UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA EN …

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS,

PETRÓLEOS Y AMBIENTAL

CARRERA DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA

Trabajo de titulación, modalidad proyecto de investigación previo a la

obtención del Título de Ingeniera en Geología

AUTORA: Valencia Erazo Tania Maribel

TUTOR: Ing. Danny Santiago Burbano Morillo Ms.C.

Quito 2020

Estudio geológico- geotécnico del túnel ubicado en la autopista Manuelita

Sáenz, cantón Quito, parroquia Zámbiza.

II

DERECHOS DE AUTOR

Yo, TANIA MARIBEL VALENCIA ERAZO, en calidad de autor y titular de los derechos

morales y patrimoniales del trabajo de titulación: ESTUDIO GEOLÓGICO-

CANTÓN QUITO, PARROQUIA ZÁMBIZA modalidad presencial, de conformidad con el

Art. 114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS

CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVACIÓN, concedo a favor de la Universidad

Central del Ecuador una licencia gratuita, intransferible y no exclusiva para el uso no comercial

de la obra, con fines estrictamente académicos. Conservo a mi favor todos los derechos de autor

sobre la obra, establecidos en la normativa citada.

Asimismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la digitalización y

publicación de este trabajo de titulación en el repositorio virtual, de conformidad a lo dispuesto

en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.

El autor declara que la obra objeto de la presente autorización es original en su forma de

expresión y no infringe el derecho de autor de terceros, asumiendo la responsabilidad por

cualquier reclamación que pudiera presentarse por esta causa y liberando a la Universidad de

toda responsabilidad.

_________________________

Tania Maribel Valencia Erazo

C.C: 1726727389

[email protected]

GEOTÉCNICO DEL TÚNEL UBICADO EN LA AUTOPISTA MANUELITA SÁENZ,

III


FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS, PETRÓLEOS Y

AMBIENTAL


APROBACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN POR PARTE DEL TUTOR

Yo, Danny Santiago Burbano Morillo, en calidad de tutor del trabajo de titulación: ESTUDIO

GEOLÓGICO- GEOTÉCNICO DEL TÚNEL UBICADO EN LA AUTOPISTA

señorita TANIA MARIBEL VALENCIA ERAZO, con C.I. 1726727389, estudiante de la

Carrera de Ingeniería en Geología, Facultad de Ingeniería en Geología, Minas, Petróleos y

Ambiental de la Universidad Central del Ecuador, considero que el mismo reúne los requisitos

y méritos necesarios en el campo metodológico y epistemológico, para ser sometido a la

evaluación por parte del jurado examinador que se designe, por lo que lo APRUEBO, a fin de

que el trabajo investigativo sea habilitado para continuar con el proceso de titulación

determinado por la Universidad Central del Ecuador.

En la ciudad de Quito, a los 28 días del mes de febrero del 2020.

_________________________________________

Ing. Danny Santiago Burbano Morillo Ms.C.

C.C: 0401235833

TUTOR

MANUELITA SÁENZ, CANTÓN QUITO, PARROQUIA ZÁMBIZA, elaborado por la

IV


FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS, PETRÓLEOS Y

AMBIENTAL


APROBACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN POR PARTE DEL TRIBUNAL

El tribunal constituido por Ing. Marlon Ponce e Ing. Elías Ibadango.

DECLARAN: Que la presente tesis denominada: ESTUDIO GEOLÓGICO- GEOTÉCNICO

PARROQUIA ZÁMBIZA, ha sido elaborada íntegramente por la señorita Tania Maribel

Valencia Erazo, egresada de la Carrera de Geología, ha sido revisada y calificada.

Ha emitido el siguiente veredicto: Se ha aprobado el Proyecto de Tesis para su defensa oral.

En la ciudad de Quito, a los 01 días del mes de junio de 2020.

_________________________ _________________________

Ing. Marlon Ponce Ing. Elías Ibadango

MIEMBRO DEL TRIBUNAL MIEMBRO DEL TRIBUNAL

DEL TÚNEL UBICADO EN LA AUTOPISTA MANUELITA SÁENZ, CANTÓN QUITO,

V

DEDICATORIA

A ti mi Dios por mostrarme todo tu amor a lo largo de mi vida, por estar junto a mi

guiándome en todo momento ayudándome a concluir mi carrera.

A mi querido José Daniel porque llegaste para ser la luz que alumbra mi vida, con tu sonrisa

haces que mi mundo brille, te amo mi amor.

A mis padres porque me formaron como la persona que soy en la actualidad este logro se los

debo a ustedes.

VI

AGRADECIMIENTOS

A Dios por ser bueno, secaste mis lágrimas y las transformaste en gozo, me diste unos

segundos padres y la mejor hermana, mi familia los amo con todo mi corazón.

A mis padres porque me han dado lo que no tenían, con el único anhelo de verme una

profesional, este es su triunfo.

A mi hermana Katy porque al crecer juntas compartimos alegrías, tristezas, triunfos y sin

duda también peleas, supiste apoyarme en los momentos más difíciles, eres una amiga y una

persona maravillosa.

A mi tutor el Ing. Danny Burbano por ser uno de los mejores profesores que he tenido, por su

generosidad al compartir su conocimiento, estoy infinitamente agradecida por todo el apoyo

que me ha brindado.

A las personas con las que compartí las mejores etapas de mi vida y tantos años de amistad:

Mayra para mi eres una hermana y aunque ahora pocas veces nos vemos tu siempre estás en

mi mente y en mi corazón y Sary tú has estado influenciaron en mí, enseñándome el amor de

Dios.

A todas las personas que Dios ha puesto en mi camino y que ayudaron para que este sueño

se haga realidad, son realmente una bendición, con ustedes puedo ver lo bueno que es Dios.

VII

ÍNDICE GENERAL

DERECHOS DE AUTOR .................................................................................................... II

APROBACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN POR PARTE DEL TUTOR .......... III

APROBACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN POR PARTE DEL TRIBUNAL ... IV

DEDICATORIA .................................................................................................................. V

AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................... VI

ÍNDICE GENERAL .......................................................................................................... VII

ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... XI

ÍNDICE DE FOTOGRAFÌAS ......................................................................................... XVI

ÍNDICE DE TABLAS ....................................................................................................XVII

RESUMEN ........................................................................................................................ XX

ABSTRACT ..................................................................................................................... XXI

CAPITULO 1 ........................................................................................................................ 1

1. ANTECEDENTES ...................................................................................................... 1

Justificación ................................................................................................................. 2

Objetivos ..................................................................................................................... 2

Objetivo general ........................................................................................................... 2

Objetivos específicos ................................................................................................... 2

Alcance ........................................................................................................................ 3

Ubicación geográfica y accesos .................................................................................. 3

Clima ........................................................................................................................... 4

Características generales del trazado del túnel ............................................................ 5

CAPITULO II ....................................................................................................................... 7

2. CONTEXTO GEOLÓGICO ....................................................................................... 7

2.1 Marco geológico regional .......................................................................................... 7

2.2 Litoestratigrafía de los portales norte y sur del trazado del túnel ............................. 11

2.2.1 Portal norte, progresiva: 43+252.845 y 43+273.552 ................................................. 11

VIII

2.2.2 Portal sur, progresiva: 42+300.641 y 42+312.115 .................................................... 16

2.2.3 Resumen de la litoestratigrafía para los portales norte y sur. .................................... 21

2.3 Geología estructural .................................................................................................. 29

2.4 Geomorfología .......................................................................................................... 31

2.5 Análisis de peligros ................................................................................................... 33

2.5.1 Peligro volcánico ....................................................................................................... 33

2.5.2 Peligro sísmico .......................................................................................................... 34

CAPITULO III .................................................................................................................... 39

3 MARCO METODOLÓGICO ................................................................................... 39

3.1 Tipo de estudio ........................................................................................................... 39

3.2 Etapa de preparación .................................................................................................. 39

3.3 Análisis de información ............................................................................................ 41

3.4 Etapa de campo ......................................................................................................... 41

3.5 Etapa de laboratorio .................................................................................................. 44

3.6 Etapa de resultados .................................................................................................... 44

3.6.1 Etapa de análisis y diseño .......................................................................................... 45

CAPITULO IV .................................................................................................................... 47

4 MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 47

4.1 Mecánica de Suelos ................................................................................................... 47

4.1.1 Descripción y clasificación de suelos ........................................................................ 47

4.2 Ensayos de laboratorio .............................................................................................. 48

4.2.1 Densidad de la masa método de la parafina ............................................................... 48

4.2.2 Ensayos de identificación .......................................................................................... 48

4.2.3 Corte directo .............................................................................................................. 49

4.2.4 Ensayo Triaxial no consolidado no drenado UU ....................................................... 49

4.3 Macizo rocoso ........................................................................................................... 50

4.3.1 Clasificación de macizos rocosos .............................................................................. 50

IX

4.3.2 Clasificación geomecánica de Bieniawski (RMR) .................................................... 51

4.3.3 Índice de calidad de Barton ....................................................................................... 52

4.3.4 Clasificación geomecánica GSI (Geological Stregth Index) ..................................... 53

4.4 Correlación geomecánica entre RMR Y Q ............................................................... 53

4.5 Resistencia y deformabilidad del macizo rocoso y de las discontinuidades ............. 53

4.5.1 Criterio de rotura no lineal de Hoek y Brown- análisis de la resistencia y

deformabilidad del macizo rocoso. ..................................................................................... 54

4.6 Análisis cinemático de las discontinuidades ............................................................. 55

4.7 Estabilidad de taludes en base al índice SMR, Romana (1985) ................................ 59

4.8 Análisis de estabilidad de taludes (equilibrio limite) ................................................ 61

4.8.1 Cálculo del coeficiente de aceleración sísmica horizontal y vertical. ....................... 61

4.8.2 Propiedades Hidrogeológicas de los suelos ............................................................... 63

4.9 Métodos de excavación subterránea .......................................................................... 64

4.9.1 Metodología de excavación convencional ................................................................. 64

4.9.2 Metodología de excavación mecanizada ................................................................... 64

4.9.3 Metodología de excavación por fases ........................................................................ 66

CAPITULO V ..................................................................................................................... 68

5 PRESENTACIÓN DE DATOS Y RESULTADOS .................................................. 68

5.1 Caracterización geotécnica ........................................................................................ 68

5.1.1 Modelo geológico (perfiles transversales) ................................................................. 69

5.2 Resultados de la caracterización del macizo rocoso con RMR (Bieniawski, 1989). 69

5.3 Resistencia y deformabilidad del macizo rocoso y de las discontinuidades ............. 75

5.4 Índice SMR, romana (1985). ..................................................................................... 77

5.4.1 Resultados .................................................................................................................. 82

5.5 Análisis de estabilidad para los taludes de los portales ............................................. 85

5.5.1 Identificación de roturas, mediante análisis cinemático ............................................ 85

5.6 Modelo de estabilidad ............................................................................................... 92

X

5.6.1 Análisis de estabilidad -Equilibrio limite .................................................................. 92

5.6.2 Sostenimiento para talud de los portales norte y sur ................................................. 96

5.7 Paraguas de emboquille del túnel .............................................................................. 97

5.8 Tratamiento del talud frontal y emboquille del túnel. ............................................... 99

5.8.1 Sostenimiento para talud de los portales Norte y Sur. ............................................... 99

5.9 Análisis cinemático túnel (mecanismo de rotura: cuñas y planchas) ...................... 101

5.10 Análisis tenso-deformacional en perfiles transversales. ......................................... 105

5.10.1Modelo Tenso-Deformacional del perfil transversal-42+800 ................................. 107

5.11 Tensión vertical del terreno sobre el túnel (solicitación natural) ............................ 115

5.12 Consideraciones y análisis comparativo para la selección del método de

excavación ......................................................................................................................... 121

5.13 Diseño estructural del revestimiento y portal de los túneles ................................... 123

CAPITULO VI .................................................................................................................. 126

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................... 126

6.1 Conclusiones ........................................................................................................... 126

6.2 Recomendaciones .................................................................................................... 127

CAPITULO VII ................................................................................................................ 129

7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................... 129

8. ANEXOS ................................................................................................................. 132

XI

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Mapa de ubicación del trazado del túnel. Fuente Autor de la investigación. ............. 4

Figura 2 Mapa de clima. Fuente Autor de la investigación. ..................................................... 5

Figura 3 Vista isométrica del trazado del túnel, se observa de color amarillo la implantación

del trazado del túnel vial. Fuente Autor de la investigación. .................................................... 6

Figura 4 Geología simplificada del Ecuador. Fuente (Drobe, Darryl, Holly, & Janet, 2013) .. 7

Figura 5 Estratigrafía simplificada de la Cordillera Occidental. Fuente (Ordóñez, 2012) ....... 8

Figura 6 Vista 3D del NE de la región de Quito, se muestra los principales edificios volcánicos.

Fuente Autor de la investigación. .............................................................................................. 9

Figura 7. a Litoestratigrafía propuesta para el Valle Interandino Central. Basada en

información y modificado de Villagómez, 2003. b. Perfil geológico generalizando la ubicación

estratigráfica del trazado del Túnel. Fuente Autor de la investigación. ................................... 11

Figura 8 Modelo de elevación digital del Portal Norte. Fuente Autor de la investigación. ... 13

Figura 9 Mapa de pendientes del Portal Norte. Fuente Autor de la investigación. ................ 13

Figura 10 Modelo de elevación digital del Portal Sur. Fuente Autor de la investigación. ..... 18

Figura 11 Mapa de pendientes del Portal Sur. Fuente Autor de la investigación. .................. 18

Figura 12 Mapa geológico de los portales norte y sur; parámetros geotécnicos de las unidades

observadas en cada portal. Fuente Autor de la investigación .................................................. 28

Figura 13 Localización del Sistema de Fallas Quito (QFS): sección norte (elipse verde) –

sección sur (elipse amarilla), Sistema de Fallas Guayllabamba (elipse gris) y trazado de la

autopista Manuelita Sáenz (Línea roja). Fuente (Alvarado, 2012) .......................................... 30

Figura 14 Mapa de peligro volcánico. Fuente Autor de la investigación. .............................. 34

Figura 15 . Distribución de la microsismicidad local en Quito. La profundidad de los sismos

es < 20 Km, donde se muestran los perfiles A-A' y B-B' que detallan los hipocentros de los

eventos sísmicos del periodo 1994-2009. Con línea roja la autopista Manuelita Sáenz.

Modificado de Alvarado, 2012. ............................................................................................... 35

Figura 16. Magnitud de eventos sísmicos registrados en Quito. Marcado en rojo los eventos

con una misma tendencia y repetición (media de los datos sísmicos). Fuente (Alvarado,

2012) ........................................................................................................................................ 37

Figura 17. Enjambre sísmico con magnitudes mayores a 3.00 Mw en Quito. Modificado de

(Alvarado, 2012) ...................................................................................................................... 38

Figura 18 Procedimiento de obtención y encapsulado de muestras inalteradas tomadas por

medios manuales. Fuente (Geotécnia fácil, 2020) ................................................................... 43

XII

Figura 19 Muestra tomada de toba de 30* 30 cm. Fuente Autor de la investigación............. 43

Figura 20 Flujograma de etapas de estudio para el modelo geológico - geotécnico del trazado

del túnel. Fuente Autor de la investigación ............................................................................. 46

Figura 21 Diagrama del corte directo. Fuente (González de Vallejo, 2002) ......................... 49

Figura 22 Diagrama del ensayo triaxial. Fuente (González de Vallejo, 2002) ....................... 49

Figura 23 Relación entre esfuerzos principales de acuerdo con el criterio original de rotura de

Hoek y Brown (1980). Fuente (González de Vallejo, 2002) ................................................... 54

Figura 24 Esquema de rotura planar. Fuente (González de Vallejo, 2002) ............................ 56

Figura 25 Reconocimiento de discontinuidades en rotura plana vista en un estereodiagrama.

Fuente (Hoek & Bray, 1977) ................................................................................................... 56

Figura 26 Esquema de rotura plana. Fuente (González de Vallejo, 2002) ............................. 57

Figura 27 Reconocimiento de dos discontinuidades formando rotura por cuña. Fuente (Hoek

& Bray, 1977) .......................................................................................................................... 57

Figura 28 Esquema de taludes con estructuras favorables al vuelco de estratos. Fuente

(González de Vallejo, 2002) .................................................................................................... 58

Figura 29 Disposición de discontinuidades en rotura por vuelco de bloques. Fuente (Hoek &

Bray, 1977) .............................................................................................................................. 58

Figura 30 Esquema de pandeo en estratos verticalizados con flexión, y fractura de estratos.

Fuente (González de Vallejo, 2002) ........................................................................................ 58

Figura 31 Disposición de discontinuidades en rotura por pandeo. Fuente (Hoek & Bray, 1977)

.................................................................................................................................................. 59

Figura 32 Esquema de rotura en macizo rocoso intensamente fracturado. Fuente (González de

Vallejo, 2002) .......................................................................................................................... 59

Figura 33 Zonas sísmicas para propósitos de diseño y valor del factor de zona. Fuente NEC-

SE-DS, 2015 ............................................................................................................................ 62

Figura 34 Valores del coeficiente de presión intersticial, Ru, para distintas posiciones del nivel

freático en un talud en suelo. Fuente (González de Vallejo, 2002) ......................................... 64

Figura 35 Esquema de sistemas de corte con rozadoras en maniobras. Fuente (Secretaría de

Comunicaciones y Transportes, 2016) ..................................................................................... 65

Figura 36 Esquema de excavación mediante el Nuevo Método Austriaco. Fuente (Secretaría

de Comunicaciones y Transportes, 2016) ................................................................................ 66

Figura 37 Ejemplo de modelo geológico en perfiles transversales. Fuente: Autor de la

investigación ............................................................................................................................ 69

XIII

Figura 38 Análisis Cinemático de estabilidad para la Unidad Areniscas (U-14,15) del talud del

Portal Norte. a. Análisis cinemático donde se favorece la rotura por cuña, b. Análisis

Cinemático donde se desarrolla la rotura por vuelco. Fuente: Autor de la investigación ....... 86

Figura 39 Análisis Cinemático de estabilidad para la Unidad Areniscas (U-14,15) del talud del

Portal Sur, donde se favorece la rotura por cuña. Fuente: Autor de la investigación. ............. 86

Figura 40 Análisis Cinemático de estabilidad para la Unidad Tobas (U1) del talud del Portal

Norte. a. Análisis cinemático donde se favorece la rotura planar (E-2), b. Análisis Cinemático

donde se desarrolla la rotura por vuelco. Fuente: Autor de la investigación ........................... 87

Figura 41 Talud Portal Norte- Unidad Areniscas, análisis de estabilidad para la cuña D-2/D-4.

Factor de seguridad 3.96. Fuente: Autor de la investigación ................................................... 90

Figura 42 Talud Portal Sur-Unidad Arenisca, análisis de estabilidad para la cuña D-3/D-4.

Factor de seguridad 3.42. Fuente: Autor de la investigación ................................................... 90

Figura 43 Portal Talud Norte – Unidad Areniscas. Análisis de estabilidad para rotura planar

E-2. Distribución de fuerzas desestabilizadoras a lo largo del plano de rorura. Factor de

Seguridad: 1.52 (estable). Fuente: Autor de la investigación .................................................. 91

Figura 44 Descomposición de esfuerzos y geometría del talud. Fuente: Autor de la

investigación ............................................................................................................................ 92

Figura 45 Portal norte en terreno natural. Software SLIDE V6.005. Fuente: Autor de la

investigación ............................................................................................................................ 93

Figura 46 Portal sur en terreno natural. Software SLIDE V6.005. Fuente: Autor de la

investigación ............................................................................................................................ 94

Figura 47 Portal norte con talud de 9 m + bermas + inclinación de 63º en el talud. Software

SLIDE V6.005. Fuente: Autor de la investigación. ................................................................. 94

Figura 48 Portal Sur con talud de 9 m + bermas + inclinación de 63º en el talud. Software

SLIDE V6.005. Fuente: Autor de la investigación .................................................................. 95

Figura 49 Portal norte con talud de 9 m + bermas + inclinación de 63º en el talud + pernos

pasivos de 6 m de longitud + 15 cm de hormigón lanzado. Software SLIDE V6.005. Fuente:

Autor de la investigación. ........................................................................................................ 95

Figura 50 Portal sur con talud de 9 m + bermas + inclinación de 63º en el talud + pernos

pasivos de 6 m de longitud + 15 cm de hormigón lanzado. Software SLIDE V6.005. Fuente:

Autor de la investigación. ........................................................................................................ 96

Figura 51 Recomendaciones de emboquilles en túneles. Donde se ubica el tipo de paraguas y

tratamiento del talud frontal. Fuente Romana 2000 ................................................................. 99

XIV

Figura 52 a. Geometría talud portal sur. b Geometría talud portal norte. Fuente: Autor de la

investigación. ......................................................................................................................... 100

Figura 53 Taludes norte y sur cortes y detalles. Fuente: Autor de la investigación. ............ 100

Figura 54 a) Esquema de la cuña 8, favoreciendo al desarrollo de la rotura por plancha b)

Fotografía panorámica de la estratificación, típica en el sector. Fuente: Autor de la

investigación. ......................................................................................................................... 102

Figura 55 Medio estratificado, donde se observa el despegue del techo inmediato a la

excavación en relación del resto de los estratos superiores. Fuente (Abad & Huisa, 2011) . 102

Figura 56 a) Vista en 3D de las cuñas. b) Estereodiagrama, representando la cuña C-8

(inestable). Software UNWEDGE. Fuente: Autor de la investigación. ................................. 103

Figura 57 Vista isométrica, superior, frontal y lateral de las cuñas inestables, donde la cuña C-

8 es la que representa inestabilidad y riesgo en la Unidad Areniscas. Software UNWEDGE.

Fuente: Autor de la investigación. ......................................................................................... 105

Figura 58 Dirección de avance para la construcción de los túneles. Fuente: Autor de la

investigación. ......................................................................................................................... 106

Figura 59 Modelo Geológico, donde se observa la estratificación como discontinuidad

principal. Software Phase2. Fuente: Autor de la investigación. ............................................ 107

Figura 60 Túnel izquierdo excavado, en la bóveda se desarrolla la zona plastificada,

provocando una deformación máxima en la clave. Software Phase2. Fuente: Autor de la

investigación. ......................................................................................................................... 108

Figura 61 Túnel izquierdo excavado, en el contorno se ubica factores de seguridad. Software

Phase2. Fuente: Autor de la investigación. ............................................................................ 109

Figura 62 Túnel izquierdo excavado, sostenimiento + revestimiento de túnel. Software Phase2.


Figura 63 Excavación derecha, donde la zona plastificada se desarrolla en el pilar con

deformaciones de hasta 40 mm. Software Phase2. Fuente: Autor de la investigación. ......... 110

Figura 64 Excavación derecha, donde se evidencia de igual manera el avance de la

plastificación con factores de seguridad en el contorno de 0.95. Software Phase2. Fuente: Autor

de la investigación.................................................................................................................. 111

Figura 65 Sostenimiento y revestimiento en los dos túneles, se observa el desarrollo de la

plastificación en el pilar y bóveda del túnel derecho con deformaciones de hasta 24 mm.

Software Phase2. Fuente: Autor de la investigación. ............................................................ 112

Figura 66 Factores de seguridad una vez sostenido y revestido los túneles. Software Phase2.


XV

Figura 67 Comportamiento de la deformación total en relación con la superficie. Software

Phase2. Fuente: Autor de la investigación. ............................................................................ 113

Figura 68 Diagrama de capacidad de soporte para el revestimiento constituido por perfil

HB260E en conjunto con el hormigón estructural (1 m) para tres envolventes de factor de

seguridad de 1, 1.25 y 2. Un porcentaje bajo de puntos se encuentra fuera del FS:1, su ubicación

está condicionada a un posible fallo en el hastial. Software Phase2. Fuente: Autor de la

investigación. ......................................................................................................................... 114

Figura 69 Teoría de Terzaghi (1946). Fuente (Abad & Huisa, 2011). ................................. 115

Figura 70 Relación porcentual de las unidades litoestratigráficas respecto de la longitud del

túnel. Fuente: Autor de la investigación. ............................................................................... 121

Figura 71 Análisis comparativo de los principales métodos de excavación en túneles, ventajas

y desventajas frente a la aplicación en el caso del túnel propuesto para la autopista Manuelita

Sáenz. Fuente: Autor de la investigación. .............................................................................. 122

Figura 72 Geometría de los portales de entrada y salida del trazado del túnel. Fuente: Autor de

la investigación. ..................................................................................................................... 124

XVI

ÍNDICE DE FOTOGRAFÌAS

Fotografía 1 Vista Panorámica del Portal Norte. Coordenadas UTM: 788229.9940E;

9984700.6046N. Fuente: Autor de la investigación. ............................................................... 12

Fotografía 2 a. Contacto entre arenisca y conglomerado. Se observa la resistencia que ofrece

el macizo a la erosión continúa por el agua de la quebrada. Este punto es donde se realizó la

Estación de calificación de la calidad de macizo rocoso, resultando con un RMR Básico de 59

(Clase III). b. Arenisca con resistencia moderada, c. Conglomerado deleznable. Fuente: Autor

de la investigación.................................................................................................................... 14

Fotografía 3 Vista Panorámica del Portal Sur. Coordenadas UTM: 787729.7735E;

9983868.5274N. Fuente: Autor de la investigación. ............................................................... 17

Fotografía 4 Litologías. a y b. Unidad coluvial. Portal Sur. Fuente: Autor de la

investigación. ........................................................................................................................... 23

Fotografía 5 Litologías. a y b. Unidad Toba-Cangahua. Portal Norte. Fuente: Autor de la

investigación. ........................................................................................................................... 24

Fotografía 6 Litologías. a y b. Unidad Lapilli. Portal Norte. Fuente: Autor de la

investigación ............................................................................................................................ 24

Fotografía 7 Litologías. a y b. Unidad Conglomerado. Portal Norte. Fuente: Autor de la

investigación ............................................................................................................................ 24

Fotografía 8 Litologías. a y b. Unidad Brechas. Portal Sur. Fuente: Autor de la

investigación ............................................................................................................................ 25

Fotografía 9 Litologías. a y b. Unidad Areniscas gruesas. Portal Norte. Fuente: Autor de la

investigación ............................................................................................................................ 25

Fotografía 10 Litologías. a y b. Unidad Arcillas. Portal Norte. Fuente: Autor de la

investigación. ........................................................................................................................... 25

Fotografía 11 Panorámica del portal sur, donde se observa la pendiente fuerte de la ladera y el

efecto de erosión hídrica formando causes estacionarios. Fuente: Autor de la investigación. 32

Fotografía 12 Corte de 30 metros en la zona de Cocotog /UTM: 789294E;9985253N), donde

se expone la secuencia estratigráfica de la Formación Chiche. Esta fotografía muestra la

disposición de los plano estratificación y su continuidad. Además, se observa la depositación

periclinal de la Fm. Cangahua. Con línea amarilla se marca el escarpe del movimiento es masa,

donde su inestabilidad se forma por rotura en vuelco. ............................................................. 89

Fotografía 13 Perforaciones para instalación de paraguas y tratamiento de talud de emboquille.

Fuente (Ramírez, 2013) ........................................................................................................... 97

XVII

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Coordenadas de los portales del trazado del túnel. ....................................................... 4

Tabla 2 Descripción de la estratificación presente en el Portal Norte de la Autopista Manuelita

Sáenz ........................................................................................................................................ 14

Tabla 3 Descripción de las juntas presentes en el Portal Norte de la Autopista Manuelita Sáenz

.................................................................................................................................................. 15

Tabla 4 Descripción de la estratificación presente en el Portal Sur la Autopista Manuelita

Sáenz. ....................................................................................................................................... 20

Tabla 5 Descripción de las juntas presentes en el Portal Sur de la Autopista Manuelita

Sáenz. ....................................................................................................................................... 21

Tabla 6 Descripción de las unidades geológicas presentes en el trazado del túnel de la Autopista

Manuelita Sáenz desde 42+284.428 hasta 43+300. ................................................................. 21

Tabla 7 Resumen de la lito-estratigrafía, con línea roja se señala la litología a ser excavada,

tanto para el portal Norte y Sur. ............................................................................................... 25

Tabla 8 Cronología de eventos sísmicos significativos ocurridos en Quito ............................ 35

Tabla 9 Insumos y estudios que se debería ampliar para la fase de diseño definitivo. ............ 39

Tabla 10 Características y propiedades para describir en campo para la caracterización del

macizo rocoso .......................................................................................................................... 42

Tabla 11 Parámetros de clasificación ...................................................................................... 51

Tabla 12 Calidad de macizo rocosos en relación con el índice RMR ..................................... 52

Tabla 13 Descripción de la clasificación RMR y Q de Barton ................................................ 53

Tabla 14 Clasificación geomecánica taludes SMR .................................................................. 60

Tabla 15 Medidas de corrección propuestas por el SMR (Romana, 1997). ............................ 60

Tabla 16 Factores de seguridad por corte mínimos. ............................................................... 61

Tabla 17 Valores del factor Z en función de la zona sísmica adoptada. .................................. 62

Tabla 18 Parámetros geotécnicos (bibliográficos y de laboratorio) de las unidades

cartografiadas en el área de implantación del túnel ................................................................. 68

Tabla 19 Resumen de los parámetros geomecánicos de las discontinuidades para la Unidad

Toba, Portal Norte. ................................................................................................................... 70


Areniscas, Portal Norte. ........................................................................................................... 71


Areniscas, Portal Sur ................................................................................................................ 72

XVIII


Brechas, Portal Sur................................................................................................................... 73

Tabla 23 Resumen de la calidad de macizo rocoso por Unidad litológica, RMR-Bieniawski,

1989.......................................................................................................................................... 74

Tabla 24 Datos procesados y obtenidos con el criterio de rotura de Hoek y Brown, Roca Fresca,

Unidad Toba............................................................................................................................. 75

Tabla 25 Datos procesados y obtenidos con el criterio de rotura de Hoek y Brown, Roca Fresca,

U. Arenisca .............................................................................................................................. 76

Tabla 26 ................................................................................................................................... 76

Tabla 27 Resumen de datos obtenidos con el criterio de rotura de Hoek y Brown para la Unidad

Toba y Arenisca. ...................................................................................................................... 77

Tabla 28 Resumen de datos obtenidos ..................................................................................... 77

Tabla 29 Memoria de cálculo, para determinar la calidad y medidas de corrección del Talud

Portal Norte de la Unidad Areniscas. ....................................................................................... 78


Portal Norte de la Unidad Areniscas. ....................................................................................... 79


Portal Norte de la Unidad Tobas. ............................................................................................. 80


Portal Norte de la Unidad Tobas. ............................................................................................. 81


Portal sur de la Unidad Tobas. ................................................................................................. 82

Tabla 34 Resumen del cálculo de SMR en la Unidad Areniscas. ............................................ 83

Tabla 35 Resumen del cálculo de SMR en la Unidad Tobas. .................................................. 83

Tabla 36 Mediadas de corrección propuetas según SMR ........................................................ 83

Tabla 37 Recomendaciones de emboquille de túneles ........................................................... 84

Tabla 38 Resumen de la orientación, buzamiento, ángulo de fricción de las discontinuidades

evidenciadas en la Unidad Areniscas. ...................................................................................... 85

Tabla 39 Resumen de roturas identificadas con el análisis cinemático en la Unidad

Areniscas. ................................................................................................................................. 87


evidenciadas en la Unidad Tobas. ............................................................................................ 87

Tabla 41 Resumen de roturas identificadas con el análisis cinemático en la Unidad Tobas. .. 88

Tabla 42 Datos para análisis de estabilidad: Unidad Areniscas .............................................. 89

XIX

Tabla 43 Datos para análisis de estabilidad: Unidad Tobas .................................................... 91

Tabla 44 Resumen de parámetros físico – mecánicos usados en el análisis de estabilidad..... 92

Tabla 45 Uso de clasificaciones geomecánicas en las boquillas de túneles. Modificado de

Romana 2000 ........................................................................................................................... 98

Tabla 46 Resumen de cuñas inestables y sus características. Unidad Areniscas ................... 104

Tabla 47 Parámetros físico- mecánicos para cada unidad geológica. .................................... 107

Tabla 48 Coberturas y tensión vertical en el límite inferior Hi de la zona Portal Sur ........... 117

Tabla 49 Coberturas y tensión vertical en el límite inferior Hi de la zona Portal Norte ...... 118

Tabla 50 Coberturas y tensión vertical en el tramo de coberturas intermedias, con referencia en

el punto de máxima cobertura en la progresiva 43+017.88 ................................................... 118

Tabla 51 Secuencias litoestratigráficas a nivel de la rasante del túnel, de acuerdo con el perfil

geológico – geotécnico .......................................................................................................... 120

Tabla 52 Presencia porcentual y longitudinal de las secuencias litoestratigráficas a lo largo de

la rasante del túnel ................................................................................................................. 120

XX

Autor: Tania Maribel Valencia Erazo

Tutor: Ing. Danny Santiago Burbano Morillo., MSc.

RESUMEN

La presente investigación tiene como objetivo realizar el estudio geológico- geotécnico del

trazado del túnel vial de la autopista “Manuelita Sáenz” en base a la caracterización geológica,

estructural y geotécnica de los materiales, entre las abscisas 42+300.641 y 43+273.552. La

información geológica de carácter regional ha sido recopilada y procesada a partir de estudios

específicos propios y levantamientos regionales ejecutados en la zona. Los modelos geológicos

definen la distribución espacial de las unidades lito-estratigráficas que conforman la

implantación del proyecto de excavación subterránea. La descripción de los modelos

geológicos se presenta a escala de semi-detalle para los portales norte y sur del túnel, los

mismos que son el resultado del procesamiento de los datos obtenidos de los levantamientos

geológicos a detalle, mediante columnas litoestratigráficas. Los parámetros geomecánicos

basados en información documental y ensayos de laboratorio característicos de las unidades

litoestratigráficas presentes en el área de influencia del proyecto fueron comparados e

interpretados, sobre la base del conocimiento de la evolución geológica que ha experimentado

la región (cuenca intramontañosa de ambiente lacustre y depositación de material piroclástico),

obteniéndose como resultado la configuración de modelos geológicos y geotécnicos, a partir

de los cuales se efectuaron los diseños a nivel de prefactibilidad de los sostenimientos y

revestimientos inherentes al túnel y sus respectivos portales. Por lo tanto, la metodología

constructiva está íntimamente relacionada con el refuerzo del túnel.

PALABRAS CLAVE: CARACTERIZACIÓN GEOLÓGICA-GEOTÉCNICA,

PARÁMETROS GEOMECÁNICOS, PREFACTIBILIDAD, SOSTENIMIENTO,

REVESTIMIENTO.

TEMA: Estudio geológico- geotécnico del túnel ubicado en la autopista Manuelita Sáenz,

cantón Quito, parroquia Zámbiza

XXI

Author: Tania Maribel Valencia Erazo

Advisor: Ing. Danny Santiago Burbano Morillo., MSc.

ABSTRACT

The current investigation aims to make a geological-geotechnical study of the road tunnel

layout of the “Manuelita Sáenz” highway, based on geological, structural and geotechnical

materials characterization, between the abscissa 42 + 300.641 and 43 + 273.552. Regional

geological information has been collected and processed from own focused studies, and

previous regional surveys carried out into the area. Geological models define the spatial

distribution of the litho-stratigraphic covering the implementation of the underground

excavation project. The description of the geological models is showed in a semi-detailed scale

for the northern and south portals of the tunnel, which are the processing result of the gotten

data detailed surveys, using lithostratigraphic columns. The geomechanical parameters based

on documentary information and laboratory tests characteristic of lithostratigraphic units,

which are into the area of influence of the project were compared and interpreted, based on the

knowledge of geological evolution occurred in the region (intra-mountain basin of lake

environment and pyroclastic material deposition), resulting in the configuration of geological

and geotechnical models, which were used to design at the prefeasibility level of the supports

and coatings inherent to the tunnel and their respective portals. Therefore, the constructive

methodology is closely related to the reinforcement of the tunnel.

