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Construcción de Túneles En Condiciones Geológicas Inesperadas

Construcción Minera La serena, 30 de diciembre de 2013

Yissele Carvajal Cisterna Karen Díaz Rojas Camilo Espinoza Cáceres Ángelo Ramírez RojasMarcos Rojas Jopia Alfonso Carvajal

Datos Preliminares

Noruega

• Forma junto a Suecia, la península Escandinava.

• Noruega es uno de los países más importantes, en lo que respecta a la construcción de estructuras subterráneas que tienen por finalidad un sin número de propósitos.

Túnel Godoy

• Se encuentra en la costa oeste de Noruega.

• Longitud de 3.844 metros.

• Profundidad 155 metros.

• Infiltraciones esperadas de 300 l/min/km

Geología y Clima

• Dos tercios del país están cubiertos por rocas del Precámbrico, con Gneiss.

• Las condiciones geológicas eran conocidas.

• Movimientos tectónicos recientes, provoca un conjunto de aberturas.

• Clima templado.

Túnel Oslofjord

• Se encuentra a 40 kilómetros del sur de Oslo.

• Longitud 7.306 metros.

• Profundidad 134 metros

• Infiltraciones esperadas 300l/min/km

Geología y Clima

• En el Cretácico superior la mayoría del sur de Noruega estuvo sumergida bajo el mar y fue cubierta por un gran volumen de sedimentos marinos.

• La masa de roca se hace en parte por una lutita metamórfica Cambro-Silúrico y calizas y en parte de Rocas intrusivas y extrusivas Pérmicas.

• Clima húmedo continental-

Túnel Bjoroy

• Se encuentra en la costa oeste de Noruega, fuera de Bergen.

• Longitud de 2.012 metros.

• Profundidad 82 metros.

• Infiltraciones esperadas de 300 l/min/km

Geología y Clima

• Antes de su construcción se pensaba que era totalmente rocas del basamento metamórficos.

• Sedimentos Jurásicos incluían brechas, conglomerados, en contacto a Gneiss y Areniscas.

• Clima marítimo en costa y fiordo, entre ambos clima de tundra.

Contratos y Fortificación

Túneles carreteras en Noruega: información principal

• 960 túneles, longitud total de 860 km

• Mayormente cortos: < 1 km

• Túnel más largo: 24,5 km

• Túnel más profundo, 287 m bajo el nivel del mar

• Túneles en Oslo: hasta 100.000

• 27 túneles debajo del mar

Ingeniería de Túneles

• Túneles en Roca Dura

• Túnel Drenado

• Inyecciones de la Roca

• Métodos de Sostenimiento: pernos y shotcrete

con fibras.

• Solo en puntos débiles se emplea hormigón in situ

• Protección contra el agua y el congelamiento

Sondajes Exploratorios Hacia Adelantede la Frente

• Detectar presencia de agua adelante

de la frente.

• Información sobre el caudal y la presión

hidráulico del agua.

• Detectar fallas geológicas o situaciones

complicadas.

• Sondajes normalmente con las

barras del jumbo.

Revestimientos

• Protegen el área del túnel contra agua y hielo

• Túnel drenado: el agua se dirige al sistema de drenaje

• Revestimientos de Acero o Aluminio.

• Membranas de protección del agua y de aislamiento

térmico: Lámina de Poli estireno Expandido, protegidas

contra incendios por shotcrete con fibras de plástico.

• Revestimientos con membrana sola. (Túneles de poco tráfico).

Fortificación de roca

• Método Noruego:

– Túnel drenado

– Fortificación con sistema flexible (pernos y shotcrete)

– Sistema rígido donde sea necesario (concreto completo)

– Inyecciones contra el agua

Secuencia de fortificación

Membrana

Instalación de Protección Contra elAgua

Revestimiento

Organización de Proyectos de Tunelería

• El MOP Vialidad es propietaria de largo plazo, a cargo de la

• Planificación, construcción y operación.

• Proyecto propio o hecho por consultores

• Construcción: Mayormente con contratistas, a precios

unitarios (sólo 3 concesiones)

• Mantenimiento- Contratos de 5 años con los contratistas

• El MOP Vialidad supervisa todos los detalles relativos al

contrato: cumplimiento de plazos, calidad y economía de

construcción y mantenimiento.

• Cooperación y buenas relaciones en el entorno de los

especialistas en tunelería

Principio de Participación en Riesgo

• El propietario toma el riesgo de las condiciones geológicas del proyecto

• El Contratista toma el riesgo para la ejecución del proyecto, con foco de

• métodos efectivos y tecnología innovativa.

• El propietario es el responsable para efectuar las investigaciones geológicas.

• Todas las informaciones serán disponibles para las contratistas.

