TUNELES - SISTEMAS DE CLASIFICACION

TUNELES

Sistemas de Clasificación.

1-2

TUNELES


1-3

TABLA DE CONTENIDO

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.

INTRODUCCIÓN................................................................................................................................... 1-5
OBJETIVOS............................................................................................................................................ 2-7
CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Y RECOMENDACIONES DE SOPORTE DE UN
TÚNEL VIAL TRAMO I ....................................................................................................................... 3-8
CÁLCULOS TRAMO I .......................................................................................................................... 4-9
CLASIFICACIÓN ISRM (SOCIEDAD INTERNACIONAL DE MECÁNICA DE ROCAS),
1970 5-10
CLASIFICACIÓN DE TERZAGHI (1946) .......................................................................................... 6-11
CLASIFICACIÓN RSR (ROCK STRUCTURE RATING) ................................................................. 7-15
SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BIENIAWSKI – RMR (ROCK MASS
RATING 1973, 1989) ........................................................................................................................... 8-19
SISTEMA DE CLASIFICACIÓN Q (ROCK MASS QUALITY) ....................................................... 9-24
SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GSI ............................................................................................... 10-35
CLASIFICACIÓN RMI (ÍNDICE DEL MACIZO ROCOSO)........................................................... 11-40
DISEÑO DEFINITIVO DE SOPORTE DEL TÚNEL ....................................................................... 12-43
CLASIFICACIÓN INDIRECTA ........................................................................................................ 13-44
CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Y RECOMENDACIONES DE SOPORTE DE UN
TÚNEL VIAL TRAMO II ................................................................................................................. 14-45
CÁLCULOS TRAMO II ..................................................................................................................... 15-46
CLASIFICACIÓN ISRM (SOCIEDAD INTERNACIONAL DE MECÁNICA DE ROCAS),
1970 16-47
CLASIFICACIÓN DE TERZAGHI (1946) ........................................................................................ 17-48
CLASIFICACIÓN RSR (ROCK STRUCTURE RATING) ............................................................... 18-51
SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BIENIAWSKI – RMR (ROCK MASS
RATING 1973, 1989) ......................................................................................................................... 19-54
SISTEMA DE CLASIFICACIÓN Q (ROCK MASS QUALITY) ..................................................... 20-59
SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GSI ............................................................................................... 21-69
CLASIFICACIÓN RMI (ÍNDICE DEL MACIZO ROCOSO –ROCK MASS INDEX) ................... 22-72
DISEÑO DEFINITIVO DE SOPORTE DEL TÚNEL ....................................................................... 23-75
CLASIFICACIÓN INDIRECTA ........................................................................................................ 24-76
DISEÑO MALLA DE PERFORACIÓN Y VOLADURA ................................................................. 25-77
RECOMENDACIONES PARA LA EXCAVACIÓN Y MANEJO DE ESCOMBROS ...................... 26-1
CONCLUSIONES............................................................................................................................... 28-12
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................. 29-13
ANEXOS ............................................................................................................................................... 30-1

