DISEO DE EXCAVACIONES SUBTERRNEAS Y/O TUNELERA

Integrantes:

Cayao Coronel, Jos.Bustamante Chvez, Eder.Molocho Benavides, Tatiana.Regalado Bustamante, Carlos.Vsquez Zelada, Jhenifer

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Norte de la universidad Peruana Fundada el 13 de feberero del 1963 Facultad de ingenieria Escuela acadmico profesional de ingenieria de Minas

SostenimientoRevestimientoTNELES

PRINCIPALES FACTORES DE DISEO

Condiciones GeolgicasGeomcanicos:Estructura GeolgicaResistencia de la matriz rocosaDiscontinuidadesCondiciones Hidrogeolgicas

Clasificacin SRC

Influencia de las Condiciones GeolgicasOrientacin desfavorable de discontinuidades.Orientacin desfavorable de las tensiones con respecto al eje del tnel.Flujo de agua hacia el interior de la excavacin a favor de fracturas, acuferos o rocas carstificadas.Condiciones Naturales:

Influencia de las Condiciones Geolgicas Prdida de resistencia del macizo que rodea a la excavacin como consecuencia de la decompresin creada.Reorientacin de los campos tensionales, dando lugar a cambios de tensiones.Condiciones Inducidas:

Estructura Geolgica:

Buzamiento de la estructura con respecto a la seccin del tnel.Direccin de la estratificacin con respecto al eje del tnel.

Tipo de pliegues.

Factores:

Conocer la estructura tectnica regional y localDireccin de la estratificacin con respecto al eje del tnel.

Cartografa geolgica y anlisis estructuralEl estudio de las fallas y dems discontinuidades singulares requieren de: Identificacin de fallas y su clasificacin Estudio sobre las implicaciones tensionales y sobre sismicidad.Discontinuidades

Resistencia de la matriz rocosa

Factor de competencia:Donde:ci= resistencia de la matriz rocosa.v= tensin o esfuerzo mximo vertical.Fc >10: la excavacin es estable.2>Fc >10: la estabilidad est condicionada.Fc 2.000 2.500 m/s, segn las condiciones del macizo o cuando las rocas sean muy abrasivas.

Los mtodos ms utilizados para la excavacin de tneles en roca son la perforacin y voladura y la excavacin mecanizada.Es el mtodo ms utilizado, y consiste en efectuar unos taladros en el frente de excavacin, cargarlos con explosivos y hacerlos detonar. La perforacin se efectua por medio de jumbos o carros perforadores, en la figura siguiente vemos un carro perforador de cuatro brazos. 60

En la siguiente figura observamos la secuencia de excavacin y los sostenimientos en avance segn este mtodo61- Uno de los objetivos principales en una buena voladura es evitar un excesivo deterioro de la roca circundante a la excavacin. Una voladura inadecuada da lugar a sobre excavaciones y cada de bloques con problemas de estabilidad adicionales. Por ello es preciso efectuar voladuras controladas y tcnicas como el precorte, voladuras suaves etc. que minimicen el dao estructural al macizo62Excavacin Mecanizada-El arranque se efectua por medios mecnicos mediante rozadoras o maquinas tuneladores, adems de otras mquinas de ataque puntual.

Las rozadoras consisten en unas mquinas de ataque puntual dotadas de un brazo que pueden recorrer el frente de excavacin, y en cuyo extremo se aloja un cabezal rotatorio provisto de las herramientas de corte llamadas picas como lo observamos en la figura siguiente.Las rozadoras permiten la excavacin de rocas de resistencia media, e incluso alta, dependiendo de su potencia, obtenindose los mejores resultados cuando la roca presenta entre 20 y 60 Mpa de resistencia a compresin simple. Los materiales con Vp entre 1.900 y 2.500 m/s son difcilmente ripables, y requieren maquinaria muy pesada. Entre 1.900 y 1.600 m/s la ripadilidad es media, y por debajo de 1.600 m/s son fcilmente ripables. Junto con estos criterios hay que tener en cuenta la abrasividad que ya se habl anteriormente.