KEYWORDS: GEOLOGICAL-GEOTECHNICAL CHARACTERIZATION,

GEOMECHANICAL PARAMETERS, PREFEASIBILITY, SUPPORTS, COATING.

TITLE: Geological-geotechnical study of the tunnel located on the Manuelita Saenz

highway, Quito canton, Zambiza parish

1

CAPITULO 1

1. ANTECEDENTES

La implantación del túnel vial de la Autopista Manuelita Sáenz se localiza en el

extremo oeste de la parroquia de Cocotog. Fisiográficamente se encuentra en los límites

occidentales del valle interandino, el mismo que se encuentra ubicado entre la cordillera

Occidental y Real, cuenta con estudios de la distribución espacial de sus formaciones,

estructuras y lineamientos geológicos. Además, de la evolución geológica (Villagómez,

2003), aloja depósitos volcánicos del Plioceno al Pleistoceno (Winkler et al., 2005), lo

cual constituye el modelo geológico de la zona de investigación.

La definición del modelo geotécnico, utilizará métodos empíricos los cuales están

ligados a la caracterización geomecánica del suelo y la roca (macizo rocoso), para este

material se utilizará las clasificaciones geomecánicas de mayor uso: Rock Mass Rating

(RMR Bieniawski 1989), Índice Q de Barton (rock mass quality, 1974), y el Índice de

Resistencia Geológica (GSI, 1994), estas clasificaciones presentan algunas ventajas,

como mayor grado de objetividad, permite obtener mediante sus correlaciones

establecidas parámetros del macizo rocoso y la principal ventaja es que son sencillos de

utilizar en una etapa de prefactibilidad; la caracterización geomecánica nos permite

conocer las propiedades de la matriz, de las discontinuidades y características y

deformación resistentes del macizo rocoso (Colimba , 2017)

Entre las clasificaciones geomecánicas de macizos rocosos que se van a emplear está:

la clasificación de Bieniawski, que consiste en asignar a cada tipo de terreno un índice de

calidad denominado RMR, el cual se consigue con la suma de una serie de parámetros

que están en función de la resistencia a compresión simple del material rocoso, el RQD,

el espaciamiento de las discontinuidades, la condición de las discontinuidades, la

condición del agua y la orientación de las discontinuidades. Dependiendo del estado de

las características indicadas, conseguirán una puntuación determinada y mediante la suma

de dichas puntuaciones se conseguirán unos valores, entre 0 y 100 (Castresana , 2016) y

a continuación se efectúa la corrección por orientación de discontinuidades, en función

de RMR obtenido se clasifican en cinco categorías al macizo rocoso; Barton (1974) este

sistema establece a cada terreno un índice de calidad (Q), dicho índice será mayor cuando

mejor es la calidad del macizo rocoso. Su calidad varia en escala logarítmica, siendo

2

Q=0,0001 para terrenos muy malos y Q=1000 para terrenos muy buenos (Castresana ,

2016).

El objeto de clasificar geomecánicamente el macizo rocoso donde se ubicará el trazado

del túnel, es establecer valores estimativos sobre su calidad y resistencia (Zamora, 2007).

Justificación

Uno de los mayores problemas en el diseño y construcción de un túnel vial se debe a

una exploración geotécnica mal enfocada que elude las propiedades mecánicas de los

suelos o rocas, causando posibles fallas en el túnel, seguido de un potencial colapso.

La construcción de un nuevo túnel vial ayudará a la disminución de la congestión

vehicular, para su ejecución es necesario realizar estudios geológicos geotécnicos, con el

fin de conocer las características de resistencia y deformación de los materiales (suelo o

roca) y a su vez determinar el comportamiento geomecánico del macizo rocoso, mediante

la caracterización litológica, estructural, análisis y recolección de muestras, ensayos de

laboratorio, correlación de datos existentes y levantamiento de estaciones geomecánicas.

Estos datos servirán como insumo para sugerir el sostenimiento de la obra subterránea.

Por otro lado, este estudio permite evaluar la susceptibilidad a la inestabilidad por la

interacción de factores condicionantes y desencadenantes.

Debido a la complejidad del elemento estructural, la presente investigación se enfocará

en la realización de un modelo geológico-geotécnico del trazado del túnel vial “Manuelita

Sáenz”.

Objetivos

Objetivo general

Elaborar el estudio geológico-geotécnico del trazado del túnel vial de la autopista

“Manuelita Sáenz” en base a la caracterización geológica, estructural y geotécnica de los

materiales.

Objetivos específicos

3

Elaborar el mapa geológico del trazado del túnel entre las abscisas 42+300.641 y

43+273.552 a escala 1:5000

Definir modelo geológico de la zona del trazado del túnel.

Evaluar las condiciones geomecánicas del macizo rocoso en función de estaciones

geomecánicas y columnas lito-estratigráficas.

Establecer el sostenimiento del túnel en base a las clasificaciones geomecánicas

empíricas RMR (Rock Mass Rating Bieniawski 1973; Q Barton 1974), Q (Barton,

Lien y Lude 1974) y GSI (Geological Strength Index; Hoek 1994).

Recomendar el tipo de excavación a utilizarse en el túnel vial en base a

condiciones geológicas, geotécnicas, topográficas y geométricas.

Alcance

El estudio de cualquier obra de construcción exige un conocimiento previo de las

características del terreno sobre el cual será apoyada dicha obra; este conocimiento se

adquiere por medio de una serie de investigaciones entre uno de ellos son los estudios

geológicos-geotécnicos, donde el grado de detalle que se requiriere dependerá del nivel

de investigación (anteproyecto, proyecto, etc.).

El alcance del presente estudio es a una escala semidetallada, donde se realizará la

caracterización geológica geotécnica del túnel vial de la autopista “Manuelita Sáenz”

entre el PK 42+300.641 y PK 43+273.552, a partir de datos levantados en campo:

condiciones geológicas, geotécnicas, e hidrogeológicas del trazado; clasificación y

sectorización geomecánica, propiedades y parámetros de diseño; todo este estudio se

realiza en una etapa de prefactibilidad.

Ubicación geográfica y accesos

El área de estudio se sitúa en la provincia de Pichincha, cantón Quito, parroquia de

Zámbiza correspondiente al nororiente del Distrito Metropolitano de Quito, en el barrio

San Miguel de la Comuna San José de Cocotog.

4

Figura 1 Mapa de ubicación del trazado del túnel. Fuente Autor de la investigación.

Las coordenadas de los portales de acceso norte y sur del túnel se resumen en la Tabla 1

Tabla 1 Coordenadas de los portales del trazado del túnel.

PORTAL COORDENADAS

ESTE NORTE

Norte 788229 9984700

Sur 787729 9983858

La principal vía de acceso al área del proyecto es por la Avenida Simón Bolívar, para

posteriormente tomar la calle García Moreno, que es una de las principales vías hacia la

comuna San José de Cocotog, sitio donde se realiza el estudio.

Clima

El sitio donde se implantará el proyecto del trazado del túnel de la autopista Manuelita

Sáenz, se encuentra influenciado fuertemente por el clima del Valle Interandino, el cual

se ve afectado por las masas de aire del océano (costa) y el continente (oriente),

produciendo dos estaciones lluviosas, una entre febrero y mayo y la otra entre octubre y

noviembre, con dos períodos secos (Vuille, Bradley, & Keimig, 1999), lo cual define la

5

incidencia de varios pisos climáticos importantes y característicos en la zona de estudio

(Figura 2), distinguiéndose los siguientes:

Ecuatorial Mesotérmico Semi-Húmedo: característico de la zona interandina, con

temperaturas medias anuales comprendidas entre 12 y 20º C.

Ecuatorial de Alta Montaña: característico de la zona de cordilleras Occidental y

Real, las temperaturas medias anuales se encuentran en el rango de 4 a 8º C.

Ecuatorial Mesotérmico Seco: característico del fondo de los valles de callejón

interandino, con precipitaciones inferiores a los 500 mm anuales.

Figura 2 Mapa de clima. Fuente Autor de la investigación.

Características generales del trazado del túnel

El trazado de la vía tiene una longitud de 48.12 Km, inicia en Aloag culmina en

Oyacoto. Esta vía atraviesa las poblaciones de: Tambillo, Conocoto, Cumbayá, Nayón,

Cocotog, Llano Chico, Llano Grande y Calderón; se proyecta el trazado del túnel vial

entre las abscisas 42+300 y 43+273, con una longitud de 973 m, cruzando de norte a sur

el poblado de San José de Cocotog, donde la planicie o llanura formada, está constituida

por depósitos volcánicos que limita los valles donde se desarrollan los drenajes tributarios

6

del rio San Pedro, observándose en el portal norte la quebrada de Chaquishcahuaycu y en

portal sur la quebrada Puygapapa (Figura 3).

Figura 3 Vista isométrica del trazado del túnel, se observa de color amarillo la implantación del trazado

del túnel vial. Fuente Autor de la investigación.

7

CAPITULO II

2. CONTEXTO GEOLÓGICO

2.1 Marco geológico regional

El Ecuador se ubica al Nor-Occidente del continente Sudamericano, donde varios

eventos tectónicos regionales han ocurrido desde el Mesozoico, los cuales determinaron

las condiciones geológicas y fisiográficas del país.

Tradicionalmente se ha dividido al Ecuador en tres ambientes geológicos; Costa, Sierra

y Oriente; sin embargo, en la actualidad se acepta que el Ecuador está conformado por

siete terrenos fisiográficos (Figura 4); cada uno de ellos con características geológicas

particulares y limitados por estructuras tectónicas que fueron originadas por complejos

procesos de colisión/acreción de terrenos alóctonos contra el continente (Litherland et al,

1994). Estos terrenos son: 1. Cuenca de la costa, 2. Cordillera Occidental, 3. Valle

Interandino, 4. Cordillera Real, 5. Bloque Amotape – Tahuín, 6. Cuenca Alamor –

Lancones (CAL). 7. Cuenca Oriente.

Figura 4 Geología simplificada del Ecuador. Fuente (Drobe, Darryl, Holly, & Janet, 2013)

La Cordillera Occidental está conformada por rocas volcánicas e intrusivas de

composición máfica a intermedia, relacionadas con arcos de islas y piso oceánico

8

Cretácico, acrecionados al continente; tectónicamente en contacto con depósitos marinos

(Vallejo, 2007) ,con una disposición NNE-SSO.

El basamento de esta cordillera está formado por dos terrenos de afinidad oceánica. El

más antiguo es el terreno Pallatanga, el cual es muy similar al basamento de la Costa (Fm.

Piñón), y consiste en rocas ígneas máficas y ultramáficas; el terreno más joven se

denomina Macuchi (Figura 5) que está conformado por secuencias volcano-sedimentarias

de composiciones basálticas y andesíticas con intrusiones andesíticas de alto nivel

(Hugles & Pilatasig, 2002)

Figura 5 Estratigrafía simplificada de la Cordillera Occidental. Fuente (Ordóñez, 2012)

La Cordillera Real está compuesta de rocas metamórficas del Paleozoico y granitoides

mesozoicos, cuya evolución ha sido propuesta por dos modelos: (a) Una serie de terrenos

alóctonos de oeste a este: Guamote (continental), Alao (arco de islas), Loja (continental),

Salado (arco de islas) y Amazónico (cratón continental) limitados por grandes fallas

regionales en dirección NE-SO (Aspden & Litherland, 1992). (b) Como unidades

autóctonas que comparten una historia estructural similar, donde la mayoría de las suturas

entre terrenos es reinterpretada como contactos intrusivos (Pratt, Duque, & Ponce, 2005).

9

El límite entre la Cordillera Real y el Valle Interandino lo conforma el sistema de fallas

Peltetec, el cual continúa hacia el norte como falla Romeral.

El Valle Interandino se encuentra ubicado entre la Cordillera Occidental al oeste y la

Cordillera Real al este, aloja depósitos volcánicos del Plioceno al Pleistoceno (Winkler,

y otros, 2005). Además, se puede observar pequeños xenolitos de rocas metamórficas y

rocas cristalinas máficas pertenecientes al basamento de esta depresión que se extiende a

lo largo del sistema de fallas Calacalí-Pujilí.

Figura 6 Vista 3D del NE de la región de Quito, se muestra los principales edificios volcánicos. Fuente

Autor de la investigación.

Las principales unidades geológicas que conforman la estratigrafía del Valle

Interandino, mapeadas en el trazado del proyecto del túnel de la autopista Manuelita

Sáenz, corresponde a depósitos de la cuenca de Quito y sus alrededores. En la cuenca de

Quito, las características deposicionales de la secuencia sedimentaria se componen de

lahares, depósitos fluviales y flujos piroclásticos (denominada "Unidad fluvial Quito"

después de Alvarado, 1996, o la "unidad de flujos piroclásticos" después de Jaya, 2009),

podría sugerir una correlación con la formación Chiche, identificada fuera de la cuenca

de Quito (Alvarado, 2012); (Villagómez, 2003)

A continuación, se expone las características de las formaciones geológicas que se

espera corte el trazado del túnel al momento de su construcción, información (Figura 7)

tomada principalmente de (Villagómez, 2003):

Formación Chiche (Pleistoceno Superior?): Consiste en conglomerados, areniscas

gruesas interestratificadas con tobas, aflora ampliamente en el río Chiche (Villagómez,

10

2003). El mismo autor Villagómez (2003), subdivide esta formación en al menos cuatro

miembros principales: Mb. Fluvio-lacustre I, Mb. Lahar, Mb. Fluvio-lacustre II, y Mb.

Chiche.

Miembro Fluvio-lacustre I Consiste en limolitas y tobas intercaladas con

areniscas. En la base aparecen microconglomerados con líticos andesíticos y

pómez y en el tope predominan niveles arenosos finos con estratificación cruzada.

Miembro Lahar. Consiste en flujos de lodo y menormente flujos

hiperconcentrados. Estos flujos de lodo presentan clastos de lavas y brechas

andesíticas, junto con limolitas tobáceas y localmente ignimbritas.

Miembro Fluvio-lacustre II Consiste en limolitas tobáceas blancas, diatomitas

y areniscas grises; depositadas sobre el Mb. Lahar.

Miembro Chiche Consiste en conglomerados y areniscas gruesas intercaladas

con tobas. Los clastos de los conglomerados son de andesitas piroxénicas y en

menor cantidad riolitas, junto con grawacas y obsidiana.

Formación Cangahua (Pleistoceno Superior a Holoceno?): Varios autores

coinciden en denominarla tobas alteradas, típicamente de colores amarillentos a

marrones, generalmente intercalada con caídas de ceniza, pómez, paleosuelos y en

ocasiones flujos de lodos y canales aluviales. Generalmente, la cangahua tiene textura

limo-arenosa; y localmente presenta patinas calcáreas y limonita entre los planos de

estratificación o diaclasas (Villagómez, 2003).

11

a

.

b.

Figura 7. a Litoestratigrafía propuesta para el Valle Interandino Central. Basada en

información y modificado de Villagómez, 2003. b. Perfil geológico generalizando la ubicación

estratigráfica del trazado del Túnel. Fuente Autor de la investigación.

2.2 Litoestratigrafía de los portales norte y sur del trazado del túnel

2.2.1 Portal norte, progresiva: 43+252.845 y 43+273.552

Sec

uenci

a es

trat

igrá

fica

auto

pis

ta M

anuel

ita

Sáe

nz

Ubicación

geológica del

Proyecto del Túnel

Escala gráfica

12

Se ubica al noreste de la parroquia de Cocotog, a 200m de la quebrada

Chaquishcahuaycu en el margen derecho de un drenaje de aguas servidas s/n, en el PK

43+260 (Fotografía 1), la solera del portal se proyecta estar en la cota 2385 msnm (Figura

8), morfológicamente se ubica en la estribación nororiental de uno de los flancos de la

meseta de Cocotog. Además, esta zona se caracteriza por valles en “V” profundos,

presenta un relieve abrupto con pendientes superiores a los 45° (Figura 9).

Fotografía 1 Vista Panorámica del Portal Norte. Coordenadas UTM: 788229.9940E; 9984700.6046N.

Fuente: Autor de la investigación.

Geológicamente, el portal norte se encuentra entre dos secuencias sedimentarias, desde

la base corresponde a una serie de rocas sedimentarias sub-horizontales de tobas,

areniscas, conglomerados, arenas sueltas, niveles finos de arcilla y coluviales, los cuales

son deleznables, sin embargo, en ocasiones las areniscas y tobas llegan a comportarse

como una roca blanda (R2) y moderadamente dura (R3), está secuencia tiene una ligera

meteorización, con espesores variables de centimétricos a métricos y una continuidad de

rumbo y buzamiento muy altas. Hacia el techo en cambio dominan rocas sedimentarias

de caída (periclinal) principalmente de Cangahua, localmente se encuentra intercalada

por niveles de lapilli y pómez.

13

Figura 8 Modelo de elevación digital del Portal Norte. Fuente Autor de la investigación.

Figura 9 Mapa de pendientes del Portal Norte. Fuente Autor de la investigación.

La estructura de mayor dominio es la estratificación, la misma que se caracteriza por

ser subhorizontal en la secuencia sedimentaria de la Formación Chiche con un rumbo

preferencial en sentido O-E y buzamientos muy bajos hacia el S y N (Tabla 2), además

presentan un espaciado de juntas (60 a 200 mm), continuidades en rumbo y buzamiento

muy altas (>20m), aberturas abiertas (0,5 a 2.5 mm), rugosidad de tipo plana rugosa y la

mayoría sin relleno (Anexo 5). En el caso de la Formación Cangahua la estratificación es

variable puesto que la depositación es periclinal, sin embargo, en el portal norte indica un

rumbo preferencial NO-SE y buzando hacia el NE, dirección similar al de la ladera (Tabla

14

2), presenta rellenos duros <5mm de óxidos y carbonato de calcio de espesores entre 0.1

a 1mm.

Las juntas son poco ocurrentes en esta zona, se encuentran cortando a las dos

formaciones y presentan una dirección preferencial en sentido NO-SE con buzamientos

intermedios (Tabla 3), además presentan un espaciado de moderadamente juntas (200 a

600 mm), continuidades en rumbo y buzamiento medias (3 a 10m), aberturas abiertas y

moderadamente abiertas, rugosidad de tipo plana rugosa y la mayoría con relleno de

carbonato de calcio, arena, arcilla y limos (Anexo 5).

La mayoría de los materiales se comportan como suelo, sin embargo, en las areniscas

y tobas la calidad del macizo rocoso en superficie es moderadamente resistente, ligera

meteorización y poco fracturado. Según los datos de campo estos dos materiales tienen

un RMR básico entre 59 a 63, lo que indica una roca de calidad tipo III (Fotografía 2).

Fotografía 2 a. Contacto entre arenisca y conglomerado. Se observa la resistencia que ofrece el macizo a

la erosión continúa por el agua de la quebrada. Este punto es donde se realizó la Estación de calificación

de la calidad de macizo rocoso, resultando con un RMR Básico de 59 (Clase III). b. Arenisca con

resistencia moderada, c. Conglomerado deleznable. Fuente: Autor de la investigación.

Tabla 2 Descripción de la estratificación presente en el Portal Norte de la Autopista

Manuelita Sáenz

Secuencia Materiales Simbología Estructuras Depositación

Techo

Toba -Cangahua U1 356/08;

006/41;

013/36;

Periclinal

Lapilli U2

b.

c. a

15

Base

Toba -Cangahua U1

015/09;

035/46

Arenisca gruesa U14

237/10;

217/05;

230/05;

212/09;

185/07;

192/04;

330/02;

345/10;

356/14;

334/08;

351/05;

334/03;

031/02

Estratificación subhorizontal

Toba U1

Arenisca gruesa U14

Toba U1

Conglomerado U11

Arenisca gruesa U14

Arena volcánica U5

Conglomerado U11

Arcilla U18

Conglomerado U11

Arena volcánica U5

Arenisca gruesa U14

Toba U1

Conglomerado U11

Toba U1

Tabla 3 Descripción de las juntas presentes en el Portal Norte de la Autopista Manuelita

Sáenz

Secuencias Formación Estructuras Estéreodiagrama

Techo

Formación

Cangahua

232/83;

082/53;

16

Base

Formación

Chiche

265/65;

015/74;

036/42;

222/55;

235/54;

251/54;

265/63;

205/76;

162/68;

153/51;

178/67

2.2.2 Portal sur, progresiva: 42+300.641 y 42+312.115

Se encuentra ubicado al sur de la parroquia de Cocotog en el flanco izquierdo de la

quebrada Puygapapa, en el PK 42+306 (Fotografía 3), la solera del portal se proyecta en

la cota 2348 msnm (Figura 10), morfológicamente se ubica en la estribación suroccidental

de uno de los flancos de la meseta de Cocotog, además esta zona se caracteriza por valles

en “V” profundos, presenta un relieve abrupto con pendientes superiores a los 45°(Figura

11) el cual es un factor condicionante de alta relevancia para la generación de

movimientos en masa de diferentes tipologías, en esta zona son comunes y en este portal

se ha definido depósitos coluviales de pequeña y mediana dimensión, además de zonas

de desprendimientos de materiales.

17

Fotografía 3 Vista Panorámica del Portal Sur. Coordenadas UTM: 787729.7735E; 9983868.5274N.


Geológicamente, el portal sur se encuentra entre dos secuencias sedimentarias, desde

la base corresponde a una serie de rocas sedimentarias sub-horizontales entre tobas,

areniscas, conglomerados de matriz soportada, brechas, arenas sueltas, niveles finos de

arcilla y coluviales, los cuales son deleznables, sin embargo, en ocasiones la arenisca,

brecha y toba llegan a comportarse como una roca blanda (R2) y moderadamente dura

(R3). La secuencia tiene una ligera meteorización, presenta espesores variables de

centimétricos a métricos, se caracteriza por una continuidad de rumbo y buzamiento

mayor a los 20m. Hacia el techo en cambio dominan rocas sedimentarias de caída

(periclinal), consiste principalmente de toba de un tamaño limoso denominada Cangahua,

además se encuentra intercalada por niveles de lapilli y pómez.

18

Figura 10 Modelo de elevación digital del Portal Sur. Fuente Autor de la investigación.

Figura 11 Mapa de pendientes del Portal Sur. Fuente Autor de la investigación.

Las estructuras de mayor dominio es la estratificación, la misma que se caracteriza por

ser subhorizontal en la secuencia sedimentaria de la Formación Chiche con un rumbo

preferencial en sentido O-E y buzamientos muy bajos hacia el SO (Tabla 4), además

presentan un espaciado de juntas (60 a 200 mm), continuidades en rumbo y buzamiento

muy altas (>20m), aberturas abiertas (0,5 a 2.5 mm), rugosidad de tipo plana rugosa y la

19

mayoría sin relleno (Anexo 5). En el caso de la Formación Cangahua la estratificación es

variable puesto que la depositación es periclinal, presenta rellenos duros <5mm de óxidos

y carbonato de calcio de espesores entre 0.1 a 1mm.

Las juntas son poco ocurrentes en esta zona, se encuentran cortando a las dos

formaciones y presentan una dirección preferencial en sentido NO-SE con buzamientos

intermedios (Tabla 5), además presentan un espaciado de (600 a 2000 mm), continuidades

en rumbo y buzamiento bajas y medias (1 a 3m y 3 a 10m), aberturas moderadamente

abiertas, rugosidad de tipo plana rugosa y la mayoría con relleno de carbonato de calcio,

arena, arcilla y limos (Anexo 5).

La mayoría de los materiales se comportan como suelo, sin embargo, en la arenisca y

tobas la calidad del macizo rocoso en superficie es moderadamente resistente, ligera

meteorización y poco fracturados, según los datos de campo estos dos materiales tienen

un RMR entre 59 a 69, lo que indica una roca tipo III.

20

Tabla 4 Descripción de la estratificación presente en el Portal Sur la Autopista

Manuelita Sáenz.

Secuencia Materiales Simbología Estructuras Depositación

Techo

Base

Coluvial C

-------

-------

Toba -

Cangahua U1

Periclinal Lapilli U2

Toba -

Cangahua U1

Brecha U13

185/08;

188/08;

185/11;

204/06;

197/05;

200/05;

210/06;

195/08;

180/08;

200/09;

195/06;

183/06

Estratificación subhorizontal

Arenisca

gruesa U14

Brecha U13

Arena

volcánica U5

Arenisca

gruesa U14

Conglomerad

o U11

Toba U1

Ceniza U3

Brecha U13

Toba U1

Arenisca

gruesa U14

Toba U1

Arena

volcánica U5

Toba U1

Lapilli U2

21

Tabla 5 Descripción de las juntas presentes en el Portal Sur de la Autopista Manuelita

Sáenz.

Secuencias Formación Estructuras Estéreodiagrama

Techo

Base

Formación

Cangahua 185/61;

169/55;

220/70;

233/02;

226/65;

182/65;

230/80;

311/71;

105/62;

294/83

Formación

Chiche

2.2.3 Resumen de la litoestratigrafía para los portales norte y sur.

Las unidades geológicas existentes en el trazado del túnel de la Autopista Manuelita

Sáenz se describen en la Tabla 6.

Tabla 6 Descripción de las unidades geológicas presentes en el trazado del túnel de la

Autopista Manuelita Sáenz desde 42+284.428 hasta 43+300.

Unidades

geológicas

Espesor

(m) Descripción Resistencia SUCS

Coluvial (C) 3 - 8

Color café grisáceo, no presenta materia orgánica, matriz

soportada de mal sorteo, clastos (60%) y matriz (40%), la

matriz se compone de andesitas y pómez de tamaño areno-

limoso, mientras que los clastos son de andesitas, pómez y

tobas de colores gris, rojizo, blanco y café claro, presentan

formas subangulosas - subredondeadas, llegan a medir hasta

40cm y en promedio 5 cm. En estado natural se encuentra seca,

no presenta estructuras, friable, media - baja cohesión,

resistencia S1-S2 y su matriz no tiene plasticidad, se presenta

el material de manera caótica. Fotografía 4

S1-S2 GP

Toba (U1) 5 - 12

Presenta un color crema blanquecino, no presenta materia

orgánica, el material tiene un buen sorteo, matriz (90%) y

líticos (10%), la matriz se compone de ceniza de tamaño areno

limoso, mientras que los líticos son de andesita, pómez de

tonalidad gris azulada y blancas con formas angulosas a

S2-S3 ML

22

subangulosos de hasta 1cm, en promedio miden 2mm,

ocasionalmente presenta micas y patinas de carbonato. Este

nivel se encuentra seco naturalmente y se estima un espesor

mayor que puede llegar a los 25m, tiene cohesión media-alta,

poco friable, resistencia S2-S3, estructura masiva, levemente

fracturada, muy baja plasticidad, no se observa gradación, es

muy porosa. Se deposita de manera periclinal.

Las tobas que forman parte de la Formación Chiche presentan

características similares a las tobas superficiales (Cangahua),

sin embargo, en algunos niveles presenta en su matriz

laminaciones y el porcentaje de clastos aumenta. Fotografía 5

Lapilli (U2) 0.9-1

Color blanquecino, clasto soportada de pómez de tamaño

arenoso, clasto soportada, con buen sorteo, la matriz (2%) y

los clastos (98%), llegan a medir hasta 3cm, en promedio

miden 1.5cm, tienen formas subangulosas - angulosas. Se

encuentran seco, tiene una media cohesión, poco friable,

resistencia S2-S3, levemente fracturado, carece de plasticidad,

se encuentra muy localizado e intercalado en la U1. Fotografía

6

S2-S3 SW

Ceniza (U3) 2-2.5

Presenta un color crema blanquecino, matriz soportada de

buen sorteo, con tamaño arena-limosa de matriz (98%) y

clastos (2%), se componen de andesitas y pómez de tonalidad

gris y blanca, los clastos son de tamaño grava de hasta 3mm,

en promedio miden 1mm, tienen formas subangulosas -

angulosas. El material se encuentra seco naturalmente, baja

cohesión, muy friable y disgregable, resistencia S1-S2,

estructura en forma de estrato subhorizontal, muy baja

plasticidad.

S1-S2 CL

Conglomerado

(U11) 1– 11

Color gris oscuro, clasto soportado, buen sorteo, matriz (2%)

y los clastos (98%), de andesitas de color gris azulado y rojizo,

la matriz tiene un tamaño de arena, mientras que los clastos de

grava y llegan a medir hasta 40cm, en promedio miden 6 cm,

tienen formas subredondeados - redondeados y en ocasiones

subangulosas. El material se encuentra seco naturalmente, se

presenta con un estrato subhorizontal, tiene muy media - baja

cohesión, resistencia S2-S3, con pocas fracturada, no tiene

plasticidad. Fotografía 7

S2-S3 GW/GP

Brechas (U13) 1-3

Color gris oscuro, clasto soportado, buen sorteo, con tamaño

arena media, matriz (5%) y clastos (95%), se componen de

andesitas de tonalidad gris, la matriz es de tamaño arenoso y

S4-S5 GW

23

los clastos de tamaño grava de hasta 5cm, en promedio miden

1cm, tienen formas subangulosas - angulosas. El material se

encuentra seco naturalmente, media - alta cohesión, poco

friable, resistencia S4-S5, estructura en forma de estrato

subhorizontal, fracturada, no tiene plasticidad, presenta niveles

finos de arena. Fotografía 8

Arenisca

Gruesa (U14) 1-11

Presentan varios niveles de espesor variable, color gris oscuro,

no presenta materia orgánica, clasto soportado de buen sorteo,

matriz (2%) y los clastos (98%), tamaño arena media-gruesa

de andesitas de tonalidad gris azulado y rojizo, llegan a medir

hasta 5mm, en promedio miden 2mm, tienen formas

subangulosas - subredondeados. Los niveles se encuentran

secos naturalmente, tiene una media-alta cohesión, no es

friable, resistencia S3-S4, estructura a manera de estrato

laminado, con presencia de fracturas, consistencia muy firme,

no tiene plasticidad, no se observa gradación. Fotografía 9

S3-S4 SM

Arena

volcánica (U5) 0.4–1

Color gris oscuro, no tiene materia orgánica, matriz soportada

de buen sorteo, matriz (100%) de tamaño arenoso, se compone

de andesitas de granos con formas subangulosas a angulosas,

el tamaño es de 2 mm y como máximo 4mm. El material se

encuentra seco naturalmente, baja cohesión, resistencia S0-S1,

estructura a manera de estrato subhorizontal, no tiene

plasticidad.

S0-S1 SW

Arcilla (U18) 0.3–0.5

Color blanquecino, no tiene materia orgánica, matriz soportada

de buen sorteo, matriz (100%) de tamaño arcillo-limoso. El

material se encuentra seco, media-baja cohesión, resistencia

S2-S3, estructura a manera de estrato su horizontal, baja -

moderada plasticidad. Fotografía 10

S1-S2 ML

Fotografía 4 Litologías. a y b. Unidad coluvial. Portal Sur. Fuente: Autor de la investigación.

24

Fotografía 5 Litologías. a y b. Unidad Toba-Cangahua. Portal Norte. Fuente: Autor de la

investigación.

Fotografía 6 Litologías. a y b. Unidad Lapilli. Portal Norte. Fuente: Autor de la investigación

Fotografía 7 Litologías. a y b. Unidad Conglomerado. Portal Norte. Fuente: Autor de la investigación

25

Fotografía 8 Litologías. a y b. Unidad Brechas. Portal Sur. Fuente: Autor de la investigación

Fotografía 9 Litologías. a y b. Unidad Areniscas gruesas. Portal Norte. Fuente: Autor de la

investigación

Fotografía 10 Litologías. a y b. Unidad Arcillas. Portal Norte. Fuente: Autor de la investigación.

En la Tabla 7 se resumen en orden secuencia de depositación las unidades litológicas

cartografiadas en los portales Norte y Sur.

Tabla 7 Resumen de la lito-estratigrafía, con línea roja se señala la litología a ser

excavada, tanto para el portal Norte y Sur.

Ubicación Progresiva Litología Simbología Potencia Ubicación Túnel

PORTAL

NORTE 43+252.845

Areniscas U14-15 1.68 Sobre la bóveda

Toba U1 1.17 Sobre la bóveda

26

Areniscas U14-15 1 Sobre la bóveda

Toba U1 3 Sobre la bóveda

Conglomerado U11 10.67 Sobre la bóveda

Areniscas U14-15 11.42 Excavación/Cimentación

Arena Volc. U5 0.41 Excavación/Cimentación

Conglomerado U11 3.73 Bajo cimentación

Arena Volc. U5 0.47 Bajo cimentación

Areniscas U14-15 2.57 Bajo cimentación

43+273.552

Areniscas U14-15 11.42 Excavación/Cimentación

Conglomerado U11 3.73 Bajo cimentación

Arena Volc. U14-15 0.47 Bajo cimentación

Areniscas U5 2.57 Bajo cimentación

PORTAL

SUR

42+300.641


Brechas U13 2.78 Sobre la bóveda

Areniscas U14-15 1.89 Excavación

Brechas U13 0.74 Excavación

Arena Volc. U5 0.9 Excavación


Conglomerado U11 0.87 Excavación

Toba U1 1.26 Excavación

Ceniza U13 2.02 Cimentación

Brechas U13 0.29 Bajo cimentación

Toba U1 0.87 Bajo cimentación



42+312.115





Arena Volc. U5 0.9 Excavación


Conglomerado U11 0.87 Excavación

Toba U1 1.26 Excavación

Ceniza U13 2.02 Cimentación

Brechas U13 0.29 Bajo cimentación




A continuación, se presenta la planta geológica con las unidades litoestratigráficas

cartografiadas:

28

Figura 12 Mapa geológico de los portales norte y sur; parámetros geotécnicos de las unidades observadas en cada portal. Fuente Autor de la investigación

29

2.3 Geología estructural

La zona de estudio se encuentra controlada principalmente por el QFS (sistema de fallas

de Quito), la cual es una serie de fallas inversas ubicadas en el callejón interandino, que limita

la cuenca al este (Soulas, Eguez, Yepes, & Pérez, 1991). Al norte de la ciudad, el QFS se

desdobla y ambos trazos se amortiguan contra una falla sinestral local. Al sur de Quito, el

salto disminuye rápidamente, a partir de Amaguaña; para este sistema se proponen

parámetros sismogénicos como: la extensión cartográfica del accidente, de aproximadamente

45 Km y la estimación del buzamiento, entre 30° y 45° (Alvarado, 2012). El QFS (Figura 13)

posee dos secciones: norte y sur.

Sección Norte: Forma una amplia flexión asimétrica con un flanco escarpado al este. En

relación con la geometría de esta sección, se establece el fallamiento inverso con componente

dextral, cuya longitud está comprendida entre los 17.5 a 18.5 Km con dirección N4°E ± 22°

y buzamiento de 60°O, con tasa de desplazamiento de 0.2-1 mm/a (Egüez, y otros, 2003).

Sección Sur: Geométricamente se define como fallamiento inverso con componente

dextral, que posee una longitud de 15-15.7 Km en una dirección de N16°E ± 19° y

buzamiento de 60°O (Egüez, y otros, 2003).