TUNELES


LISTA DE TABLAS
TRAMO I
Tabla 1. Datos iníciales del túnel....................................................................................................................... 3-8
Tabla 2. Datos Tramo I..................................................................................................................................... 3-8
Tabla 3. Distintas Clasificaciones según autor ................................................................................................ 5-10
Tabla 4. Clasificación modificada por Deere et al (1970) sobre la de Terzaghi .............................................. 6-12
Tabla 5. Descripción y Clasificación por el parámetro RQD. ......................................................................... 6-13
Tabla 6. Recomendaciones de soporte para el túnel con base en el RQD ....................................................... 6-14
Tabla 7. Parámetro A: Aspectos Geológicos Generales .................................................................................. 7-15
Tabla 8. Parámetro B: Patrón de juntas y dirección de avance ....................................................................... 7-16
Tabla 9. Parámetro C: Agua subterránea y condición de la junta .................................................................... 7-16
Tabla 10. Clasificación geomecánica de macizos rocosos por el sistema RMR ............................................. 8-19
Tabla 11. Efecto de la discontinuidad, la dirección y el buzamiento en el túnel ............................................. 8-20
Tabla 12. Valores de ajuste para el RMR ........................................................................................................ 8-20
Tabla 13. Clasificación del macizo rocoso determinado a partir de la calificación total ................................. 8-21
Tabla 14. Características resistentes del macizo rocoso .................................................................................. 8-21
Tabla 15. Guía para excavación y soporte de un túnel en roca de acuerdo con la clasificación geomecánica
RMR ................................................................................................................................................................ 8-23
Tabla 16. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jn) ....................................................................... 9-25
Tabla 17. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jr) ........................................................................ 9-27
Tabla 18. Índices de alteración de discontinuidades (Ja) ................................................................................. 9-28
Tabla 19. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jw) ....................................................................... 9-28
Tabla 20. Rango de variación de parámetros................................................................................................... 9-30
Tabla 21. Calificaciones de la clasificación del sistema SRF .......................................................................... 9-31
Tabla 22. Clasificación de Barton de los macizos rocosos, Indice de Calidad Q ............................................ 9-31
Tabla 23. Valores supuestos de la relación de soporte de la excavación (ESR), según Barton ....................... 9-32
Tabla 24. Caracterización de macizos rocosos con base en su grado de fracturamiento y estado de las diaclasas
(Hoek y Brown, 1997. ................................................................................................................................... 10-36
Tabla 25. Estimación del Índice GSI con base en descripciones geológicas (Hoek y Brown, 1997. ............ 10-37
Tabla 26. Calificación sistema RMI .............................................................................................................. 11-41
Tabla 27. Resumen comparativo de clasificaciones del macizo rocoso y recomendaciones de soporte del túnel
vial ................................................................................................................................................................. 11-42

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TUNELES


TRAMO II
Tabla 28. Datos iníciales del túnel................................................................................................................. 14-45
Tabla 29. Datos del Tramo II ........................................................................................................................ 14-45
Tabla 30. Distintas Clasificaciones según autor ............................................................................................ 16-47
Tabla 31. Clasificación modificada por Deere et al (1970) sobre la de Terzaghi .......................................... 17-48
Tabla 32. Descripción y Clasificación por el parámetro RQD. ..................................................................... 17-49
Tabla 33. Recomendaciones de soporte para el túnel con base en el RQD ................................................... 17-50
Tabla 34. Parámetro A: Aspectos Geológicos Generales .............................................................................. 18-51
Tabla 35. Parámetro B: Patrón de juntas y dirección de avance ................................................................... 18-51
Tabla 36. Parámetro C: Agua subterránea y condición de la junta ................................................................ 18-52
Tabla 37. Clasificación geomecánica de macizos rocosos por el sistema RMR ........................................... 19-54
Tabla 38. Efecto de la discontinuidad, la dirección y el buzamiento en el túnel ........................................... 19-55
Tabla 39. Valores de ajuste del RMR ............................................................................................................ 19-55
Tabla 40. Clasificación del macizo rocoso determinado a partir de la calificación total ............................... 19-56
Tabla 41. Características resistentes del macizo rocoso ................................................................................ 19-56
Tabla 42. Guía para excavación y soporte de un túnel en roca de acuerdo con la clasificación geomecánica
RMR .............................................................................................................................................................. 19-58
Tabla 43. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jn) ..................................................................... 20-60
Tabla 44. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jr) ...................................................................... 20-61
Tabla 45. Índices de alteración de discontinuidades (Ja) ............................................................................... 20-62
Tabla 46. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jw) ..................................................................... 20-63
Tabla 47. Rango de variación de parámetros................................................................................................. 20-65
Tabla 48. Calificaciones de la clasificación del sistema SRF ........................................................................ 20-65
Tabla 49. Clasificación de Barton de los macizos rocosos, Indice de Calidad Q .......................................... 20-66
Tabla 50. Valores supuestos de la relación de soporte de la excavación (ESR), según Barton ..................... 20-66
Tabla 51. Caracterización de macizos rocosos con base en su grado de fracturamiento y estado de las diaclasas
(Hoek y Brown, 1997. ................................................................................................................................... 21-70
Tabla 52. Estimación del Índice GSI con base en descripciones geológicas (Hoek y Brown, 1997. ............ 21-71
Tabla 53. Calificación sistema RMI .............................................................................................................. 22-73
Tabla 54. Resumen comparativo de clasificaciones del macizo rocoso y recomendaciones de soporte del túnel
vial ................................................................................................................................................................. 22-74

