Proyecto y construccion de tuneles 2007 2008-geomec latina

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  • 1. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILECOLEGIO DE INGENIEROS DEL PERÚCONSEJO DEPARTAMENTAL DE LIMACAPÍTULO DE INGENIERÍA DE MINASCAPMINCentro de Actualización Profesional en MineríaCurso"Proyecto y Construcción de Túneles”26, 27 y 28de Octubre de 2007ExpositorIng.MSc. Gaither de la Sota PérezOCTUBRE, 2007
  • 2. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILECONTENIDO1. FILOSOFIA DEL METODO AUSTRIACO DE TUNELERÍA.DESARROLLO HISTÓRICOPRINCIPIOS2. APLICACIONES PRÁCTICASEL TÚNEL TAUERN (AUSTRIA)3. ESTABLECIMIENTO DE UN PROGRAMA GEOTECNICOCONDUNCCENTE A SU APLICACIÓN.4.- BIBLIOGRAFIA
  • 3. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILE“EL NUEVO MÉTODO AUSTRIACO DE TUNELERÍA –NATM”Por: Gaither De la Sota P.1.- FILOSOFIA DEL METODO AUSTRIACO DE TUNELERIA.1.1. DESARROLLO HISTÓRICOEl nuevo método Austriaco de tunelería (NATM) es el resultado de un desarrollocontinuo y prolongado cuyos comienzos se remontan a los años 20.Se origina a partir de las observaciones del comportamiento del revestimiento delos túneles y del conjunto de rocas circundantes, es decir, en base a laexperiencia practica.Las consideraciones teóricas tuvieron lugar mas adelante y su finalidad fue laformulación de las bases analíticas a fin de poder verificar y explicar lasobservaciones del terreno. Los métodos tradicionales de construccióncomúnmente usados en un principio se originaron a partir de la experienciaobtenida en minería y se basaban en el principio que el conjunto de rocas siempredebe ser considerado como una carga pasiva que actúa sobre el sostenimiento;los sistemas de excavación y los trabajos de sostenimiento que prevalecían enese entonces, el uso de madera, cerchas de acero, juntamente con el grannúmero de etapas de excavación, parecen justificar este concepto, porque estossistemas de estabilización son propensos a producir el aflojamiento del conjuntode rocas. Esta teoría aún se utiliza en muchos casos a pesar de que es obsoleta yno permite comprender claramente los verdaderos procesos mecánicos quesufren las rocas alrededor de una cavidad.Sin embargo, en las primeras épocas también existieron conceptos acertados,tales como la determinación de la relación entre la presión ejercida por la roca y ladeformación de las sostenimientos de madera, lo que dio lugar al comienzo delNATM. La presión activa de la roca siempre ésta relacionada con lasdeformaciones permitidas en la cavidad. El principio fundamental del NATMpuede explicarse como el concepto de transformar a las rocas que rodean el perfilde un túnel, de un elemento que ejerce carga a un elemento capaz de resistircarga (arco de sustentación).Mediante elementos de sostenimiento tales como concreto lanzado y pernos deroca, y adoptando la secuencia de excavación y los procedimiento desostenimiento correctos, podrá lograrse la acción conjugada entre el revestimientodel túnel y la masa rocosa.El NATM fue desarrollado en Austria entre 1957 y 1965, y se llamo así paradistinguirlo del método tradicional. Sus principios fueron elaborados por LadislausVon Rabcewicz, Leopold Muller y Franz Pacher.La palabra “método” en la traducción al inglés ha conducido a confusiones. Elhecho es que el NATM es una filosofía o concepción de diseño del sostenimientoy no un método de construcción o algún tipo particular de sostenimiento.Sugiere la adopción de determinados principios en la secuencia de trabajo queconcierne a la excavación y el sostenimiento, para que la masa rocosa que rodea
  • 4. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILEla cavidad se convierta en el principal elemento de sostenimiento en la estructurade un túnel.Durante la construcción del túnel Transiraní, Rabcewicz observó síntomas depresión ejercida por las rocas, además de aquellas causadas por el aflojamientode las mismas, tales como fuertes presiones laterales que ocasionaban fallas porcorte en los revestimientos del concreto. Esta observación lo llevo a la importanteconclusión de que los revestimientos en los túneles no fallan por flexión sino acausa de esfuerzos cortantes excesivos, una afirmación comprobada por losexperimentos de Mohr llevados a cabo en modelos a escala.Rabcewicz usó el principio de diseñar dos sostenimientos durante la construccióndel túnel Loibl entre 1942-45 consideraba que un sostenimiento inicial delgado deconcreto podía, después de cierto tiempo, establecer un estado de equilibrio quese determinaría verificando el proceso de