30

Figura 13 Localización del Sistema de Fallas Quito (QFS): sección norte (elipse verde) – sección sur (elipse

amarilla), Sistema de Fallas Guayllabamba (elipse gris) y trazado de la autopista Manuelita Sáenz (Línea

roja). Fuente (Alvarado, 2012)

Estructuralmente las unidades: Pisque (Lavas y tobas), San Miguel (Sedimentos

lacustres), Guayllabamba (Tobas y lavas), Chiche (lahares, depósitos aluviales y

piroclásticos) y Cangahua (Tobas, ceniza y depósitos de caída), se encuentran deformadas

(Moposita, 2018)

Durante la cartografía geológica se evidencio localmente deformaciones del tipo frágil y

dúctil que se ven reflejados con la presencia de elementos estructurales geológicos de primer

y segundo orden a escalas macro, meso y microscópicas del tipo estratificaciones, fallas,

diaclasamiento y ocasionalmente pliegues abiertos, que afectan principalmente a los

depósitos de la Formación Chiche. Hay que tener en consideración que la discontinuidad de

31

mayor relevancia que afectará a la estabilidad del macizo rocoso es la estratificación, debido

a la gran persistencia (continuidad rumbo y buzamiento) e inclinaciones sub-horizontales,

convirtiéndose en el principal plano de debilidad por mantener una cohesión y ángulo de

fricción baja conllevando a la disminución de la resistencia al corte.

La génesis del depósito sedimentario (disposición y la tasa de sedimentación) obliga al

desarrollo de una estratificación continúa donde los niveles o paquetes sedimentarios

(consolidados y no consolidados) presenta un espesor entre 10 a 30 cm, lo que conllevaría al

desarrollo de inestabilidad por caída de planchas.

Por otro lado, las fallas y diaclasas son estructuras muy puntuales (poco frecuentes) y

levemente desarrolladas pero su presencia no debe ser menospreciada al ser potenciales

planos que condicionan la estabilidad de la obra subterránea, con la formación de cuñas.

Para comprender el modelo geológico-estructural de área de implantación del trazado del

túnel, se realizó el análisis estructural de las unidades cartografiadas en base a los datos

obtenidos en levantamientos geológicos y de detalle, donde se colectaron alrededor de 160

datos estructurales (estratificación, diaclasas y fallas).

2.4 Geomorfología

Fisiográficamente el trazado del túnel vial “Manuelita Sáenz”, ubicado en la Comuna San

José de Cocotog se encuentra en los límites occidentales del valle interandino. La morfología

en la zona donde se plantea la excavación subterránea (túnel vial) es de tipo llanura de

depósitos volcánicos con pendientes muy bajas a bajas (2% al 15%) lo cual ha permitido el

crecimiento urbanístico horizontal acelerado durante la última década. La morfología se

asemeja a una meseta alargada de 700 metros de ancho y 3500 m de largo, la cual se encuentra

limitada por dos quebradas disectadas por influencia de erosión fluvial (Fotografía 11). El

afluente colindante con el portal sur es conocido como la quebrada Puygapapa; esta presenta

un valle con una diferencia de altura entre 160-170 m y la red hídrica aledaña al portal norte

lleva el nombre de quebrada Chaquishcahuaycu, donde la profundidad del cauce en relación

topografía plana alargada esta entre los 90 a 100 m de altura.

La elevación en la zona plana varía entre 2640 a 2465 msnm y en los valles o cauces de

las quebradas entre 2377 (Portal Norte) y 2340 (Portal Sur). Esta diferencia de cota en los

32

bordes de la meseta configura laderas con pendientes fuertes (30-70%) donde se desarrollan

movimientos en masa del tipo rotacional y combinados poco profundos con roturas de hasta

10 metros.

La geodinámica externa y sus correspondientes procesos erosivos han incidido

fuertemente en este sector, provocando una intensa erosión de los depósitos volcano –

sedimentarios, formando relieves abruptos, que definen valles amplios y localmente

estrechos y profundos limitados por cuchillas sub-redondeadas que en conjunto marcan un

drenaje paralelo. Además, los sistemas de fallas regionales - locales (Falla de Quito, Falla

Botadero) y sus litologías propensas al intemperismo, han generado zonas en las cuales las

unidades geológicas experimentan una marcada reducción de su resistencia, razón por la cual,

se generan extensas zonas vulnerables a los procesos erosivos (cauces de las quebradas),

fuertemente dependientes de las condiciones climáticas (invierno y verano) dominantes en

las laderas, formando valles disectados en forma de V con laderas vertientes con dirección

E-O.

Fotografía 11 Panorámica del portal sur, donde se observa la pendiente fuerte de la ladera y el efecto de

erosión hídrica formando causes estacionarios. Fuente: Autor de la investigación.

Portal Sur

cárcavas de

erosión

Drenaje

estacional

33

En este contexto morfológico, los procesos geodinámicos denudativos son dominantes y

los procesos acumulativos son muy limitados, ya que las fuertes pendientes del curso superior

y medio no permiten la acumulación excesiva de materiales sueltos debido a que el agua

discurre con gran energía; es frecuente el desarrollo de cascadas sobre el lecho de los cauces

fluviales que no permiten la acumulación de materiales sueltos. Una limitada acumulación

de sedimentos ocurre en el cauce y riveras de las quebradas.

2.5 Análisis de peligros

2.5.1 Peligro volcánico

El trazado del túnel vial de la autopista Manuelita Sáenz, ubicado en la Comuna San José de

Cocotog, está rodeado por volcanes de edad cuaternaria que incluyen volcanes activos,

potencialmente activos e inactivos (Figura 14). Entre los volcanes inactivos se encuentran el

volcán Casitagua al noroeste, el Rucu Pichincha al oeste, el Ilaló al sur y el Puntas al este,

entre potencialmente activo está el volcán Pululahua al norte y en activos se encuentran el

volcán Guagua Pichincha al oeste del trazado del túnel de la autopista Manuelita Sáenz (IG-

EPN, 2019).

Producto de la actividad de los volcanes activos y potencialmente activos existen flujos

piroclásticos, caída de ceniza y lahares en varios drenajes de la zona. La caída de ceniza

afecta principalmente al norte del área de estudio teniendo depósitos del Pululahua de 5 y 25

cm, así como caída de ceniza del Guagua Pichincha con depósitos de 5 y 25 cm. Los lahares

abarcan la mayor área en comparación a los flujos piroclástico, siendo estos los de mayor

afectación alrededor del trazado del túnel.

Los volcanes con mayor influencia alrededor del trazado del túnel son el Guagua Pichincha

y el Pululahua.

34

Figura 14 Mapa de peligro volcánico. Fuente Autor de la investigación.

2.5.2 Peligro sísmico

El factor sísmico es de gran importancia debido a que nuestro país está ubicado en el margen

continental activo del cinturón de fuego del pacífico, donde existen importantes sistemas de

fallas a lo largo del territorio.

En relación con la microsismicidad del QFS, se registra gran cantidad de eventos sísmicos a

lo largo de todo el sistema, con un total de 1758 eventos para el período 1994-2009, cuyas

magnitudes oscilan entre 3.0 a 5.3 Mw, a profundidades menores de 20 Km (Figura 15), lo

que confirma la alta sismicidad superficial que se produce en estas estructuras tectónicas

(Alvarado, 2012).

35

Figura 15 . Distribución de la microsismicidad local en Quito. La profundidad de los sismos es < 20 Km, donde

se muestran los perfiles A-A' y B-B' que detallan los hipocentros de los eventos sísmicos del periodo 1994-

2009. Con línea roja la autopista Manuelita Sáenz. Modificado de Alvarado, 2012.

Cronología de eventos sísmicos representativos en quito

De acuerdo con los registros escritos y estudios pertinentes acerca de la sismicidad en la

capital, se nota una amplia actividad sísmica relacionada al tectonismo en Quito. La actividad

sísmica, cuenta con un primer registro durante el siglo XVI, donde ocurre un evento en San

Antonio de Pichincha en el año 1587 provocando gran destrucción en las cercanías de esta

localidad (Morales, 2017). En la capital se han registrado alrededor de 11 eventos

significativos a partir del siglo XVI, con sismos de magnitudes que oscilan entre IV-VIII

(Tabla 8).

Tabla 8 Cronología de eventos sísmicos significativos ocurridos en Quito

No. Fecha Epicentro Intensidad Magnitud Descripción Fuente

1 31/08/1587 San Antonio

de Pichincha VIII 6.4 Mw

Gran destrucción en

las cercanías de San

Antonio de Pichincha

y pueblos vecinos.

IG-EPN,

2013.

2 1662 Quito VI ---

En la fachada de la

iglesia San Agustín se

lee: “Año de 1660,

reventó el volcán de

Morales,

C., 2017.

36

Pichincha. Año 1662,

ocurrió el terremoto”.

3 26/04/1755 Quito VII ---

Movimiento fuerte y

súbito seguido de

réplicas menores por

varios días.

Yepes, H.,

2015.

4 28/04/1755 Pichincha VIII ---

Se producen serios

daños en edificios

públicos y viviendas

en Quito.

Egred, J.,

2016.

5 1787 Quito VI --- Daños menores en las

iglesias de la época.

Yepes, H.,

2015.

6 31/08/1797

Guayllabamba

--- 6.4 Mw

Destrucción en el

norte de la provincia

de Pichincha,

especialmente San

Antonio, Pomasqui,

Guayllabamba.

Sangurima,

K., 2013

7 22/03/1859 Quito

--- 7.2 Mw

Graves daños en

edificios, iglesias y

casas de Quito.

Duración de 1 a 2

minutos. Sentido casi

en todo el país.

IG-EPN,

2013.

8 16/05/1923 Quito VI ---

Un patrón de daños

más acentuados en las

iglesias de Quito

Morales,

C., 2017.

9 25/07/1929 Pichincha --- ---

Desde Tambillo la

carretera sufrió serios

efectos, a causa de los

derrumbes y deterioro

de los puentes

IG-EPN,

2013.

10 09/08/1938

El Tingo -

Sangolquí

(Valle de Los

Chillos)

VIII 6.00 Mw

± 0.4

Destrucción

considerable en los

poblados de El Tingo,

Alangasí y Sangolquí.

La aceleración sísmica

del evento fue de

290.66 cm/seg2 (0.29

g) a una profundidad

de 11.11 ± 3.47 Km.

Moposita,

R., 2018.

37

11 10/08/1990 4 km al NE de

Pomasqui ---

5.0-5.3

Mw

Sismo somero, 900

viviendas afectadas

con un costo de

reparación de

alrededor de 770

millones de sucres.

Daños a monumentos

e iglesias coloniales en

las zonas de Pomasquí,

San Antonio de

Pichincha y Calderón

IG-EPN,

2011.

Algunos parámetros sísmicos sobre la fenomenología de los eventos no han sido detallados aún. Se destaca que

los terremotos de: 31/08/1587, 31/08/1797, 22/03/1859 y 09/08/1938 son los sismos con mayor magnitud e

intensidad (subrayados en color amarillento).

De acuerdo con (Beauval, y otros, 2013) en el catálogo sísmico del Instituto Geofísico

(IG-EPN), en la capital se registran un total de 447 sismos con magnitudes mayores a 3.0

Mw (Figura 17), dichos sismos se encuentran dentro de un rango de magnitud comprendido

entre 3.00 a 6.0 Mw, desde 1938 hasta 2017. La sismicidad se localiza en el trazo estructural

del QFS, los sismos registrados frecuentemente oscilan entre los 3.00 a 4.0 Mw de magnitud,

con una media de 3.4 Mw (Figura 16), a una profundidad comprendida entre los 12 a 20 Km,

lo que refiere un mecanismo sismo genético somero. (Alvarado, 2012)

Figura 16. Magnitud de eventos sísmicos registrados en Quito. Marcado en rojo los eventos con una misma

tendencia y repetición (media de los datos sísmicos). Fuente (Alvarado, 2012)

38

Figura 17. Enjambre sísmico con magnitudes mayores a 3.00 Mw en Quito. Modificado de (Alvarado, 2012)

Peligros potenciales

Los movimientos del terreno se dan por procesos geodinámicos que afectan la superficie

terrestre, entre los procesos geológicos con mayor influencia en el trazado de la vía

“Manuelita Saenz”, se encuentran la sismicidad, vulcanismo y precipitaciones que puede

producir deslizamientos y desprendimientos en las laderas, hundimientos, subsidencias, etc.

(González de Vallejo, 2002)

39

CAPITULO III

3 MARCO METODOLÓGICO

3.1 Tipo de estudio

La investigación es cuantitativa y analítica, porque estará basado en datos de campo

(Geología) y clasificaciones geomecánicas (Geotecnia), donde se deberá cuantificar las

propiedades de los materiales con el fin de emplearlos en el estudio geológico- geotécnico

del trazado del túnel a nivel de prefactibilidad, además de proveer la estabilidad del mismo.

Para el desarrollo del proyecto de investigación se debió cumplir con las siguientes etapas

que se resumen en el flujograma (Figura 20)

3.2 Etapa de preparación

Corresponde a la recopilación y análisis bibliográfico de estudios previos, esta etapa

sintetiza la situación actual del conocimiento geológico del área de estudio, donde para el

desarrollo de la investigación es necesario disponer insumos de partida, que permitirán

comprender el comportamiento de los materiales geológicos al ser excavado. A continuación,

se describen los estudios realizados y los que se debería ampliar en fase de diseño definitivo,

su justificación y su alcance (Tabla 9).

Tabla 9 Insumos y estudios que se debería ampliar para la fase de diseño definitivo. Temática Alcance Justificación

TOPOGRAFÍA

(Anexo 1)

Proveer a los diseñadores las

herramientas cartográficas y

topográficas (planos, perfiles,

pendientes, morfología,

deformaciones del terreno, rasgos

estructurales)

Obtener curva de nivel, con un índice de curva

cada 1 m

Ubicar las investigaciones (estaciones geológicas

y geomecánicas)

Obtener la distribución de redes de drenaje

*HIDROLOGÍA

Análisis de las crecidas ligadas a una

probabilidad de ocurrencia tanto en

quebradas como en drenajes

naturales secundarios que se

identifican en la zona de estudio

Permitirá caracterizar las intensidades y caudales

de crecida para varios periodos de retorno (2, 5,

10, 25, 50 y 100 años)

Se determinarán las curvas intensidad – duración

– frecuencia (IDF), válidas para los diseños de las

obras civiles (puentes)

40

Temática Alcance Justificación

Se definieran los porcentajes de escorrentía

superficial y caudal de infiltración, para el

análisis y diseño de las obras de drenaje

superficial y subsuperficial, encaminadas para

mantener la estabilidad de las laderas y taludes

Identificado zonas potencialmente amenazadas

por deslizamientos que, por sus características,

pueden estar sujetas a movimientos en masa

HIDROGEOLOGÍA

Identifican las zonas: de recarga,

descarga, posición del nivel freático y

el comportamiento de las unidades

geológicas frente al agua

Permitirá identificar que la naturaleza de los

materiales en interacción con el nivel freático

La presencia de una superficie freática y agua de

infiltración (escorrentía) aumenta la presión

efectiva, disminuyendo la resistencia la corte de

los materiales, y conjugado con los factores

condicionantes y desencadenantes producen

fracturamiento en zonas de debilidad

Obtener superficie piezométrica en el área de

estudio

GEOLOGÍA

Modelo geológico, identificación de

sitios singulares para la investigación

geotécnica y la identificación de

factores condicionantes y

desencadenantes

Identificar en el campo: litología, niveles de

meteorización, resistencia del macizo rocoso

(suelo- roca), calidad del macizo rocoso

Identificar de factores condicionantes y

desencadenantes

Tomar la orientación de las discontinuidades a

favor de la rotura

GEOTECNIA

Definir el modelo geotécnico Obtener el perfil geológico – geotécnico

longitudinal del trazado del túnel

Procesar datos de ensayos de

laboratorio Calcular la capacidad de carga del suelo

Diseño de obras de sostenimiento

primario y revestimiento

Realizar modelos tenso-deformaciones para ver

el comportamiento de los materiales a lo largo

del trazo longitudinal del trazado del túnel.

Resumen de materiales (Rubros) y

especificaciones técnicas del

revestimiento.

Cuantificar los materiales que intervienen en la

estructura armada para el revestimiento

41

3.3 Análisis de información

El diagnóstico integral de la información de la etapa anterior permitió la planificación

adecuada y la aplicación de métodos de investigación directa (mapeo geológico de superficie)

para la obtención de datos representativos y fiables que se verán reflejados en los resultados

relevantes en este trabajo.

3.4 Etapa de campo

Se ejecutaron salidas al campo, para efectuar las respectivas observaciones directas en

terreno mediante el levantamiento de columnas estratigráficas; se accedió a sitios estratégicos

como quebradas, taludes de vías, desbanques, etc.; permitiendo la descripción y

caracterización de las principales unidades geológicas observadas en el trazado del túnel vial

de la autopista Manuelita Sáenz.

El levantamiento de información de campo fue mediante el uso de fichas, que permitieron

la construcción de columnas litoestratigráficas. El formato de estas fichas se adaptó en base

a las necesidades de la tesis de investigación las cuales fueron identificadas en las dos

inspecciones de reconocimiento, realizadas en la etapa de preparación. Este formato se

encuentra respaldado por bibliografía especializada y para un uso versátil se resumió en

tablas las diferentes características del macizo rocoso. (Anexo 4).

Levantamiento de estaciones geomecánicas

Antes de iniciar el levantamiento de estaciones geomecánicas, se procedió a discriminar

mediante la descripción visual, el tipo de litología y mediante la ayuda de índices de campo,

el rango de resistencia del material analizado; esto con la finalidad de distinguir entre suelo

(no consolidado) y roca (consolidado). Una vez reconocido el tipo de material se procedió a

levantar estaciones geomecánicas únicamente en litologías con propiedades de rocas en este

caso las unidades U14 (Areniscas) y U1 (Tobas). Las litologías restantes; U3, U18, U2, U5,

U11, U13 y C se las considero como material granular no consolidado, por lo que su análisis

no amerita un levantamiento de estación geomecánica.

42

Para obtener valores ingenieriles del sustrato rocoso, con los que se trabajará en etapas

posteriores a este estudio, se usa la clasificación geomecánica RMR. Las principales

características se resumen en el Tabla 10.

Tabla 10 Características y propiedades para describir en campo para la caracterización del

macizo rocoso

Ámbito de estudio Característica o

propiedad Método Clasificación

Matriz rocosa

Identificación Observaciones de visu y

con lupa

Clasificación geológica y

geotécnica

Meteorización Observaciones de visu Índices estándar

Resistencia Índices y ensayos de campo Clasificaciones empíricas de

resistencia

Discontinuidades

Orientación Medida directa con brújula

de geólogo

Familias de discontinuidades,

clasificación con

estereodiagrama

Espaciado Medidas de campo

Índices y clasificaciones

estándar Continuidad

Rugosidad Observaciones y medidas

de campo

Comparación con perfiles

estándar

Resistencia de las

paredes

Martillo Schmidt

Índices de campo

Clasificaciones empíricas de

resistencia

Abertura Observaciones y medidas

de campo Índices estándar Relleno

Filtraciones

Macizo rocoso

Número de familias de

discontinuidades

Medidas de campo Índices y clasificaciones

estándar Tamaño de bloque

Intensidad de

fracturación

Grado de

meteorización Observaciones de campo Clasificaciones estándar

Fuente: (González de Vallejo, 2002)

Toma de muestras

También se realizó toma de muestras para identificar y determinar propiedades

geotécnicas del terreno mediante ensayos de laboratorio, se tomó muestras de suelo

inalterado en calicatas, a manera de bloques en dos sitios estratégicos del portal norte,

tallando un prisma de unos 30 x 30 cm (figura 18 y 19), las muestras tomadas fueron bien

identificadas, con la siguiente información:

Ubicación, indicando sus coordenadas.

Fecha de realización.

43

Documentación fotográfica, en color.

Descripción de los terrenos encontrados.

Las muestras tomadas fueron envueltas en plástico con cinta de embalaje, para la

realización de ensayos de laboratorio: triaxiales UU, corte directo, densidad con parafina y

SUCS; así como toma de muestras de suelo representativas para la realización de densidad y

SUCS.

Figura 18 Procedimiento de obtención y encapsulado de muestras inalteradas tomadas por medios manuales.

Fuente (Geotécnia fácil, 2020)

Figura 19 Muestra tomada de toba de 30* 30 cm. Fuente Autor de la investigación

http://www.estudiosgeotecnicos.info/wp-content/uploads/2019/06/muestras-inalteradas-bloque.png

44

El tamaño de las muestras tomadas de calicatas está condicionado a las exigencias de los

ensayos de laboratorio, donde la longitud mínima de la muestra debe permitir obtener un

tramo central suficientemente largo, lo más intacto posible, ya que es inevitable una cierta

alteración de los extremos de la muestra. En el transporte de las muestras inalteradas debe

evitarse el calor, las vibraciones y los golpes. Su almacenamiento hasta la realización de los

ensayos debe conservar las condiciones de los suelos que se representan, así como su

naturaleza real. (Geotécnia fácil, 2020).

3.5 Etapa de laboratorio

Con las muestras recuperadas durante las salidas de campo, se realizaron los ensayos

indicados, para lo cual fueron trasladadas al laboratorio especializado con el fin de obtener

sus propiedades geomecánicas, los ensayos de laboratorio más sencillos están destinados a

definir la naturaleza del terreno, como son los SUCS (límites de atterberg y análisis

granulométrico); los ensayos destinados al estudio de la resistencia y deformabilidad del

suelo son más complejos y se realizaron para caracterizar terrenos previamente identificados,

en este caso se realizó ensayo a compresión triaxial UU y corte directo en los suelos.

Los resultados obtenidos en estos ensayos sirvieron para clasificar a los suelos de acuerdo

con el Sistema Unificado SUCS, lo cual permitió conocer la secuencia estratigráfica del

subsuelo. Con las muestras inalteradas recuperadas mediante bloque se realizaron ensayos

como triaxial UU y corte directo para determinar las propiedades de cohesión y ángulo de

fricción.

3.6 Etapa de resultados

Comprende la interpretación y análisis de la información recopilada; para la elaboración

del mapa geológico se infirió una relación estratigráfica entre las distintas unidades

geológicas, gracias a la correlación de las dos columnas litoestratigráficas levantadas en los

portales del trazado del túnel. Para su elaboración, se proyectaron las litologías observadas

en cada uno de los puntos donde se levantaron las columnas litoestratigráficas, hacia el eje

del trazado de la vía, tomando en cuenta las curvas de nivel debido a que estas unidades se

distribuyen sub-horizontalmente y de manera periclinal.

45

Una vez realizados los trabajos de investigación de campo, laboratorio y gabinete se

procede a caracterizar geomecánicamente los materiales presentes, enfocados en dar pautas

para entender el comportamiento mecánico de los suelos y las rocas.

El modelo geológico-geotécnico se obtendrá correlacionando el levantamiento geológico

a semi-detalle (columna litoestratigráfica) y cartografía geotécnica.

3.6.1 Etapa de análisis y diseño

En esta etapa, se realiza la modelación con software especializado. Los análisis de

estabilidad se aplicaron al diseño del trazado del túnel vial y taludes de los portales. Para la

cual se debe elegir un factor de seguridad adecuado, en condiciones pseudoestáticas y

dependiendo de la finalidad; por ejemplo, si el talud a estabilizar es de carácter temporal o

definitivo. Para el caso del trazado túnel en estudio se adopta un factor de seguridad, este

análisis para los dos casos (túnel y portales) permitirá afianzar o no, si la medida de

sostenimiento diseñada es la adecuada, caso contrario se debería pensar en otras alternativas

como: cambiar la geometría de los túneles, aumentar la distancia entre túneles, reubicar el

trazado (coordenadas E, N y altura), reforzar los elementos estructurales, redimensionar el

revestimiento.

Para realizar los modelos teóricos se usará el paquete informático rocscience;

específicamente el Phase2 (tenso- deformacional) y el Slide (equilibrio-límite). El algoritmo

de estos dos softwares se fundamenta en el ingreso de perfiles longitudinales y transversales,

además de los datos o parámetros geotécnicos obtenidos de los ensayos de laboratorio; y de

datos bibliográficos. Una vez obtenidos resultados de los modelos para estabilizar el túnel y

los portales, se diseñará las medidas de estabilización o correctoras y se analizará los valores

unitarios para conocer el coste para estabilizar el terreno (análisis económico).

46

Figura 20 Flujograma de etapas de estudio para el modelo geológico - geotécnico del trazado del túnel. Fuente Autor de la investigación

47

CAPITULO IV

4 MARCO TEÓRICO

4.1 Mecánica de Suelos

Los suelos se originan por la acción de la erosión ya sea física, química o biológica en una

roca preexistente, depositados por acción del agua o aire; defiendo al suelo como el agregado

no cementado de materia mineral y orgánica, agua y gas que ocupa los espacios vacíos entre

las partículas sólidas (Braja, 2001). También se define al suelo como un agregado de

minerales unidos por fuerzas débiles de contacto, separables por medios mecánicos de poca

energía, desde el punto de vista de la ingeniería geotécnica. (González de Vallejo, 2002).

Durante la planificación, diseño y construcción es de gran importancia conocer el origen

de los depósitos de los suelos sobre los que se construirá debido a que cada depósito de suelo

tiene propiedades físicas propias y únicas. (Braja, 2001)

Se llama suelo residual cuando este ha permanecido in situ y cubren la superficie rocosa

de la que se derivan y suelo transportado cuando por producto del intemperismo son

transportados, formando depósitos coluviales, aluviales, etc. (González de Vallejo, 2002)

4.1.1 Descripción y clasificación de suelos

Para obtener las propiedades de un suelo, es necesario seguir una metodología con

definiciones y sistemas de evaluación de propiedades, constituyendo un lenguaje

comprensible por los técnicos de diferentes especialidades (González de Vallejo, 2002), en

la actualidad el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) es el más aceptado.

Los tamaños de las partículas de suelo varían en un amplio rango donde se han identificado

cuatro grupos los cuales están en función de su granulometría, teniendo así:

Gravas: Fragmentos de roca que pasan la malla de 3 pulg. (75 mm) y son retenidas

en la malla No. 4 (4.75 mm).

Arenas: Partículas que pasan la malla No. 4 (4.75 mm) y es retenida en la malla

No. 200 (75 μm). Cuando se mezclan con el agua no se forman agregados

continuos, sino que se separan de ella con facilidad.

48

Limos: Fracciones microscópicas de suelo, que pasa la malla No. 200 (75 μm),

retienen el agua mejor que los tamaños superiores.

Arcillas: Partículas submicroscópicas formadas por partículas con tamaño inferior

a 0,002mm.

4.2 Ensayos de laboratorio

Para determinar las características físicas y mecánicas de los suelos se efectúan ensayos

de laboratorio, respetando los procedimientos determinados en las normas respectivas. Estos

ensayos van desde la identificación, como el granulométrico, límites de Atterberg a los que

determinan los parámetros resistentes, como el corte directo o el triaxial. (López, 2011)

4.2.1 Densidad de la masa método de la parafina

Basado en la norma ASTM D 4531, consiste en recubrir la muestra con una película de

parafina, para después pesarla en aire, posteriormente se sumerge la muestra en agua

determinando su volumen desplazado y con la ayuda de la humedad natural determinar la

densidad seca de la muestra.

4.2.2 Ensayos de identificación

Ensayo de humedad natural

Basado en la norma (ASTM D2216), donde el contenido de humedad de un suelo es la

relación existente entre la masa de agua que logra alojarse dentro de la estructura porosa del

suelo, y la masa propia de las partículas de suelo. (Botía, 2015)

Ensayo de análisis granulométrico

Basado en la norma (ASTM D 2487-06), radica en la separación de las partículas de suelo

por rangos de tamaños. Haciendo uso de tamices con aberturas normadas se lleva a cabo la

separación de las partículas en porciones mediante procesos de agitado, las cuales se pesan

expresando dicho retenido como porcentajes en peso de la muestra total. (Botía, 2015). El

resultado del tamizado se lleva a una curva granulométrica.

Límites de Atterberg

En geotecnia se clasifican los suelos en función del contenido de humedad que se

representa por los límites de atterberg, estos valores separan las diferentes consistencias del

suelo; así, diferenciamos entre consistencia dura o sólida, consistencia friable (desmenuzable

49

fácilmente) o semisólida, consistencia plástica y consistencia viscosa o fluida. (Cevallos,

2012)

4.2.3 Corte directo

La resistencia al esfuerzo cortante es importante en la caracterización de los materiales,

consiste en inducir una falla en una muestra, a través de dos esfuerzos; el primero es el

esfuerzo normal mediante una carga vertical y un esfuerzo cortante mediante la aplicación

de una carga horizontal, los valores de esfuerzo permiten obtener un plano de ejes a través

del cual se determinan los valores de cohesión y ángulo de fricción. (Botía, 2015)

Figura 21 Diagrama del corte directo. Fuente (González de Vallejo, 2002)

4.2.4 Ensayo Triaxial no consolidado no drenado UU

Se basa en la norma ASTM D 2850, este ensayo determina los parámetros de resistencia

al corte, donde la muestra está recubierta por una delgada membrana de goma, después se

coloca dentro de una cámara que se llena con agua.

Figura 22 Diagrama del ensayo triaxial. Fuente (González de Vallejo, 2002)

50

La muestra se somete a una presión de confinamiento por compresión del fluido en la

cámara (Figura 22). La carga axial aplicada por el pistón de carga se mide mediante un anillo

de carga unida al pistón.

4.3 Macizo rocoso

El macizo rocoso se puede clasificar, en roca intacta y macizo rocoso afectado por fallas,

diaclasas y superficies de estratificación, las cuales constituyen el conjunto de

discontinuidades, siendo estas las que determinan una diferencia entre la mecánica de rocas

y suelos. (Torrijo, 2007)

Las rocas se definen como un sólido duro y compacto de partículas de minerales, mientras

que un suelo es agregados naturales de granos minerales, donde el límite entre suelo y roca

es el valor de la resistencia la comprensión simple. En la zona de transición se encuentran los

suelos duros o rocas blandas donde los limites han ido rebajándose hasta 1 o 1.25 Mpa ya

que rocas muy blandas presentan resistencia de este orden. (González de Vallejo, 2002)

4.3.1 Clasificación de macizos rocosos

Establece diferentes grados de calidad del macizo rocoso y permite evaluar el

comportamiento geomecánico incluyendo parámetros geotécnicos de diseño y el tipo de

sostenimiento en el túnel. Las clasificaciones geomecánicas son un método de uso

generalizado en el proyecto y construcción de túneles, siendo posible un mejor conocimiento

e interpretación de los datos geológico-geotécnicos en el diseño y excavación de las obras

subterráneas. (Torrijo, 2007). Las características de los macizos rocosos que se consideran

en las distintas clasificaciones son las siguientes:

- Resistencia del material rocoso

- Índice RQD

- Espaciado de las discontinuidades

- Orientación de las discontinuidades

- Condiciones de las discontinuidades

- Estructura geológica y fallas

- Filtraciones y presencia de agua

- Estado tensional

51

Las clasificaciones más empleadas son la RMR y Q. El RMR se utiliza para la

caracterización del macizo rocoso y para su aplicación en túneles; mientras la Q de Barton

se utiliza casi exclusivamente para túneles. (González de Vallejo, 2002)

4.3.2 Clasificación geomecánica de Bieniawski (RMR)

Desarrollada por Bieniawski en 1973, con actualizaciones en 1979 y 1989, constituye un

sistema de clasificación de macizos rocosos que permite relacionar índice de calidad con

parámetros de diseño y de sostenimiento. (González de Vallejo, 2002)

Para cumplir con esta metodología Bieniawski propuso cinco parámetros básicos:

1) Resistencia uniaxial de la roca matriz

2) RQD (Índice de calidad de la roca)

3) Espaciados de las discontinuidades

4) Condiciones de las discontinuidades

5) Condiciones del agua subterránea

La incidencia de estos parámetros en el comportamiento de la excavación se expresa por

el índice de calidad “Rock Mass Rating” (RMR), el cual varia de 0 a 100. Esta clasificación

divide al macizo rocoso en familias que presentan características geológicas similares de

acuerdo con las observaciones de campo y utilizando una plantilla (Tabla 11).

Tabla 11 Parámetros de clasificación

1

Resistencia de

la matriz

rocosa (Mpa)

Compresión

simple >250 250-100 100-50 50-25 25-5 5-1 <1

Puntuación 15 12 7 4 2 1 0

2 RQD

100%-

90% 90%-75% 75%-50% 50%-25% <25 %

Puntuación 20 17 13 6 3

3 Separación entre diaclasas >2m 0,6-2 m 0,2-0,6 m 0,06-0,2m <0,06m


4

Est

ado

de

las

dis

con

tin

uid

ades

Longitud de la

discontinuidad <1m 1-3m 3-10 m 10-20 m >20m


Abertura Nada <0,1 mm 0,1-1,0 mm 1-5 m >5mm


Rugosidad Muy

rugosa Rugosa

Ligeramente

rugosa Ondulada Suave

52


Relleno Ninguno Relleno

duro<5 mm Relleno duro >5mm

Relleno blando

>5 mm


Alteración Inalterada Ligeramente

alterada

Moderadamente

alterada Muy alterada Descompuesta


5 Agua freática

Caudal por

10m de túnel Nulo <10 litros/min 10-25 litros/min

25-125

litros/min >125 litro/min

Estado general Seco Ligeramente

húmedo Húmedo Goteando Agua fluyendo


Fuente: (González de Vallejo, 2002)

A la puntuación que resulta de aplicar los cinco parámetros se realiza una corrección por

orientación de las discontinuidades, consiguiendo un valor con el que clasifica al macizo

rocoso (Tabla 12)

Tabla 12 Calidad de macizo rocosos en relación con el índice RMR

Clase Calidad Valoración RMR

I Muy buena 100-81

II Buena 80-61

III Media 60-41

IV Mala 40-21

V Muy mala <20 Fuente: (González de Vallejo, 2002)

4.3.3 Índice de calidad de Barton

Constituye un sistema de clasificación de macizos rocosos que permite estimar parámetros

geotécnicos del macizo y diseñar sostenimiento de túneles. (González de Vallejo, 2002). El

valor numérico se define por:

𝑄 =𝑅𝑄𝐷

𝐽𝑛∗

𝐽𝑟

𝐽𝑎∗

𝐽𝑤

𝑆𝑅𝐹

Jn= Numero de sistemas de discontinuidades.

Jr= Numero de la rugosidad de las discontinuidades.

Ja= Numero de la alteración de las discontinuidades.

Jw= Factor de reducción por agua en las discontinuidades.

SRF= Coeficiente toma en cuenta el estado tensional del macizo rocoso.

53

El índice Q obtenido varía de 0.001 y 1000.

