CONSTRUCCION DE TUNELES EN MECANICA DE ROCAS (Y DISEÑO DE EXCAVACIONES SUBTERRANEAS)

Definicion: ¿Que es un tunel?

Un tunel o los tuneles son ductos subterraneos creados como una solución para conectar dos o más puntos, ya sea por motivos prácticos, defensivos o religiosos donde intervienen ciencias como la geomecanica, la geología, matemática, física, hidrología y hasta la química.

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Tipos de tuneles y su construccion en Obras Civiles

La construccion de tuneles probablemente surgió por la admiración del hombre a los tuneles naturales creados por acción del viento y del agua, los cuales en un principio utilizó como medida de protección y refugio, y a lo que posteriormente continuo la aplicación de ciencias como la matemática, la física y la geomecanica para extraer de su interior diversos metales, dando así la bienvenida a la minería, el cual fue la veta que abriría el camino a la construcción de diferentes tipos de tuneles.

Observar la utilización y las técnicas de construcción de tuneles en chile, México, Perú y demás países en américa latina son muestra fehaciente de que los tuneles no sólo tienen una amplia variedad de usos, sino que también, han conectado al mundo, han evolucionado, y con esto han incrementado su demanda al dar soluciones modernas a problemas sociales, civiles y ambientales.

Túneles para transporte

Los tuneles subterráneos para transporte debe su inicio a la necesidad de trasladar agua de forma segura, evitando su evaporación debido a las altas temperaturas en algunos puntos, lo que conllevo al hombre al estudio y comprensión de la mecánica de las rocas con el fin de realizar trabajos de forma segura y confiable, y en su búsqueda por la mejoría de la calidad de vida surgió la demanda de diversificar su uso y no sólo limitarlo al transporte de agua sino también de personas, creándose así desde el ferrocarril y el metro, hasta la construccion de tuneles en obras civiles de gran envergadura como pasos peatonales subterráneos.

La aplicación y construccion de tuneles en obras civiles públicas no sólo ha sido para el traslado de personas o aguas para consumo sino también para canalizar y trasladar aguas residuales, resultando así una gran solución para la conducción de las aguas pluviales y cloacales hasta su disposición final de forma segura minimizando su impacto ambiental y cuidando la salud de las personas.

Túneles para almacenamiento

Este tipo de tuneles es mayormente utilizado en áreas petroleras o plantas radioactivas, ya que debido a los químicos y minerales con los que se trabaja es necesario mantenerlos aislados y asegurados, por lo que la utilización de túneles resulta una opción acertada. Su construcción es mucho más parecida a la de una caverna que a la de un túnel debido a sus dimensiones, y esto a su vez, a su uso.

Túneles para instalaciones

La mayoría de las instalaciones eléctricas se realiza a través de tuneles, no sólo por estética sino también por seguridad, debido a las altas cargas eléctricas que estos conductos trasportan y a sus dimensiones, por lo que al estar ubicados bajo tierra pueden salvar largas distancias sin ser un obstáculo para ningún usuario de la red pública.

Túneles por necesidades científicas

Hoy en día, muchos países en su búsqueda de información y hallazgos tecnológicos han hecho uso de los tuneles para desarrollar investigaciones científicas tales como el acelerador de partículas subatómicas.

Estos tuneles tienen características y dimensiones muy diferentes a las de uso civil, más gracias al ingenio y a la debida aplicación de la geomecanica, estos túneles no sólo son posibles, sino que también son superables, ya que hoy en día se han diseñado tuneles subterráneos que reemplazaran los existentes en más de un sentido.

Túneles para protección de personas

Tal y como ocurría en sus comienzos, los tuneles han sido un área de protección para las personas, pero con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, su aprovechamiento se ha visto incrementado considerablemente.

Uno de los usos más frecuentes de estos tuneles subterráneos es de defensa, donde el mayor reto es la resistencia del túnel, por lo que el estudio de las rocas y su relación ante la sostenibilidad del mismo juegan un papel fundamental al momento de su construcción, ya que estos deben estar condicionados para soportar diversos impactos tales como explosivos y diversos mecanismos utilizados para la protección y defensa nacional.

Metodos de excavacion en roca para la construccion de tuneles

Los metodos de excavacion empleados en la construccion de tuneles dependerá de la geomecanica de rocas, debido a que existe una clasificación muy variada de la roca, ya sean simples, complejas, de alta o de baja resistencia, por lo que este y el diseño en función a su uso jugarán un papel determinante al momento de aplicar los métodos más efectivos para su construcción.

Excavacion en roca con explosivos

Este es uno de los metodos de excavacion de tuneles subterráneos mayormente utilizados en la antigüedad, dado su efectividad y rapidez en la obtención del área requerida, más no por ello la más recomendada.

La fragmentación de las rocas concebida mediante la excavacion con explosivos no sólo debilita la estructura rocosa, sino que también ayuda a la contaminación ambiental, al detonar el esparcimiento de rocas, gases y aire alrededor del área donde se pretende construir el tunel.

Este tipo de excavacion en roca se comienza perforando el frente del terreno donde se sigue un lineamiento o plan de voladura del cual dependerá la ubicación cada uno de los explosivos y el alcance en función a su proyección e impacto. Una vez desplegado los explosivos, se procede a retirar al equipo para una vez así comenzar con la detonación de las cargas.

Finalmente, se permite que todo el aire y gases del área de la explosión se disperse y se continua con la remoción de las rocas sueltas.