deformación. Solamente una vez que sehubieron detenido los movimientos era posible colocar el sostenimiento final.En su solicitud de patente, Rabcewicz declaró que bajo determinadascircunstancias, el sostenimiento inicial podría ser suficiente siendo en este caso eldefinitivo. De esta manera, se establecieron los principios para la NATM, que sebasa en un sostenimiento semi-rígido que actúa en la primera etapa y creo unnuevo equilibrio. El sostenimiento posterior aumenta el factor de seguridad deacuerdo con el diseño, pero no será absolutamente necesario en todos los casos.En la práctica, el principio de sostener las excavaciones eficazmente, permitiendoal mismo tiempo las deformaciones, es posible mediante la aplicación de concretolanzado y pernos de roca.Después de la segunda Guerra Mundial, ALIVA, una compañía Suiza, desarrollóun equipo para concreto lanzado, Muller en particular, enfatizó la funciónmecánica que cumple en las rocas un sostenimiento delgado de concretolanzado; sella de inmediato las grietas y fisuras, y evita que la rocas sedesintegren.Durante la construcción de los túneles Schwaikheim y Massenberg en Austria sereconoció la importancia que tiene el tiempo en su relación con el establecimientode un nuevo equilibrio desde el momento de la excavación hasta la culminacióntotal del sostenimiento. Este factor es importante para la construcción desubterráneo en zonas urbanas, donde los asentamientos deben ser mínimos.Durante la construcción de subterráneos en Frankfurt (Alemania) la culminaciónde sostenimiento se llevó a cabo luego de 12 horas de excavado el tramo, lo cualtuvo un efecto muy favorable sobre asentamientos observados a nivel del terreno.Los elementos principales de sostenimiento en la aplicación del NATM son elconcreto lanzado y los pernos de roca; la adhesión del concreto lanzado a lamayoría de los tipos de roca es muy grande, una capa delgada del mismo actúacomo material de encastre y esfuerzo para la superficie de propiedades físicasmenores. Los pernos de anclaje aplicados en rocas extremadamente trituradas oexpansivas resulta un medio ideal de estabilización debido a su capacidad deresistencia a la tracción casi ilimitada.El profesor Rabcewicz tuvo oportunidad de poner en práctica sus conocimientosdurante el proyecto del túnel de la autopista Caracas-Valencia. El túnel fue
  • 5. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILEsostenido con pernos PERFO y posteriormente se aplicó una capa de concretolanzado de 20 cm. de espesor como sostenimiento permanente. Las demásgalerías y túneles fueron construidas según los principios del NATM y seefectuaron mediciones sistemáticas para controlar el comportamiento delsostenimiento y de las rocas circundantes.Otro ejemplo muy interesante es el de un túnel Massenberg en Austria. Elsostenimiento del túnel fue diseñado de manera convencional con anillo gruesode concreto.La perforación del túnel se inició según el método Belga, en exquisitos grafitícos ysericiticos blandos con alto contenido de agua.El túnel se desplomó y tuvo que ser rediseñado por Rabcewicz; con unrevestimiento comparativamente delgado de concreto lanzado reforzado de 20cm. De espesor y pernos PERFO de 4 cm. de longitud, se logró el equilibriopermanente. La posterior colocación de un anillo de concreto de 30 cm. deespesor aumento el factor de seguridad.Fig. 1 Túnel Massenderg
  • 6. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILEFig. 2 Esquema de redistribución de esfuerzosLa excavación de una cavidad produce una redistribución de esfuerzos, la cuál esprogresiva y generalmente ocurre en 3 etapas (Fig. 1). Las líneas de esfuerzo sondesviadas a ambos lados y concentrada cerca de las paredes, haciendo que laspartes cuneiformes se compriman hacia la cavidad, en ángulo recto a la direccióndel esfuerzo principal. Al liberarse los esfuerzos tangenciales a ambos lados de lacavidad, se aumenta la luz haciendo que el techo y el piso fallen y empiecen aconverger. Luego el movimiento se incrementa produciendo el plegamiento deltecho y el piso.Sobre la base de estas observaciones, resulto evidente que todos aquelloscálculos de sostenimiento de túneles que consideran a la flexión como razóncritica de derrumbe de túneles erróneos. El sostenimiento únicamente puede fallarpor corte, las grietas por flexión se forman sin excepción debido a una mano deobra deficiente que ha dejado vacíos detrás del revestimiento.Los movimientos inevitables de las rocas hacia la cavidad hacen que disminuyanlos esfuerzos principales, ésta es una antigua ley de minería que fuerateóricamente descrita por Fenner en 1938.El efecto recíproco de los esfuerzos de decomprensión respecto a la resistenciarequerida del sostenimiento se muestra en el grafico de Fenner Pacer (Fig. 3)