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TUNELES


LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Esquema de Terzaghi ....................................................................................................................... 6-11
Figura 2 .Esquistosidad. .................................................................................................................................. 7-16
Figura 3. Escala descriptiva de observación para determinar la rugosidad (Hoek, 1981) ............................... 9-25
Figura 4. Rugosidad del macizo ...................................................................................................................... 9-26
Figura 5. Perfiles tipo para la determinación del coeficiente de rugosidad de la discontinuidad, JRC ........... 9-26
Figura 7. Escala descriptiva de observación para determinar la rugosidad (Hoek, 1981) ............................. 20-60
Figura 8. Rugosidad del macizo .................................................................................................................... 20-60
Figura 9. Perfiles tipo para la determinación del coeficiente de rugosidad de la discontinuidad, JRC ......... 20-61

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TUNELES


LISTA DE GRÁFICAS
TRAMO I

Gráfica 1. Carta de Soporte para el Túnel ...............................................................................................................7-17
Gráfica 2. Clasificación geomecánica de macizos rocosos para minería y túneles ..................................................8-22
Gráfica 3. Relación entre la dimensión equivalente máxima de una excavación subterránea sin soporte y el
índice Q de la calidad para túneles (NGI) ................................................................................................................9-33
Gráfica 4. Categorías de soporte estimadas basadas en el Índice de Calidad del Macizo Rocoso Q (Después
de Grimstad y Barton, 1993) ....................................................................................................................................9-34

TRAMO II
Gráfica 5. Carta de Soporte para el Túnel ............................................................................................................. 18-53
Gráfica 6. Clasificación geomecánica de macizos rocosos para minería y túneles ................................................ 19-57
Gráfica 7. Relación entre la dimensión equivalente máxima de una excavación subterránea sin soporte y el
índice Q de la calidad para túneles (NGI) .............................................................................................................. 20-67
Gráfica 8. Categorías de soporte estimadas basadas en el Índice de Calidad del Macizo Rocoso Q (Después
de Grimstad y Barton, 1993) .................................................................................................................................. 20-67

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TUNELES


1. INTRODUCCIÓN
Los túneles, en los países desarrollados, se han constituido como importantes elementos de
desarrollo, involucrados dentro de la gestión de infraestructura, no solo han permitido
trasladar personas y bienes de un lugar a otro, sino también, han participado en la
resolución de conflictos de tráfico, de manejo y disposición de agua, incluso, para el
aumento las áreas urbanas, posibilitando áreas adicionales, por debajo de la superficie de la
corteza terrestre, dentro de estas excavaciones pueden ser construidas todo tipo de
edificaciones e instalaciones públicas y privadas que mejoran el aprovechamiento del
espacio público.
En este documento, se establecerán algunos aspectos técnicos referentes al diseño de
túneles, sistemas de clasificación geomecánicas que se hacen dentro del macizo rocoso, a
fin de conocer las cualidades de resistencia y deformación, propias de la roca y con ello
establecer las magnitudes de refuerzo y necesidades de sostenimiento.
Actualmente se vienen adelantando trabajos de consultoría sobre proyectos que involucran
túneles dentro de sus alineamientos, especialmente destinados a complementar desarrollos
viales y en ciertas condiciones, proyectos hidroeléctricos y de trasporte de agua, la
complejidad de la geología colombiana y el reciente desarrollo de la mecánica de rocas, así
como la metodología de construcción de túneles, precisa aplicar una enorme gama de
procedimientos de trabajo, con el ánimo de tener una mayor exactitud en los resultados
obtenidos, adicionalmente conocer la forma más adecuada para arrancar, manipular y
transportar la roca, producto de las excavaciones subterráneas, para realizar estos trabajos
de campo, es necesario conocer la naturaleza del macizo rocoso. El presente trabajo
contiene la clasificación del mencionado macizo por los sistemas ISRM, Terzaghi, RSR,
RMR, Q, GSI y RMI. Así mismo los cálculos de tiempo y distancia de auto soporte y las
características propias del macizo como son: módulo de young, cohesión y ángulo de
fricción.
Con los datos obtenidos y la caracterización propia de este macizo rocoso, se diseñará la
malla de perforación y voladura más apropiada, a través de la cual se agilice la construcción
del túnel, así como el volumen de material extraído y las recomendaciones para el manejo
de éste.