• El propietario presenta su estimaciones de las características geológicas y la

• fortificación, inyecciones etc. el los documentos de licitación.

• El contrato tiene un sistema de regulación del tiempo y los costos basados en

• tiempos unitarios para las diferentes operaciones.

Representación del Nivel de Riesgo

¿Por qué Compartir el Riesgo?

• Las condiciones geológicas son siempre son inciertas al momento de firmar el contrato

• Si el contratista tiene que asumir todo el riesgo propondrá altos

precios con el fin de mantenerse cubierto.

• Discusiones y arbitrajes frente a cambios en las condiciones de roca pueden ser muy costosos y consumir mucho tiempo, los únicos

• ganadores son los abogados.

Resumen

• Todas las actividades posibles a realizar durante la excavación

deben ser estimadas en la Tabla de Cantidades (Bill of Quantities)• Un precio unitario debe ser ofrecido por el contratista para cada

actividad• Un tiempo equivalente debe ser ofrecido por el contratista, o

previamente determinado por el mandante, para cada actividad.• La fortificación inicial es responsabilidad del contratista y la definitiva del

Mandante• Por lo tanto al contratista se le paga por unidad de trabajo realizado y el

tiempo de construcción contractual se ajusta a las condiciones del suelo reales por medio del sistema de tiempo equivalente.

Método Noruego en la Excavación de Túneles en el Teniente

Resumen de Aplicar el Método Noruego

Resultados de la Aplicación de la Metodología Noruega

Estudio de Factibilidad

Sectorización Geotécnica

• A partir de una sección en que se proyecta la geología de superficie, más información de sondajes y ensayos de laboratorio, se asigna una clasificación de macizo rocoso o calidad de roca a los distintos sectores a lo largo del túnel (o porcentajes dentro de cada uno).

• Luego se suman en km los sectores de igual calidad, determinando % de calidades de roca.

La Sectorización Geotécnica Permite

• Identificar métodos de excavación más apropiados y su % del trazado.

• Identificar tipos de fortificación y su diseño.

• Estimar costos de la obra.

• Seleccionar zonas donde se requieran prospecciones adicionales.

Clasificación del Macizo Rocoso bieniawski 89

El método de clasificación de Bieniawski 1973 se desarrollo para estimar la fortificación de túneles en función del índice RMR de calidad geotécnica, definido como:

I. Resistencia a la Compresión Uniaxial de la Roca (UCS)

II. Rock Quality Designation (RQD)

III. Espaciamiento de las Discontinuidades (S)

IV. Condiciones de las Discontinuidades (Jc)

V. Condiciones de Agua (WC)

Bieniawski 1989

TUNEL RMR RMR AJUSTADO

CALIDAD

GODØY 60 60 REGULAR

OSLOFJORD

75 75 BUENA

59 59 REGULAR

BJOROY 35 33 MALA

70 68 BUENA

En u una sección del túnel existe una brecha en forma sub-verticales en zona de intersección del túnel en un ángulo de 30-35 grados dando condiciones pobres sobre una sección 45m

Conclusiones

• Las tablas para calcular los puntajes que definen a los parámetros que definen el índice RMR han cambiado varias veces desde la introducción del método 1973, por lo que es muy importante el indicar que versión del método se esta utilizando.

• Debe tenerse presente que muchas veces los testigos seleccionados para evaluar UCS corresponden a los mas competentes, por lo que no necesariamente representan la resistencia típica de la roca intacta.

• El uso del RQD presenta los problemas propios de este índice, por lo que debe emplearse siempre con bastante criterio, y tomando en cuenta las características geológicas del macizo rocoso que se esta calificando.

• Los puntajes asociados al espaciamiento entre estructuras suponen que el macizo rocoso presenta tres sets de estructuras, por lo que si el macizo tiene menos de tres sets la evaluación resulta conservadora.

• El índice RMR parece funcionar bien para caracterizar macizos rocoso de las clases I a IV, en donde RMR>25, peo no funciona bien en macizos rocosos de muy mala calidad geotécnica.

Método de Índice de Resistencia GSI

El GSI es un sistema para la estimación de las propiedades geo mecánicas del macizo rocoso a partir de observaciones geológicas de campo.