  • 7. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILEFig. 3 Gráfico Fennder - PacherLa curva esfuerzo- desplazamiento es una característica de un tipo de roca y sucondición primaria de esfuerzos. El equilibrio es alcanzado en el punto a sólo si elsostenimiento esta diseñado apropiadamente y es colocado a tiempo. Laresistencia del sostenimiento es entonces pi = a.Tratar de alcanzar el equilibrio con un desplazamiento radial considerablementemenor significaría cruzar la curva σr. a una mayor capacidad de sostenimientorequerida; el sostenimiento tendría que ser colocado en menor tiempo, lo cualsignifica que sería más costoso y el factor de seguridad no se incrementaría en lamisma proporción.Si la resistencia del sostenimiento disminuye por alguna razón (ej. Rotura depernos, agrietamiento del concreto lanzado) la curva sería intersecada en el puntoinferior sin consecuencia alguna.Si la característica del sostenimiento fuera tal que el equilibrio se logra más alládel mínimo de la curva σr. lo que ocurre con frecuencia con los soportes de aceroconvencionales, ocurriría un desplazamiento radial adicional causando un mayoraflojamiento y un aumento de las fuerzas activas. El equilibrio únicamente lograrácon medidas de refuerzo apropiadas e inmediatas.El control del comportamiento de las rocas circundantes y del sostenimientomediante es una parte sumamente importante en el NATM. Por medio de lascondiciones en toda la sección es posible reconocer en poco tiempo si los mediosde estabilización instalados necesitan ser modificados para poder alcanzar elpunto económico óptimo.Este método de diseño, denominado “dimensionamiento empírico” fue creadosobre una base científica empírica. Por consiguiente, dicho método es, en muchosaspectos, superior a ciertos tratamientos matemáticos altamente elaboradosporque todos los factores desconocidos son implícitamente incluidos por loscontroles de medición. Esta aproximación científica empírica resuelve los
  • 8. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILEproblemas prácticos de construcción de túneles en la actualidad, de una maneraeficiente y más segura.1.1PrincipiosLos principales principios del NATM: Excavación cuidadosa, tratando de reducir al máximo la sobre excavación ylos desordenes en el terreno. Empleando técnicas de precorte y voladuracontrolada que minimicen la figuración de la roca circundante. El principal componente de sostenimiento de un túnel es la masa rocosa querodea la excavación. Para lo cual se debe controlar el movimiento de la rocacircundante colocando generalmente elementos de refuerzo y/o soporte- quedeben ser instalados en el momento apropiado- permitiendo la resistencia dela roca alrededor de la excavación se preserva y se aproveche su capacidadde autosostenimiento. Los elementos de sostenimiento que más se adaptan a ésta filosofía dediseño son el concreto lanzado y los pernos de roca, los cuales conservan lacapacidad de carga del macizo rocoso y permiten una deformacióncontrolada de la roca.Además es importante que estos elementos de sostenimiento queden encompleto contacto con la roca y se deformen con ella. La adopción del NATM implica la instalación de instrumentación sofisticadapara un control continuo de la roca y de los elementos de sostenimiento pormedio de mediciones. Dichas mediciones son parte integral del control dela seguridad de un túnel y del diseño preliminar, así como permiten tambiénoptimizar los procedimientos constructivos y el diseño definitivo delsostenimiento. El sostenimiento es flexible en vez de rígido, por lo que usualmente seaplica sostenimiento activo (Ej., pernos de roca) en lugar de sostenimientopasivo (Ej. cerchas de acero). El sostenimiento inicial puede representarparcial o totalmente el sostenimiento final requerido y el dimensionamientode los mismos depende de la interpretación de los resultados deinstrumentación. El túnel es idealizado por un cilindro de pared gruesa compuesto de roca yelementos de sostenimiento. En la excavación de sostenimiento en el piso,el cual debe ser colocado tan pronto como el instalado en el techo y lasparedes. En cambio en roca tenaz el sostenimiento no debe instalarsedemasiado temprano ya que la capacidad portante de la masa rocosa noha sido movilizada totalmente, además debe permitirse la deformación dela roca para que el sostenimiento no este sometido a altos esfuerzos.