Excavacion en roca mecanizada

La excavacion en roca mecanizada es uno de los métodos más ventajosos que existe actualmente, no sólo por ser un método más seguro, sino que también el impacto ambiental que este ejerce es relativamente menor que muchos otros.

Existen diferentes métodos para realizar la excavacion en roca mecanizada, las cuales van desde máquinas convencionales hasta tuneladoras y rozadoras.

Máquinas convencionales: este tipo de excavación subterránea se realiza mediante máquinas de corte convencional que al hacer contacto con la roca permite que esta sea desprendida en forma de astillas o bloques, estas máquinas por lo general trabajan con motores diésel y regularmente se utilizan para roca media o blanda.
Máquinas tuneladoras: este es un método de excavación contínua, cuyos equipos están diseñados para la penetración de roca dura y muy dura, debido a la potencia del cabezal en función al corte de la roca. Una de las ventajas de utilizar este método es que el material una vez que es excavado, pasa por unas cintas transportadoras las cuales pueden permitir que el material sea tratado y utilizado nuevamente. Estas máquinas funcionan con motores eléctricos y sistemas hidráulicos, y están catalogadas como las máquinas que mayor cantidad de túnel han excavado a nivel mundial.
Máquinas rozadoras: la utilización de este método es aplicable tanto para la excavacion en rocas duras como blandas. Las rozadoras son máquinas que poseen un brazo mecánico en cuyo extremo está situado un cabezal el cual corta y desplaza el material por medio de un canal de transporte hasta disposición final. Al igual que las tuneladoras, las rozadoras funcionan con motores eléctricos y sistemas hidráulicos.

Consideraciones geomecanicas de rocas para la construccion de tuneles subterráneos.

La construccion de tuneles subterráneos ha evolucionado con el paso del tiempo, lo que ha permitido pasar de pruebas de ensayo y error (las cuales acarreaban costos materiales y humanos incalculables) a técnicas geomecanicas y métodos especializados que permitieron al hombre conectarse y desarrollarse fuera de sus fronteras y a su vez, crear normativas, reglas y disposiciones para que dichas estructuras permanezcan en el tiempo.

Diversos estudiosos de la mecanica de rocas ha contribuido a su análisis, y es de sus principios y fundamentos que se rigen hoy en día la mayor parte de las normativas aplicadas a la construccion de tuneles, tales como el análisis del tipo de roca propuesto por Terzaghi para conocer su sostenibilidad o los alcances que ha tenido la clasificación geomecanica de rocas en busca de la calidad. A continuación, consideraciones geomecanica de rocas a tomar en cuenta en la construccion de tuneles subterráneos:

Tipo de roca

Roca intacta: no tiene fractura.
Roca estratificada: estratos individuales con o son resistencia a separarse entre ellos.
Roca medianamente fisurada: contiene juntas o grietas, pero estos se encuentras íntimamente enlazados.
Roca agrietada: agrietada más químicamente inalterada o casi inalterada.
Roca triturada: triturada pero químicamente sana.
Roca comprimida: avanza lentamente en el túnel sin ninguna modificación volumétrica aparente.
Roca expansiva: avanza debido a su propia expansión.

Clasificación geomecanica

Esta se realiza dividiendo el macizo rocoso es diferentes partes o zonas, donde se analizan los siguientes parámetros:

Resistencia de la comprensión uniaxial de la roca, analizado mediante fuerzas aplicada a la roca hasta alcanzar su rotura, fractura o deformidad.
Índice de la calidad de la roca, la cual estará determinado por el origen, la dureza y la estructura geológica de la roca.
Separación y estado de las fisuras: orientación y condición de la fisura. la cual estará determinado por el origen, la dureza y la estructura geológica de la roca.
Infiltraciones de agua subterránea, denominado por el efecto de la afluencia del agua subterránea en las paredes del terreno.
Orientación de las discontinuidades: cantidad volumétrica de juntas.

Estado de conservación de la roca

Se estima a través de una medición cuantitativa de varias tomas o muestras extraídas de las perforaciones realizadas en el área en que se pretende ubicar el tunel subterraneo, donde se analizan la cantidad volumétrica de juntas y se determina la calidad de la roca, y con esto el soporte adecuado a utilizar.

Criterio Hoek and Brown y su aplicación geomecanica en la construccion de tuneles subterraneos

El criterio de falla de Hoek and Brown es una relación derivada empíricamente utilizada para describir un aumento no lineal en la resistencia máxima de la roca isotrópica con el aumento del estrés de confinamiento. Hoek and Brown sigue una forma parabólica no lineal que lo distingue del criterio de falla lineal de Mohr and Coulomb.

El criterio incluye procedimientos de acompañamiento desarrollados para proporcionar un medio práctico para estimar la fuerza de la masa de roca de los valores de las pruebas de laboratorio y las observaciones de campo. Hoek and Brown asumen independencia del estrés como principal intermedio.