La evaluación del índice GSI se hace por comparación del caso que interesa con las condiciones típicas y este índice puede variar de 0 a 100, lo que permite definir 5 clases de macizo rocosos:Macizo de calidad Muy Mala ( 0 ≤

GSI ≤ 20)Macizo de calidad Mala ( 20 < GSI

≤ 40)Macizo de calidad Regular ( 40 <

GSI ≤ 60)Macizo de calidad Buena ( 60 < GSI

≤ 80)Macizo de calidad Muy Buena ( 80

< GSI ≤ 100)

TUNEL GSI CALIDAD

GODØY 55 REGULAR

OSLOFJORD70 BUENA

54 REGULAR

BJOROY 28 MALA

63 BUENA

Método de Clasificación por Q de Barton

• Esta clasificación Geomecánica se basa en el índice de calidad “Q” denominado también Índice de Calidad Tunelera, que da una estimación de la calidad del macizo rocoso, teniendo en cuenta los siguientes factores:

• RQD Rock Quality Designation• Jn Número de Familias de junta • Jr Coeficiente de rugosidad de la junta• Ja Índice de Alteración • Jw Coeficiente reductor por la presencia de agua• SRF Factor reductor por tensiones en el macizo rocoso

Túnel OSLOFJORD Q de Barton

RQD Rock Quality Designation

Jn Número de Familias de Junta


Jr Coeficiente de Rugosidad de la Junta

Ja Índice de Alteración


Jw Coeficiente reductor por la presencia de agua

SRF Factor reductor por tensiones en el macizo rocoso


Los valores obtenidos son:1) RQD: 73%

2) Jn: 3 familias y … valor: 12

3) Jr: 1,5 rugosa

4) Ja: 4 alteraciones arcillosas

5) Jw: 0,66 afluencia media de agua

6) SRF: 1

VALOR DE 2.64

Software Dips

Línea de Detalle

Uso de Software Dips

Estas familias determinan tres planos principales de debilidad en donde se puede apreciar la formación de cuñas que puede producir deslizamientos coplanares o también identificar los posibles deslizamientos planares.

Representación de planos

Aquí se muestra la dirección y el manteo de las 3 principales familias de discontinuidades.

Dirección del túnel

Trend: 251Plunge: 0°

La dirección del túnel corresponde a la orientación en la cual se encuentra el menor número de discontinuidades

Efecto de una falla

En la roca arenisca asociada al túnel Bjoroy se encuentra un importante falimiento.

Algunos Gráficos Relevantes

En base a los resultados entregados por el software, presentamos diversas representaciones gráficas (Histogramas) en la cual se detalla la cantidad de muestras presentes en un rango específico destacándose parámetros de importancia en el análisis.

Dip directionEspesor

Dip

ROCKDATA

Elección de Parámetros

Para la roca de tipo gneiss foliados de utilizará un factor de disturbancia igual a cero ya que la tronadura es de buena calidad y no afecta al contorno de la excavación.

Para el caso de la arenisca y las malas condiciones geomecánicas que presenta se utilizará un factor de disturbancia igual a 0.8.

Túnel Bjoroy Roca Gneiss Foliado

El Túnel Bjoroy posee 2 Litologías principales, Análisis Roca Arenisca

Túnel Godoy

Túnel del Fiordo de Oslo Roca Gneiss

PHASE 2D

Análisis de Esfuerzo

• El desarrollo de las cavernas se realizaron en 3 etapas.

• Estas etapas se analizaron con el software PHASE 2D, para ver el comportamiento de los esfuerzos a través de cada etapa.

Análisis de estabilidad del túnel aplicando software Phase 2.

Primero se analizarán los esfuerzos y deformaciones ocurridas luego de la primera liberación de esfuerzo en el túnel tras la primera de las tres secuencias de tronadura (15-20 Mpa).Vemos que estos aumentaron considerablemente en la labor.

• Túnel Bjoroy (gneiss)

El túnel presenta niveles bajos de esfuerzos horizontales situándose alrededor de 1Mpa en la periferia de la excavación realizada.

La poca profundidad de la excavación sumada a que parte de esta es agua influye en que se obtenga un factor de esfuerzo bajo.

En cuanto a los desplazamientos verticales y horizontales vemos que la labor se mantiene prácticamente sin deformación, esto es debido a la buena calidad de la roca presente en el lugar y a la poca profundidad a la que se encuentra el túnel.

Vista de los esfuerzos tensionales que se producen en la roca.

Distribución de los esfuerzos inducidos luego de realizada la excavación.

• Túnel Bjoroy (arenisca)

Análisis de estabilidad del túnel aplicando software Phase 2

Si bien los niveles de esfuerzo son moderados la mala calidad de la roca no asegura que el macizo se mantenga estable alrededor del túnel. Por lo contrario se espera una zona de alta inestabilidad en las paredes y techo.

La zona en la cual se encontró la arenisca presenta malas condiciones, aun así la sobrecarga de material no es mucha debido a la poca profundidad, aún así es necesario analizar cómo se comportará la excavación ante la situación de liberación de esfuerzo y prolongación de fracturas provocadas por la tronadura.

Esfuerzos Tensionales Redistribución de Esfuerzos Inducidos

El túnel Godoy presenta características similares en cuanto a litología con el túnel Bjoroy, formado por gneiss precámbricos foliados de muy buena calidad por lo que las condiciones de esfuerzos y deformaciones son menos incidentes.