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TUNELES


2. OBJETIVOS
Clasificar el macizo rocoso por los sistemas de ISRM, Terzaghi, RSR, RMR, Q,
GSI y RMI.
Determinar el tiempo y distancia de autosoporte.
Determinar las características del macizo rocoso (módulo de young, cohesión,
ángulo de fricción).
Diseñar la malla de perforación y voladura para agilizar la construcción del túnel.
Calcular el volumen de material extraído y sus recomendaciones para manejo dentro
de las actividades de excavación.

2-7

TUNELES


3. CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Y RECOMENDACIONES DE SOPORTE
DE UN TÚNEL VIAL TRAMO I
Planteamiento del problema
Profundidad (cobertura)

800 m

Longitud

5000 m

Ancho

12 m

Altura

8m

Características

Camino de herradura,

Macizo

Ígneometamórfico
(diorita-esquistografitico), 2.4 Ton/m3. Diaclasado en toda su
longitud.

k

σh/ σv = 1.3
Tabla 1. Datos iníciales del túnel

# de diaclasas/ m3 (jv)

20

(Is)

5 Mpa

Discontinuidad más evidente

Esquistosidad

Buzamiento

Normal al túnel con 70°en contra de su
dirección de avance principal

Avance del Túnel

dd= N-S/70°. Dirección Este – Oeste.

Presencia de agua media en el túnel

10L/min por c/100m

Diaclasas

Abiertas 2 mm, material de relleno arcilloso
Tabla 2. Datos Tramo I

1. Clasificar el macizo rocoso directa e indirectamente con ISRM, Terzaghi, RSR, RMR, Q,
RMI, GSI.
2. Tiempo de autosoporte, distancia de autosoporte, características del macizo (módulo de
Young, cohesión, fricción), Diseño de autosoporte.
3. Diseño de la malla de perforación y voladura propuesta para agilizar la construcción del
túnel.
4. Calcular el volumen de material extraído y recomendaciones.
5. Hacer diagramas respectivos.

3-8

TUNELES


4. CÁLCULOS TRAMO I
Cálculo del esfuerzo horizontal
=

=

× .

=
=

/

/

×

×

=

=

=

/

,

Cálculo del índice de calidad de la roca RQD (Rock Quality Designation)
El RQD se calcula mediante la siguiente ecuación:
RQD = 115 − 3.3 × J#
Donde: Jv es el número diaclasas por m3 = 20
$%& = 115 − 3.3 × 20
$%& = 49
Cálculo de la resistencia a la compresión simple
$+, = -20 − 24. × /0 (Se asume un valor de 20)
$+, = -20. × 5 = 100 123

4-9

TUNELES


5. CLASIFICACIÓN ISRM (SOCIEDAD INTERNACIONAL DE MECÁNICA DE
ROCAS), 1970

La resistencia a compresión simple = 100 Mpa de la roca intacta proporciona un criterio,
utilizado por muchos autores, para clasificar la roca (Tabla 3). Los criterios son dispares pero
en general se acepta que resistencias inferiores a 1 MPa son ya típicas de los suelos.
Con el valor de la Resistencia a la compresión simple (qu = 100Mpa), ingresamos a la Tabla No. 4,
y según la clasificación ISRM, obtenemos un tipo de roca entre media y alta.