Este criterio se desarrolló como un medio para estimar la fuerza de la masa de roca al escalar la relación derivada de acuerdo con las condiciones geológicas presentes. El criterio fue concebido basándose en las experiencias de Hoek con fallas de roca quebradizas y su uso de una parábola de Mohr derivada de la teoría de la grieta de Griffith para definir la relación entre el corte y el estrés normal en la iniciación de la fractura. Al asociar la iniciación de la fractura con la propagación de fracturas y la falla de roca, Hoek y Brown procedieron a través de la prueba y el error para adaptarse a una variedad de curvas parabólicas a los datos de prueba triaxial para derivar su criterio. En consecuencia, el criterio Hoek and Brown es empírico, sin una relación fundamental entre las constantes incluidas en el criterio y cualquier característica física de la roca, más su impacto en la geomecanica permitió la estimación de las propiedades de los materiales de roca y de suelo lo que dio paso a obtener valores más certeros como la resistencia de las rocas, lo que permitió el alcance de criterios geomecanicos-estructurales para el diseño de excavaciones y obras subterráneas como la construccion de tuneles.

El uso de la clasificación del macizo rocoso para diseñar soportes en obras subterráneas como los tuneles, ha ganado aceptación durante años y en la medida en que se ha optimizado la recopilación de datos geotécnicos, los programas se han centrado en la complementación del análisis con parámetros como los de Hoek and Brown.

Parametros de Hoek and Brown

El criterio descrito por Hoek y Brown, se usa ampliamente para estimar la resistencia de macizos rocosos articulados. El criterio se derivó originalmente para aplicaciones en el diseño de excavaciones subterráneas y, por lo tanto, se expresó en términos de los esfuerzos efectivos principales mayores y menores que actúan sobre un elemento del macizo rocoso

Donde,

σ´1= es el principal estrés efectivo principal en caso de falla

σ´ɜ = es el estrés efectivo principal menor

m y s = son constantes

σϲ = es la resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta

El criterio de falla empírico de Hoek and Brown contiene tres constantes: m, s y σϲ. Las tres constantes son parámetros intrínsecos y no están relacionados con ninguna condición impuesta por la ingeniería, sino que dependen de las propiedades de la roca y en la medida en que se ha roto antes de ser sometido a las tensiones de falla.

Hoek y Brown indican claramente la forma en que m depende de propiedades del material: matriz cristalina e historia geológica, y a s como una aproximada análoga a la fuerza de cohesión (c’) del criterio de Mohr-Coulomb, donde los especímenes de roca intacta con resistencia a la tracción finita tienen un valor máximo de s igual a 1 y la a roca muy unida o rota en la que la resistencia a tracción, la resistencia cohesiva y la tensión normal efectiva son cero se caracteriza por un valor mínimo de cero. Entonces el principal requisito de una clasificación para estimar los parámetros de resistencia del macizo rocoso es una estrecha correspondencia entre los parámetros incluidos en la clasificación y los factores que afectan las constantes en el criterio de Hoek and Brown. Por lo tanto, los parámetros relacionados con la geología y mineralogía del macizo rocoso, el grado en que se rompe el macizo rocoso y la resistencia del material intacto deben considerarse al derivar una relación entre la resistencia del macizo y una clasificación.

Hoek y Brown muestran un gráfico de los parámetros y la relación m / m; contra las clasificaciones de clasificación NGI y RMR ajustadas y estimadas para andesitas intactas, no perturbadas unidas y recompactadas. Los dos esquemas de clasificación se escalan en el gráfico utilizando la correlación de Bieniawski

Las ecuaciones fueron derivadas por Priest y Brown, quienes relacionaron m / m; directamente al RMR de Bieniawski. Estas ecuaciones fueron modificadas por Hoek y Brown, con datos obtenidos empíricamente de relativamente pocos puntos de datos generados por un extenso trabajo de campo. A medida que el criterio de falla de Hoek and Brown fue ganando aceptación y puesto en práctica por la comunidad de ingenieros, se fué encontrado que los valores de m y s enumerados por Hoek eran algo conservadores para el diseño práctico de la ingeniería, por lo que los valores de las constantes se incrementaron para modelar el comportamiento de macizos rocosos «no perturbados o entrelazados» en una cantidad arbitraria basada en la experiencia de los autoresLas correlaciones actuales entre la clasificación geomecanica y las constantes del criterio de falla de Hoek and Brown se observan como

Masas rocosas perturbadas:

Masas rocosas no perturbadas o entrelazadas:

Estas ecuaciones se utilizaron para generar los valores de m y s que se aprecian en la Tabla 1, la cual ha sido utilizado ampliamente por la comunidad de ingenieros con un éxito razonable. Sin embargo, la experiencia en la evaluación del comportamiento de excavaciones subterráneas en proyectos de ingeniería civil y minera muestra que los valores de la Tabla 1 aún subestiman la resistencia de los macizos rocosos a tensiones de confinamiento bajas, es decir, cerca del límite de una excavación, por lo que se debe entender que el criterio de falla de Hoek and Brown se desarrolla ajustando curvas a los resultados de muchas pruebas de resistencia a la compresión triaxiales de roca intacta y se extiende empíricamente para cubrir masas rocosas rotas isotrópicas con poca correlación sustancial, por ende se requerirán mayores parámetros de resistencia del macizo rocoso si la aplicación de ingeniería fuera una excavación subterránea.

Tabla 1 – Relación aproximada entre la calidad de la masa roca y las constantes del material

Las características que afectan el comportamiento de una excavación en la roca son una combinación de parámetros genéricos y efectos inducidos. La clasificación geomecanica combina ambos, y esto puede estar justificado en el diseño del soporte. Por el contrario, una clasificación para la resistencia del macizo rocoso debe contener solo parámetros genéricos. Estas dos observaciones son las principales razones por las que un refinamiento de la clasificación en RMRm, RMR y resistencia a la compresión uniaxial intacta se propone para la estimación de los parámetros de Hoek and Brown, debido a que este criterio se establece en términos de estrés efectivo la influencia de la presión intersticial del agua subterránea también se considera explícitamente.

