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APLICACIÓN DE LA MECANICA DE ROCAS EN EL DISEÑO DE TUNELES
( SEGÚN BARTON Y BIENIAWSKI ). Autor:
Egr. Ing. Victor Hugo Caceres V., U.T.O. -
F.N.I.
INTRODUCCIÓN. La estabilidad de túneles ha sido un tema de mucha importancia en la era de los
ferrocarriles, tanto en la minería como en el transporte público, recobrando su
relevancia en las modernas carreteras, en zonas de cordillera, zonas
inaccesibles, cruce de ríos por debajo, e incluso creando túneles Falsos en las
ciudades para aliviar el tráfico vehicular. También podemos mencionar a
Galerías y Cavernas que no es otra cosa que túneles pequeños en secciones
menores a 3 m de radio en la bóveda, que son utilizados mayormente en la
Hidráulica o con fines exploratorios.
En Bolivia en estas últimas décadas (1990 – 2005) se construyeron 11 Túneles, 9
de los cuales fueron bajo la Supervisión de “connal srl”
Para el diseño de un Túnel primero se debe realizar un estudio Geológico –
Geotécnico del sector donde se lo proyecta, en esto la mecánica de rocas juega
un papel fundamental en la clasificación del macizo rocoso e incluso
estableciendo un prediseño con los elementos necesarios para el sostenimiento
del túnel en función a la altura de carga (zona de aflojamiento) después de la
excavación, con estos datos ya se podría estimar el costo de la obra tunelera
lo cual resulta muy útil para poder ver su viabilidad de esta alternativa. En
los Túneles y Taludes rocosos, los mecanismos de inestabilidad son controlados
por el grado de alteración y por las anisotropías existentes en el macizo,
tales como la estratificación, juntas, fallas, cuya relación con los mecanismos
de inestabilización es regida por los siguientes factores:
• Distribución espacial de las discontinuidades, relación entre su posición
(rumbo y buzamiento) con la dirección del túnel. Siendo este él más importante
a considerarse en el trazo de entrada y salida del túnel
• Presencia y naturaleza de los materiales de relleno de las discontinuidades.
• Irregularidades en las superficies de las discontinuidades.
• Rotura y movimientos anteriores.
Existen muchos métodos útiles para poder clasificar un macizo rocoso, entre
ellos se puede escoger algunos métodos elaborados por autores conocidos
mundialmente en el campo de la mecánica de rocas que realiza análisis
específicos para el diseño de túneles entre estos podemos mencionar a Barton y
Bieniawski,
CLASIFICACIÓN SEGÚN BARTON, (Sistema–Q N.G.I.). Basándose en una gran
cantidad de casos tipo de estabilidad en excavaciones subterráneas, el
Norgerian Geotechnical Institute (N.G.I.), propuso un índice para determinar la
calidad del macizo rocoso en túneles y taludes.
El valor numérico de éste índice Q se define por:
Q = ( RQD / JN ) ( JR / JA ) ( Jw / SRF )
Esta clasificación utiliza seis parámetros para definir la clase de macizo:
1. - RQD, índice de calidad de la roca.
2. - Jn, índice del número de familias de fracturas
3. - Jr, índice de rugosidades en las fracturas
4. - Ja, índice de alteración de las paredes de las fracturas
5. - Jw, índice del caudal afluente
6. - SRF, índice del estado de tensión del macizo
Para explicar como llegaron a la ecuación para determinar el índice Q, los
autores ofrecen los siguientes comentarios: El primer cociente (RQD/Jn),
que representa la estructura del macizo es una medida rudimentaria del tamaño
de los bloques o de las partículas con dos valores extremos (100/0.5 y 10/20)
con un factor de diferencia de 400. Si se interpreta el cociente en unidades de
centímetros, los tamaños de “ partículas ” de 200 a 0.5 cm. se puede apreciar
como aproximaciones gruesas pero bastante realistas. Probablemente los bloques
más grandes tendrían varias veces este tamaño y los fragmentos chicos menos de
la mitad. El segundo cociente (Jr / Ja), representa la rugosidad y las
características de la fricción de las paredes de las fisuras o de los
materiales de relleno. Este cociente se inclina a favor de juntas rugosas e
inalteradas que se encuentran en contacto directo se puede pensar que estas
superficies están cerca de la resistencia optima, que tenderán a dilatarse
fuertemente cuando estén sometidas a esfuerzos cortantes y por lo tanto serán
muy favorables a la estabilidad de un túnel. Cuando las fisuras tienen
recubrimientos y rellenos arcillosos delgados se reduce notablemente su
resistencia, sin embargo, el contacto de las paredes después de un ligero
desplazamiento por el esfuerzo cortante puede ser muy importante y salvar la
excavación de un colapso. Donde no haya contacto de paredes, la situación para
la estabilidad de un túnel se representa de manera muy desfavorable.
El tercer cociente (Jw / SRF), consiste en dos parámetros de fuerzas, SRF es un
valor de: 1) la carga que se disipa en el caso de una excavación dentro de una
zona de fallas. Y de roca empacada en arcillas; 2) los esfuerzos en una roca
competente, y 3) las cargas compresivas en rocas plásticas incompetentes. Se
puede considerar como un parámetro total de esfuerzos. En cuanto al parámetro
Jw se trata de una medición de la presión del agua que tiene un efecto negativo
en la resistencia al esfuerzo cortante de las fisuras debido a la reducción en
el esfuerzo efectivo normal. El agua puede causar además, un ablandamiento de
las arcillas e incluso posiblemente su lavado.