Tabla 3. Distintas Clasificaciones según autor

5-10

TUNELES


6. CLASIFICACIÓN DE TERZAGHI (1946)
Terzaghi clasifica el terreno en diez categorías y proporciona la "carga de roca" o tensión vertical
que soportarían las cerchas de sostenimiento de un túnel construido por procedimientos
tradicionales. Refleja la práctica habitual de los años 1930-1970 en Norteamérica. Los conceptos de
Terzaghi en relación con el comportamiento del terreno están sintetizados en la Figura 1. La
clasificación original fue modificada por Deere et al (1970) y se recoge en la Tabla 4
Inadecuada cuando se utilizan las técnicas modernas de construcción de túneles en roca que hacen
uso intensivo de hormigón proyectado y bulonado. La clasificación de la roca es poco objetivable.

Figura 1. Esquema de Terzaghi

6-11

TUNELES


Tabla 4. Clasificación modificada por Deere et al (1970) sobre la de Terzaghi

Altura de presión de soporte ó carga de roca (Hp)
Para RQD = 49%, en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. la altura de presión de
soporte o carga de roca inicial es:
6-12

TUNELES

45 = 0.6+

Donde:
Siendo:
B = Ancho del túnel = 12 m
Ht = Altura del túnel = 8 m
Entonces:


+ = 7 8 49

+ = 12 8 8 = 20 ;
45 = 0.6 × 20; = 12 ;
1 <=
45 = 12 ; ×
= 39.4 <=
0.3048 ;

Condición del macizo rocoso:
Se presenta en muchos bloques, diaclasado y fracturado.
Posee poca o ninguna presión lateral.
Teniendo en cuenta que para un RQD=49, la calidad de la roca es muy pobre (Tabla 5).

Tabla 5. Descripción y Clasificación por el parámetro RQD.

A partir del dato obtenido anteriormente, la Tabla 6, recomienda el tipo de soporte para túneles en
toca (6m a 12m de diámetro), del cual se obtiene que:
RECOMENDACIONES DE SOPORTE PARA EL TÚNEL CON BASE EN EL RQD
CALIDAD DE

MÉTODO

SISTEMAS ALTERNATIVOS DE SOPORTE

6-13

TUNELES
LA ROCA

CONSTRUCTIVO
DEL TÚNEL

Tuneladora

ARCOS METÁLICOS

Arcos
medianos
circulares separados de
3 a 4 ft (0.91 m a 1.22
m) entre centros.
Carga de la roca= (1.0
– 1.6)B

Pobre
25<RQD<50
Convencional

Arcos
medianos
pesados separados de 2
a 4 ft (0.61 m a 1.22 m)
entre ejes.
– 2.0)B

PERNOS DE
ANCLAJE

CONCRETO
LANZADO

Patrón de 3 a 5 ft
(0.91 m a 1.52 m)
entre centros.

4 a 6 in (0.10 a
0.15 m) en la
clave y lados,
combinado
con
pernos.

Patrón de 2 a 4 ft
(0.61 m a 1.22 m)
entre centros.

6 o más in (0.15
m o más) en la
clave y lados,
combinado
con
pernos.

Tabla 6. Recomendaciones de soporte para el túnel con base en el RQD

6-14

TUNELES


7. CLASIFICACIÓN RSR (ROCK STRUCTURE RATING)
La propuesta del índice RSR en 1972 fue un avance importante en la clasificación de macizos
rocosos. Por primera vez se construía un índice a partir de datos cuantitativos de la roca. Era pues,
un sistema completo con menos influencia de aspectos subjetivos. Se calculaba sumando tres
contribuciones (A, B y C) relacionados con aspectos geológicos generales (A), fracturación y
dirección del avance (B) y condiciones de agua y de las juntas (C). Estas tablas no corresponden a la
clasificación original (1972) sino a la versión actualizada de 1974 tal y como la recoge Bieniawski
(1984).
Este índice y las recomendaciones para el sostenimiento se basaron fundamentalmente en túneles
sostenidos mediante cerchas. Los autores resumieron en gráficos correspondientes a diferentes
diámetros de túnel el sostenimiento necesario para cada valor de RSR.
Cálculo del parámetro A – Aspectos geológicos generales
Tipo de roca básico: Ígnea - Metamórfica
Estructura geológica: moderadamente fallada o plegada.