Estimacion de los parametros de Hoek and Brown

El proceso de derivar el conjunto completo de parámetros Hoek and Brown se describe y siguirá con un ejemplo trabajado, pero antes se debe comprender que las relaciones establecidas entre la resistencia del macizo rocoso y las clasificaciones son todas en términos de la relación mb / m; y s. De ello se deduce que se requiere un valor de m, para calcular mb. Por tanto, el conjunto de parámetros completo incluye m, para roca intacta; mb / m, de una o más clasificaciones; s, de una clasificación; y σϲ, preferiblemente de pruebas de laboratorio.

En ciertos proyectos, puede estar justificado establecer un programa completo de pruebas de mecanica de rocas y generar un conjunto completo de resultados triaxiales para las rocas prototipo en un sitio en particular. Sin embargo, en general, solo es probable que se realicen una cantidad limitada de pruebas, probablemente restringidas a la resistencia a la compresión uniaxial y al índice de carga puntual.

En ausencia de datos específicos del sitio sobre la resistencia del material rocoso intacto, se puede utilizar una aproximación de campo, como la que se presenta en la Tabla 2, basada en las propuestas de ISRM. En estas circunstancias, los valores tabulados para m deben ser usados. La Tabla 3 muestra los valores de la constante mi tomado de los resultados publicados de las pruebas triaxiales por Hoek y Brown, Jaeger y Jackson.

Tabla 2 – Aproximación de la fuerza compresiva uniaxial

Tabla 3 Parámetro mi por grupo de rocas

Las rocas con un alto contenido de calcita tienen valores de mi más bajos que las rocas correspondientes con un alto contenido de sílice, y las rocas poliminerales de grano grueso (incluidos los gneises metamórficos foliados) tienen valores similares de m, independientemente de la mineralogía exacta.

A continuación, se ilustra la determinación de los parámetros de resistencia de un macizo rocoso de arenisca en bloques. En términos geológicos de ingeniería se describirá como: arenisca ligeramente erosionada, moderadamente extensamente estratificada, gris pálido, de grano fino a medio, moderadamente fuerte con dos conjuntos ortogonales de juntas que crean bloques apretados de 0.1 a 0.2 m de ancho; de superficies planas y rugosas. No se han realizado pruebas de laboratorio, por lo que las Tablas 2 y 3 se utilizarán para determinar σϲ = 75 MPa y m = 14.3.

Utilizando la clasificación de geomecanica, RMRm y RMR se pueden encontrar por referencia los siguientes valores:

Por lo tanto,

RQD, como lo define Deere, es una medida de unión en el núcleo de roca. Para estimar un valor de RQD a partir del mapeo de la superficie, a menudo se usa una relación propuesta por primera vez por Palmstrom en el artículo de Barton.

donde Jv es el volumen de la junta y es la suma del número de discontinuidades por metro cúbico de roca. En este caso, con un lecho de 60 a 200 mm y dos juegos de juntas de 100 a 200 mm, se puede esperar que haya alrededor de 23 discontinuidades / m3, dando un RQD del 39 por ciento. Según la clasificación RMRm para la resistencia de la masa de la roca, la calificación RQD será de 8 y con una calificación de espaciado de 8, lo que da un valor de RMR de 16.

Por lo tanto,

Usando la clasificación NGI, los dos primeros cocientes serán utilizado para derivar valores de los parámetros de Hoek-Brown:

Metodos de explotacion minera subterranea para la construccion de tuneles.

La explotación minera con el paso del tiempo ha evolucionado dando paso a métodos que han permitido el desarrollo y evolución del mismo gracias a la geomecanica minera, ya que para poder llegar a la corteza terrestre y extraer el preciado mineral era necesario crear accesos subterráneos, que hoy en día conocemos como tuneles.

En las minas existe una variada y compleja infraestructura que va desde los tuneles hasta las chimeneas, y debido a las diferentes áreas que a ésta es posible explorar, siempre se estarán construyendo tuneles alrededor de la mina, lo que dio paso a la evolución de los métodos de explotación minera y a la posterior aplicación en la construcción de estos, los cuales se han ido adaptando en función del diseño y del uso de los tuneles, algunos métodos que se pueden mencionar, son:

Vetas planas con cámaras y pilares: Este se utiliza en la extracción en suelo horizontal o con una inclinación que no supere los 20°. La roca suele ser de tipo sedimentario y resistente. El sistema de pilares es uno de los metodos de explotacion minera subterranea más aplicados en las minas de carbón.
Vetas inclinadas con pilares: Esta técnica se aplica en suelo liso con una inclinación que oscila entre 15° y 30° sobre el plano horizontal. Esta inclinación excede el límite de vehículos con neumáticos más no lo suficiente para permitir que la roca caiga por gravedad, por ende, los mineros deben trepar por encima de las rocas cargando con las perforadoras, las poleas y los cables.
Explotación por franjas: Este llego a conocerse como el método clásico de minería, pero gracias a la evolución de la mecanica de rocas en mineria esta técnica fue sustituida en gran medida por sistemas mecanizados. Se aplica a vetas con límites regulares y con una fuerte inclinación del lecho.
Sistema de corte y relleno: El sistema de cortar y llenar adecuado para vetas de gran inclinación dentro de un lecho de estabilidad buena a media, el cual permite extraer de forma específica tramos ricos del mineral, evitando las de menor calidad.
Sistema de retirada mediante cráteres verticales: se aplica a la extracción en lechos de gran inclinación, aunque utilizando técnicas diferentes.
Sistema de hundimiento de subniveles: se aplica a vetas que poseen tanto una inclinación moderada como con una importante y de gran profundidad. El mineral es fracturado en partes manejables mediante la excavacion con explosivos.