  • 9. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILE Clasificar la roca en el frente de trabajo en base a un sistema declasificación geomecánico después de cada excavación o voladura.La clasificación tiene por objeto evaluar las condiciones de la roca yrelacionarlas con las necesidades y tipos de sostenimiento. Para que la aplicación del NATM sea un éxito es necesario incluir en elcontrato cláusulas especiales. El concepto del NATM está basado enregistros del comportamiento del macizo rocoso y en modificaciones tantodel sostenimiento como de los métodos de excavación si resultaranecesario, porque el comportamiento de la masa rocosa no puededetallarse a priori. Esto, sin embargo, es posible sólo si el arreglocontractual contempla cambios durante la construcción.2.- APLICACIONES PRÁCTICAS.2.1Túnel Tautern (Austria).La base de este proyecto lo constituyó un informe geológico con una secciónlongitudinal basada en estudios superficiales y en algunas perforacionesdiamantinas en las zonas de la roca del túnel, una galería de exploración al sur yuna perforación con testigo de 600m, de profundidad al centro del túnel trazado;se mencionaba en el informe una zona de sobrecarga entre la arenisca y lasfilitas.La sección geológica longitudinal realmente hallada mostró que el túnel estabaubicado en una formación de esquistos, el 95% de las zonas perforadas en laroca fueron hechas a través de varios tipos de filitas, cuyas propiedades fuerondeterminadas por su composición de minerales: con presencia de carbonatospresentaban buen comportamiento mecánico, mientras que los efectos negativosfueron ocasionados por componentes sericíticos, grafiticos y cloríticos. Además, laresistencia de la roca fue a veces disminuida por los esfuerzos tectonicos.El 15% restante de la roca encontrada estaba formada por mármoles, dolomitas,yeso y anhidrita, serpentina o talco y algo de cuarcita.El eje del túnel era aproximadamente N-S y el rumbo de las formaciones rocosasNE-SO, con un buzamiento entre 25· y 30· (ver Fig. 4).
  • 10. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILEFig. 4: Corte longitudinal del túnelLa observación del comportamiento de la excavación y las mediciones indicabanla magnitud y el proceso de deformación únicamente podía ser explicado por elefecto de esfuerzos tectonicos residuales.Esta suposición se entiende al observar los procesos mecánicos durante laformación de los Alpes (ver figura xy).En el curso de la compresión Sur- Norte de la corteza terrestre, junto con lagravitación y los procesos magmáticos, se produjeron fallas y transporteslongitudinales de 100 Km. (periodos: Cretáceo y terciario). La arenisca delperiodo triásico, originalmente al sur de la cordillera principal de los Alpes, fuetransportada junto con otras series más antiguas hacia el norte. Durante estosmovimientos se produjeron sobrecargas de 5000 a 10000m. En la zona referida altúnel Tauern, ésta magnitud de sobrecarga se confirmó por el grado demetamorfismo de la roca hallada durante la excavación.En aproximadamente la estación 1000, se encontró una serie particularmentedesfavorable de seriecita-cloraste y cuarzo-filitas, el techo fue sostenido de inmediato con concreto lanzado y pernos de roca para evitar la de laminaciónincesante de la roca.Cerca de 100m detrás del frente avanzo, el arco de roca y sostenimiento, queconsistía en una capa de concreto lanzado de 15 cm. De espesor y pernos deroca de 25 mm de diámetro, 1 m de largo y espaciados: 2m x 1.5 m, se derrumbó;y luego la reexcavación de esta zona, las velocidades de deformación eran de2cm/día.En las zonas adyacentes a estas extraordinarias deformaciones se encontraronfallas por corte en el concreto lanzado, el sostenimiento parecía estar levantandode la roca y las cerchas de acero estaban localmente deformadas y separadas delsostenimiento. En otros tramos de avance cerca del piso se formaron grietas porcorte continuas y longitudinales, mostrando una superposición deaproximadamente 30 cm.