Tabla 7. Parámetro A: Aspectos Geológicos Generales

De acuerdo con la Tabla 7, el Parámetro A = 15, para la roca ígnea, para la roca metamórfica A =
10.
Cálculo del parámetro B – Fracturación y dirección del avance
El túnel es perpendicular, en contra del avance principal.
Promedio de separación de juntas: Teniendo en cuenta que la calidad de la roca es pobre con
RQD=49, se estima que las juntas o discontinuidades están estrechamente unidas con
separación entre 6 y 12 pulgadas (15 y 30 cm). Así mismo, debido a la esquistosidad presente
en la roca, caracterizada por la disposición de los minerales en hojas alineadas, susceptibles de
poder ser separadas por estos planos.

7-15

TUNELES

Figura 2 .Esquistosidad.

La inclinación de la estratificación (70 grados) es vertical, debido a que está en el rango 50-90
grados.

Tabla 8. Parámetro B: Patrón de juntas y dirección de avance

De acuerdo con la Tabla 8, el Parámetro B = 22
Cálculo del parámetro C – condiciones de agua y de las juntas calidad general del macizo
rocoso, debido a los parámetros A y B combinados:
Parámetro A + B = 15 + 22 = 37 (Roca ígnea)
Parámetro A + B = 10+ 22 = 32 (Roca metamórfica)
El rango para ambos tipos de roca está entre 13 – 44.
Condición de la junta: pobre, debido a que está severamente erosionada y alterada.
Caudal = 10 lit/m/min, por c/100 m.
+3>?3@ =

10@A=
1D
0.3048;
D
∗
∗
= 0,0806
∗ 1000<= = 8,06 D2;
100; ∗ ;AC 3,7854118 @A=
1<=
<= ∗ ;AC

Tabla 9. Parámetro C: Agua subterránea y condición de la junta
7-16

TUNELES


De acuerdo con la Tabla 9, el Parámetro C = 9
Cálculo de RSR
El número RSR, se calcula por medio de la ecuación: $,$ = F 8 7 8 +
$,$ = 15 8 22 8 9 = 46 (Roca Ígnea)
$,$ = 10 8 22 8 9 = 41 (Roca Metamórfica)
Estimación del soporte del túnel
Para estimar el soporte requerido para el túnel con RSR promedio = 46 + 41/2 = 44, se utiliza la

Gráfica 1

Gráfica 1. Carta de Soporte para el Túnel

+3GD3 ?H GIJ3 = 2500

@K 1MD
1<= L
∗
∗
<= L 2.2@K -30.48 J;.L

+3GD3 ?H GIJ3 = 1.22

MD
MD
= 12.200 L
L
J;
;

7.1.1 Soporte con arco de acero
De acuerdo con la Gráfica 1, el arco de soporte seleccionado es 8 WF 31, separado 6.10 ft (1.90 m).
Opcionalmente se pueden emplear:
7.1.2 Pernos de anclaje
De acuerdo con la Gráfica 1, los pernos de roca son de una (1) pulgada de diámetro (25 mm)
espaciados cada 3.3 ft (1 m).
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TUNELES


7.1.3 Concreto lanzado
De acuerdo con la Gráfica 1, el espesor de concreto lanzado es de 2.9 pul (7 cm).

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8. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BIENIAWSKI – RMR
(ROCK MASS RATING 1973, 1989)
En este sistema el índice RMR se obtiene como suma de cinco números que son a su vez
función de:
La resistencia a la compresión simple de la roca matriz
RQD
Espaciamiento de las discontinuidades
Condición de las discontinuidades
Condición del agua
Orientación de las discontinuidades
Resistencia a la compresión simple de la roca matriz

Para el valor de RCS=100 Mpa, se obtiene una calificación de 12.