Resistencia de las rocas en la construccion de tuneles

La resistencia de las rocas es una de las variables principales a tomar en cuenta al momento de construir un tunel subterraneo, dado que de ella dependerá si deben ejecutarse trabajos adicionales para el sostenimiento y soporte del túnel, y es por ello que uno de los factores más determinantes para su estudio es la resistencia de las rocas a compresión, la cual se analiza mediante ensayos de laboratorio donde se extrae el material a estudiar sin confinar y se le aplican cargas puntuales o de compresión simple permitiendo así el analiza del grado de fatiga del material, a su vez también se analizan la resistencia a tracción, la cual estará definida por la capacidad del material de soportar fuerzas traccionales y la resistencia al corte de las juntas, ya que mediante esta se va a determinar el nivel de profundidad al cual se desea calcular la resistencia, es decir, la profundidad del túnel.

En mecanica de rocas, las variables típicas para el cálculo de la resistencia de las rocas pueden ser representadas como variables aleatorias, es por ello que se parte de métodos probabilísticos para determinar la probabilidad del fallo del diseño o la probabilidad de la culminación de una obra bajo un tiempo y presupuesto establecidos, más esto no indica que los valores de diseño para la construccion de un tunel sean de poca confiabilidad, al contrario, ya que debido a su estructura, el diseño de un tunel subterraneo es realizado bajo estándares excesivamente conservadores con estimaciones de probabilidad de ocurrencia de fallo mayores al real.

Resistencia y deformabilidad de las rocas.

Estos se hayan mediante el modelo elástico de la roca, de donde se obtiene la deformación, plasticidad y anisotropía no sólo de la roca sino también del revestimiento del tunel, que no es más que la comprensión del comportamiento del material cuando se ve influenciado entre dos esfuerzos aplicados, los cuales hacen referencia al comportamiento de la roca antes de llegar a la rotura, la forma en que se produce dicha rotura y el comportamiento después de la rotura.

Es por esta razón, que el objetivo principal de las pruebas de laboratorio de mecanica de rocas es caracterizar el comportamiento de la deformación y la resistencia en condiciones de tensión simulando las encontradas in situ, sin embargo, la mayoría de los experimentos se llevan a cabo en probetas cilíndricas sometidas a una presión de confinamiento lateral uniforme. Estas «pruebas triaxiales» convencionales simulan un caso especial de condición de la corteza, en el que las tensiones principales intermedias y mínimas, σ2 y σ3, son iguales.

Las pruebas triaxiales se han utilizado ampliamente para el estudio de las características mecánicas de las rocas debido a la simplicidad del equipo y los procedimientos de prueba y preparación de muestras convenientes, sobre todo, la premisa sobre la cual las pruebas triaxiales convencionales se han vuelto omnipresentes es la suposición de que la tensión principal intermedia, incluso cuando no es igual a la tensión principal mínima, tiene un efecto insignificante sobre las características de rotura de la roca, como se expresa en las teorías y formulaciones de Coulomb, Mohr, y Griffith.

Aplicación de la mecanica de rocas en el sostenimiento de tuneles subterraneos.

La mecanica de rocas es una ciencia que se ha convertido en una herramienta fundamental en la construccion de tuneles a nivel mundial, ya que esta permite el estudio del comportamiento del macizo rocoso ante excavaciones, cimentaciones o cualquier otro tipo de actividad que altere su estado natural, al permitir y dar una clasificación de la roca para así determinar las diferentes situaciones a las cuales se enfrenan al momento de la ejecutar las excavaciones en roca, todo trabajado en función de minimizar el impacto ambiental, las pérdidas humanas y de material.

Uno de los aspectos en consideración más importante en la mecanica de rocas para la construccion de tuneles es el sostenimiento de sus paredes, ya que al ejecutar trabajos de excavacion en roca esta se ve debilitada, y por ende necesita la aplicación de fuerzas que contrarresten el empuje que ejerce en ella la gravedad.

El sostenimiento de tuneles permite el trabajo de forma contínua, ya que al conocer el factor de seguridad con el que se debe ejecutar la construcción, permite determinar el comportamiento de la estructura del macizo rocoso, y con esto resguardar la vida de las personas que laboran en ella y de los equipos utilizados, lo que ha dado origen a la apertura de un abanico de opciones para el uso de los tuneles en la actualidad.

Importancia de la geomecanica minera en la construccion de tuneles subterraneos

La geomecanica minera en sus principios estuvo orientada en el análisis del estallido de las rocas al ser comprimidas debido a la fuerza tangencial aplicada la cual excedía la fuerza propia de la roca, pero con los avances en la ciencia, esta problemática consiguió una solución gracias a las características de las rocas elásticas isotrópicas y dio paso a otros tipos de enfoques, permitiendo la clasificación del macizo rocoso aportando valores y parámetros para así lograr la obtención de valores como la resistencia de las rocas.