  • 11. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILEEl proceso mecánico de esta deformación fue reconocido luego de un estudiominucioso, el soporte con concreto lanzado era demasiado rígido para tolerarconvergencias de 20 cm. (3.5%), el desplazamiento diferencial de concretolanzado y la superficie de la roca produjo fuerzas axiales que ocasionaron lasfallas de corte. (Ver Fig. 5).Estas translaciones tangenciales entre concreto lanzado y la roca fueronfacilitadas por la estructura milonítica de las rocas en las inmediaciones del túnel,producida por las altas presiones.En las zonas que se produjeron las fallas, se instalaron una cantidad considerablede pernos de anclaje más largo, no solo para evitar la caída de las partes sueltasdel sostenimiento, sino para también reforzar el arco de roca de sustentación. Noobstante haberse alcanzado condiciones temporales satisfactorias, era evidenteque debían encontrarse nuevas soluciones para estabilizar la roca antes que seprodujeran fallas similares.Luego de la compresión del proceso de falla se encontró una solución muysimple: aplicar concreto lanzado en tiras longitudinales de 3 m de ancho,separadas por juntas de contracción de 20 cm. (ver Fig. 6).Esto redujo las diferencias de las deformaciones entre roca y sostenimiento a un1/5. Con excepción de la malla metálica, la roca no estaba sostenida en dichasjuntas; las cerchas de acero se superponieron en las jutas pero no fue necesariofijarlas.Esta solución proporcionó excelentes resultados y por consiguiente se aplicó a lolargo de los 2/3 del túnel, las juntas se contraían de acuerdo con los movimientoslocales y la malla metálica fue deformada hacia fuera.Contrariamente a lo esperado, el efecto de arco sobre concreto lanzado no fueinterru8mpido totalmente por las juntas. Fue posible determinar que en la caraexterior del concreto lanzado las presiones radiales eran de aproximadamente 6Kg. / cm2 y que las células de presión tangencial median valores ocho veces masaltos.Según las mediciones efectuadas, no hubo necesidad de cubrir las juntas deconcreto lanzado, una vez estabilizados los movimientos. Esto significa que con eltipo de sostenimiento aplicado, se logró la estabilidad aumentando los esfuerzostangenciales (confinamiento) en el arco de roca de sustentación.
  • 12. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILEFig. 5 Fallas por corte en el soporte.FIG. 6 Solución a los esfuerzos por corte.
  • 13. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILE3.- ESTABLECIMIENTO DE UNPROGRAMA GEOTECNICOCONDUCENTE A LAAPLICACIÓN DEL N.A.T.M.
  • 14. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILEESTABLECIMIENTO DE UN PROGRAMA GEOTECNICO CONDUCENTE A SUAPLICACIÓN.“El propósito de un diseño de excavación subterráneas es utilizar la roca mismacomo principal material estructural, provocando la menor perturbación posibledurante el proceso de excavación y añadiendo el mínimo posible de sostenimiento(Hoek y Brown, 1980).Para la aplicación del NATM, como en la mayoría de trabajos en roca, se requiereun reconocimiento geológico, así como una primera evaluación geotécnica con elobjetivo de obtener la máxima cantidad de información sobre las característicasde la roca, sistema estructural y régimen de agua subterránea.La información geológica-estructural requerida se esquematiza como sigue:Litología:Discontinuidades: Localización.Orientación.Espaciamiento.Espesor.Características generales.Material de relleno.Agua subterránea: Localización.Cantidad.Esta información se obtiene de perforaciones diamantinas, mapeos geológicossuperficiales, calicatas, trincheras, túneles pilotos de exploración y registro delíneas sísmicas, obteniéndose del posterior análisis y sistematización lo siguiente:- Planos geológicos de superficie.- Planos geológicos inferidos del subsuelo.- Proyecciones estereográficas.- Registros de mapas lineales.- Logeo de perforaciones de diamantinas.Todo el desarrollo anterior permite efectuar el diseño preliminar que presentadocomo un proyecto de ingeniería debe indicar la disposición y el trazo del túnel,estimación del sostenimiento requerido, la proyección de costos y el cronogramade la obra, todo ella con el objetivo de:- Obtener la aprobación de esta etapa del proyecto e iniciar la etapa deingeniería le.- Obtener el financiamiento de la obra.- Elaborar las licitaciones requeridas.Posteriormente debe iniciarse la ingeniería de detalle, que se realizaconjuntamente con la excavación del túnel.