63TUNELADORA TBM-tambin llamadas topos, excavan una seccin completa de forma circular, mediante una cabeza giratoria dotada de discos o picas de corte

Las tuneladoras admiten, en general, una amplia gama de rocas, desde blandas hasta las de alta resistencia, rendimientos peores en este ltimo caso. La ventaja principal es el gran rendimiento que pueden alcanzar, pues en un proceso continuo excavan, sanean, sostienen y revisten el tnel. Las limitaciones surgen en los macizos rocosos heterogneos con fallas, zonas con aportes importantes de agua, terrenos plsticos o con latas tensiones. En general, precisan de un conocimiento muy completo de las condiciones geolgicas del terreno a perforar. La eleccin del mtodo se basa en un criterio de rentabilidad econmica (una vez descartados los posibles criterios excluyentes): seccin, longitud, problemas geolgicos, abrasividad y dureza de las rocas, entre otros.

64Dureza y abrasividad de las rocasSeccin y ngulo del eje del tnel con respecto a los planos de anisotropa estructuralHeterogeneidad litolgica y longitud de los distintos tipos de terreno a atravesarCondiciones geomecanicas del macizo rocosoPresencia de fallas, zonas de cizalla y pasos de zonas muy fracturadasFiltraciones, gases y tensiones tectnicas.

Algunos de los puntos bsicos que deben considerarse antes de decidir la excavacin con TBM son los siguientes:

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Con carcter ms selectivo, se pueden emplear los martillos hidrulicos, que permiten la excavacin mediante una herramienta de impacto, o martillo picador situado en el extremo de un brazo articulado como se observa en la figura.

66FASES DE EXCAVACIN

Cuando la seccin del tnel es mayor de un cierto valor, unos 40 50 m2, conviene realizar la excavacin en varias fases, sobre todo si la calidad y estabilidad del terreno son bajas. A la primera fase de excavacin se le denomina avance y a la siguiente destroza como lo podemos visualizar en la imagen siguiente.

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La destroza puede excavarse a su vez en una nica fase o en varias: banco central y bataches laterales. En terrenos de mala calidad puede excavarse en una tercera fase la contraboveda, con objeto de cerrar un anillo de hormign. Lo podemos ver en la siguiente figura.

68ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTOEvitar que el terreno pierda sus propiedades resistentesEvitar el desprendimiento de cuas o zonas del terreno por el proceso de excavacinLimitar las deformaciones en la cavidad creadaControlar las filtraciones y proteger las rocas frente a la meteorizacinProporcionar seguridad a las personas e instalaciones

El sostenimiento proporciona al tnel el principal elemento de estabilizacin, cumpliendo los siguientes objetivos:

Para alcanzar estos objetivos se debe instalar el sostenimiento tan pronto como sea posible. A este sostenimiento de tipo inmediato o provisional se lo denomina Sostenimiento primario. Es posible que la excavacin precise de elementos de sostenimiento adicionales para tratar de reforzar el terreno en zonas dbiles, en cuyo caso se denomina secundario. Una vez estabilizada la excavacin y finalizada la instalacin de los sostenimientos, los tneles se cubren de una capa de hormign, llamada revestimiento, cuyas funciones son contribuir a la estabilidad a largo plazo del tnel, mejora su esttica, albergar servicios y conducciones y disminuir la friccin del aire o el agua, entre otras. Los principales tipos de sostenimiento empleados en tneles en roca se describen a continuacin.

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EL HORMIGON PROYECTADOtambin llamado gunita y tiene dos finalidades principales: sellar la superficie de la roca, cerrando las junturas, y evitar la decompresion y alteracin de la roca. y trabaja resistiendo las cargas que le transmite la roca al deformarse, evitando tambin la cada de pequeas cuas y bloques de roca.Cuando el hormign se utiliza nicamente para el sellado de la excavacin no se combina con elementos de refuerzo adicional, siendo los espesores empleados generalmente inferiores a 5 cm. Cuando se pretende que funcione como elemento resistente el hormign proyectado se refuerza con malla electrosoldada o mediante fibras de acero.

70MALLA ELECTROSOLDADA O MALLAZOEst formado por una parrilla de barras corrugadas unidas mediante electrosoldadura, y se utiliza como refuerzo del hormign proyectado por su facilidad de adaptacin a la forma del tnel.

Generalmente se usan mallazos de dimetro de 4, 5 o 6 mm con separaciones comprendidas entre 10 y 20 cm. 71LOS BULONESconsisten en barras de acero de 20 a 40 mm de seccin de longitudes variables normalmente varan entre 3 y 6 m, que se instalan en el terreno previa perforacin del taladro correspondiente. Los bulones ejercen dos efectos sobre la excavacin:Cosen las discontinuidades del macizo rocoso, impidiendo los deslizamientos y cadas de cuas y bloques.Aportan al terreno un efecto de confinamiento.