Hoy en día, los avances en la mecanica de rocas en mineria aplicados para diseño de tuneles es una herramienta muy importante, ya que al conocer valores estimados de la resistencia de las rocas podemos determinar el tipo de sostenimiento a utilizar en los diferentes tramos del túnel, aunque estos también dependerán de la cantidad, costo y disponibilidad del mismo, así mismo, estos valores podrán facilitar la determinación de alternativas que se ajusten a la obra en cuestión.

Como tipos de sostenimiento de tuneles subterráneos se tienen: anclajes, cimbras, mallas electrosoldadas o concreto y su clasificación puede ser utilizada para cualquier operación donde la calidad de la roca afecte la eficiencia de los trabajos subterráneos

Tipos de sostenimiento de tuneles subterráneos

Los sostenimientos son mecanismos que se emplean a través de la obtención de datos geológicos que son los que permitirán analizar el comportamiento geomecánico del macizo rocoso, y a partir de estos estimar los parámetros diseño y el tipo de sostenimiento del túnel. Un sostenimiento apropiado significa que cada uno de los elementos de sostenimiento debe cumplir con su función de soporte.

Para la construccion de tuneles subterráneos existen 2 tipos de sostenimiento: sostenimientos pasivos y sostenimientos activos.

Sostenimiento Activo:

Sostenimiento con pernos de roca, son diseñados de distintas formas, cuyo objetivo es reducir las deformaciones que se producen por el peso muerto de la roca aflojada, así como también aquellas ejercidas por la redistribución de los esfuerzos en la roca adyacente a la excavación del túnel. Existes distintas categorías tales como:

Pernos de anclaje Mecánico, este se realiza por medio de un elemento metálico expansivo que se ancla a la roca y permite la transmisión de esfuerzos a las rocas adyacentes. Son relativamente económicos y alcanzan altas resistencias, pero tiene como desventaja que al ser una barra de acero están predispuesto a la corrosión, y debido a su mecanismo de anclaje funcionan de forma deficiente en roca blanda.
Pernos combinados, este sistema es una combinación de pernos de roca que una vez instalados son inyectados con lechada de cemento. Son muy convenientes para el uso en la roca blanda o roca muy fracturada.
Pernos con inyección completa, en este se utiliza lechada (agua y cemento) o resina como relleno se encuentra en un cartucho que al ser fracturado trabaja como un elemento de transferencia de esfuerzos a la roca. Este tipo de anclaje es económico, de rápida y fácil instalación, y por ende uno de los más utilizados en la construccion de tuneles.
Pernos Swellex, está conformado por un tubo deformado de menor diámetro que el área de perforación, donde una vez insertado aumenta su tamaño mediante el uso de presión de agua. Este tipo de anclaje es de instalación rápida y sencilla, pero su alto costo lo vuelve una opción poco rentable.
Pernos autoperforantes, este consiste en un tubo metálico con distintas aberturas que se introduce en una perforación de menor tamaño, generando un esfuerzo radial al momento que éste hace contacto con la roca, lo que resulta una desventaja debido a que se encuentra expuesto a la corrosión, así como su longitud al penetrar tramos de mayor profundidad. Actualmente este tipo de anclaje es de poco uso en la construccion de tuneles aunque su uso se limitaría a masa de roca muy débil o muy fracturada.

Sostenimiento Pasivo

Sostenimiento con marcos o mallas metálicas, son los sistemas más utilizados en la construccion de tuneles de mediana dimensión para prevenir la caída de la roca que ha sido aflojada y para retener los trozos de roca, actuando así, como un elemento de seguridad. Están formados por perfiles de acero donde se valoran cargas aplicadas en puntos de apoyo. Los marcos metálicos tienen una mayor capacidad de aportar una menor rigidez a la estructura y es mucho más liviana que otro tipo de sostenimiento, debido a esto es muy utilizado en los frentes y emportalamiento de los tuneles.

Sostenimiento con Shotcrete, es muy conocido por su efecto estabilizador, ya que puede cumplir las funciones tanto de un sistema estabilizador, como de uno de reforzamiento y, en condiciones particulares, las de un soporte estructural. Este consiste en la aplicación de concreto proyectado, aplicado neumáticamente y compactado sobre una superficie. Este representa una de las mayores aportaciones en la construccion de tuneles, más su desventaja reside en si se trabaja como un elemento que se comporta como una estructura o únicamente como una especie de capa que protege al terreno.

Sostenimiento de enfilaje frontal o paraguas, se puede realizar con barras metálicas o micropilotes, donde se perfora el terreno y se colocan en posición similar y se aseguran con una inyección de lechada. Este sistema tiene la capacidad de cumplir simultáneamente con las funciones de estabilización y reforzamiento.

Mecanica de rocas en mineria subterranea

La mineria subterranea se observa en la historia como la actividad que promovió la construccion de tuneles y obras subterráneas al fusionarse con la mecanica de rocas, lo que dio paso al estudio de instalaciones más propicias para las construcciones subterráneas, jugando de esta manera un papel fundamental en la evaluación de la estabilidad del macizo rocoso debido a fracturas originadas por actividades mineras.