4.3.4 Clasificación geomecánica GSI (Geological Stregth Index)

Desarrollado por Hoek (1994), evalúa la calidad del macizo rocoso en función de su

fracturación, estructuras, tamaño de bloques y alteración de discontinuidades, es utilizado

principalmente para rocas poco resistentes, con un estado de roca muy mala, con valores de

RMR <20; ya que se utiliza para estimación de parámetros de resistencia, constituyendo una

comparación empírica, no utilizándose para clasificaciones ingenieriles de las rocas. (López,

2011)

4.4 Correlación geomecánica entre RMR Y Q

El sistema RMR y el Q, son de gran interés, porque incluyen un número suficiente de

datos para evaluar correctamente todos los factores que tienen influencia en la estabilidad de

una excavación subterránea. (Torrijo, 2007). Donde Bieniawski da más importancia a la

orientación e inclinación de las estructuras de la roca y ninguna a los esfuerzos, mientras

Barton no incluye el factor de orientación de las discontinuidades, pero si considera las

propiedades de los sistemas más desfavorables al evaluar la rugosidad de las discontinuidades

y su alteración que representa la resistencia al esfuerzo cortante del macizo rocoso. (Torrijo,

2007). La descripción de ambas clasificaciones tendría las siguientes equivalencias:

Tabla 13 Descripción de la clasificación RMR y Q de Barton

Clases RMR Clases Q

I 90±10 Muy buena >200 Extremada o excepcionalmente buena

II 70±10 Buena 20-200 Buena a muy buena

III 50±10 Regular 0.3-20 Muy mala a buena

IV 30±10 Mala 0.003-0.3 Extremadamente mala

V 10±10 Muy mala <0.003 Excepcionalmente mala Fuente: (Torrijo, 2007)

4.5 Resistencia y deformabilidad del macizo rocoso y de las discontinuidades

La resistencia de los macizos rocosos está en función de la resistencia de la matriz rocosa

y de las discontinuidades, siendo ambas extremadamente variables. La resistencia puede

evaluarse en términos de máximo esfuerzo que puede soportar para unas determinadas

condiciones y en términos de sus propiedades resistentes cohesión y ángulo de fricción de la

matriz rocosa y de las discontinuidades (c y Ф). (INIGEMM , 2017)

54

4.5.1 Criterio de rotura no lineal de Hoek y Brown- análisis de la resistencia y

deformabilidad del macizo rocoso.

Propuesto por Hoek y Brown en 1980, relacionando el máximo y el mínimo esfuerzo

principal, para evaluar la resistencia de la matriz rocosa, donde la representación gráfica de

la rotura es una curva parabólica (Figura 23). Es un criterio donde intervienen los parámetros

mb, s y a, que dependen de la resistencia a compresión simple de la roca matriz, de la

naturaleza de la roca a través del parámetro mi, y el GSI (Puell, 2003)

𝜎1 = 𝜎3 + 𝜎𝑐𝑖 √𝑠 + 𝑚 𝜎3

𝜎𝑐𝑖

Donde:

σ1 y σ3: son los esfuerzos principales de mayor y menor rotura

σci: resistencia a la compresión simple de la roca “intacta”

mi y s: constantes que dependen de las propiedades de la matriz rocosa.

Figura 23 Relación entre esfuerzos principales de acuerdo con el criterio original de rotura de Hoek y Brown

(1980). Fuente (González de Vallejo, 2002)

Los valores m y s pueden obtenerse a partir del índice RMR

Para macizos rocosos sin alterar y no afectados por voladuras se tiene:

m=mi exp[(RMR-100)/28]

Para macizos rocos alterados o afectados por voladuras:

m=mi exp[(RMR-100)/14]

55

El criterio como las expresiones para el cálculo de m y s no proporciona valores

representativos para macizos rocosos alterados y de mala calidad. Por ello, los autores han

desarrollado una nueva expresión, valida también para macizos rocosos fracturados de mala

calidad, con materiales blandos y alterados (Hoek et al., 1994,2002).

σ1= σ3+σci [s+mb σ3/σci]^a

Donde:

σ1 y σ3: son los esfuerzos principales mayor y menor de rotura

σci: resistencia a la compresión simple de la roca “intacta”

mi: para roca intacta

mb: para roca fracturada

Los valores m, s y a se obtienen mediante las siguientes expresiones:

m=mi exp[(GSI-100)/(28-14D)]

s=exp[(GSI-100)/(9-3D)]

a=1/2+1/6(e^(-GSI/15 )- e^(-20/3 ))

(mb=mi), (s=1), (a=0.5) para la evaluar la resistencia de la matriz rocoso

Donde:

GSI: Índice de Resistencia Geológica

D: Factor que depende del grado de alteración a que el macizo ha sido sometido debido a

explosiones y relajación de tensiones, los valores están entre 0 (no alterado) y 0.8 (muy

alterado)

4.6 Análisis cinemático de las discontinuidades

Los diferentes tipos de roturas en macizos rocosos se desarrollan por el grado de

fracturación y por la orientación y distribución espacial de las discontinuidades con respecto

al talud. La estabilidad del talud se condiciona básicamente por los parámetros resistentes de

las discontinuidades y de la matriz rocosa (ángulo de fricción y cohesión), (Maza, 2017). Los

modelos de rotura en roca más frecuentes son:

56

Rotura plana

Es aquella que se produce a favor de la superficie preexistente, buzando a favor del talud

y con la misma dirección, además el buzamiento del talud ѱ debe ser mayor al buzamiento

del plano de rotura α y este mayor al ángulo de fricción ø. (Maza, 2017) (Figuras 24, 25)

Condición de inestabilidad: ѱ >α >ø

Figura 24 Esquema de rotura planar. Fuente (González de Vallejo, 2002)

Figura 25 Reconocimiento de discontinuidades en rotura plana vista en un estereodiagrama. Fuente (Hoek

& Bray, 1977)

Rotura en cuña

Se da cuando un bloque se desliza entre dos planos de discontinuidad, a favor de la línea

de intersección, donde los dos planos deben aflorar en la superficie del talud y se debe

cumplir la misma condición que en la rotura plana, siendo para este caso α el buzamiento de

la línea de intersección αi. (González de Vallejo, 2002) (Figuras 26 y 27)

57

Condición de inestabilidad: ѱ >αi > ø

Figura 26 Esquema de rotura plana. Fuente (González de Vallejo, 2002)

Figura 27 Reconocimiento de dos discontinuidades formando rotura por cuña. Fuente (Hoek & Bray, 1977)

La orientación de las discontinuidades, espaciamiento y continuidad determinarán la

forma y el volumen de la cuña.

Rotura por vuelco

Los estratos presentan buzamiento contrario a la inclinación del talud y dirección paralela

o subparalela al mismo, provocando un movimiento de rotación de los bloques, donde la

estabilidad de estos no está únicamente condicionada por su resistencia al deslizamiento.

(González de Vallejo, 2002). (Figuras 28 y 29)

58

Figura 28 Esquema de taludes con estructuras favorables al vuelco de estratos. Fuente (González de Vallejo,

2002)

Figura 29 Disposición de discontinuidades en rotura por vuelco de bloques. Fuente (Hoek & Bray, 1977)

Rotura por pandeo

Este tipo de rotura se produce a favor de planos de estratificación paralelos al talud ѱ =

α, con buzamiento mayor que el ángulo de fricción α >ø. (González de Vallejo, 2002).

(Figuras 30 y 31).

Figura 30 Esquema de pandeo en estratos verticalizados con flexión, y fractura de estratos. Fuente

(González de Vallejo, 2002)

59

Figura 31 Disposición de discontinuidades en rotura por pandeo. Fuente (Hoek & Bray, 1977)

Rotura curva

Ocurre en macizos rocosos blandos poco competentes y muy alterado o intensamente

fracturado, que presentan un comportamiento isótropo y donde los planos de discontinuidad

no controlan el comportamiento mecánico. (González de Vallejo, 2002). (Figura 32)

Figura 32 Esquema de rotura en macizo rocoso intensamente fracturado. Fuente (González de Vallejo,

2002)

4.7 Estabilidad de taludes en base al índice SMR, Romana (1985)

El Slope Mass Rating (SMR) es un índice geomecánico empleado para la caracterización

de taludes rocosos (Tabla 14), su aplicación permite evaluar empíricamente la estabilidad de

una excavación. (González de Vallejo, 2002). La clasificación SMR se obtiene sumando el

RMR básico y una serie de factores de ajuste por orientación de las discontinuidades y un

factor dependiente del método de excavación. (Tomas, Delgado, Serón, Cano, & Cuenca ,

2009)

SMR = RMR B + (F1 ⋅ F2 ⋅ F3) + F4

Dónde:

60

F1: depende del paralelismo entre las direcciones de las juntas y del talud

F2: depende del buzamiento de la familia de juntas

F3: la diferencia de buzamientos entre la familia de juntas y el talud

El producto de estos tres factores (F1 ⋅ F2 ⋅ F3) se denomina factor de ajuste.

F4: Toma en cuenta el método de excavación. Este factor tomará valores entre 15 y -8

dependiendo de si el talud es natural o ha sido excavado mediante precorte, voladura

suave, voladura normal, excavación mecánica o voladura deficiente.

Tabla 14 Clasificación geomecánica taludes SMR

Modificado de (González de Vallejo, 2002)

Tabla 15 Medidas de corrección propuestas por el SMR (Romana, 1997).

P

T

P/T

T

P

T

P/T

F4

βs: buzamiento del talud

βj: buzamiento de las juntas

αs: dirección del talud

αj: dirección de las juntasT: rotura por vuelco

(Romana, 1997)

+15 +10 +8 0 -8

P: rotura plana

Factor de ajuste por el método de excavación (F4)

Método Talud Natural Precorte Voladura SuaveVoladura o excavación

mecánicaVoladura deficiente

F3 0 -6 -25 -50 -60

0°

>120°

0-(-10°)

-

<-10°

-

βj-βs

βj+βs

>10°

<110°

10°-0°

110°-120°

F2 1 1 1 1 1

0.70 0.85 1.00

30°-35° 35°-45° >45°P

F2

|βj| <20°

0.15

20°-30°

0.40

F1 0.15 0.40 0.70 0.85 1.00

Muy desfavorable

Factores de ajuste por orientación de las juntas (F1, F2 y F3)

|αj-αs|

|αj-αs-180°|>30° 30°-20° 20°-10° 10°-5° <5°

Caso Muy Favorable Favorable Normal Desfavorable

αs: dirección del talud

αj: dirección de las juntas

(Romana, 1997)

βs: buzamiento del talud

βj: buzamiento de las juntas

P: rotura plana

T: rotura por vuelco

Tratamiento Reexcavación Corrección Sistemático Ocasional Ninguno

RoturasGrandes roturas por planos

continuos o por masa

Juntas o grandes

cuñas

Algunas juntas o

muchas cuñas

Algunos

bloquesNinguna

61-80

Buena

Estable

81-100

Muy Buena

Totalmente estable

21-40

Mala

Inestable

41-60

Normal

Parcialmente estable

SMR

Descripción

Estabilidad

0-20

Muy mala

Totalmente inestable

Clases de estabilidad

Clase V IV III II I

Tipo de sostenimiento Intervalo SMR Medida de corrección

Reexcavación 10-30 Tendido, muros de contención

Drenaje 10-40 Superficial, profundo

Hormigón 20-60 Hormigón Proyectado

Hormigón dental,

Contrafuertes y/o vigas

Muros de pie

Refuerzo 30-75 Bulones

Anclajes

Protección 45-70 Zanjas de pie

Varillas de pie o de talud

Redes y/o mallas (sobre la superficie del talud)

61

4.8 Análisis de estabilidad de taludes (equilibrio limite)

Este análisis se aplica para determinar el estado de estabilidad, diseño de taludes o

establecer obras de mitigación o corrección en taludes que se generan en macizos rocosos de

baja competencia o suelos. Para el análisis de estabilidad es necesario conocer el modelo

geológico, tipo de rotura, parámetros índices y resistentes (peso específico, cohesión y ángulo

de fricción), cargas dinámicas, cargas estáticas y contenido de agua.

El fundamento teórico del método de análisis de estabilidad se basa en el planteamiento

físico-matemático en el que intervienen fuerzas estabilizadoras y desestabilizadoras que

actúan sobre el talud (Gómez, 2017); para la corrida de estabilidad se usará la configuración

determinística, la cual mediante un número permite conocer si el talud es o no estable (<1

Inestable, = 1.05 Estabilidad límite, > 1.05 estable). En la tabla 16 se expone los factores de

seguridad mínimos para el diseño y construcción tomados de la Norma Ecuatoriana de

Construcción. Para este caso se asumirá un factor de 1.05

Tabla 16 Factores de seguridad por corte mínimos.

Fuente: (Norma Ecuatoriana de la construcción, 2014)

4.8.1 Cálculo del coeficiente de aceleración sísmica horizontal y vertical.

Los cálculos de los factores de aceleración sísmica horizontal y vertical, se determinaron

en base a la (Norma Ecuatoriana de la construcción, 2015), en la cual se ubicó el trazado del

túnel de la autopista Manuelita Sáenz con el fin de determinar la zona sísmica y su

correspondiente valor de aceleración sísmica (valor del factor Z). Para este caso, se evidencia

Sin Sostenimiento 65-100 Saneo de bloques

Ninguno

Condición ** Fs corte Mínimo

Diseño Construcción

Carga Muerta+ Carga Viva Nominal 1.5 1.25

Carga Muerta+ Carga Viva Máxima 1.25 1.1

Carga Muerta + Carga Viva Nominal + Sismo de

diseño Pseudo estático 1.1 1.00*

Taludes-condición estática y Agua Subterránea

Normal 1.5 1.25

Taludes- condición pseudo estática con agua

Subterránea Normal y Coeficiente Sísmico de diseño 1.05 1.00*

62

que el área de estudio se ubica en la zona V, caracterizada por un valor del factor Z de 0.40

(Tabla 17), donde la caracterización del peligro sísmico es ALTA.

Tabla 17 Valores del factor Z en función de la zona sísmica adoptada.

Zona sísmica I II III IV V VI

Valor de Z 0.15 0.25 0.30 0.35 0.40 ≥ 0.50

Caracterización del

peligro sísmico

Intermedia Alta Alta Alta Alta Muy alta

Fuente: (Norma Ecuatoriana de la construcción, 2015)

Figura 33 Zonas sísmicas para propósitos de diseño y valor del factor de zona. Fuente NEC-SE-DS, 2015

Determinado el valor de Z y el tipo de perfil, se obtuvieron los coeficientes Fa, Fd y Fs,

para el diseño del cálculo sísmico, definidos como:

Fa: Coeficiente de amplificación de suelo en la zona de periodo corto. Es el que

amplifica las ordenadas del espectro de respuesta elástica de aceleraciones para

diseño en roca, al cual le corresponde un valor de 1.20.

Fd: desplazamientos para diseño en roca. Este coeficiente amplifica las ordenadas del

espectro elástico de respuesta de desplazamientos para diseño en roca, considerando

los efectos de sitio, al cual le corresponde un valor de 1.19.

63

Fs: comportamiento no lineal de los suelos. Este coeficiente, considera el

comportamiento no lineal de los suelos, la degradación del periodo del sitio que

depende de la intensidad y contenido de frecuencia de la excitación sísmica y los

desplazamientos relativos del suelo, para los espectros de aceleraciones y

desplazamientos y le corresponde un valor de 1.28.

Finalmente, se efectuó el cálculo de los factores de aceleración sísmica (horizontal y

vertical), para lo cual se utilizó la fórmula indicada en la Norma Ecuatoriana de la

Construcción, Capítulo Geotecnia y Cimentaciones (NEC-SE-CM, 2014), donde el

coeficiente sísmico de diseño está referido a la siguiente ecuación:

𝑘ℎ = 0.6(𝑎𝑚𝑎𝑥)

amax = Z.Fa

Donde:

Z: Valor factor Z, de acuerdo con zonificación sísmica

Fa: Fuerzas actuantes

Entonces:

𝑘ℎ = 0.6 ∗ (0.40) ∗ (1.20)

𝑘ℎ = 0.288

El factor de aceleración sísmica vertical (kv), puede definirse mediante el escalamiento de la

componente horizontal de la aceleración por un factor mínimo de 2/3.

𝑘𝑣 =2

3𝑘ℎ

𝑘𝑣 =2

3(0.288)

𝑘𝑣 = 0.192

Concluyéndose que los factores de aceleración sísmica horizontal y vertical son: 0.288 y

0.192 respectivamente.

4.8.2 Propiedades Hidrogeológicas de los suelos

Presión de poros (Ru)

64

Para determinar la estabilidad de la ladera en función del contenido de agua, a los materiales

se les condiciono un nivel de saturación intermedio, dentro del algoritmo del software se le

conoce como el coeficiente Ru (Figura 34), que modela el efecto de presión de poros como

una fracción de presión vertical para cada corte, para material granular su Ru: 0 (Seco) y Ru:

0,5 (Saturado). Para el cálculo se adoptó un valor de:

Ru=0.25(Saturación media)

Figura 34 Valores del coeficiente de presión intersticial, Ru, para distintas posiciones del nivel freático en un

talud en suelo. Fuente (González de Vallejo, 2002)

4.9 Métodos de excavación subterránea

En la actualidad existen varios métodos de excavación subterránea con un sinnúmero de

alternativas tecnológicas, que se agrupan en dos grandes grupos: Excavación Convencional

y Excavación Mecanizada.

4.9.1 Metodología de excavación convencional

Es el sistema más utilizado para la excavación de túneles en roca y es posible cuando la

roca es extremadamente abrasiva, muy resistente o se encuentra en estado masivo.

4.9.2 Metodología de excavación mecanizada

65

La introducción en años recientes de equipos de perforación modernos, equipados, más

grandes y eficientes ha contribuido a una aplicación más amplia, eficiente y segura de la

técnica de excavación mecánica de un túnel, efectuada cuando no se requieren o se tiene la

limitante de emplear explosivos (Secretaría de Comunicaciones y Transportes, 2016).

A continuación, se enuncian algunos de los métodos más comunes utilizados para excavar

mecánicamente un túnel.

ROZADORAS

Mediante una cabeza giratoria van excavando, además están dotadas de herramientas de

corte (dientes o picas) que inciden sobre la roca, van montadas en un brazo monobloque o

articulado y todo el conjunto sobre un chasis móvil de orugas (Secretaría de Comunicaciones

y Transportes, 2016), cuentan con un sistema para recoger el material excavado y

transportarlo del frente de excavación hasta la parte trasera de la máquina (Figura 35).

Figura 35 Esquema de sistemas de corte con rozadoras en maniobras. Fuente (Secretaría de Comunicaciones

y Transportes, 2016)

Al igual que en el método convencional de perforación y voladura, este método una vez

cumple su objetivo de excavación por secciones o ciclos de trabajo, es necesario efectuarse

el sostenimiento respectivo de la excavación para mantener la estabilidad del frente excavado

y con ello la seguridad operativa de equipos y personal (Secretaría de Comunicaciones y

Transportes, 2016).

TUNELADORAS

Son máquinas integrales de construcción de túneles, ya que son capaces por sí solas de

excavar roca o suelos, retirar el escombro y aplicar el revestimiento del túnel. (Secretaría de

Comunicaciones y Transportes, 2016).

66

4.9.3 Metodología de excavación por fases

Un proyecto debe contemplar efectuar la excavación en fases dependiendo de las

dimensiones de la excavación, calidad del material, condiciones hidrogeológicas y cobertura

del túnel, sobre todo cuando la calidad del material es muy mala y el túnel es de grandes

dimensiones (Secretaría de Comunicaciones y Transportes, 2016). La excavación por fases

se emplea en el método convencional de perforación y voladura, al igual puede emplearse en

la excavación mecánica de ataque puntual (martillos, rozadoras, palas, etc). (Secretaría de

Comunicaciones y Transportes, 2016) El método mecanizado mediante tuneladoras no

requiere de fases ya que la tuneladora ataca toda la sección del túnel. Entre los principales

métodos de excavación por fases se destacan y sintetizan los siguientes:

Nuevo método austriaco

Este sistema consiste en la apertura de dos galerías de avance o de reconocimiento, una

en clave y otra ensolera, posteriormente se amplía la clave, entibando con madera en un

avance corto de entre 1.50 y 2.0 m, hasta excavar toda la zona de la bóveda, extrayendo los

escombros por la galería inferior, comunicada con la clave con pozos cada 20 m

aproximadamente. Finalmente, se excavan hastiales por bataches y se pasa a colocar de abajo

hacia arriba, el revestimiento definitivo (Secretaría de Comunicaciones y Transportes, 2016).

(Figura 36).

Figura 36 Esquema de excavación mediante el Nuevo Método Austriaco. Fuente (Secretaría de

Comunicaciones y Transportes, 2016)

Método belga (Método tradicional de Madrid)

Es uno de los métodos más utilizados para la construcción de túneles en suelos, se

caracteriza por la progresiva excavación de los elementos que componen el túnel (sección

partida), de tal forma que se van retirando los elementos más estables del túnel evitando el

67

hundimiento o la falta de estabilidad del frente. (Secretaría de Comunicaciones y Transportes,

2016). Este método consiste en realizar la excavación abriendo una pequeña galería en clave

del túnel para ir ensanchándola poco a poco, protegiendo y entibando el frente, hasta permitir

hormigonar toda la bóveda.

68

CAPITULO V

5 PRESENTACIÓN DE DATOS Y RESULTADOS

5.1 Caracterización geotécnica

La caracterización del macizo rocoso y generación de un modelo, que satisfaga las

necesidades de diseño de obras subterráneas, se realizó a través de estudios directos;

mediante el levantamiento o cartografía geológico-geotécnica a escala semi-detalle, y

localmente con excavaciones manuales (Calicatas), pero para calibrar el modelo es necesaria

una buena campaña prospectiva, consistente en la realización de sondeos, penetrómetros y

otra serie de ensayos in situ y en laboratorio. El fin de estas campañas es el de calibrar el

modelo geológico, el de tomar muestras para asignar los parámetros geotécnicos a cada una

de las unidades litológicas discriminadas en la etapa de cartografía geológica.

Para la identificación y descripción cuantitativa de las propiedades de las rocas, se realizó

la recopilación de información de carácter geotécnica, a partir del diagnóstico de datos en

bibliografía especializada, correspondiente a las propiedades índices y las propiedades del

comportamiento mecánico en la matriz rocosa, así como ensayos de laboratorio. A

continuación, se resume en la Tabla 18 los parámetros geotécnicos:

Tabla 18 Parámetros geotécnicos (bibliográficos y de laboratorio) de las unidades

cartografiadas en el área de implantación del túnel

Unidad

Litológica Simbología

Peso

Específico

Ángulo de

Fricción Cohesión E ʋ

SUCS

MN/m3 ° MPa MPa

Ceniza U3 0.011 30 0.028 2.320 0.22 ML

Arcilla U18 0.0120* 23 0.038 1.551 0.39 ML

Toba U1 0.0142* 42* 0.186* 21.24 0.29 ML

Lapilli U2 0.015 36 0.044 64.55 0.22 GP

Arena Volcánica U5 0.018 32 0.020 22.39 0.30 SM

Areniscas U14-15 0.0165* 43* 0.068* 38.43 0.35 SM

Conglomerado U11 0.020 36 0.033 66.99 0.30 GW/GP

Brechas U13 0.019 36 0.054 66.99 0.31 GP

Coluvial C 0.017 26 0.04 49.29 0.35 GP

* Se marca los datos determinados mediante ensayos de laboratorio.

69

5.1.1 Modelo geológico (perfiles transversales)

Se elaboró perfiles transversales, cada perfil se lo realizó en base al perfil longitudinal.

Los espacios en blanco con el signo de pregunta, indica la carencia de información. Se trata

de niveles donde no se tiene registrada la disposición litológica, debido a que la Unidad Toba

se encuentra recubriendo de manera periclinal a la morfología preexistente, tapando la

secuencia estratigráfica superior. Por tal motivo, se recomienda que en la fase de diseño se

proponga perforaciones estratégicas para completar y calibrar el modelo geológico. La figura

44 es la representación de un ejemplo de los perfiles trasversales que se utilizaron para el

cálculo de los asentamientos.

Figura 37 Ejemplo de modelo geológico en perfiles transversales. Fuente: Autor de la investigación

5.2 Resultados de la caracterización del macizo rocoso con RMR (Bieniawski,

1989).

El trabajo de campo, referente a la recolección de datos en estaciones geomecánicas

mediante las observaciones y toma de medidas, permitieron detallar los parámetros

70

geomecánicos útiles para la caracterización de macizo rocoso (RMR, 1989), en la Tabla 19

se sintetiza cada parámetro de las familias de discontinuidades correspondientes a la

estratificación (E1, E-2) y Diaclasas (D-1, D-2), para cada litología tanto en el Portal Norte

como en el Sur.

PORTAL NORTE

o Unidad Toba (U1)


Toba, Portal Norte.

Familia E-1

Azimut de Buz / Buzamiento 003/07

Rumbo/Buzamiento N87W/07N

Resistencia a comprensión simple R0: Extremadamente blanda (0.25-1 MPa)

Espaciamiento Juntas (0.06-0.2mm)

Continuidad Muy alta (>20m)

Abertura Muy cerrada (<0.1 mm)

Rugosidad Plana Rugosa

Meteorización Ligeramente meteorizada

Relleno Ninguno

Agua Ligeramente húmedo

Familia E-2


Rumbo/Buzamiento N59W/39NE


Espaciamiento Separadas (0.6-2mm)





Relleno Ninguno


Familia D-1


Rumbo/Buzamiento N40E/68SE

Resistencia a comprensión simple R1: Muy Blanda (1-5 MPa)

Espaciamiento Moderadamente juntas (0.2-0.6mm)

71

Continuidad Baja (1-3m)

Abertura Ancha (>10mm)



Relleno Qz, calcita Duro(<5mm)


Familia D-2


Rumbo/Buzamiento N57W/68SW



Continuidad Moderada (3-10m)






o Unidad Areniscas (U14)


Areniscas, Portal Norte.

Familia E-1



Resistencia a comprensión simple R2: Blanda (5-25 MPa)



Abertura Abierta (0.5-2.5mm)



Relleno Ninguno


Familia E-2


Rumbo/Buzamiento N88W/09N

Resistencia a comprensión simple R3: Moderadamente dura (25-50 MPa)


72





Relleno Ninguno


Familia D-1





Continuidad Moderada (3-10m)

Abertura Moderadamente abierta (2.5-10mm)



Relleno Qz, calcita Duro(>5mm)


Familia D-2


Rumbo/Buzamiento N08W/63NE

Resistencia a comprensión simple R3: Moderadamente dura (25-50 MPa)


Continuidad Muy baja (<1m)




Relleno Ninguno


PORTAL SUR

o Unidad Areniscas (U14)


Areniscas, Portal Sur

Familia E-1



73









Familia D-1


Rumbo/Buzamiento N89E/59S









Familia D-2











o Unidad Brechas (U13)


Brechas, Portal Sur.

Familia E-1



74

Resistencia a comprensión simple R4: Dura (50-100 MPa)

Espaciamiento Separadas (0.6-2mm)


Abertura Muy ancha (10-100 mm)





Familia D-1


Rumbo/Buzamiento N75E/50SE

Resistencia a comprensión simple R4: Dura (50-100 MPa)



Abertura Muy ancha (10-100 mm)





En total se levantaron 161 estaciones geomecánicas, que permitieron identificar mediante la

aplicación de geoestadística, los planos de las discontinuidades principales y las características

geomecánicas que rigen la estabilidad de un macizo rocoso. Los datos de frecuencias altas

permiten clasificar el macizo rocoso, usando la clasificación geomecánica empírica de

Bieniawski, 1989. Como resultado se obtiene valores que se detallan en la tabla siguiente:

Tabla 23 Resumen de la calidad de macizo rocoso por Unidad litológica, RMR-Bieniawski,

1989

Ubic. Litología Simb. RMR

Básico

Calidad

(Clase)

RMR

Corregido

Calidad

(Clase)

Cohesión

MPa

Ángulo de

fricción

Portal

Norte

Tobas U1 52 III-MEDIA 47 III-MEDIA 0,2-0,3 25-35°

Areniscas U14-15 50 III-MEDIA 40 IV-MALA 0,1-0,2 15-25°

Portal

Sur

Areniscas U14-16 49 III-MEDIA 39 IV-MALA 0,1-0,2 15-25°

Brechas U13 62 II-BUENA 53 III-MEDIA 0,2-0,3 25-35°

75

El análisis del RMR para cada Unidad litológica (tobas, areniscas y brechas), presenta una

calificación de roca entre clase III y clase IV, con una cohesión entre 0,1-0,3 Mpa y un ángulo

de fricción entre 15 y 35º. La zonificación geotécnica evidenciara el porcentaje, en función

de la longitud total del túnel.

5.3 Resistencia y deformabilidad del macizo rocoso y de las discontinuidades

Para determinar los parámetros resistentes y el módulo de deformación, se utiliza el software

RocData Versión 4.014, que utiliza el Criterio de Hoek y Brown (2002), Barton – Bandis (1990),

en base a las propiedades de la matriz rocosa y de las discontinuidades.

Para la determinación de los parámetros resistentes de las unidades toba, arenisca, brechas, se

usa como datos de entrada los siguientes valores:

• Peso específico de 0.016 MN/m3

• El valor de la resistencia a la compresión simple :3 MPa

• El índice geológico de resistencia: GSI= 45 (U. Tobas) y GSI=50 (U. Areniscas)

• Profundidad del Túnel: 94 m

El factor de perturbación para el macizo rocoso se lo asume como 0.4, para mantener un criterio

conservador. Los resultados de cada unidad se muestran en la Tabla 24, 25 y 26.

Tabla 24 Datos procesados y obtenidos con el criterio de rotura de Hoek y Brown, Roca

Fresca, Unidad Toba.

Hoek-Brown Classification

sigci 3 MPa

GSI 45

mi 13

D 0.4

Hoek-Brown Criterion

mb 1.11582

s 0.0008663

a 0.508086

Failure Envelope Range

Application Tunnels

sig3max 0.654085 MPa

Unit Weight 0.016 MN/m3

Tunnel Depth 94 m

Mohr-Coulomb Fit

c 0.115168 MPa

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Sh

ear

stre

ss (

MP

a)

Normal stress (MPa)

Normal Stress vs. Shear Stress

76

phi 28.2687 degrees

Rock Mass Parameters

sigt -0.00232913 MPa

sigc 0.0834053 MPa

sigcm 0.412465 MPa

Em 1039.08 MPa

Tabla 25 Datos procesados y obtenidos con el criterio de rotura de Hoek y Brown, Roca

Fresca, U. Arenisca


sigci 3 MPa

GSI 50

mi 17

D 0.4


mb 1.82407

s 0.0016446

a 0.505734


Application Tunnels



Tunnel Depth 94 m

Mohr-Coulomb Fit

c 0.138956 MPa

phi 32.274 degrees


sigt -0.00270483 MPa

sigc 0.117271 MPa

sigcm 0.535205 MPa

Em 1385.64 MPa

Tabla 26

Datos procesados y obtenidos con el criterio de rotura de Hoek y Brown, Roca Fresca, U.

Brechas.


sigci 15 MPa

GSI 48

mi 19

D 0.4


mb 1.86453

s 0.00127263

a 0.506582

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

Sh

ea

r s

tress

(M

Pa)

Normal stress (MPa)


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

-0,5 0 0,5 1 1,5 2

Sh

ea

r s

tress

(M

Pa

)

Normal stress (MPa)


77


Application Tunnels



Tunnel Depth 94 m

Mohr-Coulomb Fit

c 0.252287 MPa

phi 45.1228 degrees


sigt -0.0102382 MPa

sigc 0.512138 MPa

sigcm 2.68882 MPa

Em 2761.44 MPa

En la tabla 27, se resumen los parámetros obtenidos del criterio de rotura de Hoek y Brown para

la U. Tobas y U. Areniscas.

Tabla 27 Resumen de datos obtenidos con el criterio de rotura de Hoek y Brown para la

Unidad Toba y Arenisca.

Unidad

Litológica Simbología

Ángulo de

Fricción Cohesión

Módulo de

deformación

Resistencia

Tracción

Resistencia

Uniaxial

° C (MPa) Em (MPa) σt σc

Toba U1 28.27 0.115 1039.08 -0.0023 0.083

Areniscas U14-15 32.274 0.138 1385.64 -0.0027 0.117

Brechas U13 45.12 0.252 2761.44 -0.0102 0.512

Para correlacionar los parámetros resistentes de cohesión y ángulo de fricción determinados por

el método empírico de Hoek y Brown se realizó un muestreo selectivo de las unidades Toba y

arenisca dando como resultado lo siguiente

Tabla 28 Resumen de datos obtenidos

Unidad Litológica Simbología Ángulo de Fricción Cohesión

° C (MPa)

Toba U1 42 1.9

Areniscas U14-15 43 0.7

Finalmente, para el diseño se toma los datos determinados en laboratorio, ya que las muestras

tomadas representan las condiciones reales a la que va a estar sometido el túnel.

5.4 Índice SMR, romana (1985).

En base a las tablas descritas en el acápite cuatro se calcularon el SMR en función al RMR

básico y factores F1, F2 Y F3 propios de la zona.

78

SMR- Unidad Areniscas- Portal Norte: Rotura Cuña


Portal Norte de la Unidad Areniscas.

Unidad Areniscas- Portal Norte Cuña (D2/D49

Parámetros Valor Unidad Puntaje

Resistencia a la compresión simple 10.0 MPa 2

Indice de resistencia a la carga puntual MPa 0

RQD 60.00 % 13

Separación entre diaclasas 0.06-0.2 m 8

Longitud de las diaclasas >20 m 0

Abertura de las diaclasas <0.1 mm 5

Rugosidad de las juntas (muy rugosa, rugosa, leve, lisa, pulida) Ligeramente rugosa caract. 3

Tipo y espesor del relleno en las juntas: duro o (>5 o <5) mm Duro (<5 mm) caract. 4

Alteración (fresca, ligera, moderada, fuerte, descompuesta) Ligera caract. 5

Agua en las juntas (seco, húmedo,mojado, goteo, flujo) Ligeram húmedo caract. 10

GSI 45.00

SMR (Romana)

Talud Portal Norte: 17/63°= N73°WE°/63°NE Cuña: N20E/45°

Tipo de Rotura 3.00 caract. Cuña

Azimut del talud (as) 73.00 grados 73.00

Buzamiento del talud (bs) 63.00 grados 63.00

Azimut de las juntas (ai) 20.00 grados 20.00

Buzamiento de las juntas (ai) 45.00 grados 45.00

Método de excavación del talud ( * ) 4.00 caract. Voladura o Mecánico

F1 Ajuste Analítico 0.150 0.15


F3 Ajuste Analítico -60.00 -60.00


Clasificación geomecánica para taludes en roca (SMR) 41.00 41.00

Descripción Media, clase III Media, clase III

Condiciones generales de estabilidad en el talud:

Parcialmente estable, falla por cuñas, soporte sistemático

Medidas de Corrección

Reexcavación

Drenaje

Hormigón

Refuerzo

Protección

Sin Sostenimiento

Hoja de cálculo SMR

No Aplica

No Aplica

1 = Talud Natural; 2 = Precorte; 3 = Voladura Suave; 4 = Voladura o Mecánico; 5 = Voladura Deficiente

1= Planar(P); 2= Vuelco(T); 3= Cuña(W)

No Aplica

No Aplica

Hormigón Proyectado, Contrafuertes y/o vigas, Muros al pie

Anclajes

31°/39°

RMR Básico 50.00

79

SMR- Unidad Areniscas- Portal Norte: Rotura Vuelco


Portal Norte de la Unidad Areniscas.

Unidad Areniscas- Portal Norte Vuelco: D3




RQD 60.00 % 13








GSI 45.00

SMR (Romana)

Talud Portal Norte: 17/63°= N73°WE°/63°NE Vuelco: N89ºE/59ºS

Tipo de Rotura 2.00 caract. Vuelco



Azimut de las juntas (aj) 89.00 grados 89.00

Buzamiento de las juntas (aj) 59.00 grados 59.00







Descripción Mala, clase IV Mala, clase IV


Inestable, falla planar y grandes cuñas, corrección importante


Reexcavación

Drenaje

Hormigón

Refuerzo

Protección

Sin Sostenimiento


No Aplica

No Aplica



No Aplica

Superficial ó Profundo


Anclajes

179°/59°

RMR Básico 50.00

80

SMR- Unidad Tobas- Portal Norte: Rotura Planar


Portal Norte de la Unidad Tobas.