Tabla 10. Clasificación geomecánica de macizos rocosos por el sistema RMR

Índice de calidad de la roca (RQD)
Para el valor de RQD=49, se obtiene una calificación de 8.
Espaciamiento de discontinuidades
Para RQD = 49%, el espaciamiento entre discontinuidades = 9 cm = 90 mm (Tabla 5), se obtiene
una calificación de 8.
Para separación de diaclasas de 100 mm, se obtiene una calificación de 10.
8-19

TUNELES


Condición del agua subterránea
El caudal de agua subterránea es de 10 lit/m/min por cada 100 m de longitud de túnel = 0,1lit/min),
valor menor de 10lit/min, se obtiene una calificación de 10.
Nota: El valor de la calificación de cada parámetro se tomó de la Tabla 10. Clasificación geomecánica de
macizos rocosos por el sistema RMR

Cálculo del RMR

$1$ = 12 8 8 8 8 8 10 8 10
$1$ = 48

Ajuste de la calificación por orientación de las discontinuidades
El túnel avanza con el buzamiento de 70º en contra del avance principal.
De acuerdo con la Tabla 11, cuando se avanza con el buzamiento de 70 en contra del avance
principal, la condición es “menos favorable (Fair)”.

Tabla 11. Efecto de la discontinuidad, la dirección y el buzamiento en el túnel

De acuerdo a las condiciones obtenidas en la Tabla 12, se obtienen los siguientes valores
para el ajuste del RMR:

Tabla 12. Valores de ajuste para el RMR

+IC?AJAóC ;HCI0 <3OIG3K@H $1$ = 48 − 5 = 43
Con el valor de RMR = 43, se evalúa la calidad del macizo rocoso, el cual está en el rango de 41-60,
por tanto se obtiene Clase No. III, el cual corresponde a una regular. (Tabla 13)
8-20

TUNELES


Tabla 13. Clasificación del macizo rocoso determinado a partir de la calificación total

Con la Clase No.III, se obtienen las características resistentes del macizo (Tabla 14)
Promedio de tiempo sin soporte = Una semana para una luz libre de 5m.
Cohesión del macizo rocoso = 200 – 300 KPa.
Ángulo de fricción del macizo rocoso = 25º – 35º

Tabla 14. Características resistentes del macizo rocoso

Presión de soporte (P)
La presión de soporte se puede determinar a partir de la siguiente ecuación:

Donde:
P, es la presión de soporte.
T9 = U

VWWXYZY
[∗
VWW

100 − $1$
R ∗ S ∗ 7 = S ∗ T9
P=Q
100

7, altura de la roca en metros

B, ancho del túnel en metros (B = 12 m).
RMR, calificación del macizo rocoso a partir de la clasificación geomecánica (RMR = 37, menor
valor, por ser la condición más desfavorable).
S, densidad de la roca en kg/m3 (S = 2400 kg/m3).
MD
100 − 43
R ∗ 2400 ∗ 12;
P = Q
;
100
P = 164165

8-21

MD
;L

TUNELES


Módulo de Young del macizo rocoso (EM)
Para RMR < 50, se tiene que:
]Z = 10

YZYXVW
^W
_P3

]Z = 10

^XVW
^W _P3

]Z = 6,7 _P3
En la Gráfica 2, para un RMR = 43 se tiene que el tiempo sin soporte y la luz libre del techo, en
promedio están en rangos cercanos a los indicados en la Tabla 14.