CLASIFICACIÓN SEGÚN BIENIAWSKI; Es una clasificación que a sido
utilizada en África del Sur y fue desarrollada principalmente a partir de
excavaciones subterráneas mineras. La evaluación de calidad de macizos rocosos
Rock Mass Ratting (RMR) es realizada mediante la atribución de valores a los 5
parámetros que intervienen:
1. - Resistencia a la compresión a la roca alterada, Bieniawski emplea la
clasificación de la resistencia a la compresión uniaxial de la roca que
proponen, Deere y Millar, como alternativa se podrá utilizar la “Clasificación
de carga de punta”, para cualquier tipo de roca, excepto la muy frágil.
2. - RQD, índice de calidad de la roca según Deere y Miller.
3. - Espaciamiento de las discontinuidades, es decir de las fallas, planos de
estratificación y otros planos de debilidad.
4. - Condiciones físicas y geométricas de las discontinuidades, este parámetro
toma en cuenta la separación o abertura de las fisuras, su continuidad, la
rugosidad de su superficie, el estado de las paredes (duras o blandas), y la
presencia de relleno en las discontinuidades
5. - Presencia de agua subterránea, se intenta medir la influencia del flujo de
las aguas subterráneas sobre la estabilidad de las excavaciones en función del
caudal que penetra en la excavación, y de la relación entre la presión del agua
en las discontinuidades y el esfuerzo principal. Bieniawski reconoció que cada
parámetro no contribuye necesariamente de igual manera al comportamiento del
macizo. Por ejemplo un RQD de 90 y una resistencia a la compresión uniaxial de
2000 Kg/cm2 parecerían indicar una roca de calidad excelente, pero una
infiltración grande en esa misma roca puede cambiar radicalmente esta opinión.
| Valorización de los parámetros RMR (según Deere y
Miller). |
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COMPARACION DE AMBOS METODOS. La clasificación del macizo rocoso según
Bieniawski y Barton, son de un interés muy especial, ya que incluyen un número
suficiente de datos para poder evaluar correctamente todos los factores que
tienen influencia en la estabilidad de una excavación tanto en túnel como en
corte de taludes en roca. Bieniaswki da mas importancia a la orientación y a la
inclinación de los accidentes estructurales de la roca y no da ninguna a los
esfuerzos en la roca. Barton no incluye en factor de la orientación de las
fisuras pero si considera las propiedades de los sistemas de fisuras más
desfavorables al evaluar la rugosidad de las fisuras y su grado de alteración,
ambos representan la resistencia al esfuerzo cortante del macizo rocoso. Estos
dos sistemas señalan que la orientación e inclinación de las estructuras son de
menos importancia y que la diferencia entre favorable y desfavorable es
adecuada para los casos prácticos, esto se puede aceptar para la mayoría de los
casos que se encuentran en el campo. Existen algunos materiales como la pizarra
que tiene características estructurales tan importantes que tienden a dominar
el comportamiento de los macizos. En otros casos, grandes bloques quedan
aislados por discontinuidades y causan problemas de inestabilidad durante la
excavación, para estos casos los sistemas de clasificación descritos serán
quizás no adecuados y se necesitaran consideraciones especiales para la
relación entre la geometría del macizo y la excavación. Cuando de trata de
rocas de muy mala calidad que implican rocas comprimidas, expansivas ó grandes
flujos de agua, se comprobó que la clasificación de Bieniaswki es poco
aplicable, esto se entiende ya que se ideó originalmente para túneles de poca
profundidad y taludes en roca dura fracturada. Por tanto, en este tipo de rocas
extremadamente malas se recurre al sistema de Barton.
La relación que existe entre ambos métodos, está expresado como:
RMR = 9 ln Q + 44
SOSTENIMIENTO DEL TUNEL SEGUN ¨ BARTON. En función al tipo de roca, y la
dimensión del túnel, Barton presenta un método “empírico” para estimar los
soportes en un túnel, que varía desde anclajes ocasionales, hormigón proyectado
con y sin malla metálica hasta hormigón moldeado con acero de refuerzo, para
este fin utilizamos el siguiente ábaco:
ALTURA DE CARGA.
a) Método de Barton. Para el calculo de la carga actuante sobre el túnel
si tiene las siguientes consideraciones:
- Excavación temporal para minería ESR = 3 a 5
- Excavación minera permanente, túneles de aducción de agua
(excepto túnel a presión), túnel piloto ESR = 1.6
- Túneles menores para camino o ferrocarril, túnel de acceso ESR = 1.3
- Central hidroeléctrica, túneles importantes para carretera o ferrocarril ESR
= 1.0
- Central nuclear subterránea, estación de ferrocarril, fábricas ESR = 0.8
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3º Longitud de los clavos:
L = (2 + 0.15 b) / ESR (m)
donde: b es el ancho de la excavación (m)
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4º Longitud máxima sin soporte:
CLARO = 2 ESR Q0.4 (m)
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5º Carga de roca en el techo:
PV = (2/3) JN1/2 Q-1/3 JR-1 (kg/cm2)
b) Método de Bieniawski.-
Para el cálculo de la carga actuante sobre el túnel, recomienda usar la
siguiente fórmula:
Altura de la carga de roca en el techo:
Hp = ((100 - RMR) / 100) b
Carga equivalente sobre el techo:
PV = Hp g
donde: b = ancho del túnel (m)
g = peso específico de la roca (ton/m3)
PH = 0 (para RMR > 60)
PH = HP g / 2 (para RMR<50)
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