LAS CERCHASson perfiles de acero laminados en forma de arco que ejercen una funcin resistente cuando trabajan en contacto con el terreno

TRATAMIENTOS ESPECIALESEnfilajes.- Consisten en la colocacin de bulones inclinados unos 40 - 45 hacia el frente de avance para evitar la cada de cuas. Tienen itulidad cuando se atraviesa roca muy fracturada.

Coronas de jet grounting.- En el caso de atravesar una zona muy suelta (rellenos de falla, roca descompuesta, etc.) se puede tratar todo el contorno del tnel mediante inyecciones por la tcnica de jet grounting. Con ello se estabiliza el terreno formando un arco que permite avanzar bajo el.

Paraguas.- Se usan para pasar zonas de roca muy fracturada o muy alterada, con riesgo de desprendimientos al efectuar el avance. Pueden utilizarse Bulones o micropilotes instalados alrededor de la seccin o de la clave del tnel. Cuando el terreno tiene baja resistencia o presenta problemas de estabilidad, filtramientos, hinchamientos etc. se aplican tratamientos especiales de consolidacin, refuerzo, impermeabilizacin o drenaje son los siguientes:

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EL NUEVO METODO AUSTRIACOAplicacin inmediata de un sostenimiento provisional semirrgido de hormign proyectado, bulones y excepcionalmente cerchas.Auscultacin y medidas in situ de deformaciones/tiempo (medidas de convergencia)Eventual refuerzo de sostenimientoConstruccin de un revestimiento definitivo en funcin de la informacin anterior obtenidaEl Nuevo Mtodo Austriaco (NATM) constituye un procedimiento especial de construccin de tneles, desarrollado en Austria por Rabcewicz en los aos 40Sus principios bsicos se pueden resumir en los siguientes puntos:77El principio del NATM es lograr que el terreno que rodea a la excavacin acte como un anillo portante, llegando a constituir un elemento fundamental del sostenimiento activo. - Evitar la meteorizacin y la descompresin de la masa rocosa, ya que estos procesos reducen considerablemente la resistencia al corte. Las rocas diaclasadas son muy sensibles a los esfuerzos uniaxiales, por tanto, como complemento de la gunita se instalan los bulones.Cada cambio o reajuste en el estado de tensiones del macizo crea perturbaciones y roturas en la roca circundante a la excavacinPuesto que el anillo de roca que circunda a la excavacin debe ser lo ms resistente posible, se debe evitar la concentracin excesiva de tensiones en esas secciones.La construccin de un tnel no debe ser considerada estticamente como una estructura tipo arco sino como un tubo.

EMBOQUILLESLas boquillas constituyen una de las zonas ms crticas de los tneles al estar situadas, generalmente, en laderas y tener un pequeo espesor de recubrimientos.La zona de emboquille consta de:- Los taludes de excavacin (frontales y laterales), que pueden ser permanentes o temporales si posteriormente se rellena la excavacin, previa a la construccin de un falso tnel.- El inicio del tnel, formado por la zona de transicin del talud frontal y los primeros metros del interior del tnel.

Los criterios geolgicos geotcnicos a seguir en el diseo de emboquilles son los siguientes:Evitar las zonas afectadas por el deslizamiento u otro tipo de movimientos del terreno; para el anlisis en detalle de estos aspectos es necesario investigar e incluso instrumentar la ladera.Calcular y disear los taludes para alcanzar un factor de seguridad adecuado / aprox 1.3 para taludes temporales y 1.5 a 2.0 para taludes permanentes); si para lograr los citados factores de seguridad es necesario recurrir a elementos de estabilizacin, se deben disear dichos elementos.Complementariamente a los mtodos de estabilizacin que resulten los taludes deben protegerse frente a las siguientes acciones

A) Rpida alteracin y descompresin: se deben gunitar o bolunar los frentes de los taludes mas cercanos a las boquillas particularmente en rocas tipo arcilloso, alteradas o muy fracturadas.B) Filtraciones y sus efectos: para evitarlas se deben canalizar las aguas de escorrentas, tanto en la zona de coronacin como en las laderas circundantes, y en donde las pendientes confluyan hacia el emboquille; en caso necesario se deben instalar mechinales de drenaje.C) Cadas de rocas o desprendimientos: se deben proteger los taludes con barreras dinmicas u otros elementos.