Unidad Tobas- Portal Norte E-2




RQD 60.00 % 13

Separación entre diaclasas 0.6-2 m 15




Tipo y espesor del relleno en las juntas: duro o (>5 o <5) mm Sin relleno caract. 6



GSI 53.00

SMR (Romana)

Talud Portal Norte: 17/63°= N73°WE°/63°NE E-2: 31°/39°=N59°W/39°NE

Tipo de Rotura 1.00 caract. Rotura Planar



Azimut de las Juntas(aj) 301.00 grados 301.00

Buzamiento de las Juntas(aj) 39.00 grados 39.00







Descripción Mala, clase IV Mala, clase IV


Inestable, falla planar y grandes cuñas, corrección importante


Reexcavación

Drenaje

Hormigón

Refuerzo

Protección

Sin Sostenimiento

No Aplica

No Aplica

No Aplica



Tendido, muros de conteción

Superficial ó Profundo



31°/39°

RMR Básico 58.00

81

SMR- Unidad Tobas- Portal Norte: Rotura Vuelco


Portal Norte de la Unidad Tobas.

Unidad Tobas- Portal Norte Vuelco: D2




RQD 60.00 % 13

Separación entre diaclasas 0.6-2 m 15




Tipo y espesor del relleno en las juntas: duro o (>5 o <5) mm Sin relleno caract. 6



GSI 53.00

SMR (Romana)

Talud Portal Norte: 17/63°= N73°WE°/63°NE D-2 213°/68° N57°W/68°SW
















Reexcavación

Drenaje

Hormigón

Refuerzo

Protección

Sin Sostenimiento



213°/68°

RMR Básico 58.00

No Aplica

No Aplica

Anclajes

Zanjas de pie, Varillas de pie o de talud, Redes y/o mallas

No Aplica



82

SMR- Unidad Tobas- Portal Sur: Rotura Cuña


Portal sur de la Unidad Tobas.

5.4.1 Resultados

Sostenimiento SMR (Romana, 1985)

Aplicando la clasificación geomecánica de talud, SMR (Romana, 1985 ), para evaluar la

estabilidad de los Taludes de los Portales Norte y Sur (Tabla 34 y 35), se obtuvo valores entre

22 y 54 puntos catalogándola como; clase de estabilidad III y IV o talud normal a mala

Unidad Areniscas- Portal Sur Cuña




RQD 60.00 % 13








GSI 45.00

SMR (Romana)

Talud Portal Norte: 214°/54°°= N73°WE°/63°NE Cuña: 230/45
















Reexcavación

Drenaje

Hormigón

Refuerzo

Protección

Sin Sostenimiento


Zanjas de pie, Varillas de pie o de talud, Redes y/o mallas

No Aplica



No Aplica

No Aplica


Anclajes

230°/45°

RMR Básico 50.00

83

calidad respectivamente, con problemas de inestabilidad, donde el tratamiento sugerido se

fundamenta en la aplicación de medidas de corrección (Tabla 36):

Tabla 34 Resumen del cálculo de SMR en la Unidad Areniscas.

Talud Código Tipo Rotura SMR Clase

PORTAL NORTE D-2/D-4 Cuña 41 III

D-3 Vuelco 33 IV

PORTAL SUR D-3 / D-4 Cuña 50 III

Tabla 35 Resumen del cálculo de SMR en la Unidad Tobas.

Talud Código

Tipo

Rotura SMR Clase

PORTAL NORTE E-2 Planar 22 IV

D-2 Vuelco 54 III

PORTAL SUR - - - -

En la tabla 36 se delimita el rango de valores cálculados de SMR (22-54), teniendo como

resultado la intervencion del talud mediante la reexcavación del talud, instalación de drenaje,

refuerzo del talud con hormigón, distribución de refuerzos con la instalación de pernos de

anclaje y la instalación de malla para dar refuerzo al hormigón.

Tabla 36 Mediadas de corrección propuetas según SMR

Tomado de Romana, 1997.

Sostenimiento RMR (romana, 2000)

En la tabla 37 se exponen las recomendaciones de sostenimiento de talud frontal en

emboquille de túneles de Romana, 2000 en función del RMR. La calificación de RMR

corregido en los taludes de los portales es:

84

Talud Portal Norte (Areniscas Y Tobas) = RMRc: 42 (Clase IV)

Talud Portal Sur (Areniscas y Brechas) = RMRc: 46 (Clase III)

Tabla 37 Recomendaciones de emboquille de túneles

Tomado de Romana, 2000.

Finalmente, cotejando los dos métodos propuestos por Romana, 1984 y 2000, se concluye

que tratamiento ideal para los taludes de emboquille se fundamenta en:

Reexcavación: Tendido del talud (Geometría de 1H:2V)

Drenaje: Superficial (Drenes Californianos)

Hormigón: Proyectado (10-15 cm de hormigón proyectado)

Refuerzo: Anclajes (pernos sistemáticos de 6 m de longitud)

Protección: Redes y/o mallas de talud (Doble malla electrosoldada)

Hormigón

L(m) B/m2 S (m)

Proyectado

(cm)

100 la No No No No ®Opcional

90 Ib 3/4 <0,10 Ocasional No ®Sí

80 lIa 3/4 0,11 3x3 No ®Sí

70 llb 3/4 0,25 2x2 Ocasional ®Sí

60 Illa 4 0,44 1,5x1,5 Ocasional ®Sí

50 lllb 4/5 0,70 1,2x1,2 Ocasional ®Sí

40 IVa 5/6 1,00 1x1 0,10-0,15Malla

opcional

30 IVb 6 1,50 0,8x0,8 0,15-0,20 Malla simple.

20 Va No No No 0,20-0,25Malla simple

o doble

10 Vb No No No 0,25-0,30 Malla doble

Bulones

RECOMENDACIONES DE EMBOQUILLE DE TÚNELES (ROMANA, 2000)

CLASIFICACIÓN TRATAMIENTO TALUD FRONTAL

RMR ClaseRed ® /

malla

85

5.5 Análisis de estabilidad para los taludes de los portales

El desarrollo de este acápite tiene la finalidad de identificar las potenciales inestabilidades

y tipos de rotura posibles que se forman entre las discontinuidades del macizo rocoso con la

orientación de la ladera. El análisis cinemático permitió evaluar la potencial inestabilidad en

función de rumbo y buzamiento tanto del talud como de las discontinuidades.

Es propicio el desarrollo de este análisis en función de la geología estructural, debido a

que las discontinuidades condicionan la estabilidad de un macizo rocoso, por ser zonas de

debilidad. Para esto, es fundamental el modelo geológico de los dos portales, con la

identificación de la litología, niveles de meteorización, orientación de las discontinuidades,

posición del nivel freático. El objetivo de este acápite es proponer un tratamiento de

sostenimiento del talud frontal de emboquille, para garantizar su estabilidad incluso frente al

riesgo de roturas por debilitamiento de la sección durante la excavación del tramo inicial de

túnel.

5.5.1 Identificación de roturas, mediante análisis cinemático

El análisis cinemático de estabilidad se lo realiza en los taludes naturales donde se prevé

la construcción de los portales norte y sur del túnel vial de la Autopista Manuelita Sáenz, con

el objetivo de identificar las posibles inestabilidades producidas por los planos de

discontinuidades (estratificación y diaclasas). Este análisis se lo ejecuta atendiendo la

distribución geométrica de las discontinuidades (E-1, E-2, D-1, D-2, D-3, D-4) de cada

unidad geológica con respecto a los taludes (TPN, talud portal norte y TPS; talud portal sur)

en un estereodiagrama, considerado, además; los ángulos de rozamiento internos de cada

discontinuidad determinada en base a criterio de rotura empíricos de Barton-Bandis (1990).

Análisis Cinemático: Unidad Areniscas (U14-15)


evidenciadas en la Unidad Areniscas.

Análisis Cinemático de las discontinuidades en areniscas

Talud Portal Norte y SUR (TPN y TPS) vs

Discontinuidades

Plano

Azimut

Bz./Bz Rumbo/Bz

Ángulo

Fricción

E1 198º/07º N72ºW/07ºSW 32°

E2 360°/08º N90ºE/08ºN 32°

86

D1 235°/66º N35ºW/66ºSW 32°

D2 078º/61º N12ºW/61NE 32°

D3 179º/59º N89ºE/59ºS 32°

D4 307º/75º N37ºE/75ºNW 32°

TPN 17°/68° N73°W/68°NE

TPS 214°/54° N56°W/54°SW

Número Polos: 117

Figura 38 Análisis Cinemático de estabilidad para la Unidad Areniscas (U-14,15) del talud del Portal Norte.

a. Análisis cinemático donde se favorece la rotura por cuña, b. Análisis Cinemático donde se desarrolla la

rotura por vuelco. Fuente: Autor de la investigación

Figura 39 Análisis Cinemático de estabilidad para la Unidad Areniscas (U-14,15) del talud del Portal Sur,

donde se favorece la rotura por cuña. Fuente: Autor de la investigación.

Para la Unidad Arenisca (U14), se encontró el desarrollo de dos roturas: en el TPN la

rotura más frecuente se da por cuña y vuelco. En relación con el TPS la potencial

inestabilidad se da por rotura en cuña. (Tabla 39)

b. Rotura por vuelco a. Rotura por Cuña

87

Tabla 39 Resumen de roturas identificadas con el análisis cinemático en la Unidad

Areniscas.

Talud Código Tipo Rotura Dirección de Caída

Portal Norte D-2/D-4 Cuña N15°E

D-3 Vuelco N10°E

Portal Sur D-3 / D-4 Cuña S45°W

Análisis Cinemático: Unidad Tobas (U1)


evidenciadas en la Unidad Tobas.

Análisis Cinemático de las discontinuidades en Tobas

Talud Portal Norte y SUR (TPN y TPS) vs

Discontinuidades

Plano

Azimut

BZ/Bz Rumbo/Bz

Ángulo

de Fricción

E1 003º/07º N87ºW/07ºN 13°

E2 031º/39º N59ºW/39ºNE 13°

D1 130º/68º N40ºE/68ºSE 13°

D2 213º/68º N57ºW/68ºSW 13°

TPN 17°/68° N73°W/68°NE

TPS 214°/54° N56°W/54°SW

Número Polos: 53

Figura 40 Análisis Cinemático de estabilidad para la Unidad Tobas (U1) del talud del Portal Norte. a. Análisis

cinemático donde se favorece la rotura planar (E-2), b. Análisis Cinemático donde se desarrolla la rotura por

vuelco. Fuente: Autor de la investigación

a. Rotura por Planar b. Rotura por vuelco

88

Para la Unidad Toba (U1), se encontró el desarrollo de dos roturas para talud del portal

norte (TPN). La rotura más frecuente es la planar y en menor ocurrencia la rotura por cuña.

El análisis cinemático en la Unidad Tobas para el Portal Sur no evidencia el desarrollo de

mecanismo de rotura, es decir la distribución espacial de las discontinuidades (orientación y

buzamiento) no es favorable a la inestabilidad (Tabla 41).

Tabla 41 Resumen de roturas identificadas con el análisis cinemático en la Unidad Tobas.

Talud Código

Tipo

Rotura

Dirección de

Caída

PORTAL

NORTE

E-2 Planar N40°E

D-2 Vuelco N50°E

PORTAL SUR - - -

En conclusión, se podría argumentar que la estabilidad de los taludes (Portal Norte y Sur),

también es condicionada por la distribución espacial de las discontinuidades en relación con

la orientación del talud. Este análisis trata de evidenciar que la orientación de las

discontinuidades influye en la desestabilización. Esto no quiere decir que el movimiento en

masa sea únicamente del tipo traslacional, sino que la rotura también puede ser rotacional y

su desarrollo es la suma de todos los factores condicionantes y desencadenantes actuantes en

el macizo rocoso (Grado de meteorización, Estructuras Geológicas, Condiciones

Hidrogeológicas, Propiedades resistentes y deformacionales, cambio de tensiones naturales

y estado tenso-deformacional). Ver fotografía 12.

89

Fotografía 12 Corte de 30 metros en la zona de Cocotog /UTM: 789294E;9985253N), donde se expone la

secuencia estratigráfica de la Formación Chiche. Esta fotografía muestra la disposición de los plano

estratificación y su continuidad. Además, se observa la depositación periclinal de la Fm. Cangahua. Con línea

amarilla se marca el escarpe del movimiento es masa, donde su inestabilidad se forma por rotura en vuelco.

Para validar la inestabilidad identificada con el análisis cinemático, se utilizó el software

de equilibrio límite, RocPlane y Swedge de la firma Rocscience. Como datos de entrada se

utilizó:

Tabla 42 Datos para análisis de estabilidad: Unidad Areniscas

Geometría Talud

Descripción Unidad

Inclinación Talud: °

1H:2V

(63°)

Altura Talud m 9

AzBz Talud Portal Norte ° 17°

AzBz Talud Portal Sur ° 214°

Parámetros físico-mecánicos

Peso Específico t/m3 1.6

Ángulo de Fricción (ϕ) ° 32°

Fm

. C

hic

he

Am

bie

nte

flu

vio

-la

cu

stre

Fm

. C

an

ga

hu

a

Dep

ósi

tos

Vo

lcá

nic

os

Valles producto de

Erosión fluvial

Lomas con crestas

redondeadas por

erosión eólica

Escarpe del

deslizamiento

90

Cohesión t/m2 2.8

D-2, D-3, D-4

Contenido de Agua

Saturación % 10

Coeficiente Sísmico

Factor de Aceleración - 0.4

Figura 41 Talud Portal Norte- Unidad Areniscas, análisis de estabilidad para la cuña D-2/D-4. Factor de

seguridad 3.96. Fuente: Autor de la investigación

Figura 42 Talud Portal Sur-Unidad Arenisca, análisis de estabilidad para la cuña D-3/D-4. Factor de

seguridad 3.42. Fuente: Autor de la investigación

91

Tabla 43 Datos para análisis de estabilidad: Unidad Tobas

Geometría Talud

Descripción Unidad

Inclinación Talud: °

1H:2V

(63°)

Altura Talud m 9

AzBz Talud Portal Norte ° 17°

AzBz Talud Portal Sur ° 214°

Parámetros físico-mecánicos Tobas

Peso Específico t/m3 1.4

Ángulo de Fricción (ϕ) ° 13°

Cohesión t/m2 2

E-2, D-2

Contenido de Agua

Saturación % 10

Coeficiente Sísmico

Factor de Aceleración - 0.4

Como resultado del análisis determinístico entre el talud con la discontinuidad E-3 (rotura

tratamiento del talud frontal y emboquille del túnel planar), alcanza un Factor de Seguridad

de 1.52, considerando un factor de seguridad estable.

Figura 43 Portal Talud Norte – Unidad Areniscas. Análisis de estabilidad para rotura planar E-2. Distribución

de fuerzas desestabilizadoras a lo largo del plano de rorura. Factor de Seguridad: 1.52 (estable). Fuente:

Autor de la investigación

92

Figura 44 Descomposición de esfuerzos y geometría del talud. Fuente: Autor de la investigación

5.6 Modelo de estabilidad

5.6.1 Análisis de estabilidad -Equilibrio limite

El análisis de estabilidad por medio de equilibrio límite se utilizó el software SLIDE

V6.005. A continuación, se resumen las propiedades físico-mecánicas (Tabla 44) de los

materiales determinadas en base a la recopilación bibliográfica y ensayos de laboratorio,

que fueron utilizados para el análisis de estabilidad mediante el método de equilibrio

límite.

Tabla 44 Resumen de parámetros físico – mecánicos usados en el análisis de estabilidad

Grupo

Geotécnico Unidad Litológica Simb.

Peso

Específico

Ángulo de

Fricción Cohesión

KN/m3 ° KN/m2

GT-I Ceniza U3 11,00 30,00 28,00

Arcilla U18 12,05 23,00 38,00

GT-II Toba U1 14,20 42,00 186,32

GT-III

Lapilli U2 15,00 36,00 44,00

Arena Volcánica U5 18,00 32,00 20,00

Areniscas U14-

15 16,55 43,00 68,64

GT-IV Conglomerado U11 20,00 36,00 33,00

Brechas U13 19,00 36,00 54,00

Coluvial C 17,00 26,00 44,00

93

Para obtener los factores de seguridad de los taludes del portal norte y sur, se elaboró

perfiles pseudoestáticos longitudinales bajo tres escenarios:

Primer escenario: Perfil terreno natural Portal Norte y Portal Sur (Figura 45 y 46)

Corresponde al perfil del terreno natural para los portales norte y sur, donde se

observa la pendiente y morfología dejada por fenómenos de erosión (escorrentía

superficial, viento, temperatura, etc.).

Segundo escenario: Perfil talud / berma (Figura 47 y 48)

Para mejorar la estabilidad de los portales se cambió la geometría de la ladera por

taludes de 9m de alto, 3.4m de berma y una inclinación del talud de 1H: 2V (63º)

Tercer escenario: Perfil talud berma+ sostenimiento. (Figura 49 y 50) Para aumentar

la resistencia al corte y disminuir los efectos de la erosión, se aplica sostenimiento en

base a la instalación de Pernos de anclaje y Hormigón lanzado.

PRIMER ESCENARIO: Perfil terreno natural Portal Norte y Portal Sur

Perfil Portal Norte: PN-01

Figura 45 Portal norte en terreno natural. Software SLIDE V6.005. Fuente: Autor de la investigación

Perfil Portal Sur: PS-01

94

Figura 46 Portal sur en terreno natural. Software SLIDE V6.005. Fuente: Autor de la investigación

SEGUNDO ESCENARIO: Perfil talud / berma (Cambio de geometría)


Figura 47 Portal norte con talud de 9 m + bermas + inclinación de 63º en el talud. Software SLIDE V6.005.


95


Figura 48 Portal Sur con talud de 9 m + bermas + inclinación de 63º en el talud. Software SLIDE V6.005.

Fuente: Autor de la investigación

TERCER ESCENARIO: Perfil talud berma+ sostenimiento (Pernos-Hormigón

lanzado)


Figura 49 Portal norte con talud de 9 m + bermas + inclinación de 63º en el talud + pernos pasivos de 6 m de

longitud + 15 cm de hormigón lanzado. Software SLIDE V6.005. Fuente: Autor de la investigación.

96


Figura 50 Portal sur con talud de 9 m + bermas + inclinación de 63º en el talud + pernos pasivos de 6 m de

longitud + 15 cm de hormigón lanzado. Software SLIDE V6.005. Fuente: Autor de la investigación.

5.6.2 Sostenimiento para talud de los portales norte y sur

Para brindar la seguridad de los taludes a largo plazo (roturas mecánicas del tipo planar,

cuñas, vuelcos y roturas circulares) y proteger de la erosión, se propone la estabilización

mediante el cambio de geometría y elementos estructurales primarios:

Geometría

Talud Norte: Altura de 9 m, ancho de la berma de 3.4 m, inclinación de talud

1H:2V (63°).

Talud Sur: Peinado o desbanque (igualar pendiente) en pendiente de 1H:1V (45°).

Pernos de anclaje pasivos (inyección de lechada o resinas) sistemáticos, con

longitud de 6m. Espaciamiento de 2.00 x 2.00 m en posición tres bolillos y

resistencia a la ruptura de 114 kN.

Doble malla electrosoldada (100x100x5 mm)

Hormigón lanzado (RCS=25MPa) con espesor de 15 cm, en la siguiente

disposición: malla/10 cm de hormigón/malla/5 cm de hormigón

97

Drenes californianos (Tuvo PVC ranurado + Geotextil NT 1600) de 6m de

longitud. Diámetro de la perforación Ø= 76 mm y diámetro del tubo PVC Ø= 50

mm, con espaciamiento de 4.00 x 2.00

Se recomienda el diseño hidráulico de cunetas para controlar el agua de

escorrentía.

5.7 Paraguas de emboquille del túnel

“El paraguas es siempre una buena práctica y se recomienda en todos los casos, aunque

podría obviarse cuando la calidad del macizo rocoso es muy buena (80> RMR)”. (Romana,

EMBOQUILLES: INTERSECCIÓN DE TALUD Y TUNEL, 2005)

Para ofrecer seguridad en el inicio de la excavación, se propone la instalación de un

paraguas, que está formado por una serie de perforaciones en las cuales se puede introducir

distintos elementos metálicos resistentes y la inyección de lechada o cemento que rellenan

los huecos existentes entre la armadura y el terreno dando continuidad al mismo. Para

determinar el tipo de paraguas, se usa las recomendaciones de emboquille de túneles de

Romana, 2005; en base al valor de RMR (Bieniawski, 1989).

Fotografía 13 Perforaciones para instalación de paraguas y tratamiento de talud de emboquille. Fuente

(Ramírez, 2013)

Para determinar la calidad del macizo rocoso, se realizó la calificación en afloramientos

cercanos a los portales, teniendo valores de RMR entre 40 y 50, correspondiendo a rocas de

98

clase III (media) y IV (mala), donde su correspondiente paraguas seria del tipo medio (Figura

51).

Tabla 45 Uso de clasificaciones geomecánicas en las boquillas de túneles. Modificado

de Romana 2000

Tipo de Paraguas Descripción

Paraguas ligero (60

< RMR)

Constituido por bulones de φ 32 de acero corrugado (o por barras de acero especial) y de 6 a

9 metros de longitud, colocados dentro de una perforación de 21/2″ (67 cm). El espacio entre

la barra y la perforación se rellena con lechada de cemento (nunca con resina). La longitud

máxima es de 9 m y las barras son únicas sin solapes ni prolongaciones. La distancia usual

entre las perforaciones varía entre 0.5 y 1 m. Conviene que las barras estén provistas de

centradores.

Paraguas medio (30

< RMR < 70)

Constituido por micropilotes de tubo metálico de diámetro exterior igual o inferior a 90 mm

y espesor igual o inferior a 7 mm. Estos tubos se introducen en perforaciones de diámetro

inferior a 6” (150 mm) y se rellenan interior y exteriormente con mortero, que puede aplicarse

con una ligera presión. La distancia entre ejes de micropilotes oscila entre 40 y 70 cm. La

longitud de estos paraguas varía entre 9 y 20 m. Para longitudes mayores de 9 m es preciso

adicionar tubos por un sistema de rosca macho-hembra (la resistencia a flexión disminuye

mucho en la sección roscada) o con manguitos exteriores. Generalmente los micropilotes

asoman algo en cabeza y se arriostran con una viga de hormigón armado de directriz curva,

paralela al límite teórico de la sección de emboquille.

Paraguas pesado

(RMR< 30)

Puede estar constituido por micropilotes de tubo metálico de diámetro exterior superior a

90 mm y espesor superior a 7 mm, introducidos en perforaciones de diámetro superior a 6

“(150 mm), rellenas interior y exteriormente por lechada que puede aplicarse con una ligera

presión, o bien inyectarse con la técnica de los tubos-manguito. La distancia entre los ejes de

micropilotes es menor de 50 cm. La longitud de los paraguas pesados es, como mínimo de 20

m y está limitada técnicamente por la capacidad para mantener el paralelismo entre

perforaciones próximas. Aunque se han citado paraguas de hasta 40 m de longitud la práctica

habitual rara vez excede de 20-25 m. Debe estudiarse la resistencia a flexión de los solapes

de tubos (reforzándola con manguitos exteriores). Las cabezas de los micropilotes deben

arriostrarse con una viga de hormigón armado. Un método antiguo de construcción de

paraguas pesados sustituía los micropilotes por carriles ferroviarios, pero la longitud de los

paraguas de carriles estaba limitada por la capacidad de perforación. El sistema fue

ampliamente usado por ferroviarios, pero actualmente está en desuso, aunque puede

encontrarse en casos de reparación de túneles ferroviarios

Paraguas de jet-

grouting

En terrenos sin cohesión el paraguas puede construirse mediante columnas de jet-grouting,

utilizando el método llamado de Jet 1 (con inyección a presión solo de lechada) porque la

presión de aire y/o agua en los métodos llamados de Jet 2 o Jet 3 suele ser perjudicial para la

estabilidad del talud. La distancia entre ejes de columnas es la necesaria para que resulten

tangentes (o casi tangentes) entre sí y debe determinarse haciendo pruebas de inyección en

un talud semejante y próximo al frontal de la boquilla. Lo más usual es una distancia del

orden de 60-70 cm. La longitud de los paraguas de jet grouting suele variar entre 12 y 20 m

aunque se han construido paraguas de jet-grouting de hasta 25 m. En las columnas es

conveniente introducir una armadura, que suele ser un redondo corrugado, aunque a veces se

deja la tubería de inyección.

99

Figura 51 Recomendaciones de emboquilles en túneles. Donde se ubica el tipo de paraguas y tratamiento del

talud frontal. Fuente Romana 2000

5.8 Tratamiento del talud frontal y emboquille del túnel.

5.8.1 Sostenimiento para talud de los portales Norte y Sur.


cuñas, vuelcos y roturas circulares) y proteger de la erosión, se propone la estabilización

mediante el cambio de geometría y elementos estructurales primarios:

Hormigón

L(m) B/m2 S (m)

Proyectado

(cm)

100 la Opcional No No No No ®Opcional

90 Ib Opcional 3/4 <0,10 Ocasional No ®Sí

80 lIa Ligero 3/4 0,11 3x3 No ®Sí

70 llbLigero a

medio3/4 0,25 2x2 Ocasional ®Sí

60 Illa Medio 4 0,44 1,5x1,5 Ocasional ®Sí

50 lllb Medio 4/5 0,70 1,2x1,2 Ocasional ®Sí

40 IVa Medio 5/6 1,00 1x1 0,10-0,15Malla

opcional

30 IVb Pesado 6 1,50 0,8x0,8 0,15-0,20 Malla simple.

20 Va Pesado No No No 0,20-0,25Malla simple

o doble

10 Vb Pesado No No No 0,25-0,30 Malla doble

SE

CC

ION

CO

MP

LE

TA

CA

LO

TA

Y D

ES

TR

OZ

A

Red ® /

malla

Las líneas de trazas indican que el método es posible para el intervalo y se usa a veces.

NOTAS

GA

LE

RÍA

S M

UL

TIP

LE

S

CO

NT

RA

BÓ

BE

DA

GA

LE

RIA

CE

NT

RA

L

RECOMENDACIONES DE EMBOQUILLE DE TÚNELES (ROMANA, 2000)

CLASIFICACIÓN EXCAVACIÓN TRATAMIENTO TALUD FRONTAL

RMR Clase

El tipo de paraguas se describe en el cuadro adjunto

Las unidades para el bulonado son: L, longitud en metros (m); densidad de bulones por m2 (b/ m2 ) y s, espaciamiento en metros (m)

La unidad para el espesor de hormigón proyectado, e, es el centímetro (cm) El tipo de red y el uso de mallazo se discuten en el texto

Las líneas continuas indican que el método es apropiado para el intervalo y se usa frecuentemente.

Paraguas

Bulones

Secciones de excavación

100

Geometría

Talud Norte: Altura de 9 m, ancho de la berma de 3.4 m, inclinación de talud 1H:2V (63°).

Talud Sur: Saneo o desbanque (igualar pendiente) en pendiente de 1H:1V (45°).

Figura 52 a. Geometría talud portal sur. b Geometría talud portal norte. Fuente: Autor de la investigación.

Pernos de anclaje pasivos (inyección de lechada o resinas) sistemáticos, con longitud

de 6m. Espaciamiento de 2.00 x 2.00 m en posición tresbolillos y resistencia a la

ruptura de 114 kN.

Doble malla electrosoldada (100x100x5 mm)

Hormigón lanzado (RCS=25MPa) con espesor de 15 cm, en la siguiente disposición:

malla/10 cm de hormigón/malla/5 cm de hormigón

Drenes californianos (Tuvo PVC ranurado + Geotextil NT 1600) de 6m de longitud.

Diámetro de la perforación Ø= 76 mm y diámetro del tubo PVC Ø= 50 mm, con

espaciamiento de 4.00 x 2.00

Se recomienda el diseño hidráulico de cunetas para controlar el agua de escorrentía.

Figura 53 Taludes norte y sur cortes y detalles. Fuente: Autor de la investigación.

a b

101

Emboquille

A continuación, se detalla las especificaciones del paraguas (Anexo 10, 13A-16A):

Diámetro de perforación: 150 mm

Diámetro de la armadura: 90mm exterior

Tipo de acero: Micropilote (tubo metálico) de 7 mm de espesor de pared, con acero

de resistencia a la fluencia mínima de 240 MPa.

Longitud micropilote: 16 m

Sistema de inyección: Inyección de mortero fluido (25 MPa) a presión

Separación entre micropilotes: 0.70 m

Ubicación: Únicamente en bóveda

Número de micropilotes: 24 para cada emboquille

Inclinación con respecto a la horizontal: 10°

Terminado: Las cabezas (20 cm) de los micropilotes deberán estar arriostrados con

la construcción de una viga de amarre (hormigón armado). Esta diadema debe ser

paralela a la sección del túnel.

5.9 Análisis cinemático túnel (mecanismo de rotura: cuñas y planchas)

Al ser un medio estratificado, se considera que la potencial problemática de estabilidad se

dará también por la presencia de la discontinuidad horizontal (estratificación) cuya

persistencia supera los 20 m (alta continuidad) y espaciamientos entre 10 y 30 cm

(moderadamente juntas), que originan un comportamiento anisótropo del medio geológico.

Observaciones de campo, permitieron caracterizar a estas discontinuidades proveyendo que

durante la excavación estos estratos tenderán al pandearse (deformación) o despegarse /

separarse del resto de los estratos superiores (Figura 54)

Estratificación

a b

102

Figura 54 a) Esquema de la cuña 8, favoreciendo al desarrollo de la rotura por plancha b) Fotografía

panorámica de la estratificación, típica en el sector. Fuente: Autor de la investigación.

Al cortar diferentes unidades litológicas con contrastes de resistencia marcados (roca

externadamente blanda a blanda y suelos), se realiza la evaluación de formación de cuñas

únicamente a la Unidad Areniscas (abarca un 45% de la longitud total del túnel) en función

de la orientación del túnel, teniendo como resultado la incidencia de cuñas en el contorno de

la sección. Considerando la información (rumbo y buzamiento) sobre familias de

discontinuidades del macizo rocoso y parámetros de corte, se reconoció las potenciales cuñas

con ayuda del programa UNWEDGE, que permite visualizar en 3D las dimensiones de cuñas,

generadas por la intersección entre familias de discontinuidades que serán atravesadas en las

excavaciones subterráneas. Este software para el análisis necesita de datos de entrada,

mismos que se indican en la tabla 46.

La carga que actúa en el techo es sólo su propio peso, ya que, tras el despegue del techo,

dejan de actuar las fuerzas litostáticas de los estratos superiores. En estos casos, se puede

calcular la distribución de esfuerzos y momentos flectores en el techo teniendo en cuenta la

teoría de vigas y también mediante modelos numéricos. (Alejano, Muralha, & Pérez, 2018).

Figura 55 Medio estratificado, donde se observa el despegue del techo inmediato a la excavación en relación

del resto de los estratos superiores. Fuente (Abad & Huisa, 2011)

103

Por tal motivo, para el diseño del sostenimiento hay que prever el desarrollo de roturas

por plancha las cuales podrían generar una inestabilidad local (geometría de planchas

pequeñas < 1 m3) como a gran escala (> 10 m3) produciendo la generación de inestabilidad

desencadenando la formación de chimeneas y de posibles accidentes (Figura 55).

En las figuras 56 y 57 se exponen los diagramas obtenidos.

Para determinar las potenciales cuñas inestables, se realizó el análisis de combinación

entre las 6 discontinuidades de la Unidad Arenisca, teniendo un total de 20 conexiones de

cuñas. Donde la orientación de familias D-2 (78/61), D-3 (179/59) y D-4 (307/75) forman

cuñas de volumen considerable (Figura 56 y 57). La cuña más inestable es la C-8 ubicándose

en la bóveda del túnel donde su distribución espacial favorece a la geometría de una cuña

de gran volumen. En la figura 57 se observa todas las cuñas entre inestables y estables que

se generarían en la Unidad Areniscas.

Figura 56 a) Vista en 3D de las cuñas. b) Estereodiagrama, representando la cuña C-8 (inestable). Software

UNWEDGE. Fuente: Autor de la investigación.

En la figura 56 se observa el modelamiento de las cuñas en base a la disposición espacial

de las discontinuidades. La imagen esquematiza la configuración y ubicación de las

potenciales cuñas inestables (Factor de seguridad < 1.5); en total se desarrollaron cinco cuñas

formadas por las discontinuidades tipo juntas (D-2, D-3, D-4), donde la denominada cuña 8

es la más propensa a desestabilizar el techo del túnel vial, su ubicación se desarrolla en el

C

-8

a

)

b

)

104

centro de la bóveda centralizando su peso, provocando la disminución de la resistencia al

corte, favoreciendo a la inestabilidad, generando un posible desplazamiento y posterior

colapso, desencadenando la deformación por subsidencia y finalmente con la presencia de

factores condicionantes y desencadenantes formar una chimenea de colapso.

Al ser un medio estratificado, es posible que la cuñas no sean tan profundas, su buzamiento

verticalizado más bien ayudará a desestabilizar por el mecanismo de rotura en plancha, donde

la estratificación mantendrá una disposición sub-ortogonal con las discontinuidades que

conforman la cuña, generando un enrejado (compartimentan) al macizo rocoso.

En la tabla 46 se resumen: el factor de seguridad, volumen, peso datos geométricos de las

cuñas.

Tabla 46 Resumen de cuñas inestables y sus características. Unidad Areniscas

Cuña Código C-2 C-4 C-5 C-7 C-8

FS - 0.469 0.469 0.469 0.4694 0

Volumen m3 0.99 0.04 0.04 2.72 393.89

Peso MN 15.9 0.61 0.7 43.5 6302.2

Longitud-Z m 2.52 0.67 0.88 3.36 22.73

Longitud-Y m 0 0.08 0.09 0 9.9

Área en la

Excavación m2 1.18 0.17 0.14 2.43 128.8

Fuerza de

resistencia MN 5807.28 933.16 1333.05 1112.02 0

Fuerza de corte MN 12392.82 1991.16 2844.75 2373.03 0

Persistencia m

4) 3.31 m, 5)

1.55 m, 6)

2.84 m

4) 1.79 m,

5) 1.13 m,

6) 2.14 m

4) 1.42 m,

5) 1.47 m,

6) 2.08 m

4) 5.27 m,

5) 3.19 m,

6) 3.80 m

4) 17.83 m,

5) 19.48 m,

6) 23.66 m

Ubicación -

Hastial

derecho-

abajo

Hastial

derecho-

abajo

Hastial

izq-abajo

Hastial

izq-alto Bóveda

105

Figura 57 Vista isométrica, superior, frontal y lateral de las cuñas inestables, donde la cuña C-8 es la que

representa inestabilidad y riesgo en la Unidad Areniscas. Software UNWEDGE. Fuente: Autor de la

investigación.

5.10 Análisis tenso-deformacional en perfiles transversales.

Los datos de entrada para el análisis tenso-deformacional se basó en la información

geomecánica para cada litología presente en el modelo geológico como:

Propiedades resistentes (cohesión y ángulo de fricción)

Parámetros deformacionales (Módulo de deformación y coeficiente de Poisson)

Tensiones naturales del terreno

Fuerzas dinámicas

Cargas adicionales

Presencia de agua o presiones de agua

Orientación de las discontinuidades

Para el análisis hay que considerar la metodología de excavación, con el objetivo de

optimizar tiempos y sobre todo buscar la seguridad del personal. En acápites anteriores se

propone la construcción de túnel por el Método Austriaco que consiste en la excavación del

túnel por fases que son:

Excavación de la bóveda.

