea en camiones pequeos o en carretillas de mano hasta fuera de la excavacin.

Segn las dimensiones de la excavacin, ser la capacidad de la mquina rezagadora; la capacidad de los vehculos de transporte est tambin fijada por las dimensiones de la excavacin. por la capacidad de la rezagadora y por el ritmo de trabajo programado

EJEMPLOS DE APLICACIN

PROBLEMA 1

Se desea explotar una cantera de basalto que tiene una altura de 12 m. Se necesita obtener piedras de 1/4 m3, considerando que la roca se encuentra contaminada.

Datos:

H = 12 m

f = 1.4

j = 40

T = 55 Kg/cm2 (basalto)

P. Explosivo ligero = 0.9 tn/m3 40 %

Explosivo pesado = 1.55 tn/m3 60%

Determinacin del consumo especfico

= 0.55 Kg/m3

Si d = distancia mnima del barreno al frente = 0.5 m. en la parte inferior del frente, se tiene la proporcin:

4 : 1

12 : x

. x = 3 m Sera la distancia D si se colocar el barreno pegado a la parte inferior del frente

La D mnima sera 3.5. m

Por tanteos se considera: D = 4 m

La altura del explosivo pesado va de D a D/2. El tanteo se comienza con D/2, lo cual redunda en economa

Si D = 4 m

He p = D/2 = 2 m

Ht = 2 M

H e = D/3 = 4/3 = 1.33 m

H e l = 12 + 1.33-2-2 = 9.33 m

Estimacin del dimetro del barreno

Diam. = H en donde: H en m y Diam. en pulgadasdiam. = 12 = 3.46"

Para el primer tanteo se considera

Dimetro de 4"

Determinacin de la longitud del barreno cargado

11.33(1.03) = 11.67 m

Determinacin de la longitud del explosivo pesado = 2 x 1.03 = 2.06 m

Determinacin de la longitud del explosivo ligero = = 9.33 x 1.03 = 9.61 m

- S el rea del barreno

b = (1.019)2 / 4 = 0.0081 m2

El volumen de explosivo pesado

Ve p = 206 (0.0081) = 0.0167 m3

El volumen de explosivo ligero

Vel = 9.61 (0.0081) = 0.0770 m3

Determinacin del peso de explosivos

Peso explosivo pesado

Wep= 1550 (0.0167) = 25.89 kg.

Peso explosivo ligero

Wel = 900 (0.0779) = 70.02 kg.

W total = 95.91 kg.

Volumen por extraer Si

Wt = 95.91 kg

Q = 0.55 kg/ m3

Vol =95.91 / 0.55 =174.38 m3 de material por cada barreno

Area de Influencia

Ai = Vol / H = 174.38 / 12 = 14.53 m2

Separacin entre barrenos

S = Ai / D = 14.53 / 4 = 3.64 mts. Aprox. 4 m

.

Si D < 1.3 D . . no cumple.

Para el segundo tanteo se utilizar D para explosivo pesado, utilizando D mx. para explosivo pesado.

W e p = L p x b x p = 4(1.031) (0.0081) (1550) =51.78 kg.

Hel = 12 + 1.33 2 4 = 7.33 m

W e l = 7.33 x 1.031(0.0081) 900 = 55.04 kg. W total =106.87 kg.

S = Wt/ QHD en m

S = 106.87 / 0.55(12) 4 = 4.05 m

.

4 < 4.05 < 4.9 cumple con lo especificado

Con frentes menores de 9 no hace falta la sobrebarrenacin de D/3 solo para frentes de H> 9 m.

Para frentes < 6 m solo utilizar explosivo pesado

PROBLEMA -2

Se desea abrir un tnel en basalto sano, sabiendo que la herramienta disponible es de Diam. b = 1.5" y 12 ft. = 3.60 m. de long. El explosivo a utilizar ser de una Potencia del 60% necesitndose obtener material de tamao mximo de 1/4 m3..

H = 3.56 m

f = 1.4

j = 30

T = 55 kg/cm2

Diam b= 1.5"

= 1.36 Kg/m3

En tneles la medida mnima de taco es de 12" y la separacin mnima entre barrenos es 25 diam. b

Vol. Expl. P. = (1.5 x 0.025)2 /4 (3.56-.30) = 0.0037 m3

Wep = 0.0037 m3 x 1550 kg./m3= 5.74 kg.

Vol. por extraer = 5.74 kg./1.36 kg./m3 = 4.22 m3

rea de influencia = 4.22 m3/3.56 m = 1.18 m2/barreno

No de barrenos = No b rea = A

t 2; A= 3.36 (1.25) = 4.20 m2

No b = 4.20 m2 = 3.28 = 4

1.18 m2

t 3; A= 3.4 (1.106) = 3.87 m2

No b = 3.87/1.18 = 3.3 = 4

t 4; A= 5.57 (1.25) = 6.97 m2

No b = 6.97/1.18 = 5.9 = 6

t5 = t6; A = 6 (1.106) = 6.64 m2

No b = 6.64/ 1.18 = 5.6 = 6

Estandarizacin de distancias

1.125 m2 * 3.56 m= vol. por extraer

vol. por extraer = 4.00 m3

W ep= 4.005 m3 * 1.36 kg./m3

We p = 5.447 kg.

Wep/r = 5.44/1550 = 0.00351 m3

Que es vol. por barreno.

.0035 = (1.5 x 0.025) 2/4 H st

H sin taco = 3.08 m

Taco = 3.56 - 3.08 = 48 cm.

H taco = 48 cm.

M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS

1

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