Esfuerzo menor

Esfuerzo principal

Análisis de estabilidad del túnel aplicando software Phase 2 Túnel Godoy

Esfuerzo principal

Esfuerzo menor

Strength Factor > 1If the Strength Factor is greater than 1, this indicates that the material strength is greater than the induced stress.

Strength Factor < 1If the Strength Factor is less than 1, this indicates that the stress in the material exceeds the material strength (i.e. the material would fail, if a plasticity analysis were carried out). Remember, for an elastic stress analysis, the stress in the material is allowed to exceed the material strength (i.e. material failure cannot occur).

Curvas de Desplazamiento Total

Aplicación de Soporte

Luego de realizar el respectivo análisis podemos decir que las excavaciones no se desplazan en gran magnitud sino que muy poco con respecto a las dimensiones de la excavación final, por otra parte la distribución de los esfuerzos se pueda apreciar de muy buena forma por lo cual analizando por otro lado el factor de seguridad nos señala que no existe gran seguridad en las paredes de la excavación por lo cual deberíamos utilizar fortificación, obtenida mediante la Q de Barton la cual señala que debemos utilizar para cada uno de los casos:

Perforación

Proyecta según avanzas

En Noruega se sigue la filosofía “proyecta según avanzas” que supone aplicar un método constructivo flexible, adaptable con ajuste continuo de un metro a otro de túnel, de acuerdo a la calidad de la roca que se encentre

Sondajes Exploratorios Hacia Adelantede la Frente

• Detectar presencia de agua adelante

de la frente.

• Información sobre el caudal y la presión

hidráulico del agua.

• Detectar fallas geológicas o situaciones

complicadas.

• Sondajes normalmente con las

barras del jumbo.

Perforación

La perforación del túnel se realiza en tres etapas de avance tal como se muestra en la imagen, la razón de esto es debido a las grandes dimensiones de los túneles las cuales en estos casos son alrededor de 55 m2 de sección

Equipos perforación

• Para perforación en horizontal consideramos un equipo jumbo de 2 brazos, específicamente de la empresa Atlas Copco:

• Boomer E2 C:moderno equipo hidráulico de perforación frontal adecuado para galerías de tamaño mediano a grande y túneles con secciones de hasta 112 m2

Parámetros de diseño

• Esquema de tiro: Comprende la disposición en el frente fe los taladros que se van a perforar, la carga de explosivo que se va a introducir en cada uno y el orden en que se va a detonar cada barreno

Parámetros Diseño perforación

Número de Tiros 44 tiros /disparo

Metros Perforados 171 m/disparo

Carga Empleada 190 Kg/disparo

Carga Específica 2,56 Kg/m3

Perforación Específica 2,22 m/m3

Diseño de Avance

TIEMPO DE RETAR

DO

CLASEPROFUNDIDADH(m)

CANTIDAD DE TIROS

QT

CARGA

EMPLEADA

MS Cuele1 sección 3.78 4 4.91 19.642 sección 3.78 4 4.91 19.643 sección 3.78 4 4.91 19.64

LPCaja 3.78 8 3.34 26.72

Coronas 3.78 4 2.86 11.44Zapateras 3.78 6 4.93 36.24

LP Auxiliares

descargas

3.78 8 4.53 36.24

coronas 3.78 3 4.53 13.59zapateras 3.78 3 4.53 13.59

TOTAL 44 190

Tabla el resumen de tiros perforados y su carga empleada

Secuencia de diseño Fase Avance

La secuencia de diseño consiste en un avance por rebaje, la primera sección deberá llevar el cuele para poder generar la cara libre.

Diagrama de energía

Cantidad de explosivo detonada v/s tiempo.

Fase Siguiente (Destroza)

• Ahora la detonación continúa con barrenos horizontales en los 2 niveles inferiores, aprovechando la cara libre generada por el primer avance de explotación.

La voladura de la destroza con barrenos horizontales tiene la ventaja que se utiliza la misma maquinaria que la fase de avance

Software Undwage

Análisis de Estabilidad de Cuñas Aplicando Software Undwage Bjoroy

Cuñas Formadas

Cuña piso

FS: 2.694Volume: 42.231 m3Weight: 114.024 tonnesz-Length: 4.67 m

Cuña pared izquierda


Cuña pared derecha


Cuña techo


Túnel Bjoroy Arenisca

Cuñas Formadas

Cuña piso

FS: 2.436Volume: 24.045 m3

Weight: 64.924 tonnes

Cuña pared izquierda

FS: 0.542Volume: 8.041 m3


Cuña pared derecha

FS: 0.497Volume: 3.889 m3


Cuña techo

FS: 2.032Volume: 10.96 m3


Asarco Método Noruego

Gracias

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