106

Sostenimiento del terreno con una capa de hormigonado proyectado y la instalación

de pernos sistemáticos que refuerza el terreno circúndate y sujetan las cerchas.

Excavación en destroza en uno de los hastiales que permite el paso maquinaria y se

prolonga el sostenimiento anteriormente instalado, uniendo a las cerchas y

completado con proyectado de hormigón. Durante este proceso se deja un desfase de

un pase mínimo de excavación para que un hastial permanezca apoyado.

Excavación del segundo hastial, igualmente prolongado los sostenimientos

correspondientes.

Una vez realizado la excavación y sostenimiento del túnel, se ejecuta el hormigonado

de la solera.

Finalmente, se realiza el revestimiento.

Los modelos tenso-deformacionales, muestran que, al ejecutar la excavación de los

túneles, se forma la plastificación del pilar que lo separa, produciendo altas deformaciones

que derivan en un colapso con la formación de una chimenea. Por lo tanto, al ser dos túneles

paralelos, y por la cercanía entre ellos (± 11 m), se tendría que avanzar desde dos frentes

diferentes, esto quiere decir, avanzar desde el sur hacia el norte con el túnel derecho y

simultáneamente avanzar desde el norte hacia el sur por el túnel izquierdo (Figura 58).

Figura 58 Dirección de avance para la construcción de los túneles. Fuente: Autor de la investigación.

Portal

Norte

Portal

Sur

Dirección de avance S-N

Dirección de avance

N-S

107

A continuación, se expone un ejemplo del perfil de la abscisa 42+800, donde se observa

las fases de excavación y sostenimientos para el túnel de la izquierda y posteriormente la

excavación y sostenimiento para el túnel de la derecha.

5.10.1 Modelo Tenso-Deformacional del perfil transversal - 42+800

A. MODELO GEOLÓGICO: En la figura 59, se observa la distribución espacial de

los contactos y la ubicación de la sección de excavación.

Figura 59 Modelo Geológico, donde se observa la estratificación como discontinuidad principal. Software

Phase2. Fuente: Autor de la investigación.

A. DATOS DE ENTRADA: Se refiere a parámetros fisco-mecánicos de cada unidad

litológica y características de los elementos estructurales (Tabla 47).

Tabla 47 Parámetros físico- mecánicos para cada unidad geológica.

GRUPO

GEOTÉCNICO Unidad Litológica Simbología

Peso

Específico

Ángulo

de

Fricción

Cohesión E ʋ

MN/m3 ° MPa MPa

GT-I

Ceniza U3 0.011 30 0.028 23.20 0.22

Limo Arenoso U16 0.014 28 0.052 20.31 0.29

Arcilla U18 0.012 23 0.038 15.51 0.39

108

Limolita U19 0.024 23 0.043 69.62 0.40

GT-II

Suelo Orgánico S-ST 0.008 17 0.027 21.18 0.27

Toba U1 0.014 42 0.186 21.24 0.29

Arena Lapilli U4 0.018 18 0.046 62.19 0.48

Arcillolita U17 0.021 8 0.050 18.84 0.35

GT-III

Lapilli U2 0.015 38 0.044 64.55 0.22

Arena Volcánica U5 0.018 21 0.049 22.39 0.30

Terraza U10 0.021 35 0.051 64.18 0.34

Areniscas U14-15 0.016 43 0.068 38.43 0.35

GT-IV

Brecha Volcánica U7 0.019 36 0.031 67.43 0.24

Piroclastos U8 0.019 37 0.030 65.84 0.29

Conglomerado U11 0.020 36 0.033 66.99 0.30

Microconglomerado U12 0.019 36 0.030 65.46 0.29

Brechas U13 0.019 36 0.054 66.99 0.31

B. EXCAVACIÓN TUNEL IZQUIERDO: En la figura 60 se observa el

comportamiento de la deformación total, alcanzando valores de 10 mm en la clave

del túnel, formando una zona plastificada; tendiendo a disminuir al alejarse de la

excavación. Esta deformación es indicativa de la descompresión del terreno donde el

mecanismo de rotura se prevé que sea por planchas. Por lo tanto, la instalación de

sostenimiento primario (pernos + hormigón lanzado) es justificado.

Figura 60 Túnel izquierdo excavado, en la bóveda se desarrolla la zona plastificada, provocando una

deformación máxima en la clave. Software Phase2. Fuente: Autor de la investigación.

Inicio plastificación

109

La figura 61 muestra el factor de seguridad que alcanza el material luego de ser excavado

con valores entre 1.58 dominando el contorno de la sección hasta 1.89 en el hastial derecho

del túnel.

Figura 61 Túnel izquierdo excavado, en el contorno se ubica factores de seguridad. Software Phase2. Fuente:


C. SOSTENIMIENTO Y REVESTIMIENTO DEL TUNEL IZQUIERDO

La Figura 62 muestra la ubicación de cada elemento estructural.

Iniciando por la proyección de hormigón lanzado reforzado (e= 20 cm, línea azul), al

contorno de la sección (anillo completo) de resistencia a la compresión simple de 35 MPa

con fibras de acero o malla electrosoldada.

Posteriormente con la instalación sistemática de 10 pernos de anclaje pasivos (Ø=25 mm)

en la bóveda del túnel (inyección de lechada o resinas) con resistencia a la ruptura de 114

kN; longitud de 6 m; separación de 2,0 x 2,0 m en disposición tres bolillos, cuya misión

es la de sostener las planchas (bloques tabulares) que pueden desencadenar la

desestabilización de la bóveda, limitando la descompresión del material.

Por último, se esquematiza con línea morada la colocación de perfiles (HEB-260 en

cobertera superior a los 60 m, y HEB-200 en cobertera menor a los 60 m) y el

revestimiento con hormigón estructural con espesor de 1m en la bóveda y 1.2 en los

hastiales, con resistencia a la compresión simple de 35 MPa para garantizar la estabilidad

a largo plazo.

110

Además, se indica al contorno de la sección la deformación máxima una vez instalado el

sostenimiento y revestimiento, alcanzando valores menores a los 5 mm en la bóveda hasta

7mm en los hastiales.

Figura 62 Túnel izquierdo excavado, sostenimiento + revestimiento de túnel. Software Phase2. Fuente: Autor

de la investigación.

D. EXCAVACIÓN TUNEL DERECHO: En la figura 63 se observa el

comportamiento de la deformación total, alcanzando valores de 10 mm en la bóveda

del túnel, formando una zona plastificada al rededor del pilar formado entre las dos

excavaciones tendiendo a incrementar la deformación en el túnel izquierdo. Por lo

tanto, el requerimiento de soporte debe ser inmediato en la bóveda del túnel derecho

iniciando por la zona plástica.

Figura 63 Excavación derecha, donde la zona plastificada se desarrolla en el pilar con deformaciones de hasta

40 mm. Software Phase2. Fuente: Autor de la investigación.

Avance del radio plástico

Avance de

plastificación

111

La figura 64 indica los factores de seguridad que alcanza el material luego de ser excavado

con valores entre 1.58 dominando el contorno de la sección hasta 1.89 en el hastial derecho

del túnel.

Figura 64 Excavación derecha, donde se evidencia de igual manera el avance de la plastificación con factores

de seguridad en el contorno de 0.95. Software Phase2. Fuente: Autor de la investigación.

E. SOSTENIMIENTO Y REVESTIMIENTO DEL TUNEL DERECHO:

La figura 65 muestra la ubicación de cada elemento estructural.

Iniciando por la proyección de hormigón lanzado reforzado (e= 20 cm, línea azul), al

contorno de la sección (anillo completo) de resistencia a la compresión simple de 35

MPa con fibras de acero o malla electrosoldada.

Posteriormente con la instalación sistemática de 10 pernos de anclaje pasivos (Ø=25

mm) en la bóveda del túnel (inyección de lechada o resinas) con resistencia a la

ruptura de 114 kN; longitud de 6 m; separación de 2,0 x 2,0 m en disposición tres

bolillos, cuya misión es la de sostener las planchas (bloques tabulares) que pueden

desencadenar la desestabilización de la bóveda, limitando la descompresión del

material.

Por último, se esquematiza con línea morada la colocación de perfiles (HEB-260 en

cobertera superior a los 60 m, y HEB-200 en cobertera menor a los 60 m) y el

revestimiento con hormigón estructural con espesor de 1m en la bóveda y 1.2 en los

hastiales, con resistencia a la compresión simple de 35 MPa para garantizar la

estabilidad a largo plazo.

Avance del radio

plástico

112

Además, se indica al contorno de la sección la deformación máxima una vez instalado el

sostenimiento y revestimiento para los dos túneles, alcanzando valores menores a los 10 mm

en la bóveda y hasta 7 mm en los hastiales.

Figura 65 Sostenimiento y revestimiento en los dos túneles, se observa el desarrollo de la plastificación en el

pilar y bóveda del túnel derecho con deformaciones de hasta 24 mm. Software Phase2. Fuente: Autor de la

investigación.

A pesar de tener deformaciones moderadas, una vez sostenido y revestido los túneles, los

factores de seguridad en el perímetro de las secciones alcanzan valores entre 1.89 y 1.58 en

condiciones pseudoestáticos. (Figura 66). Para mantener este escenario con factores de

seguridad conservadores es necesario manejar el agua subterránea, que no fue evidenciada

durante la cartografía geológica, pero la excavación puede llamar al cambio de líneas de flujo

hacia la cavidad provocando la descarga de posibles acuíferos colgados. Es conveniente en

la etapa de diseño definitivo, monitorear la posición de la superficie piezométrica (en caso

de existir) y el diseño de drenes para el túnel.

Figura 66 Factores de seguridad una vez sostenido y revestido los túneles. Software Phase2. Fuente: Autor de

la investigación.

Zona perturbada por

plastificación

113

La figura 67 evidencia el comportamiento general de deformación, se observa el avance

la zona plastificada, produciendo la posible deformación del terreno en superficie

(subsidencia) con asentamientos máximos de 17 mm, corroborando/cotejando lo calculado

con el método empírico de subsidencia de Madrid desarrollado en el Acápite 7, donde el

perfil 42+800 alcanzó una deformación máxima de 12 mm. Este pronóstico permite recalcar

que el monitoreo de las deformaciones durante y posterior al a construcción del túnel debe

ser constante, siendo imperiosa la instalación de una red de auscultación que permita en

tiempo real verificar los posibles asentamientos diferenciales con el afán de mitigar la

influencia de la excavación mediante la incorporación de tratamientos del terreno especiales.

Figura 67 Comportamiento de la deformación total en relación con la superficie. Software Phase2. Fuente:


La figura 68 permite definir si el sostenimiento y revestimiento propuesto es el adecuado.

El software Phase 2 analiza fallas por el actuar simultaneo de fuerzas cortantes con cargas

circunferenciales, y del mismo modo la combinación de momentos flectores y cargas

normales en cada sección del revestimiento (perfiles HEB-200 y HEB-260, concreto), en este

caso la mayor parte de la nube de puntos se encuentra dentro del factor de seguridad 1.25.

Hay que considerar que el software no permite el ingreso del acero de refuerzo que se diseñó

para contrarrestar este efecto de momento flector (varilla de Ø32@20cm) , es decir los puntos

que se encuentran fuera del factor de seguridad son contrarrestados con el hormigón

armando.

114

Figura 68 Diagrama de capacidad de soporte para el revestimiento constituido por perfil HB260E en conjunto con el hormigón estructural (1 m) para tres

envolventes de factor de seguridad de 1, 1.25 y 2. Un porcentaje bajo de puntos se encuentra fuera del FS:1, su ubicación está condicionada a un posible fallo en

el hastial. Software Phase2. Fuente: Autor de la investigación.

Posible fallo por

momento flector

Posible fallo por

momento flector

115

5.11 Tensión vertical del terreno sobre el túnel (solicitación natural)

Existe un conjunto diverso de teorías para la estimación de la carga de roca del terreno o

tensión vertical sobre una excavación subterránea, siendo el precursor Terzaghi (1946), quien

con el experimento de “Efecto de Arqueo”, del cual se deduce que la bóveda de un túnel es

cargada por un volumen de terreno que entra en descompresión al momento de excavar, y

está delimitado por una variación parabólica de altura Hp, la cual se mide en función de la

cobertura del túnel H (Abad & Huisa, 2011) (Figura 69).

Figura 69 Teoría de Terzaghi (1946). Fuente (Abad & Huisa, 2011).

De acuerdo con Terzaghi (1946) la tensión vertical o carga de roca a la que estaría

sometido el túnel, y más específicamente su bóveda o techo, está dado por la expresión:

𝑃𝑣 = 𝛾. 𝐻𝑝

El valor de la cobertura límite depende de las dimensiones de la sección de excavación y

de las características geomecánicas del terreno. En general, los valores correspondientes a

las dos coberturas límites se pueden estimar con las siguientes relaciones:

𝑪𝒐𝒃𝒆𝒓𝒕𝒖𝒓𝒂 𝒊𝒏𝒇𝒆𝒓𝒊𝒐𝒓, 𝐻𝑖 = 𝑏 (50

𝐺𝑆𝐼)

𝑪𝒐𝒃𝒆𝒓𝒕𝒖𝒓𝒂 𝒔𝒖𝒑𝒆𝒓𝒊𝒐𝒓, 𝐻𝑠 = 𝑏 (𝐺𝑆𝐼

5)

116

Donde Hi es el valor que delimita las secciones con coberturas bajas de las intermedias,

Hs es el valor que delimita las secciones con coberturas intermedias de las altas, b es el ancho

o diámetro equivalente del túnel y GSI es el índice de resistencia geológica de la roca, este

último uno de los principales métodos de caracterización geomecánica de terrenos (Perri,

2006). Para las zonas con coberturas bajas, la carga vertical sobre el túnel será igual a la carga

gravitacional 𝛾𝐻

De esta forma para el túnel propuesto de la Autopista Manuelita Sáenz, se tiene como Hi=

22.24 m y un Hs=142.32 m, considerando para ello un GSI promedio de 40 puntos, de

acuerdo con la base de datos de estaciones geomecánicas tomadas en los levantamientos de

campo en superficie tanto en la zona de los portales como en afloramientos tomados

lateralmente al eje del túnel; asimismo se tomó la base b de la sección del túnel conforme al

diseño de 17.79 m.

Con ello, de acuerdo con el perfil geológico – geotécnico, el 96% del túnel se sitúa dentro

del rango de coberturas intermedias (22.24 – 142.32 m), que comprende entre las progresivas

42+331.05 y 43+244.26, teniendo una cobertura máxima de entre 93.92 y 96.90 m en el

tramo entre las progresivas 43+017.88 y 43+092.20. Por otra parte, en las zonas de los

portales, se tienen coberturas bajas (< 22.24 m), extendiéndose desde el portal sur de

progresiva 42+307.96 hasta la progresiva 42+331.05, y desde el portal norte de progresiva

43+259.42 hasta la progresiva 43+244.26, correspondiendo estas coberturas al 4% respecto

de la longitud del túnel.

Una vez conocidas las coberturas límites del túnel en estudio, se puede determinar las

cargas verticales del terreno sobre el túnel, donde para los tramos de cobertura baja que

corresponde a las zonas de los portales, la tensión vertical del terreno sobre el túnel está dada

por la carga gravitacional, siendo para la zona del portal Sur una carga máxima de 𝑃𝑣 = 0.367

MPa y para la zona del portal Norte una carga máxima de 𝑃𝑣 = 0.401 MPa en el punto límite

inferior Hi.

En la tabla 48 se observa que en el punto de cobertura límite inferior Hi (Absc: 42+331.05

/ H= 22.24) para la zona del portal Sur, las secuencias litoestratigráficas que componen dicha

117

cobertura límite se componen desde la bóveda del túnel hacia la superficie, por Areniscas

(U14), Brechas (U13), Tobas (U1), Lapilli (U2) y depósitos coluviales (C).

Por otra parte, en la tabla 49 se observa que en el punto de cobertura límite inferior Hi

(Absc: 43+244.26 / H= 22.24) para la zona del portal Norte, las secuencias litoestratigráficas

que componen dicha cobertura límite se componen desde la bóveda del túnel hacia la

superficie, por Areniscas (U14), Conglomerados (U11) y Tobas (U1).

En el caso del tramo del túnel sometido a coberturas intermedias, como se señaló en

párrafos precedentes, la tensión vertical está dada por 𝑃𝑣 = 𝛾. 𝐻𝑝, donde Hp = α(b+h) y el

coeficiente de proporcionalidad lineal de Terzaghi según la ecuación propuesta (Perri, 2006),

es igual a α = 0.2593709103, empleando para ello un GSI promedio de 40 puntos y un mi =

17 según la cartilla de constante del carácter friccionante de los distintos tipos de roca del

software RocLab.. De esta forma considerando las unidades litoestratigráficas presentes

sobre la bóveda del túnel en el tramo de coberturas intermedias (42+331.05 y 43+244.26), se

obtuvo una tensión vertical 𝑃𝑣 = 0.732 MPa.

Tabla 48 Coberturas y tensión vertical en el límite inferior Hi de la zona Portal Sur

PO

RT

AL

SU

R (

Co

ber

tura

lím

ite

infe

rio

r H

i)

Progresiva Unidades Litológicas Densidad

(MN/m3) H (m) Pv (MPa)

42+331,05

Ceniza U3 0,01101 0,00000

Limo Arenoso U16 0,01403 0,00000

Arcilla U18 0,01112 0,00000

Limolita U19 0,02390 0,00000

Suelo Orgánico S-ST 0,00791 0,00000

Toba U1 0,01420 6,4909 0,09218

Arena Lapilli U4 0,01760 0,00000

Arcillolita U17 0,02126 0,00000

Lapilli U2 0,01481 0,9247 0,01370

Arena Volcánica U5 0,01820 0,00000

Terraza U10 0,02061 0,00000

Areniscas U14-15 0,01628 0,5004 0,00815

Brecha Volcánica U7 0,01934 0,00000

Piroclastos U8 0,01887 0,00000

Conglomerado U11 0,02016 0,00000

Microconglomerado U12 0,01918 0,00000

Brechas U13 0,01918 1,7717 0,03399

Coluvial C 0,01746 12,55 0,21916

22,24 0,36718

118

Tabla 49 Coberturas y tensión vertical en el límite inferior Hi de la zona Portal Norte

En la Tabla 50 se observan las secuencias litoestratigráficas de cobertura intermedia sobre la

bóveda del túnel y sus espesores H, tomando como referencia el punto de progresiva

43+017.88, donde se tiene el máximo espesor total de cobertura de 96.90 m sin considerar

12.45m de material litológico indiferenciado. Las secuencias litoestratigráficas que

componen dicha cobertura se componen desde la bóveda del túnel hacia la superficie, por

Areniscas (U14), Conglomerados (U11), Tobas (U1), Arena Volcánica (U5), Brechas (U13),

Ceniza (U3) y Lapilli (U2).

Tabla 50 Coberturas y tensión vertical en el tramo de coberturas intermedias, con

referencia en el punto de máxima cobertura en la progresiva 43+017.88

PO

RT

AL

SU

R (

Co

bertu

ra

lím

ite i

nfe

rio

r

Hi)

Abscisa Unidades Litológicas Densidad

(MN/m3) α

SECCIÓN TÚNEL H (m) σv (MPa)

b (Base) h (Altura)

43+017,88 Ceniza U3 0,01101

0,25937 17,79 9,12 2,2607 0,07685

Indiferenciado ? 12,4500

PO

RT

AL

NO

RT

E (

Co

ber

tura

lím

ite

infe

rio

r H

i)

Abscisa Unidades Litológicas Densidad

(MN/m3) H (m) Pv (MPa)

43+208,93

Ceniza U3 0,01101 0,00000

Limo Arenoso U16 0,01403 0,00000

Arcilla U18 0,01112 0,00000

Limolita U19 0,02390 0,00000


Toba U1 0,01420 2,0183 0,02866


Arcillolita U17 0,02126 0,00000

Lapilli U2 0,01481 0,00000


Terraza U10 0,02061 0,00000

Areniscas

U14-

15 0,01628 9,0665 0,14763



Conglomerado U11 0,02016 11,1529 0,22488


Brechas U13 0,01918 0,00000

Coluvial C 0,01746 0,00000

22,24 0,40117

119

Limo Arenoso U16 0,01403 0,00000

Arcilla U18 0,01112 0,00000

Limolita U19 0,02390 0,00000


Toba U1 0,01420 48,3146 0,09911


Arcillolita U17 0,02126 0,00000

Lapilli U2 0,01481 2,8355 0,10337

Arena Volcánica U5 0,01820 3,5449 0,06453

Terraza U10 0,02061 0,00000

Areniscas

U14-

15 0,01628 9,5945 0,11363



Conglomerado U11 0,02016 12,3091 0,14071


Brechas U13 0,01918 5,5766 0,13387

Coluvial C 0,01746 0,00000

96,8859 0,73207

LITOLOGÍAS EN RASANTE

A partir del perfil geológico longitudinal (a lo largo del eje del túnel), se determinaron las

unidades litoestratigráficas por las cuales el túnel atravesaría, tomando como referencia su

rasante. En la tabla 51, se muestra la secuencia longitudinal de las unidades litoestratigráficas

alternantes y sus espesores aparentes, desde el portal Sur (progresiva 42+307.96) iniciando

en la Unidad Ceniza (U3), caracterizada por su color crema blanquecino, matriz soportada

de buen sorteo, con tamaño de las partículas de tipo areno-limosa y una relación matriz –

clastos (98% - 2%); y finalizando en el portal Norte (progresiva 43+259.42) con la Unidad

Toba (U1), caracterizada por su color crema blanquecino, sin presencia de material orgánico,

con una matriz de ceniza de tipo limo arenosa, mientras que los líticos corresponden a

fragmentos de andesitas, pómez; las partículas tienen distribución con buen sorteo y una

relación matriz – líticos (90% – 10%).

120

Tabla 51 Secuencias litoestratigráficas a nivel de la rasante del túnel, de acuerdo con el

perfil geológico – geotécnico

Unidad Litológica Simbología

Progresiva Longitud

Parcial (m)

Longitud

Total (m)

Ceniza U3

42+307,96 42+320,41 12,45

951,46

Brechas Chiche U13 42+320,41 42+323,28 2,87

Toba U1 42+323,28 42+331,89 8,61

Areniscas U14-15 42+331,89 42+338,74 6,85

Toba U1 42+338,74 42+350,47 11,73

Arena Volcánica U5 42+350,47 42+370,37 19,90

Toba U1 42+370,37 42+425,07 54,70

Conglomerado U11 42+425,07 42+453,51 28,44

Areniscas U14-15 42+453,51 42+482,14 28,63

Toba U1 42+482,14 42+496,23 14,09

Areniscas U14-15 42+496,23 42+510,31 14,08

Toba U1 42+510,31 42+551,37 41,06

Conglomerado U11 42+551,37 42+637,33 85,96

Areniscas U14-15 42+637,33 43+017,93 380,60


Conglomerado U11 43+031,76 43+156,48 124,72


Areniscas U14-15 43+172,13 43+258,01 85,88

Toba U1 43+258,01 43+259,42 1,41

En términos porcentuales de presencia de las unidades litoestratigráficas a lo largo de la

rasante del túnel, se tiene que el túnel atravesaría principalmente por dos unidades, la Unidad

Areniscas (U14-15) con el 54.24% del túnel y por la Unidad Conglomerados (U11) con el

25.13% del túnel; mientras que el restante 20.63% del túnel atravesaría por la Unidad Toba

(U1), Unidad Arena Volcánica (U5), Unidad Ceniza (U3) y Unidad Brechas Chiche (U13).

(Tabla 52 y Figura 70).

Tabla 52 Presencia porcentual y longitudinal de las secuencias litoestratigráficas a lo

largo de la rasante del túnel

Unidad

Litológica Simbología %

Longitud Parcial

(m)

Longitud Total

(m)

Toba U1 13,83 131,60

951,46

Ceniza U3 1,31 12,45


Conglomerado U11 25,13 239,12

Brechas Chiche U13 0,30 2,87

Areniscas U14-15 54,24 516,04

PORTAL

SUR

PORTAL

NORTE

121

Figura 70 Relación porcentual de las unidades litoestratigráficas respecto de la longitud del túnel. Fuente:


5.12 Consideraciones y análisis comparativo para la selección del método de

excavación

En esta etapa de estudios de prefactibilidad, con base en los levantamientos geológicos de

superficie que permiten definir el contexto geológico alrededor del túnel propuesto, y

asimismo con sustento en las caracterizaciones geotécnicas de las unidades litológicas

definidas con la campaña de exploración de campo a nivel de superficie, es posible plantear

o estimar del método más eficiente para la excavación del túnel propuesto. No obstante, la

elección de uno u otro método de excavación, está no solo ligado al entorno geológico –

geotécnico, sino también a múltiples factores como sección del túnel a excavar, longitud del

mismo, costos operacionales, presupuestos de inversión, tiempos de ejecución, equipos e

insumos requeridos, factores socio ambientales, entre otros; razón por la cual se requiere de

un estudio pormenorizado de tipo técnico – económico que determine efectivamente la

viabilidad de la aplicación de uno u otro método de excavación subterránea.

A continuación, se plantea un análisis comparativo de los principales métodos de

excavación en túneles, así como sus ventajas y desventajas frente a la aplicación en el caso

del túnel propuesto para la autopista Manuelita Sáenz (Figura 71).

De la tabla comparativa, se concluye en base al nivel de investigación realizada

(Prefactibilidad), que el método de excavación apropiado para los materiales encontrados en

el mapeo de superficie es la excavación mecanizada con el uso de: rozadoras, martillos de

impacto o excavadoras convencionales, cuyas ventajas se exponen en la figura 71.

13,831,31

5,19

25,13

0,30

54,24

Unidades litoestratigráficas a lo largo de la rasante del túnel

Toba U1

Ceniza U3

Arena Volcánica U5

Conglomerado U11

Brechas Chiche U13

Areniscas U14-15

122

P ARÁME T RO S DE CO MP ARACIÓN T ÉCNICA

RE UT ILIZACIÓN DE MAQ UINARIA, E Q UIP O S ,

INS UMO S

T IE MP O S DE E XCAVACIÓN

T IE MP O P ARA P RE P ARAR LUG AR DE

E XCAVACIÓN (P O RT AL)

T IE MP O P O R ME T O DO LO G ÍA

CO NS T RUCT IVA

T IE MP O RE Q UE RIDO DE E XIS T IR

CO MP LE J IDAD G E O LÓG ICA ( RO CA

INE S T AB LE )

DE S G AS T E S O B RE LAS HE RRAMIE NT AS DE

CO RT E

AG UA

AMB IE NT AL

MÉT O DO DE E XCAVACIÓN

VENTAJA

DESVENTAJA

SEMEJANTE

_ Red u cción o p érd id a d e cob ertu ra s ob re el tún el (p os ib les

colap s os , ries g os d e p érd id as h u m an as y eq u ip os ). NOTA: s e

p u ed e red u cir e l ries g o con excavación en fas es , m étod o au s triaco

o b elg a.

_ S e p u d e reu tilizar p ara otros fren tes d e trab ajo u otro p royecto

s u b terran eo

_ Dis eñad a es p ecificam en te p ara u n m ed io g eológ ico y g eom etría

req u erid a_ Reu tilización d e la m aq u in aria en otros tún eles

_ Colap s o d el fren te d el tún el _ Colap s o d el fren te d el tún el_ E l fren te d el tún el es re ten id o p or la tu n elad ora ( p res ión en ru ed a

d e corte)

_ Excavación , extracción d e es com b ros y S on ten im ien to

s im u ltán eo

_ Rozad o, carg a , extracción d e s com b ros , in s talación d e s op orte ,

tra tam ien to d e in yección al avan ce

_ P eforación , carg a d e exp los ivos , volad u ra, ven tilación ,S an eo,

extracción d e es com b ros y la in s talación d e s op orte .

_ P oco tiem p o, h as ta 1 m es , h as ta realizar e l tra tam ien to d el ta lu d y

em b oq u ille d el tu n el

_ 3-20 d ías p or ap licación d e s os ten im ien to p es ad o ( p arag u as ,

p ern os , cerch as , m alla , h orm ig ón , d ren aje)

_Excavación en zon as con d u reza y

ab ras id ad m ayores a las es p ecificacion es d e la m aq u in a (cab eza

d e corte).

_ E l d is eño d e las ru ed as d e corte es ta en fu ción d el m od elo

g eológ ico, d e econ trar rocas con m ayor ab ras ición o res iten tecia , s e

n ecs eitaría e l cam b io con tin u o d e las ru ed as

_ Ren d im ien tos d e 3-9 m etros a l d ía ( d ep en d e d e la calid ad d e la roca) _ Ren d im ien tos d e 15 -50 m etros a l d ía

_ P oco T iem p o , h as ta 1 m es d e exis tir com p leg id ad g eológ ica _En tre 3 y 12 m es es en p rom ed io

_ En erg ía e léctrica (P lan ta d e en erg ía en b oca d e Tún el)

_ Ven tilad ores y m an g as d e Ven tilación

_ Rozad oras



_ Tu n elad ora

_S ección com p leta , Metod o Au s triaco (p or fas es ), Métod o Belg a-

Mad rid

_ Macizos rocos os p referen tem en te en roca Clas e III, IV, V (m ayor

ren d im ien to)

_ Des fog u e d e ag u a s u b terran ea _ Au m en to d e p res ión d e p oro en el fren te d e la excavación _ Des fog u e d e ag u a s u b terran ea

_ Am ig ab le con el m ed io am b ien te

_ S ección com p leta , Metod o Au s triaco (p or fas es ), Métod o Belg a-

Mad rid_ S ección Com p leta y con tin u a

T IP O S DE T E RRE NO A E XCAVAR

_ Macizos rocos os p referen tem en te en roca Clas e I,II,III (m ayor

ren d im ien to)

_ Macizos rocos os p referen tem en te en roca Clas e III, IV, V (m ayor

ren d im ien to)

_ Am ig ab le con el m ed io am b ien te_ P os ib le con tam in ación d e acu iferos p or u s o d e exp los ivos (q u ím icos )

_ Macizos rocos os es cas am en te com p eten tes _ Macizos rocos os p oco com p eten tes

_ Macizos rocos m u y com p eten tes

_ Au m en ta cos tos p or m an o d e ob ra (log is tica a larg o p lazo) _ Min im iza cos tos p or m an o d e ob ra (log is tica a larg o p lazo)

CO S T O S

Observaciones

_ Las compraciones de este cuadro, se fundamentan en la experticia de los técnicos que redactan de este informe, ademas de bibliografía especializada ect.

_ Min im iza cos tos p or m an o d e ob ra (log is tica a larg o p lazo)

_ S ob recon s u m o d e Hórm ig ón p or s ob re excavación _ Op tim iza Hórm ig ón , s eccion es p erfilad as

_ Con s tru cción d e es tru ctu ras tem p orales o es p eciales (s os ten im ien to

p es ad os p or in certid u m b re en la g eolog ía)_ No n eces ita con s tru cción d e es tru ctu ras tem p orales

_ Econ óm icam en te factib le p ara lon g itu d es m en ores a la 1.5 km _ Econ óm icam en te factib le p ara lon g itu d es m ayores a 4.5 km

_ Men or con s u m o en h orm ig ón ,p or n o ten er s ob reexcavación ,

m ejor p erfilad o d e la excavación .

_ Con s tru cción d e es tru ctu ras tem p orales o es p eciales

(s os ten im ien to p es ad os p or in certid u m b re en la g eolog ía)

_ P or d efin ir

MAQ UINARIA

COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS DE EXCAVACIÓN SUBTERRÁNEA - TÚNEL VIAL


_ Can as tilla d e s ervicios

_ Req u iere m an o d e ob ra calificad a y certificad a ( p erforación ,

exp los ivos )

T RAB AJ O DE O P E RACIÓN

_ Mayor n úm ero d e op erad ores _ Men or n úm ero d e op erad ores (trab ajo m ecan izad o)

_ Req u iere m an o d e ob ra calificad a y certificad a

V D V D V

DIME NS IO NAMIE NT O_S eccion es circu lares_S eccion es d ivers as d e acu erd o al req u erim ien to

RE Q UE RIIE NT O DE S E RVICIO S B ÁS ICO S Y

E Q UIP O S


_ Carg a d e exp los ivos (d in am ita , h id rog eles , em u ls ion es , cord ón d eton an te , e tc)

_ Eq u ip os d e p erforación (m artillos n eu m áticos , ju m b os , e tc)

_ Maq u in aria p es ad a: carg ad oras y volq u etas

_ Des b an q u e d e ta lu d es p ara acces o y em p ortalam ien to


_Lon g itu d es con s id erab lem en te exten s as d e tún el_Divers as lon g itu d es d e acu erd o al req u erim ien to

_ Maq u in aria p es ad a: carg ad oras , re troexcavad oras y volq u etas


_ Maq u in aria p es ad a: p u en te g rúa, carg ad oras y volq u etas

_ Men or n úm ero d e op erad ores (trab ajo m ecan izad o)

_ Req u iere m an o d e ob ra calificad a y certificad a

_ Ban d a tran s p ortad ora d e es com b ros _ Ban d a tran s p ortad ora d e es com b ros

_S eccion es d ivers as d e acu erd o al req u erim ien to

_De p referen cia lon g itu d es p eq u eñas d e tún el

_ S u elos con s olid ad os y n o con s olid ad os

E XCAVACIÓN CO NVE NCIO NAL E XCAVACIÓN ME CANIZADA O MAQ UINAS DE AT AQ UE P UNT UAL

_ La p oten cia en la cab eza d e corte p erm ite excavar

rocas d e h as ta 100 MP a

_ Ries g o p or m an ejo in ad ecu ad o d e exp los ivos (d u ran te carg a y

d eton ación )_ No u s a exp los ivos , u n icam en te en p eq u eños tram os

_ Altas vib racion es _Bajas vib racion es

_Con tru cción en s itios No p ob lad os p referen tem en te y p ob lad os con

altas res triccion es_ Con tru cción en s itios P ob lad os y No P ob lad os

RO ZADO RAS / MART ILLO S DE IMP ACT O /

E XCAVADO RAS CO NVE NCIO NALE S

_ Ries g o p or form ación d e b loq u es y cu ñas en b óved a y h as tia les

P E RFO RACIÓN Y VO LADURA T UNE LADO RAS (T B M)

_ Bajas vib racion es

_ Con s tru cción en s itios P ob lad os y No P ob lad os

D

_ Red im ien to d e 3-10 m etros a l d ía , avan ce con tin u o

_ 3-20 d ías p or ap licación d e s os ten im ien to p es ad o ( p arag u as , p ern os ,

cerch as , m alla , h orm ig ón , d ren aje)

O B RAS P RE LIMINARE S

_ No u s a exp los ivos , u n icam en te en p eq u eños tram os

_ S u elos con s olid ad os y n o con s olid ad os No s e recom ien d a


_ Con s tru cción d e p lataform a p ara arm ad o d e Tu n elad ora


_ Excavación m u y u n iform e, E l p ers on al n o es ta exp u es to al ries g o

d e in es tab ilid ad p or rotu ras d e cu ña, p lan ch a ect.

_ Ries g o p or form ación d e b loq u es y cu ñas en b óved a (excavación

irreg u lar)

_ Macizos rocos m u y com p eten tes

_ Macizos rocos os p oco com p eten tes

_ S u elos con s olid ad os y n o con s olid ad os

CRIT E RIO S DE S E G URIDAD

_ Al p as ar p or zon as in es tab les , la tu n elad ora p u d e as en tarce, y s u

reu b icacn ion p u d e d u rar s em an as h as ta m es es ), p or las m an iob ras

p ara levan tarla .