La mecanica de rocas permite establecer la dirección del avance general del minado asegurando un rendimiento adecuado, ya que afronta diversos problemas como el comportamiento de tensión, resistencia y deformación de la roca, y permite conocer los factores que relacionan los fenómenos de presión en el interior de las minas con los parámetros que deben de cumplir los sistemas de sostenimiento, ya que la mayoría de las rocas ante las condiciones de presión y temperatura a las que se ven sometidas dentro de una mina presentan un comportamiento más frágil que dúctil, es por esto, por el comportamiento del macizo rocoso, que la mecanica de rocas termina siendo tan importante en la mineria subterranea, la cual también dependerá tanto del método de perforación como de la excavacion con explosivos, así como del carácter de las labores mineras, ya sean temporales o permanentes.

Aplicación de métodos numéricos a modelación de excavaciones subterraneas

Los modelos físicos fueron los primeros intentos de analizar y cuantificar la inestabilidad o mecanismos de fallas al momento de estar frente a una excavación subterránea, en los cuales se podía reconocer y definir las diferentes condiciones que pueden originar una falla a escala. La desventaja del uso de este tipo de modelamiento era mantener las mismas propiedades de los materiales y la aplicación de las cargas, dado su costo y operatividad.

Con el tiempo, los procedimientos de cálculo numérico se fueron desarrollando de tal forma que existen modelos con los que se puede analizar diversos parámetros de mucha complejidad tales como: comportamiento no lineal, cargas dinámicas, discontinuidades complejas y comportamiento del material, entre muchos otros que han logrado la introducción de modelos numéricos para la construcción de estructuras subterráneas a detalle, precisos y complejos. Es por ello que el alcance del modelamiento numérico dependerá de la sustracción de datos e información que se pueda obtener tal y como se puede observar en la siguiente gráfica.

Esta gráfica es una representación de la recolección de datos disponibles en función del entendimiento y análisis de un problema en concreto, donde en el primer tramo existe una cantidad razonable de datos, pero el nivel de entendimiento es muy bajo, por ende, se hace uso de sistemas estadísticos para comprender y evaluar las propiedades del macizo rocoso. En el tramo 2, los datos recolectados son muy limitados pero el nivel de análisis y entendimiento del macizo por parte del equipo de expertos es alto. Normalmente, los problemas geomecánicos se encuentran en los tramos 2 y 4, por lo tanto, los diseños se habitualmente realizados con un diseño moderado y conservador.

De igual manera, aunque se tenga la mayor cantidad de información y datos que ha sido posible extraer, se tiene que comprender que la dificultad de los modelos numéricos se acrecienta con el aumento de información, y por ende, la precisión y provecho se minimiza en función de esto, por lo que para contrarrestar este efecto se hace uso de programas de modelamiento numérico el cual funciona como un laboratorio virtual donde ponen a prueba diferentes ideas y premisas previo al análisis real.

Para conseguir un buen modelo numérico, se necesita construir un buen modelo geológico y geomecánico, tal y como se explica en las siguientes etapas secuenciales para la generación de un modelo numérico.

Guía para el Modelamiento de Problemas Geomecánicos

De acuerdo con distintos desarrolladores, es recomendable seguir los siguientes pasos para la generación del modelo numérico.

Antes de comenzar a construir un modelo numérico, primero se debe establecer la razón por la cual se está creando este prototipo, es decir, ya que este debe estar enfocado en la interrogante que deseamos responder.
Este modelo debe de ser utilizado desde la etapa 1, para así tener una mejor comprensión de los datos.
Sobre este, estudiar los mecanismos de mayor relevancia que puedan llegar a influir directamente en los esfuerzos, deformación y fallas del macizo rocoso.
Tomar todas las ideas e hipótesis que se desean utilizar como experimento en el modelo para así lograr obtener un mayor conocimiento del mismo.
Una vez obtenido el modelo, impleméntelo y escoja de sus hipótesis y experimentos el más sencillo y aplíquelo. Si los resultados arrojados se asemejan a los esperados, continúe con ejemplos más complejos, de lo contrario debe observar las fallas y corregir.
Una vez que haya aprendido todo lo posible del modelo simple, puede empezar a realizar modelos más complejos para explorar aquellos aspectos descartados de la geología que muy probablemente pueden afectar el comportamiento del modelo simple.

Métodos Computacionales para Análisis de Esfuerzos

De acuerdo con Hoek, las técnicas de modelamiento numérico se pueden dividir en dos: métodos de discretización de borde y de dominio.

Métodos de Discretización de Borde

El método de elementos de borde (BEM) denominado así ya que solo los bordes de la geometría del problema son divididos en elementos, es decir lo que corresponde a la superficie de excavación, las superficies discontinuas y la superficie de terreno natural.

Métodos de Discretización de Dominio

El interior del macizo rocoso es dividido en elementos geométricos simples cada una con sus propiedades definidas. El comportamiento de todo el conjunto y su interacción serán quienes modelarán el comportamiento más complejo del macizo rocoso.

Modelos Constitutivos

Los modelos constitutivos disponibles comerciales son muy variados. En mecánica de suelos el modelo constitutivo más utilizado es el de Mohr-Coulomb, otros modelos se han generado a raíz del empeño de muchos investigadores en la búsqueda de lograr pronosticar el estado de esfuerzo y deformación de material que el modelo Mohr-Coulomb no logra representar con más exactitud. En mecánica de rocas, el modelo constitutivo más utilizado es el de Hoek y Brown, dada la manera en que esta se integra en la obtención de parámetros de diseño con los datos recolectados de investigaciones de campo.