  • 15. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILELos vacíos e incertidumbre que dejan las investigaciones y los imponderables,tales como alteraciones localizadas, presencia de agua subterránea, arcillas uotras, que necesariamente deben esperarse en una excavación subterráneahacen ineludible que gran parte de las decisiones sobre el sostenimiento setomen en el campo.La responsabilidad por estas decisiones, por su importancia en el costo de laobra, no puede estar en mapas de contratistas, esta responsabilidad debe recaeren la Supervisión.La supervisión deberá contar con ingenieros calificados que verifiquen lascondiciones reales de la masa rocosa y modifiquen de ser necesario el diseño desostenimiento y lo que es mas importante deben tomar decisiones en el frente detrabajo sobre la necesidad y tipo de sostenimiento inicial a aplicar, de manera deaprovechar, desarrollar y optimizar la capacidad de autosostenimiento de la roca;tomándose los sistemas de clasificación del NSI y del CSIR como herramientaspara evaluar las características y estado de la roca, con el fin de relacionarlas conel sostenimiento necesario.La supervisión además debe verificar las técnicas de excavación, exigiendo de lamisma cuando esta produce excesiva figuración y/o sobre excavación, verificar lainstalación adecuada del sostenimiento y el tiempo de hacerlo, establecer lossistemas de medición de convergencia y deformación para registrara elmovimiento de la masa rocosa; en base a este control deberá decidirse lanecesidad o no de sostenimiento adicional.Ha sido práctica tradicional en contratos de ingeniería civil que el contratista searesponsable por el diseño del sostenimiento final. Esta tradición se origina de laconstrucción de túneles revestidos, en lo que los pernos de roca y cerchas deacero se usaban para proveer estabilidad y seguridad durante la construcción yen el revestimiento de concreto se diseñaba para proveer sostenimiento final.Cada vez son menos los túneles que son revestidos en concreto y muchos casoslos pernos de anclaje y el concreto lanzado se diseñaban para proveer tanto elsostenimiento inicial como el sostenimiento final. Esta es una práctica que esta enel fondo mismo de la nueva filosofía en la construcción de túneles y obliga alsupervisor, como representante de propietario, a asumir responsabilidades por ladefinición del sostenimiento.La supervisión de túneles a diferencia de lo que ocurre en otro tipo de obras, nosólo tiene un rol e control sino que en su papel, asume responsabilidades dediseño y procedimiento de obra que afectan no sólo al ritmo de avance sinotambién al costo, es por ello que el ideal de que el proyectista sea responsabletambién de la inspección técnica o que por lo menos tenga participación en ellacomo consultor con presencia casi permanente en obra. El éxito de la aplicaciónpráctica del NATM radica en gran parte en la colaboración estrecha que debeexistir entre el contratista y la supervisión.En nuestro medio, para aplicar exitosamente el NATM es indispensable que enlos documentos de contrato se compatibilice la realidad del sitio, con las
  • 16. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILEexigencias del método de trabajo propuesto y con los intereses del propietario ycontratista.Esto implica especificaciones técnicas como.- Proporcionen al contratista una descripción clara de las características delterreno que se espera encontrar a lo largo de la ruta, con indicación de lasposibles dificultades.- Esta descripción debe estar relacionada a uno de los sistemas declasificación deRocas con fines de sostenimiento. La aplicación de obra del NATM no esposible sino se tiene una comprensión total del mismo por parte delcontratista y el supervisor, y si no existe cooperación permanente entreambos.- Establezcan de manera precisa las responsabilidades del supervisor y elcontratista en especial las relativas al sostenimiento inicial.- El sostenimiento del túnel es el aspecto del trabajo donde se superponenlas responsabilidades del contratista y el supervisor.