_ Los Barren os s on faciles d e ad q u irir y d e b ajo cos to

INCE RT IDUMB RE G E O LÓG ICA

_ P res en cia in es p erad a d e fallas g eológ icas (d ep ren d im ien tos y/o

colp as o d el fren te d e excavación ) -------- (s e p u ed en tom ar correctivos ,

tiem p os recu p erab les )


colp as o d el fren te d e excavación ) ------- (en tram p am ien to d e

tu n elad ora, cae p rod u cción )


colp as o d el fren te d e excavación ) --------- (s e p u ed en tom ar

correctivos , tiem p os recu p erab les )

_ Zon as d e terren os con u n a d u reza y ab ras ivid ad elevad as (au m en to

d e carg a exp los iva)

_ Zon as d e terrren os con u n a d u reza y ab ras ivid ad elevad as

(Des g as te exces ivo en cortad ores , cam b ios con tín u os d e los

m is m os , au m en to d e m an ten im ien to, p érd id a d e p rod u cción )

_ Zon as d e terrren os con u n a d u reza y ab ras ivid ad elevad as

(Des g as te exces ivo en p icas , cam b ios con tín u os d e los m is m os ,

au m en to d e m an ten im ien to, p érd id a d e p rod u cción )

_ Red u cción o p érd id a d e cob ertu ra s ob re el tún el (p os ib les colap s os ,

ries g os d e p érd id as h u m an as y eq u ip os ). NOTA: s e p u ed e red u cir e l

ries g o con excavación en fas es , m étod o au s triaco o b elg a.

_ Red u cción o p érd id a d e cob ertu ra s ob re el tún el (tu n elad oras

d ob le es cu d o con s os ten im ien to con tín u o con d ovelas p rovee

s eg u rid ad al fren te)

Figura 71 Análisis comparativo de los principales métodos de excavación en túneles, ventajas y desventajas frente a la

aplicación en el caso del túnel propuesto para la autopista Manuelita Sáenz. Fuente: Autor de la investigación.

123

5.13 Diseño estructural del revestimiento y portal de los túneles

El diseño estructural se fundamenta en el análisis de dos secciones críticas del túnel y los

portales ingreso y salida de la autopista Manuelita Sáenz que son:

Perfil Abscisa 42+340: Se ubica en el extremo sur de la obra subterránea, con una

cobertera de 31 metros sobre la bóveda de túnel. En el modelo geológico (perfil

transversal) se interpreta la disposición estratigráfica de la secuencia lacustre de la

Formación Chiche con unidades geológicas con parámetros resistentes relativamente

bajos (roca dúctil de baja resistencia y poco consolidada). El análisis estructural se lo

efectuó bajo parámetros de diseño bibliográficos (geológico – geotécnico) que permiten

condicionar el espesor del hormigón estructural, diámetro del acero de refuerzo,

persiguiendo la estabilidad del túnel a largo plazo.

Perfil Abscisa 43+000: Se ubica al norte de la obra subterránea, donde se desarrollan

las coberturas más potentes (80 y 96 m) sobre la bóveda de túnel. En el modelo

geológico (perfil transversal) se interpreta la disposición estratigráfica de la secuencia

lacustre de la Formación Chiche, en este sector se asume la proyección estratigráfica

de bajo ángulo de la unidad areniscas donde el material geológico presenta un

comportamiento de roca de baja resistencia. El cálculo estructural define la colocación

de revestimiento de hormigón armado con espesor variables entre 1 y 1.20 metros, este

aumento de espesor está ligado a resultados del software de elementos finitos donde lo

momentos flectores se ubican fuera del factor de seguridad, siendo susceptible al fallo.

Los datos de la cartografía geológica del sector, usados son:

- Altura de carga sobre la clave del portal.

- Peso específico del suelo.

- Capacidad portante del suelo; entre otros.

- Distribución espacial de los contactos (disposición estratigráfica)

Con los insumos o datos de entrada, se procedió a modelar dos secciones críticas del túnel

y los portales de ingreso y salida, en el software de elementos finitos SAP2000 V20.1.0., de

acuerdo con la geometría planteada en el proyecto vial. Dicho software permite obtener

solicitaciones que se generan en los elementos estructurales de hormigón armado como son:

- Fuerza axial.

- Cortantes.

124

- Momento flector.

Que se producen como resultado de la aplicación de estados de carga definidos para cada

una de las estructuras planteadas.

En la solera, los diagramas de deformación obtenidos en base a cargas de servicio permiten

identificar que dichas deformaciones están dentro de los rangos admisibles propuestos en el

estudio de suelos, y a la vez permiten determinar la capacidad resistente requerida en el suelo

de cimentación.

El diseño de los elementos estructurales se realizó mediante la teoría de última resistencia,

la cual básicamente consiste en la aplicación de factores de mayor acción a los estados de carga

planteados, y una disminución en la capacidad resistente de los materiales.

En la bóveda se obtuvieron deformaciones longitudinales (deflexiones) con cargas de

servicio, y se verificó que las mismas estén dentro del rango admisible.

Los diagramas de momentos obtenidos permiten diseñar la cantidad de acero de refuerzo

necesario para absorber los momentos flectores, mientras que los diagramas de corte y fuerza

axial permitirán diseñar el espesor de las secciones de hormigón; que combinados permiten

afinar la resistencia especificada a la compresión a los 28 días del hormigón.

Finalmente, los diseños realizados se basan en el cumplimiento de la normativa local vigente

(NEC-15) y normativa internacional aplicable a este tipo de estructuras (AASHTO LRFD

2014).

Figura 72 Geometría de los portales de entrada y salida del trazado del túnel. Fuente: Autor de la investigación.

125

En resumen, el diseño del revestimiento resultante se basaría en la construcción de hormigón

estructural al contorno de la sección con espesor de 1m en la bóveda y 1.2 en los hastiales, si

la cobertera es superior a los 60 m. Y espesor de 1 m tanto en bóveda como en hastiales al tener

una cobertera menor a los 60 m. Resistencia a la compresión simple de hormigón de 35 MPa,

armando con acero de refuerzo de Ø=32@20-10cm.

126

CAPITULO VI

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1 Conclusiones

La litología de la zona de implantación del túnel vial se encuentra entre dos secuencias

sedimentarias, teniendo así en la base una serie de rocas sedimentarias sub-horizontales,

correspondientes a la Formación Chiche, las cuales presentan una ligera meteorización,

con espesores variables; en el techo en cambio dominan rocas sedimentarias de caída

correspondiente a la Formación cangahua.

La morfología en la zona donde se plantea la excavación subterránea es del tipo llanura

de depósitos volcánicos donde la pendiente es muy baja a baja (2% al 15%), la cual se

encuentra limitada por dos quebradas disectadas por influencia de erosión fluvial aquí

los procesos geodinámicos denudativos son dominantes y los procesos acumulativos

son muy limitados, ya que las fuertes pendientes del curso superior y medio provocan

una restringida acumulación de sedimentos en el cauce y riveras de las quebradas.

La estructura de mayor dominio es la estratificación la misma que se caracteriza por ser

subhorizontal en depósitos de la Formación Chiche, con un rumbo preferencial en

sentido O-E y buzamientos bajos, mientras en la formación Cangahua la estratificación

es variable puesto que la depositación es periclinal, sin embargo, en el portal norte

indica un rumbo preferencial de NW-SE y buzando hacia el NE, dirección similar al de

la ladera

El ambiente de formación de la secuencia estratigráfica de los sedimentos de la F.

Chiche conforma estratos rítmicos de material de granulometría fina, media y gruesa

que se encuentran intercalados, con inclinación sub-horizontales, rellenando la cuenca

y configurando una geomorfología con pendientes bajas y colinas onduladas y

fuertemente disectadas por la acción del agua y el viento. Es decir, la influencia de

factores geológicos estructurales (baja resistencia de los materiales y orientación de las

discontinuidades) son condicionantes para el desarrollo de una obra subterránea. Por lo

tanto, la investigación geológica-geotécnica en la fase de factibilidad y diseño es

obligatoria. Si se conserva un nivel de incertidumbre alto los factores geológicos

condicionaran técnica o económicamente el desarrollo de la obra, incurriendo en costos

no considerados en el diseño definitivo.

127

Durante la cartografía geológica se observaron capas de diferentes potencias y

resistencias; algunos niveles se comportan como roca de baja competencia (areniscas,

brechas, conglomerados) donde la resistencia a la compresión simple obtenida

mediante índices de campo las posiciona entre R1 Y R2 (1-25 MPa). Además, es

evidente en toda la secuencia el desarrolla capas débiles; se trata de materiales no

consolidados (lapilli, arenas, arcilla) que se encuentran alternado con los materiales

consolidados. Esta diferencia de competencias sumado a los planos de discontinuidad

extensamente persistentes (estratificación) y demás parámetros desfavorables de las

discontinuidades (rugosidad, relleno, separación, meteorización, contenido de agua,

orientación) incitan a causar inestabilidad del macizo rocoso.


cuñas, vuelcos y roturas circulares) y proteger de la erosión, se deberá realizar una

estabilización mediante elementos estructurales primarios y el cambio de geometría de

los taludes, siendo así en el portal norte la ejecución de bermas y una inclinación del

talud de 63º y en portal sur, peinado, desbanque y una inclinación de la pendiente de

25º.

Se concluye en base al nivel de investigación realizada (Prefactibilidad), que el método

de excavación apropiado para los materiales encontrados en el mapeo de superficie es

la excavación mecanizada con el uso de: rozadoras, martillos de impacto o excavadoras

convencionales

El diseño del revestimiento resultante se basaría en la construcción de hormigón

estructural al contorno de la sección con espesor de 1m en la bóveda y 1.2 en los

hastiales, si la cobertera es superior a los 60 m. Y espesor de 1 m tanto en bóveda como

en hastiales al tener una cobertera menor a los 60 m. Resistencia a la compresión simple

de hormigón de 35 MPa, armando con acero de refuerzo de Ø=32@20-10cm.

6.2 Recomendaciones

Calibrar el modelo geológico en base a una campaña de sondeos a diamantina con

recuperación de testigo, debido a que el modelo que se presenta en este informe fue en

base a geotravesías, donde se cartografío las unidades geológicas con la ayuda de la

técnica de levantamiento de columnas estratigráficas, por lo tanto, la distribución

espacial, presenta un nivel de incertidumbre moderado.

128

Ejecutar métodos de investigación indirecta (geofísica), tales como: sísmica de

refracción, Sondeos Eléctricos Verticales (SEV) o tomografía eléctrica, para corroborar

el modelo geológico.

Separar la sección de los túneles, entre 14 a 16 m, para minimizar el efecto de

plastificación

Situar la bóveda bajo 2 a 3 metros debajo del techo de la unidad areniscas (U14), una

vez obtenido el modelo geológico de diseño, debido a que la factibilidad de la

construcción de los túneles (izquierdo y derecho), se basa en el adecuado

emplazamiento de la excavación en el medio geológico, es decir, que la excavación se

ubique en una sola litología (evitar la anisotropía) con parámetros geotécnicos

favorables.

Realizar un análisis técnico-financiero, con el fin de optimizar el escogimiento de la

metodología de excavación, en función de las siguientes variables:

o Coste de maquinaria

o Reutilización de maquinaria y equipos

o Geometría de excavación

o Mano de obra calificada local

o Coste de obras preliminares

o Tiempo de excavación

o Tiempo para preparar el lugar de excavación

o Rendimiento diario promedio en material poco competente

o Coste por desgaste de Herramientas

o Criterios de seguridad industrial

o Facilidad de paso al tener incertidumbre geológica

o Impacto Ambiental (acuíferos, polución, vibración)

o Metodología de excavación

o Costos mano de obra y logística.

129

CAPITULO VII

7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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130

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132

8. ANEXOS

Anexo 1

Topografía detallada del área de estudio.

133

ANEXO 2

Columna estratigráfica portal norte

140

Columna estratigráfica portal sur

146

ANEXO 3

Plantilla para levantamiento de estaciones geomecánicas

P R OYEC T O:

LOC A LIZ A C IÓN D E LA EST N GEOM :

R EA LIZ A D O P OR :

Í N D IC E R QD (Deere 1967):

Lito logía (3) Resistencia a partir de índices de campo (ISRM , 1981) (4)

E C Arcillas y limos Ox Óxidos Lu Lut it a At Arcillolit a R0 Se puede marcar con la uña. S1 El puño penet ra f ácilment e varios cm.

F S Arenas Q Cuarzo Gw Grauwacas Bc Biocalcarenit as R1 Al golpear con la punt a del mart illo la roca se desmenuza.S2 El dedo penet ra f ácilment e varios cm.

J G Gravas Cc Carbonat os Ar Areniscas Gr Rocas graní t icasR2 Al golpear con la punt a del mart illo se producen ligeras marcas.S3 Se necesit a una pequeña presión para hincar el dedo.

Fll B Brechas F Feldespat os Cz Calizas Ad Andesit as R3 Con un golpe f uert e de mart illo puede f ract urarse. S4 Se necesit a una f uert e presión para hincar el dedo.

C M Milonit as Ma Miner. Arcilla Ma Mármoles Bs Basalt o R4 Se requiere más de un golpe del mart illo para f ract urar la. S5 Con ciert a presión suele marcarse con la uña.

P Pizarrosidad Mg Margas Pz Pizarra R5 Se requiere muchos golpes del mart illo para f ract urar la. S6 Se marca con dif icult ad al presionar con la uña.

Es Esquist os R6 Al golpear con el mart illo sólo salt an esquir las.

Gn Gneis Croquis de la zona, corte geológico, observaciones…etc.

I II III IV V VI R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 I II III IV V VI VII VIII IX I II III IV V VI S1 S2 S3 S4 S5 S6

≥3, <

10

≥10, <

20

≥1 -

<10 c

m

≥10 -

<100 c

m

≥1 m

Rugosa

Lis

a

Pulida

< 0

,1 m

m

≥0,1

- <

0,2

5 m

m

≥0,2

5 -

<0,5

0 m

m

≥0,5

0-

<2,5

0 m

m

≥2,5

0 -

<

10 m

m

≥1 c

m

Muy c

err

ada

Cerr

ada

>250

< 2

0

≥20 -

<60

≥60 -

<200

≥200 -

<600

≥600 -

<2000

0,2

5-1

,0

1,0

-5,0

5,0

-25

25-5

0

50-1

00

100-2

50

≥20

< 1

≥1, <

3

≥3, <

10

≥10, <

20

≥20

≥2000 -

<6000

≥6000

< 1

≥1, <

3

Plana

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

zada

Ancha

Muy a

ncha

Extr

em

ancha

Cavern

as

Escalonada Ondulada

Rugosa

Lis

a

Pulida

Rugosa

Lis

a

Pulida

Ríg

ida

Muy R

ígid

a

Dura

Suelo

resid

ual

Se

co

Lig

era

m h

úm

edo

Húm

edo

Gote

ando

Agu

a f

luye

nd

o

Muy b

landa

Débil

Fir

me

< 0

,025

0,0

25-0

,05

0,0

5-0

,1

0,1

-0,2

5

0,2

5-0

,5

>0,5

Media

Alta

Muy A

lta

Muy D

ura

Extr

em

Dura

Extr

em

junta

s.

Muy junta

s

Junta

s

Moderm

.Junta

s

Baja

Baja

Media

Alta

Muy A

lta

Baja

SEGÚN BUZAM IENTO

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)

HUM EDAD (%)

(Bieniawski, 1989)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

zada

Suelo

resid

ual

Extr

em

. B

landa

ESPACIADO (mm)

(ISRM , 1981)

CONTINUIDAD (m)

(ISRM , 1981)

ABERTURA

(ISRM ; 1981)

RUGOSIDAD

(ISRM 1981)

Com

posic

ión

(2)

Espesor

(mm

)

Separa

das

Muy s

epara

das

Extr

m.S

epara

das

SEGÚN RUM BOP

arc

ialm

. A

bie

rta

Abie

rta

Modera

d. A

bie

rta

Baja

CARACTERIZACIÓN DE LA ROCA MATRIZ CARACTERIZACIÓN DE LAS JUNTAS Y DISCONTINUIDADES DEL MACIZO ROCOSO CARACTERIZACIÓN DEL RELLENO

Foliación

Junt as

Fallas

Cardenillo : Xqz-cl, Xm-cl, Xqz-m, Pm-graf, Pqz-graf, Czt

D escripció n Geo ló gica/ Lito lo gí a:

Tipo de plano (1) Rellenos (2)

Est rat if icación

C ON D IC ION ES H ID R OGEOLÓGIC A S LOC A LES Y R EGION A LES:

GSI (Hoek-M arinos,2000)

R M R (B ieniawski, 1986): Fotografía del macizo. Fotografía de detalle (incluir escala) . Proyección estereográfica de las discontinuidades y de la orientación del talud.

C OOR D EN A D A S UT M (x,y,z) :

F EC H A :

F OT OGR A F Í A :

Estac Geo N°:______DATOS GENERALES

OR IEN T A C IÓN D E LA LA D ER A :

T EC T ON IC A R EGION A L:

LEYEN D A

Crenulación

LIT

OLO

GÍA

(3

)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

TIP

O D

E P

LA

NO

(1

)

AZ

IMU

T D

E B

UZ

AM

IEN

TO

(º)

BU

ZA

MIE

NT

O (

º)

Muy b

landa

Bla

nda

Moder

Dura

Dura

147

ANEXO 4

P R OYEC T O:














x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x xAr J 265 65 Cc 2

Ar J 82 53 Cc 2

Ar J 232 83 Cc 2

Ar E 213 10

Ar E 185 7

Ar E 212 9

Ar E 203 14

Ar E 211 15

Ar E 230 5

Ar E 217 5

Ar E 203 4

Ar 192 3

Ar E 192 4

Ar E 185 6

Ar E 230 12

Ar E 50 10

Ar E 15 14

Ar E 315 22

90 6

Ar E 237 10

≥3, <

10

≥10, <

20

≥1 -

<10 c

m

≥10 -

<100 c

m

≥1 m

Rugosa

Lis

a

Pulida

< 0

,1 m

m

≥0,1

- <

0,2

5 m

m

≥0,2

5 -

<0,5

0 m

m

≥0,5

0-

<2,5

0 m

m

≥2,5

0 -

<

10 m

m

≥1 c

m

Muy c

err

ada

Cerr

ada

>250

< 2

0

≥20 -

<60

≥60 -

<200

≥200 -

<600

≥600 -

<2000

0,2

5-1

,0

1,0

-5,0

5,0

-25

25-5

0

50-1

00

100-2

50

≥20

< 1

≥1, <

3

≥3, <

10

≥10, <

20

≥20

≥2000 -

<6000

≥6000

< 1

≥1, <

3

Plana

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

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Ancha

Muy a

ncha

Extr

em

ancha

Cavern

as

Escalonada Ondulada

Rugosa

Lis

a

Pulida

Rugosa

Lis

a

Pulida

Ríg

ida

Muy R

ígid

a

Dura

Suelo

resid

ual

Se

co

Lig

era

m h

úm

edo

Húm

edo

Gote

ando

Agua f

luyendo

Muy b

landa

Débil

Fir

me

< 0

,025

0,0

25-0

,05

0,0

5-0

,1

0,1

-0,2

5

0,2

5-0

,5

>0,5

Media

Alta

Muy A

lta

Muy D

ura

Extr

em

Dura

Extr

em

junta

s.

Muy junta

s

Junta

s

Moderm

.Junta

s

Baja

Baja

Media

Alta

Muy A

lta

Baja

SEGÚN BUZAM IENTO

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)

HUM EDAD (%)

(Bieniawski, 1989)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

zada

Suelo

resid

ual

Extr

em

. B

landa

ESPACIADO (mm)

(ISRM , 1981)

CONTINUIDAD (m)

(ISRM , 1981)

ABERTURA

(ISRM ; 1981)

RUGOSIDAD

(ISRM 1981)

Co

mp

osic

ión

(2

)

Espesor

(mm

)

Separa

das

Muy s

epara

das

Extr

m.S

epara

das

SEGÚN RUM BO

Parc

ialm

. A

bie

rta

Abie

rta

Modera

d. A

bie

rta

Baja


Foliación

Junt as

Fallas



Tipo de plano (1) Rellenos (2) La arenisca es una roca competente que descansa

Est rat if icación sobre un conglomerado



R M R (B ieniawski, 1986):

Observación.- El material se encuentra ligeramente húmeda por la cercanía a la qb. (Aguas

Servidas).

-La arenisca es resistente a la erosión.

Fotografía del macizo. Fotografía de detalle (incluir escala) . Proyección estereográfica de las discontinuidades y de la orientación del talud.


F EC H A : 07/09/2018

F OT OGR A F Í A :

Estac Geo N°: EG1DATOS GENERALES

Ing. Danny Burbano

Si

GEOTECNIA - TUNEL AUTOPISTA - M ANUELITA SAENZ PROLONGACIÓN

Cocotog- Portal Norte

Ar

Ar

Ar

Ar

OR IEN T A C IÓN D E LA LA D ER A : 260/74


LEYEN D A

Crenulación

LIT

OLO

GÍA

(3

)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

TIP

O D

E P

LA

NO

(1

)

AZ

IMU

T D

E B

UZ

AM

IEN

TO

(º)

BU

ZA

MIE

NT

O (

º)

Muy b

landa

Bla

nda

Moder

Dura

Dura

Ar E

E

E

E

E

E

205

198

170

185

3

5

8

5

148

P R OYEC T O:














x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x xAr J 251 54

Ar J 235 54

Ar J 82 56

Ar J 78 58

Ar J 222 55

Ar J 246 68

Ar J 36 42

Ar J 15 74

Ar E 340 11

Ar E 345 10

Ar E 352 10

Ar E 12 8

Ar E 6 8

Ar E 5 4

Ar E 20 4

Ar E 26 4

Ar E 330 2

Ar E 25 8

Ar E 345 10

Ar E 340 12

Ar E 334 8

Ar E 351 5

Ar E 6 12

>0,5

Ar E 356 14

Pulida

< 0

,025

0,0

25-0

,05

0,0

5-0

,1

0,1

-0,2

5

0,2

5-0

,5

≥10 -

<100 c

m

≥1 m

Rugosa

Lis

a

Pulida

≥0,1

- <

0,2

5 m

m

≥0,2

5 -

<0,5

0 m

m

≥0,5

0-

<2,5

0 m

m

≥2,5

0 -

<

10 m

m

≥1 c

m

≥1 -

<10 c

m

< 1

≥1, <

3

≥3, <

10

≥10, <

20

≥20

< 0

,1 m

m

≥6000

< 1

≥1, <

3

≥3, <

10

≥10, <

20

≥20

< 2

0

≥20 -

<60

≥60 -

<200

≥200 -

<600

≥600 -

<2000

≥2000 -

<6000

Moderm

.Junta

s

Separa

das

Muy s

epara

das

Extr

m.S

epara

das

Bla

nda

Moder

Dura

Dura

Muy D

ura

Extr

em

Dura

Extr

em

junta

s.

0,2

5-1

,0

1,0

-5,0

5,0

-25

25-5

0

50-1

00

100-2

50

>250

Muy junta

s

Junta

s

Ríg

ida

Muy R

ígid

a

Dura

Baja

Baja

Media

Alta

Muy A

lta

Baja

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Hú

me

do

Go

tea

nd

o

Ag

ua

flu

ye

nd

o

Muy b

landa

Débil

Fir

me

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

zada

Suelo

resid

ual

Se

co

Lig

era

m h

úm

ed

o

Cavern

as

Escalonada

Esp

eso

r (m

m)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)

SEGÚN RUM BO SEGÚN BUZAM IENTO

Muy c

err

ada

Cerr

ada

Ondulada Plana

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Lis

a

Pulida

Rugosa

Lis

a

Parc

ialm

. A

bie

rta

Abie

rta

Modera

d. A

bie

rta

Ancha

Muy a

ncha

Extr

em

ancha

Media

Alta

Muy A

lta

Rugosa


LIT

OL

OG

ÍA

(3)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

TIP

O D

E P

LA

NO

(1

)

AZ

IMU

T D

E B

UZ

AM

IEN

TO

(º)

BU

ZA

MIE

NT

O (

º)

ESPACIADO (mm)

(ISRM , 1981)

HUM EDAD (%)

(Bieniawski, 1989)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

zada

Suelo

resid

ual

Extr

em

. B

landa

Muy b

landa

CONTINUIDAD (m)

(ISRM , 1981)

ABERTURA

(ISRM ; 1981)

RUGOSIDAD

(ISRM 1981)

Co

mp

osic

ión

(2

)

Crenulación


Foliación

Junt as

Fallas


LEYEN D A Ob.- Ligeramente humeda por la cercania de la qb. (Aguas Servidas).

-La arenisca



Est rat if icación

DATOS GENERALES Estac Geo N°:EG2



F EC H A : 07/09/2018

GEOTECNIA - TUNEL AUTOPISTA - M ANUELITA SAENZ PROLONGACIÓN

Cocotog- Portal Norte

Si

Ing. Danny Burbano



F OT OGR A F Í A :



149

P R OYEC T O:














x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

11

1To J 162 68 Cc

To J 265 63 Cc

To J 205 76 Cc

To E 15 6

To E 12 5

To E 358 12

To E 6 12

To E 8 2

To E 22 4

To E 31 2

To E 334 3

To E 26 10

To E 348 8

To E 342 14

>0,5

To E 336 10

Pulida

< 0

,025

0,0

25-0

,05

0,0

5-0

,1

0,1

-0,2

5

0,2

5-0

,5

≥10 -

<100 c

m

≥1 m

Rugosa

Lis

a

Pulida

≥0,1

- <

0,2

5 m

m

≥0,2

5 -

<0,5

0 m

m

≥0,5

0-

<2,5

0 m

m

≥2,5

0 -

<

10 m

m

≥1 c

m

≥1 -

<10 c

m

< 1

≥1, <

3

≥3, <

10

≥10, <

20

≥20

< 0

,1 m

m

≥6000

< 1

≥1, <

3

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10

≥10, <

20

≥20

< 2

0

≥20 -

<60

≥60 -

<200

≥200 -

<600

≥600 -

<2000

≥2000 -

<6000

Moderm

.Junta

s

Separa

das

Muy s

epara

das

Extr

m.S

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das

Bla

nda

Moder

Dura

Dura

Muy D

ura

Extr

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Dura

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junta

s.

0,2

5-1

,0

1,0

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5,0

-25

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0

50-1

00

100-2

50

>250

Muy junta

s

Junta

s

Ríg

ida

Muy R

ígid

a

Dura

Baja

Baja

Media

Alta

Muy A

lta

Baja

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Hú

me

do

Go

tea

nd

o

Ag

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yen

do

Muy b

landa

Débil

Fir

me

Mod. M

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ori

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Altam

ente

Mete

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Com

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Mete

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Suelo

resid

ual

Se

co

Lig

era

m h

úm

ed

o

Cavern

as

Escalonada

Esp

eso

r (m

m)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)


Muy c

err

ada

Cerr

ada

Ondulada Plana

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Lis

a

Pulida

Rugosa

Lis

a

Parc

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. A

bie

rta

Abie

rta

Modera

d. A

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rta

Ancha

Muy a

ncha

Extr

em

ancha

Media

Alta

Muy A

lta

Rugosa


LIT

OL

OG

ÍA (

3)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

TIP

O D

E P

LA

NO

(1)

AZ

IMU

T D

E B

UZ

AM

IEN

TO

(º)

BU

ZA

MIE

NT

O (º)

ESPACIADO (mm)

(ISRM , 1981)

HUM EDAD (%)

(Bieniawski, 1989)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

zada

Suelo

resid

ual

Extr

em

. B

landa

Muy b

landa

CONTINUIDAD (m)

(ISRM , 1981)

ABERTURA

(ISRM ; 1981)

RUGOSIDAD

(ISRM 1981)

Co

mp

osic

ión

(2)


Foliación

Junt as

Fallas


-La arenisca



Est rat if icación

Crenulación




F EC H A :



F OT OGR A F Í A :




150

P R OYEC T O:














x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

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x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x xC J 212 68 Cc 1

C J 178 67 Cc 1

1

C J 121 83 Cc 1

C J 89 74 Cc

C J 132 68 Cc

1

C J 211 62 Cc 1

C J 229 43 Cc 1

C J 214 68 Cc 1

C J 222 66 Cc 1

C J 153 51 Cc 1

C J 191 42 Cc 1

C E 25 44

C E 34 27

C E 25 21

C E 24 36

C E 34 42

C E 38 39

C E 28 45

≥0,1

- <

0,2

5 m

m

≥0,2

5 -

<0,5

0 m

m

≥0,5

0-

<2,5

0 m

m

≥2,5

0 -

<

10 m

m

≥1 c

m

C E 31 52

< 0

,1 m

m

≥6000

< 1

≥1, <

3

≥3, <

10

≥10, <

20

≥20 >

0,5

C E 35 46

Pulida

< 0

,025

0,0

25-0

,05

0,0

5-0

,1

0,1

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5

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≥10 -

<100 c

m

≥1 m

Rugosa

Lis

a

≥60 -

<200

≥200 -

<600

≥600 -

<2000

≥2000 -

<6000

Media

Alta

Muy A

lta

Separa

das

Muy s

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das

Extr

m.S

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Ríg

ida

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Fre

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Ancha

Muy a

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Extr

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ancha

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<10 c

m

Pulida

Rugosa

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)


Dura

Baja

Baja

Media

Alta

Muy A

lta

Baja

Baja

Hú

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Go

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o

Ag

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Mete

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Suelo

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ual

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m h

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ple

tam

ente

Mete

ori

zada

Suelo

resid

ual

Extr

em

. B

landa

Muy b

landa

CONTINUIDAD (m)

(ISRM , 1981)

ABERTURA

(ISRM ; 1981)

RUGOSIDAD

(ISRM 1981)

Co

mp

osic

ión

(2)

Esp

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r (m

m)

Escalonada Ondulada Plana

0,2

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>250

Muy junta

s

Junta

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Moderm

.Junta

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< 2

0

≥20 -

<60

Muy c

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ada

Cerr

ada


LIT

OL

OG

ÍA (

3)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

TIP

O D

E P

LA

NO

(1)

AZ

IMU

T D

E B

UZ

AM

IEN

TO

(º)

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ZA

MIE

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O (º)

ESPACIADO (mm)

(ISRM , 1981)

Bla

nda

Moder

Dura

Dura

Muy D

ura

Extr

em

Dura

Extr

em

junta

s.

HUM EDAD (%)

(Bieniawski, 1989)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada


Foliación

Junt as

Fallas


-La arenisca



Est rat if icación

Crenulación




F EC H A :



F OT OGR A F Í A :




151

P R OYEC T O:














x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x xC J 289 60 Cc 1

C J 124 53 Ox

0,1

C J 266 60 Cc 1

C J 83 43 Cc 1

C J 143 72 Ox

0,1

C J 64 64 Cc 1

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0,1

C J 354 74 Ox

0,1

C J 131 70 Cc 1

C J 72 72 Cc 1

C J 122 62 Cc 1

C J 126 73 Cc 1

C J 122 68 Cc 1

C E 15 9 Ox

0,1

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0,1

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0,1

C E 6 8 Ox

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0,1

Pulida

< 0

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,5

≥10 -

<100 c

m

≥1 m

Rugosa

Lis

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Pulida

≥0,1

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m

≥0,2

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m

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m

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m

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m

≥6000

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<600

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<6000

Moderm

.Junta

s

Separa

das

Muy s

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das

Extr

m.S

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Bla

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Moder

Dura

Dura

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Extr

em

Dura

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junta

s.

0,2

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-5,0

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>250

Muy junta

s

Junta

s

Ríg

ida

Muy R

ígid

a

Dura

Baja

Baja

Media

Alta

Muy A

lta

Baja

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Hú

me

do

Go

tea

nd

o

Ag

ua

flu

yen

do

Muy b

landa

Débil

Fir

me

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

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Suelo

resid

ual

Se

co

Lig

era

m h

úm

ed

o

Cavern

as

Escalonada

Esp

eso

r (m

m)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)


Muy c

err

ada

Cerr

ada

Ondulada Plana

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

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Lis

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Pulida

Rugosa

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Modera

d. A

bie

rta

Ancha

Muy a

ncha

Extr

em

ancha

Media

Alta

Muy A

lta

Rugosa


LIT

OL

OG

ÍA (

3)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

TIP

O D

E P

LA

NO

(1)

AZ

IMU

T D

E B

UZ

AM

IEN

TO

(º)

BU

ZA

MIE

NT

O (º)

ESPACIADO (mm)

(ISRM , 1981)

HUM EDAD (%)

(Bieniawski, 1989)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Mod. M

ete

ori

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Altam

ente

Mete

ori

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Com

ple

tam

ente

Mete

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Suelo

resid

ual

Extr

em

. B

landa

Muy b

landa

CONTINUIDAD (m)

(ISRM , 1981)

ABERTURA

(ISRM ; 1981)

RUGOSIDAD

(ISRM 1981)

Co

mp

osic

ión

(2)


Foliación

Junt as

Fallas


-La arenisca



Est rat if icación

Crenulación




F EC H A :



F OT OGR A F Í A :




152

P R OYEC T O:














x x x x x x x x x x x





x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x






x x x x x x x x x x xG J 78 48 Cc 2

G J 166 49 Cc 2

G J 164 52 Ox 2

G J 22 52 Cc 2

G J 102 52 Cc 2

G J 282 76 C 2

G E 211 12 C 2

G E 214 13 C 2

G E 212 14 C 2

G E 210 12 C 2

G E 210 10 Cc 2

G E 208 10 C 2

G E 204 12 C 2

G E 206 16 Cc 2

G E 212 14 C 2

>0,5

G E 214 14 C 2

Pulida

< 0

,025

0,0

25-0

,05

0,0

5-0

,1

0,1

-0,2

5

0,2

5-0

,5

≥10 -

<100 c

m

≥1 m

Rugosa

Lis

a

Pulida

≥0,1

- <

0,2

5 m

m

≥0,2

5 -

<0,5

0 m

m

≥0,5

0-

<2,5

0 m

m

≥2,5

0 -

<

10 m

m

≥1 c

m

≥1 -

<10 c

m

< 1

≥1, <

3

≥3, <

10

≥10, <

20

≥20

< 0

,1 m

m

≥6000

< 1

≥1, <

3

≥3, <

10

≥10, <

20

≥20

< 2

0

≥20 -

<60

≥60 -

<200

≥200 -

<600

≥600 -

<2000

≥2000 -

<6000

Moderm

.Junta

s

Separa

das

Muy s

epara

das

Extr

m.S

epara

das

Bla

nda

Moder

Dura

Dura

Muy D

ura

Extr

em

Dura

Extr

em

junta

s.