Por lo que es de vital importancia que el usuario analice y estudie cada modelo que exista a su disposición, así como cada uno de los parámetros proveniente de estimaciones de ensayos en laboratorio y distintas pruebas de campo.

Preguntas Frecuentes:

¿Cuáles son las partes de un tunel subterraneo?

Un tunel subterraneo está conformado elementalmente por tres elementos: Bóveda, éste es el techo del tunel. Contrabóveda, es relativamente el suelo que conformará el tunel. Hastiales, son las paredes del tunel.

¿Como hacer un tunel?

La ejecución o construccion de tuneles en obras civiles se realiza básicamente en dos etapas: diseño y construcción. No obstante, antes de adentrarse a la puesta en práctica de estas fases en necesario tener en cuenta los conceptos básicos en torno a estructuras subterráneas, esto debido a que se topara con problemas de ingeniería civil muy complejos a los que debe hacer frente y dar soluciones concretas y certeras, ya que es más complicado determinar las especificaciones básicas de diseño en obras subterráneas que en construcciones superficiales.

¿El comportamiento de un macizo de roca in situ es diferente de un material rocoso?

Si, debido a que el material rocoso es mucho más fuerte que los macizos rocosos debido a que estos presentan casi siempre sistemas de debilidades en su estructura tales como fracturas, o discontinuidades.

¿Cuál es la diferencia entre un material rocoso y un macizo rocoso?

Se está en presencia de un material rocoso cuando el material es intacto, es decir, un testigo o muestra sin fracturas. En cambio, los macizos rocosos son todo el conjunto de material rocoso y discontinuidades que lo componen.

¿Qué ventajas ofrece el uso de rozadoras en comparación con los equipos TBM?

Tiene precios más razonables. Existe una mayor flexibilidad de adaptación. Su instalación es mucho más fácil y económica. El porcentaje de mano de obra especializada es menor.

¿Cómo diferenciar la bóveda de los hastiales de un túnel?

Los hastiales o paredes de un túnel son los contactos del yacimiento con la roca encajante, en cambio el techo o la bóveda será el contacto con pendiente superiores de 90 grados.

¿Cuál es la principal dificultad de diseñar una estructura en roca?

Una de las principales dificultades proviene que las rocas se hallan sometidas a tensiones desconocidas, debido al peso y a las fuerzas tectónicas.

¿Cuál es la diferencia entre un perno y un anclaje?

Los pernos son utilizados para transmitir los esfuerzos a la roca en toda la longitud del elemento metálico, y los anclajes presentan un mejor comportamiento en altos requerimientos a tensión, transmitiendo los esfuerzos a la roca en la parte final del elemento metálico.

1- ¿Cuáles son las partes de un tunel subterraneo?

Un tunel subterraneo está conformado elementalmente por tres elementos:

2- ¿Como hacer un tunel?

La ejecución o construccion de tuneles en obras civiles se realiza básicamente en dos etapas: diseño y construcción. No obstante, antes de adentrarse a la puesta en práctica de estas fases en necesario tener en cuenta los conceptos básicos en torno a estructuras subterráneas, esto debido a que se topara con problemas de ingeniería civil muy complejos a los que debe hacer frente y dar soluciones concretas y certeras, ya que es más complicado determinar las especificaciones básicas de diseño en obras subterráneas que en construcciones superficiales.

3- ¿El comportamiento de un macizo de roca in situ es diferente de un material rocoso?

4- ¿Cuál es la diferencia entre un material rocoso y un macizo rocoso?

5- ¿Qué ventajas ofrece el uso de rozadoras en comparación con los equipos TBM?

6- ¿Cómo diferenciar la bóveda de los hastiales de un túnel?

Los hastiales o paredes de un túnel son los contactos del yacimiento con la roca encajante, en cambio el techo o la bóveda será el contacto con pendiente superiores de 90 grados.

7- ¿Cuál es la principal dificultad de diseñar una estructura en roca?

Una de las principales dificultades proviene que las rocas se hallan sometidas a tensiones desconocidas, debido al peso y a las fuerzas tectónicas.

8- ¿Cuál es la diferencia entre un perno y un anclaje?

Fuentes

Pedro Soro, Construcción de túneles, Chile, 2004
Pietro Lunardi, Design and Construction of Tunnels: Analysis of Controlled Deformations in Rock and Soils (ADECO-RS), 2006.
R.K. Goel, Bawani Singh, Jian Zhao, Underground Infrastructures: Planning, Design, and Construction, 2012
Erik Eberhardt, The Hoek–Brown Failure Criterion, 2012
Evert Hoek, Carlos Carranza-Torres, Brent Corkum, Hoek-Brown failure criterion, 2002.
David F, Estimating Hoek-Brown Rock Mass Strength Parameters from Rock Mass Classifications, 1991
Antonio Jimenez, José Suarez, Evolución de los tipos de sostenimiento para la excavación de túneles en roca en los últimos años en México, 2015
Alcántara, L. H., Pacheco, R. V. & Salazar, I. N, Caracterización geomecánica para determinar el tipo de sostenimiento en labores subterráneas, 2018
Cañas Viñegas, Daniel Enrique, Anclajes en la mecánica de rocas con aplicación a túneles, 2013
Carlos Lopez Jimeno, Técnicas de explotación mineras
David Bazalar, Aplicación de los modelos numéricos en el diseño de túneles en roca, 2011