- Establezcan mecanismos expeditivos para dirimir en caso de conflicto deoposición relativa de sostenimiento, estos pueden tener la forma de unequipo de peritos dirementes conformado por un representante delpropietaria, otro del contratista y un tercero elegido de común acuerdo.- Precisen la obligación del contratista de dar a la supervisión facilidades enel frente de trabajo para el cumplimiento de sus funciones.- Establezcan cantidades de sostenimiento de cada tipo en base a topesmáximos y mínimos y contengan mecanismos de pago que desincentivenal contratista en el empleo innecesario de sostenimiento y premios por laeconomía que se logren en la obra con relación a los montospresupuestados.Resumiendo en forma esquemática indicamos la información que debe registrarseen cada escapa que integra la aplicación la aplicación del NATM como filosofía dediseños.GEOLOGIALitología.Discontinuidades:Localización.Orientación.Espaciamiento.Espesor.Material de relleno.Características generales.Aguas subterráneas:
  • 17. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILELocalización.Cantidad.Detalle del tipo de ensayo.Planos geológicos:Superficie.Perfil subterráneo.Proyecciones estereográficasRegistro de perforación de diamantinas.EXCAVACIÓN.Avances.Temperatura.Voladura:Fecha.Progresiva.Volumen escavado.Malla de perforación.Tipo y cantidad de explosivo.Sobre excavación.Maquina tinelera:Tipo.Fecha.Progresiva.Volumen excavado.Presión de avance.Sobre excavación.Ciclo de trabajo:Perforación.Voladura.Remoción.Sostenimiento.Retrasos.SOSTENIMIENTO.Localización.Orientación.Longitud.Tipo y especificaciones.Razones de su instalación.Precauciones especial de seguridad.Problemas durante la instalación.Problemas para pernos de roca:Método de perforación.Diámetro de taladro.Longitud de taladro.
  • 18. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILEOrientación de taladro.Presencia de agua subterránea.Ensayos de permeabilidad:Detalle del equipo.Longitud de taladros.Presión.Caudal.Observaciones.Inyección de consolidación.Mezcla.Presión de trabajo.Cantidad de mezcla inyectada.Disposición de los taladros.Razones de su orientación.INSTRUMENTACIÓN.Tipo, dimensiones y detalles de instrumentosLocalización y orientación de cada uno.Fecha de instalación.Detalles de excavación.Detalles de sostenimiento.Régimen de agua subterránea.Mediciones.Interpretación gráfica de las mediciones.INSPECCIÓN.Caída de roca.Agrietamiento.Régimen de aguas subterráneas.Fotografías.BIBLIOGRAFIA.Barton, Lien and Engineering classification of rock massesLunde for the design of tunnel support,Rock Mechanics – 6, 1976.Bieniawski Z. T. Rock Mechanics design in mining andTunneling, A.A. Balkema, Rotterdam,Boston, 1984.
  • 19. GEOMECANICA LATINA S.A.Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavacionesCalle Plutón Nro 224 Salamanca ATE TELEFAX N° (511) 435-1969 E-mail:info@geomecanicalatina.com LIMA-PERUAlmirante Latorre N°405 SANTIAGO CENTRO TELEFAX N° (562) 698-4768 SANTIAGO - CHILECemal Biron and Design of support in minesErgin Arioglu Wiley Interscience Publications, 1983.Hoek E. Brown E. Underground excavations in rock.Institution of mining and Metallurgy,London, 1980.R. Schach, edit. Rock bolting- a practical handbock.Pergamon Press, 1979.Stillborg Bengt Professional users handbook for rockBolting, trans tech publications,Germany, 1986.Gaither De la Sota Aplicaciones del NATM – ProyectosInforme Interno – Geomecánica Latina S.A.1998 - 2004PUBLICACIONES.Brown, E. T. “Putting the NATM into perspective”Tunnels and tunneling, November, 1964,pp. 13-17.Golger, J. “ Another view of the NATM”Tunnels and tunneling, March, 1979,Pp 41-42.Golser, J. and “Nuevo método austriaco de construcción de túneles” –ConsultingHackl E. Engineers Salzburg Austria.Louis , C. “Método Austriaco de construcción de túneles”Departamento técnico de Nitroil S.A.,Documento No, 252, 1972.Von Rabcewicz, L. “The new Austrian tunneling method”Part one, water power, November 1964,pp. 453-457.Von Rabcewincz, L. “The new Austrian tunneling method”Part two, water power, December 1964,pp. 511-515.Von Rabcewicz, L. “The new Austrian tunneling method”Part throe, water power, January 1965,pp. 19-24.