0,2

5-1

,0

1,0

-5,0

5,0

-25

25-5

0

50-1

00

100-2

50

>250

Muy junta

s

Junta

s

Ríg

ida

Muy R

ígid

a

Dura

Baja

Baja

Media

Alta

Muy A

lta

Baja

Baja

Húm

edo

Go

teando

Agu

a flu

yendo

Muy b

landa

Débil

Fir

me

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

zada

Suelo

resid

ual

Se

co

Lig

era

m h

úm

ed

o

Cavern

as

Escalonada

Espeso

r (m

m)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)


Muy c

err

ada

Cerr

ada

Ondulada Plana

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Lis

a

Pulida

Rugosa

Lis

a

Parc

ialm

. A

bie

rta

Abie

rta

Modera

d. A

bie

rta

Ancha

Muy a

ncha

Extr

em

ancha

Media

Alta

Muy A

lta

Rugosa


LIT

OLO

GÍA

(3)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

TIP

O D

E P

LA

NO

(1)

AZ

IMU

T D

E B

UZ

AM

IEN

TO

(º)

BU

ZA

MIE

NT

O (º)

ESPACIADO (mm)

(ISRM , 1981)

HUM EDAD (%)

(Bieniawski, 1989)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

zada

Suelo

resid

ual

Extr

em

. B

landa

Muy b

landa

CONTINUIDAD (m)

(ISRM , 1981)

ABERTURA

(ISRM ; 1981)

RUGOSIDAD

(ISRM 1981)

Co

mpo

sic

ión (

2)


Foliación

Junt as

Fallas


-La arenisca



Est rat if icación

Crenulación




F EC H A :



F OT OGR A F Í A :




154

P R OYEC T O:














x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x xAr J 74 69 S 3

Ar J 294 83 S 3

Ar J 40 48 S 3

Ar J 180 56 S 3

Ar J 105 62 S 3

Ar J 304 68 S 3

Ar J 311 71 S 3

Ar E 192 10 Cc 2

Ar E 203 5 Cc 2

Ar E 199 8 Ox 2

Ar E 210 10 Cc 2

Ar E 194 9 Cc 2

Ar E 18 4 Cc 2

Ar E 200 5 Cc 2

Ar E 195 8 Cc 2

Ar E 206 6 Cc 2

Ar E 197 5 Cc 2

Ar E 204 6 Cc 2

Ar E 194 7 Cc 2

Ar E 190 6 Cc 2

Ar E 185 11 Cc 2

Ar E 188 8 Cc 2

>0,5

Ar E 185 8 Cc 2

Pulida

< 0

,025

0,0

25-0

,05

0,0

5-0

,1

0,1

-0,2

5

0,2

5-0

,5

≥10 -

<100 c

m

≥1 m

Rugosa

Lis

a

Pulida

≥0,1

- <

0,2

5 m

m

≥0,2

5 -

<0,5

0 m

m

≥0,5

0-

<2,5

0 m

m

≥2,5

0 -

<

10 m

m

≥1 c

m

≥1 -

<10 c

m

< 1

≥1, <

3

≥3, <

10

≥10, <

20

≥20

< 0

,1 m

m

≥6000

< 1

≥1, <

3

≥3, <

10

≥10, <

20

≥20

< 2

0

≥20 -

<60

≥60 -

<200

≥200 -

<600

≥600 -

<2000

≥2000 -

<6000

Moderm

.Junta

s

Separa

das

Muy s

epara

das

Extr

m.S

epara

das

Bla

nda

Moder

Dura

Dura

Muy D

ura

Extr

em

Dura

Extr

em

junta

s.

0,2

5-1

,0

1,0

-5,0

5,0

-25

25-5

0

50-1

00

100-2

50

>250

Muy junta

s

Junta

s

Ríg

ida

Muy R

ígid

a

Dura

Baja

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Media

Alta

Muy A

lta

Baja

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Hú

me

do

Go

tea

nd

o

Ag

ua

flu

yen

do

Muy b

landa

Débil

Fir

me

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

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Suelo

resid

ual

Se

co

Lig

era

m h

úm

ed

o

Cavern

as

Escalonada

Esp

eso

r (m

m)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)


Muy c

err

ada

Cerr

ada

Ondulada Plana

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Lis

a

Pulida

Rugosa

Lis

a

Parc

ialm

. A

bie

rta

Abie

rta

Modera

d. A

bie

rta

Ancha

Muy a

ncha

Extr

em

ancha

Media

Alta

Muy A

lta

Rugosa


LIT

OL

OG

ÍA (

3)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

TIP

O D

E P

LA

NO

(1)

AZ

IMU

T D

E B

UZ

AM

IEN

TO

(º)

BU

ZA

MIE

NT

O (º)

ESPACIADO (mm)

(ISRM , 1981)

HUM EDAD (%)

(Bieniawski, 1989)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

zada

Suelo

resid

ual

Extr

em

. B

landa

Muy b

landa

CONTINUIDAD (m)

(ISRM , 1981)

ABERTURA

(ISRM ; 1981)

RUGOSIDAD

(ISRM 1981)

Co

mp

osic

ión

(2)


Foliación

Junt as

Fallas


-La arenisca



Est rat if icación

Crenulación




F EC H A :



F OT OGR A F Í A :




155

P R OYEC T O:














x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x xAr J 182 65 Cc 1

Ar J 230 80 Cc 1

Ar J 226 65 Cc 1

Ar J 220 70 Cc 1

Ar J 233 2 Cc 1

Ar J 225 68 Cc 1

Ar J 169 55 Cc 1

Ar J 185 61 Cc 1

Ar E 183 6

Ar E 195 6

Ar E 200 9

Ar E 178 6

Ar E 180 8

Ar E 195 8

>0,5

Ar E 210 6

Pulida

< 0

,025

0,0

25-0

,05

0,0

5-0

,1

0,1

-0,2

5

0,2

5-0

,5

≥10 -

<100 c

m

≥1 m

Rugosa

Lis

a

Pulida

≥0,1

- <

0,2

5 m

m

≥0,2

5 -

<0,5

0 m

m

≥0,5

0-

<2,5

0 m

m

≥2,5

0 -

<

10 m

m

≥1 c

m

≥1 -

<10 c

m

< 1

≥1, <

3

≥3, <

10

≥10, <

20

≥20

< 0

,1 m

m

≥6000

< 1

≥1, <

3

≥3, <

10

≥10, <

20

≥20

< 2

0

≥20 -

<60

≥60 -

<200

≥200 -

<600

≥600 -

<2000

≥2000 -

<6000

Moderm

.Junta

s

Separa

das

Muy s

epara

das

Extr

m.S

epara

das

Bla

nda

Moder

Dura

Dura

Muy D

ura

Extr

em

Dura

Extr

em

junta

s.

0,2

5-1

,0

1,0

-5,0

5,0

-25

25-5

0

50-1

00

100-2

50

>250

Muy junta

s

Junta

s

Ríg

ida

Muy R

ígid

a

Dura

Baja

Baja

Media

Alta

Muy A

lta

Baja

Baja

Húm

edo

Go

teando

Agua flu

yendo

Muy b

landa

Débil

Fir

me

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

zada

Suelo

resid

ual

Seco

Lig

era

m h

úm

ed

o

Cavern

as

Escalonada

Espeso

r (m

m)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)


Muy c

err

ada

Cerr

ada

Ondulada Plana

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Lis

a

Pulida

Rugosa

Lis

a

Parc

ialm

. A

bie

rta

Abie

rta

Modera

d. A

bie

rta

Ancha

Muy a

ncha

Extr

em

ancha

Media

Alta

Muy A

lta

Rugosa


LIT

OLO

GÍA

(3)

M ETEORIZACIÓN

(ISRM , 1981)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

TIP

O D

E P

LA

NO

(1)

AZ

IMU

T D

E B

UZ

AM

IEN

TO

(º)

BU

ZA

MIE

NT

O (º)

ESPACIADO (mm)

(ISRM , 1981)

HUM EDAD (%)

(Bieniawski, 1989)

RESISTENCIA (M pa)

(ISRM , 1981) (4)

Fre

sca

Lig

. M

ete

ori

zada

Mod. M

ete

ori

zada

Altam

ente

Mete

ori

zada

Com

ple

tam

ente

Mete

ori

zada

Suelo

resid

ual

Extr

em

. B

landa

Muy b

landa

CONTINUIDAD (m)

(ISRM , 1981)

ABERTURA

(ISRM ; 1981)

RUGOSIDAD

(ISRM 1981)

Co

mpo

sic

ión (

2)


Foliación

Junt as

Fallas


-La arenisca



Est rat if icación

Crenulación




F EC H A :



F OT OGR A F Í A :




156

ANEXO 5

Cálculo de Rock Mass Rating (RMR, 1989)

Portal Norte

Areniscas

157

Tobas

158

Portal sur

Areniscas

160

Brechas

162

ANEXO 6

Calificación del macizo rocoso mediante Rock Mass Rating (RMR, 1989)

Portal norte

Areniscas

E-1 E-2 D-1 D-2

4-2

100-50 5-1

7 1 2 2 2 2

50% - 75%

13 13 13 13 13

0.2 - 0.6 m

10 8 10 10 10

3-10 m

2 0 0 2 6

0.1-1.0 mm

3 1 5 0 0Ligeramente

rugosa

3 5 5 5 5

Duro (> 5 mm)

2 6 6 4 6

Moderadamente

a l terada

3 5 5 5 5

10-25 l i tros/min

0.1 - 0.2

Húmedo

7 10 10 10 10

E-1 E-2 D-1 D-2

50 56 51 57

50

E-1 E-2 D-1 D-2

-10 0 -5 -5

-7 -7 -7 -7

-60 -60 -60 -60

Buz 45º-90º

Muy desfavorable

E-1 E-2 D-1 D-2

40 56 46 52

40

V Muy mala <20 <1 kg/cm2 <15°

III Media 60-41 2-3 kg/cm2 25°-35°

IV Mala 40-21 1-2 kg/cm2 15°-25°

I Muy buena 100-81 >4 kg/cm2 >45°

II Buena 80-61 3-4 kg/cm2 35°-45°

RMR :

IV-MALA

Clase Calidad Valoración RMR CohesiónÁngulo de

rozamiento

Puntuación 100 - 81 80 – 61 60 – 41 40 – 21 < 20

Calidad Muy buena Buena Media Mala Muy mala

Desfavorable

Clasificación del macizo rocoso según RMR CALIFICACIÓN RMR

Clase I II III IV V

Buz 20º-45º

Muy Favorables Favorables Media Desfavorable Media

Orientación de las DiaclasasDirección perpendicular al eje del túnel

Dirección paralela al eje del túnel Buzamiento 0º-20º

cualquier direcciónExcavación con buzamiento Excavación contra buzamiento

Buz 45º-90º Buz 20º-45º Buz 45º-90º Buz 20º-45º

Taludes 0 -5 -25 -50 -60

Cimentaciones 0 -2 -7 -15 -25

Muy desfavorables

Túneles 0 -2 -5 -10 -12

RMR básico:

III-MEDIA

Corrección por la Orientación de las Diaclasas CORRECIÓN Dirección y Buzamiento Muy Favorables Favorables Medias Desfavorables

Puntuación 100 - 81 80 – 61 60 – 41 40 – 21 < 20

0

25-125 l i tros/min > 125 l i tros/min

CalidadMuy buena Buena Media Mala Muy mala

Clasificación del macizo rocoso según RMR CALIFICACIÓN RMR Bàsico

Clase I II III IV V

Agua freáticaRelación:

Pres ión de

agua/Tens ión

0 0.0 - 0.1 0.2 - 0.5 > 0.5

Estado

genera lSeco

Puntuación 6 5 1 0

Ligeramente

húmedoGoteando Agua fluyendo

5Agua freática

Caudal por 10

m de túnelNulo < 10 l i tros/min

Alteración Ina l teradaLigeramente

a l teradaMuy a l terada

Puntuación 15 10 4

Abertura (mm)

Puntuación 6 5 1 0

Descompuesta Alteración

Relleno (mm)

Puntuación 6 4 2 0

Puntuación 6 5 1 0

Relleno Ninguno Duro (<5 mm) Blando (<5 mm) Blando (>5 mm)

>20 m Continuidad (m)Puntuación 6 4 1 0

4

Esta

do

de

las

dia

cla

sas

Continuidad < 1 m 1-3 m 10-20 m

Abertura Nula < 0.1 mm 1-5 mm

Rugosidad Muy rugosa Rugosa Ondulada Suave Rugosidad

>5 mm

Separación entre diaclasas (m)Puntuación 20 15 8 5

3Separación entre diaclasas > 2 m 0.6 - 2 m 0.06 - 0.2 m < 0.06 m

RQDPuntuación 20 17 6 3

2RQD 90% - 100% 75% - 90% 25% - 50% < 25%

Clasificación geomecánica RMR (Bieniawski, 1989) CALIFICACIÓN

Parámetros de clasificación

1

Resistencia

de la matriz

rocosa (MPa)

Ensayo de

carga puntual> 10 10-4 2-1


Compres ión

s imple (MPa) Resistencia

de la matriz rocosa (MPa)Compresión

simple> 250 250-100 50-25 25-5 < 1

163

Tobas

E-1 E-2 D-1 D-2

4-2

100-50 5-1

7 1 2 2 2 2

50% - 75%

13 13 13 13 13

0.2 - 0.6 m

10 8 15 10 10

3-10 m

2 0 0 4 2

0.1-1.0 mm

3 5 5 0 0Ligeramente

rugosa

3 5 5 5 5

Duro (> 5 mm)

2 6 6 4 4

Moderadamente

a l terada

3 5 5 5 5

10-25 l i tros/min

0.1 - 0.2

Húmedo

7 10 10 10 10

E-1 E-2 D-1 D-2

54 61 53 51

51

E-1 E-2 D-1 D-2

-10 0 -5 -5

-7 -7 -7 -7

-60 -60 -60 -60

Buz 45º-90º

Muy desfavorable

E-1 E-2 D-1 D-2

44 61 48 46

44



1

Resistencia

de la matriz

rocosa (MPa)

Ensayo de



Compres ión



simple> 250 250-100 50-25 25-5 < 1


2RQD 90% - 100% 75% - 90% 25% - 50% < 25%




4

Esta

do

de

las

dia

cla

sas




>5 mm Abertura (mm)

Puntuación 6 5 1 0


Relleno (mm)

Puntuación 6 4 2 0

Puntuación 6 5 1 0


5Agua freática

Caudal por 10




Puntuación 15 10 4

> 0.5

Estado

genera lSeco

Puntuación 6 5 1 0

Ligeramente


0




Clase I II III IV V


Pres ión de

agua/Tens ión

0 0.0 - 0.1 0.2 - 0.5

Túneles 0 -2 -5 -10 -12

RMR básico:

III-MEDIA

Corrección por la Orientación de las Diaclasas CORRECIÓN Dirección y Buzamiento Muy Favorables Favorables Medias Desfavorables Muy desfavorables

Puntuación 100 - 81 80 – 61 60 – 41 40 – 21 < 20

Taludes 0 -5 -25 -50 -60






CALIFICACIÓN RMR

Clase I II III IV V

Buz 20º-45º



Desfavorable

Clasificación del macizo rocoso según RMR

RMR :

III-MEDIA


rozamiento

Puntuación 100 - 81 80 – 61 60 – 41 40 – 21 < 20

I Muy buena 100-81 >4 kg/cm2 >45°

II Buena 80-61 3-4 kg/cm2 35°-45°


III Media 60-41 2-3 kg/cm2 25°-35°

IV Mala 40-21 1-2 kg/cm2 15°-25°

164

Portal sur

Areniscas

E1 D-1 D-2

4-2

100-50 5-1

7 1 2 2 2

50% - 75%

13 10 10 10

0.2 - 0.6 m

10 8 10 10

3-10 m

2 0 4 4

0.1-1.0 mm

3 5 0 0Ligeramente

rugosa

3 5 5 5

Duro (> 5 mm)

2 4 4 4

Moderadamente

a l terada

3 5 5 5

10-25 l i tros/min

0.1 - 0.2

Húmedo

7 10 10 10

E1 D-1 D-2

49 50 50 0

49

E1 D-1 D-2

-10 0 -5

-7 -7 -7

-60 -60 -60

Buz 45º-90º

Muy desfavorable

E1 D-1 D-2

39 50 45

39



1

Resistencia

de la matriz

rocosa (MPa)

Ensayo de



Compres ión



simple> 250 250-100 50-25 25-5 < 1


2RQD 90% - 100% 75% - 90% 25% - 50% < 25%




4

Esta

do d

e la

s di

acla

sas




>5 mm Abertura (mm)

Puntuación 6 5 1 0


Relleno (mm)

Puntuación 6 4 2 0

Puntuación 6 5 1 0


5Agua freática

Caudal por 10




Puntuación 15 10 4

> 0.5

Estado

genera lSeco

Puntuación 6 5 1 0

Ligeramente


0




Clase I II III IV V


Pres ión de

agua/Tens ión

0 0.0 - 0.1 0.2 - 0.5

Túneles 0 -2 -5 -10 -12

RMR básico:

III-MEDIA


Puntuación 100 - 81 80 – 61 60 – 41 40 – 21 < 20

Taludes 0 -5 -25 -50 -60






CALIFICACIÓN RMR

Clase I II III IV V

Buz 20º-45º



Desfavorable


RMR :

IV-MALA


rozamiento

Puntuación 100 - 81 80 – 61 60 – 41 40 – 21 < 20

I Muy buena 100-81 >4 kg/cm2 >45°

II Buena 80-61 3-4 kg/cm2 35°-45°


III Media 60-41 2-3 kg/cm2 25°-35°

IV Mala 40-21 1-2 kg/cm2 15°-25°

165

Brechas

E1 D-1

4-2

100-50 5-1

7 1 7 7

50% - 75%

13 17 17

0.2 - 0.6 m

10 15 10

3-10 m

2 0 4

0.1-1.0 mm

3 0 0Ligeramente

rugosa

3 5 5

Duro (> 5 mm)

2 4 4

Moderadamente

a l terada

3 5 5

10-25 l i tros/min

0.1 - 0.2

Húmedo

7 10 10

E1 D-1

63 62

RMR básico: 62

E1 D-1

-10 0

-7 -7

-60 -60

Buz 45º-90º

Muy desfavorable

E1 D-1

53 62

RMR : 53



1

Resistencia

de la matriz

rocosa (MPa)

Ensayo de



Compres ión



simple> 250 250-100 50-25 25-5 < 1


2RQD 90% - 100% 75% - 90% 25% - 50% < 25%




4

Esta

do

de

las

dia

cla

sas




>5 mm Abertura (mm)

Puntuación 6 5 1 0


Relleno (mm)

Puntuación 6 4 2 0

Puntuación 6 5 1 0


5Agua freática

Caudal por 10




Puntuación 15 10 4

> 0.5

Estado

genera lSeco

Puntuación 6 5 1 0

Ligeramente


0




Clase I II III IV V


Pres ión de

agua/Tens ión

0 0.0 - 0.1 0.2 - 0.5

Túneles 0 -2 -5 -10 -12


Puntuación 100 - 81 80 – 61 60 – 41 40 – 21 < 20

II-BUENA

Taludes 0 -5 -25 -50 -60






CALIFICACIÓN RMR

Clase I II III IV V

Buz 20º-45º



Desfavorable


III-MEDIA


rozamiento

Puntuación 100 - 81 80 – 61 60 – 41 40 – 21 < 20

I Muy buena 100-81 >4 kg/cm2 >45°

II Buena 80-61 3-4 kg/cm2 35°-45°


III Media 60-41 2-3 kg/cm2 25°-35°

IV Mala 40-21 1-2 kg/cm2 15°-25°

166

ANEXO 7

Parámetros resistentes de la estratificación (Ángulo de fricción y Cohesión)

Unidad Ceniza

Barton-Bandis Criterion

basic friction angle 30 degrees

joint roughness

coefficient 1

joint compressive

strength 0.038 MPa


Application Tunnels

signmax 1.1258 MPa


Tunnel Depth 94 m

Mohr-Coulomb Fit

c 0.00371173 MPa

phi 28.4547 degrees

Unidad Arcilla



joint roughness coefficient 1

joint compressive strength 0.075 MPa


Application Tunnels

signmax 1.04441 MPa


Tunnel Depth 94 m

Mohr-Coulomb Fit

c 0.00308001 MPa

phi 21.7829 degrees

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 0,5 1 1,5

She

ar s

tre

ss (

MP

a)

Normal stress (MPa)


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 0,5 1 1,5

She

ar s

tre

ss (

MP

a)

Normal stress (MPa)


167

Unidad Toba



joint roughness coefficient 1

joint compressive strength 0.625 MPa


Application Tunnels

signmax 0.928825 MPa


Tunnel Depth 94 m

Mohr-Coulomb Fit

c 0.00247639 MPa

phi 12.755 degrees

Unidad Lapilli



joint roughness

coefficient 5

joint compressive

strength 0.075 MPa


Application Tunnels

signmax 1.16503 MPa


Tunnel Depth 94 m

Mohr-Coulomb Fit

c 0.0204298 MPa

phi 29.6476 degrees

Unidad Arena volcánica

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

She

ar s

tre

ss (

MP

a)

Normal stress (MPa)


0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 0,5 1 1,5

She

ar s

tre

ss (

MP

a)

Normal stress (MPa)


168

Barton-Bandis

Criterion


joint roughness

coefficient 3

joint compressive

strength 0.038 MPa


Application Tunnels

signmax 1.12374 MPa


Tunnel Depth 94 m

Mohr-Coulomb Fit

c 0.0110724 MPa

phi 27.3595 degrees

Unidad Arenisca



joint roughness

coefficient 5

joint compressive

strength 15 MPa


Application Tunnels

signmax 1.26928 MPa


Tunnel Depth 94 m

Mohr-Coulomb Fit

c 0.0275202 MPa

phi 37.9537 degrees

Unidad Conglomerados

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 0,5 1 1,5

She

ar s

tre

ss (

MP

a)

Normal stress (MPa)


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,5 1 1,5

She

ar s

tre

ss (

MP

a)

Normal stress (MPa)


169



joint roughness

coefficient 5

joint compressive

strength 0.5 MPa


Application Tunnels

signmax 1.21613 MPa


Tunnel Depth 94 m

Mohr-Coulomb Fit

c 0.0234424 MPa

phi 33.6681 degrees

Unidad Brechas



joint roughness

coefficient 5

joint compressive

strength 15 MPa


Application Tunnels

signmax 1.30489 MPa


Tunnel Depth 94 m

Mohr-Coulomb Fit

c 0.0310057 MPa

phi 40.8882 degrees

Unidad Coluvial

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,5 1 1,5

She

ar s

tre

ss (

MP

a)

Normal stress (MPa)


0

0,5

1

1,5

0 0,5 1 1,5

She

ar s

tre

ss (

MP

a)

Normal stress (MPa)


170



joint roughness

coefficient 5

joint compressive

strength 0.625 MPa


Application Tunnels

signmax 1.09653 MPa


Tunnel Depth 94 m

Mohr-Coulomb Fit

c 0.0173446 MPa

phi 24.3901 degrees

ANEXO 8

Esterodiagramas portal norte

Orientación de las discontinuidades en areniscas

Portal Norte

Plano Azimut BZ/Bz Rumbo/Bz

E1 209º/07º N61ºW/07ºSW

E2 002º/09º N88ºW/09ºN

D1 242º/62º N28ºW/62ºSW

D2 82º/63º N08ºW/63ºNE

Número Polos: 54

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 0,5 1 1,5

She

ar s

tre

ss (

MP

a)

Normal stress (MPa)


171

Orientación de las discontinuidades en tobas

Portal Norte


E1 003º/07º N87ºW/07ºN

E2 031º/39º N59ºW/39ºNE

D1 130º/68º N40ºE/68ºSE

D2 213º/68º N57ºW/68ºSW

Número Polos: 53

Orientación de las discontinuidades en areniscas

Portal Sur


E1 194º/07º N76ºW/07ºSW

D1 179º/59º N89ºE/59ºS

D2 227º/73º N43ºW/73ºSW

Número Polos: 38

Orientación de las discontinuidades en brechas

Portal Sur


E1 210º/13º N60ºW/13ºSW

D1 165º/50º N75ºE/50ºSE

Número Polos: 16

172

Orientación de las discontinuidades en

areniscas


E1 198º/07º N72ºW/07ºSW

E2 360/08º N90ºE/08ºN

D1 235/66º N35ºW/66ºSW

D2 078º/61º N12ºW/61NE

D3 179º/59º N89ºE/59ºS

D4 307º/75º N37ºE/75ºNW

Número Polos: 117

173

ANEXO 9

GSI Estación 1

174

GSI Estación 2

175

GSI Estación 3

176

GSI Estación 4

177

GSI Estación 5

178

ANEXO 10

Ensayos de laboratorio

ENSAYO TRIAXIAL NO CONSOLIDADO NO DRENADO

PROYECTO : Tunel "Manuelita Saenz" MUESTRA No.: U-1

OBRA : PROFUND. :

UBICACION : Cocotog FECHA : ENERO 2020

No s desv. s 3 s 1 (s1-s3)/2 (s1+s3)/2

Kg/cm^2 Kg/cm^2 Kg/cm^2 Kg/cm^2 Kg/cm^2

1 10.49 0.50 10.99 5.25 5.75

2 12.79 1.00 13.79 6.39 7.39

3 16.64 2.00 18.64 8.32 10.32

0.015

0.03

0.045

0.06

0.075

0.09

0.105

0.12

0.135

0.15

0.165

0.18

0.195

0.21

0.225

0.24

COHESION (kg/cm^2) 1.9

FRICCION (GRADOS) 42

DATOS DE ENSAYO PROBETA PROBETA PROBETA

No. 1 No. 2 No. 3

DIAMETRO MEDIO ( cm ) 3.64 3.64 3.64

ALTURA MEDIA ( cm ) 7.5 7.5 7.52

HUMEDAD FINAL ( % ) 18.92 19.01 19.59

DENSIDAD HUMEDA ( gr/cm^3 ) 1.686 1.704 1.712

DENSIDAD SECA ( gr/cm^3 ) 1.418 1.432 1.431

(NORMA ASTM: D 2850)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

ES

FU

ER

ZO

T

AN

GEN

CIA

L (

Kg

/cm

^2)

ESFUERZO NORMAL (Kg/cm^2)

CIRCULOS DE MOHR

180


OBRA : PROFUND. :


RESISTENCIA AL CORTE

Ds 3.61 Peso inicial 131.34

Dc 3.64 Vol. inicial 77.90

Di 3.65 d m. inicial 1.686 Cnte.anillo Kg 0.3318

Dm 3.64 d d . inicial 1.418

Am 10.39

Hm 7.5 Presión lateral 0.5 Kg/cm 2̂

DEFORMACION DIAL DE CARGA CARGA DEFOR. UNITARIA ESFUER.DESV.

pulg x 10 ̂-3 pulg x 10 ̂-4 Kg % Kg/cm 2̂

0 0 0.00 0.00 0.00

5 4 1.33 0.17 0.13

10 10 3.32 0.34 0.32

20 40 13.27 0.68 1.27

30 81 26.88 1.02 2.56

40 123 40.81 1.35 3.88

50 167 55.41 1.69 5.24

60 218 72.33 2.03 6.82

70 257 85.27 2.37 8.01

80 290 96.22 2.71 9.01

90 324 107.50 3.05 10.03

100 340 112.81 3.39 10.49

120 220 73.00 4.06 6.74

CONTENIDO DE HUMEDAD GRAFICO DE LA

CAPSULA No. 337 MUES. ENSAYADA

P. CAP.+ S HUM 54.85

P.CAP + S.SECO 48.69

P. CAPSULA 16.14

HUMEDAD % 18.92

181


OBRA : PROFUND. :







Am 10.38

Hm 7.50 Presión lateral 1.0 Kg/cm 2̂



0 0 0.00 0.00 0.00

5 7 2.32 0.17 0.22

10 15 4.98 0.34 0.48

20 59 19.58 0.68 1.87

30 104 34.51 1.02 3.29

40 141 46.78 1.35 4.45

50 194 64.37 1.69 6.10

60 252 83.61 2.03 7.89

70 300 99.54 2.37 9.36

80 348 115.47 2.71 10.82

90 390 129.40 3.05 12.09

100 414 137.37 3.39 12.79

120 200 66.36 4.06 6.13





P. CAPSULA 16.48

HUMEDAD % 19.01

182


OBRA : PROFUND. :







Am 10.43

Hm 7.52 Presión lateral 2 Kg/cm 2̂



0 0 0.00 0.00 0.00

5 10 3.32 0.17 0.32

10 29 9.62 0.34 0.92

20 75 24.89 0.68 2.37

30 121 40.15 1.01 3.81

40 159 52.76 1.35 4.99

50 210 69.68 1.69 6.57

60 264 87.60 2.03 8.23

70 315 104.52 2.36 9.79

80 366 121.44 2.70 11.33

90 420 139.36 3.04 12.96

100 473 156.94 3.38 14.55

120 545 180.83 4.05 16.64

140 200 66.36 4.73 6.06





P. CAPSULA 15.94

HUMEDAD % 19.59

183


OBRA : PROFUND. :


0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00

ES

FU

ER

ZO

D

ES

VIA

DO

R

(K

g/c

m^ 2

)

DEFORMACION UNITARIA (%)

CURVAS ESFUERZO DEFORMACION

0.5 Kg/cm^2 1.0 Kg/cm^2 2.0 Kg/cm^2

184

ENSAYO CORTE DIRECTO

PROYECTO :TÚNEL DE LA AUTOPISTA MAUELITA SAENZPOZO :

OBRA : MUESTRA No.:

UBICACION : COCOTOG PROFUND. :

UTM : FECHA : ENERO 2020

OBSERVACIÓN: MUESTRA REMOLDEADA

No PRESION s gm HUMEDAD gd

Kg/cm^2 Kg/cm^3 % Kg/cm^3

1 0.50 1.756 7.23 1.638

2 1.00 1.774 7.04 1.657

3 2.00 1.769 6.73 1.658

COHESION (kg/cm^2) 0.7

FRICCION (GRADOS) 43

(NORMA ASTM D 3080-04)

TENSION t

Kg/cm^2

0.63

1.53

3.17

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

TEN

SIO

NES

D

E C

OR

TE t( K

g/c

m^2)

PRESIONES s (Kg/cm^2)

185


OBRA : MUESTRA No.:


FECHA : ENERO 2020

PRESION Kg/cm 2̂ 0.5

DEFORMACIONES LECTURA A cor t0.01 mm Kg cm 2̂ Kg/cm 2̂ DIAMETRO mm 49.6

0 0.00 1.64 19.47 0.08 DIAMETRO mm 49.8

5 0.05 4.19 19.44 0.22 DIAMETRO mm 49.9

10 0.10 5.90 19.42 0.30 DIAMETRO MEDIO 49.7833333

20 0.20 8.11 19.37 0.42 AREA cm^2 19.46

30 0.30 9.31 19.32 0.48 PROFUN. D cm 4.32

40 0.40 10.16 19.27 0.53

50 0.50 11.02 19.22 0.57

60 0.60 11.53 19.17 0.60

70 0.70 11.70 19.12 0.61 VOLUMEN cm 3̂ 84.05

80 0.80 11.70 19.07 0.61 PESO I. gr 3793

90 0.90 11.87 19.02 0.62 PESO F. gr 3645.4

100 1.00 11.87 18.97 0.63 PESO SUELO gr 147.6

110 1.10 11.70 18.92 0.62 g mKg/cm 3̂ 1.756

120 1.20 11.02 18.87 0.58 gd Kg/cm 3̂ 1.638

130 1.30 10.34 18.82 0.55

140 1.40 10.16 18.77 0.54

P.S.HUMED gr 43.46

P.S. SECO gr 41.64

P.RECIP.gr 16.47

HUMEDAD% 7.23

ENSAYO CORTE DIRECTO(DATOS Y RESULTADOS DEL ENSAYO)

DATOS DEL EQUIPO

DATOS DE LA MUESTRA

HUMEDAD

186


OBRA : MUESTRA No.:


FECHA : ENERO 2020


LECTURA A cor t10 -̂3 PULG mm cm 2̂ Kg/cm 2̂ DIAMETRO cm 49.6

0 0.00 1.64 19.47 0.08 DIAMETRO cm 49.8

5 0.05 5.90 19.44 0.30 DIAMETRO cm 49.9

10 0.10 8.46 19.42 0.44 DIAMETRO MEDIO 49.7833333

20 0.20 14.96 19.37 0.77 AREA cm^2 19.46

30 0.30 18.73 19.32 0.97 PROFUN. D cm 4.32

40 0.40 21.31 19.27 1.11

50 0.50 23.90 19.22 1.24

60 0.60 26.49 19.17 1.38

70 0.70 27.70 19.12 1.45 VOLUMEN cm 3̂ 84.05

80 0.80 28.73 19.07 1.51 PESO I. gr 3794.5

90 0.90 29.08 19.02 1.53 PESO F. gr 3645.4

100 1.00 29.08 18.97 1.53 PESO SUELO gr 149.1

110 1.10 27.35 18.92 1.45 g mKg/cm 3̂ 1.774

120 1.20 25.62 18.87 1.36 gd Kg/cm 3̂ 1.657

P.S.HUMED gr 36.34

P.S. SECO gr 34.96

P.RECIP.gr 15.37

HUMEDAD% 7.04


DEFORMACIONES DATOS DEL EQUIPO

DATOS DE LA MUESTRA

HUMEDAD

187


OBRA : MUESTRA No.:



LECTURA A cor t10 -̂3 PULG mm cm 2̂ Kg/cm 2̂ DIAMETRO cm 49.6

0 0.00 1.64 19.47 0.08 DIAMETRO cm 49.8

5 0.05 5.05 19.44 0.26 DIAMETRO cm 49.9

10 0.10 11.02 19.42 0.57 DIAMETRO MEDIO 49.7833333

20 0.20 22.18 19.37 1.15 AREA cm^2 19.46

30 0.30 26.49 19.32 1.37 PROFUN. D cm 4.32

40 0.40 30.81 19.27 1.60

50 0.50 36.88 19.22 1.92

60 0.60 41.22 19.17 2.15

70 0.70 46.45 19.12 2.43 VOLUMEN cm 3̂ 84.05

80 0.80 48.20 19.07 2.53 PESO I. gr 3794.1

90 0.90 53.44 19.02 2.81 PESO F. gr 3645.4

100 1.00 56.07 18.97 2.96 PESO SUELO gr 148.7

110 1.10 56.07 18.92 2.96 g mKg/cm 3̂ 1.769

120 1.20 59.58 18.87 3.16 gd Kg/cm 3̂ 1.658

130 1.30 59.58 18.82 3.17

140 1.40 48.20 18.77 2.57

P.S.HUMED gr 46.27

P.S. SECO gr 44.41

P.RECIP.gr 16.77

HUMEDAD% 6.73

HUMEDAD


DEFORMACIONES DATOS DEL EQUIPO

DATOS DE LA MUESTRA

188


OBRA : MUESTRA No.:


ENSAYO CORTE DIRECTOCURVAS DEFORMACION - ESFUERZO

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60

ES

FU

ER

ZO

S t

(Kg/c

m^2

)

DEFORMACIONES (mm)

0.50 Kg/cm^2 1.00 Kg/cm^2 2.0 kg/cm^2

189

DENSIDAD DE LA MASA METODO DE LA PARAFINA

PROYECTO : TUNEL AUTOPISTA MANUELITA SÁENZ PERFORACION :

OBRA : MUESTRA No : ARENISCA

UBICACIÓN : PROFUNDIDAD :

FECHA : ENERO 2020 CALCULADO POR : ING. B.ALVAREZ

MUESTRA No. 1 2 3

PESO MUESTRA NATURAL 64.61 30.17 40.63

PESO MUESTRA+PARAFINA 71.74 34.38 49.82

PESO MUESTRA SUMERGIDA 27.51 12.54 16.6

PESO PARAFINA 7.13 4.21 9.19

VOLUMEN DE LA MUESTRA 7.98 4.71 10.28

DENSIDAD DE LA MASA(T/ m^3) 1.78 1.76 1.77

DENSIDAD NATURAL (T / m^3)

DENSIDAD SECA (T / m^3)

NORMA P.CAP. P.CAP. P.CAP HUMEDAD HUMEDAD

ASTM S. HUM. S. SECO PROMEDIO

(g) (g) (g) (%) (%)

HUMEDAD D 2216-05 54.20 51.77 15.01 6.61

NATURAL 51.79 49.38 17.11 7.47 7.04

NORMA ASTM D 4531

1.771

1.655

190

ANEXO 11

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA EN …

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