Gráfica 2. Clasificación geomecánica de macizos rocosos para minería y túneles

Recomendaciones de soporte de acuerdo con la clasificación geomecánica RMR

Teniendo en cuenta el valor de RMR obtenido, se obtienen las recomendaciones de soporte
(Tabla 15)
CLASE DE
MACIZO ROCOSO

EXCAVACIÓN

PERNOS (20 mm de
diámetro inyectados

SOPORTE CON
CONCRETO
LANZADO

Pernos
Galería superior: 1.5 - 3 m
sistemáticos, 4 m
de avance en media
50 - 100 mm en
de longitud
III. Roca Regular sección. Inicio del soporte
la corona y 30
espaciados 1.5 - 2
RMR: 41 - 60
después de cada voladura.
m en la corona y mm por los lados
Soporte completo a 10 m
hastiales con malla
del frente.
en la corona

8-22

ARMADURA EN
ACERO

Ninguno

TUNELES


Tabla 15. Guía para excavación y soporte de un túnel en roca de acuerdo con la clasificación
geomecánica RMR

8-23

TUNELES


9. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN Q (ROCK MASS QUALITY)
El índice Q se obtiene mediante la siguiente expresión:

Donde, además del RQD, se introducen los parámetros siguientes:
Jn parámetro para describir el número de familias de discontinuidad
Jr parámetro para describir la rugosidad de las juntas
Ja parámetro para describir la alteración de las juntas
Jw factor asociado al agua en juntas
SRF factor asociado al estado tensional (zonas de corte, fluencia, expansividad, tensiones “in
situ”)

La asociación de factores permite dar un sentido físico a cada uno de ellos:
• Jn/RQD

Representa el tamaño del bloque medio.

• Ja/Jr

Reúne términos de rugosidad, fricción y relleno de las juntas y representa
la resistencia al corte entre bloques.

• Jw/SRF

Combina Condiciones de agua y tensión y, por tanto, puede representar
una tensión activa o eficaz.

Aunque en el índice Q no se menciona explícitamente la orientación de las juntas, señalan sus
autores que los valores de Jr y Ja se han de referir a la familia de juntas que con más probabilidad
puedan permitir el inicio de la rotura.
Índice de calidad de la roca, RQD
El índice de calidad de roca (RQD) determinado es de 43, equivalente a una roca pobre, según la

Tabla 5
Número de familias de discontinuidades, Jn

Teniendo en cuenta que el macizo se encuentra diaclasado en toda su longitud, se toma el
valor de 12 (tres familias de diaclasas + una que no es persistente, el valor estaría entre 9 y
12, por seguridad se toma 12), Tabla 16

9-24

TUNELES


Tabla 16. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jn)

Número de rugosidad de las discontinuidades, Jr
La rugosidad es una medida de la forma de las superficies que conforman la discontinuidad. Una
clasificación cualitativa de la rugosidad se basa en la observación de la superficie en dos escalas
descriptivas. La escala intermedia (varios metros) que se divide en tres grados: escalonada,
ondulada y plana y una escala pequeña (varios centímetros) que divide cada grado de la escala
intermedia en: rugosa, lisa y pulida. La Figura 3 presenta una escala descriptiva comúnmente
utilizada para clasificar el tipo de rugosidad. El coeficiente de rugosidad de la discontinuidad, JRC
= 6 a 8 (Figura 5).

Figura 3. Escala descriptiva de observación para determinar la rugosidad (Hoek, 1981)

9-25

TUNELES


Figura 4. Rugosidad del macizo

Figura 5. Perfiles tipo para la determinación del coeficiente de rugosidad de la discontinuidad, JRC

La junta con un JRC = 6 – 8 es rugosa o irregular, planar, se estima por comparación de perfiles
mostrados en la figura y teniendo en cuenta las características del macizo. A partir de este dato se
determina Jr = 1.5, (Tabla 17), basado en la relación o el contacto entre las dos caras de la junta con
poco desplazamiento lateral de menos de 10 cm.

9-26

TUNELES


Tabla 17. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jr)

Número por la alteración de las discontinuidades, Ja
Según la Tabla 18, para contacto entre 2 caras de la diaclasa con < de 10 cm desplazamiento
lateral, y teniendo en cuenta que las diaclasas están abiertas 2 mm y rellenas de material arcilloso,
se tiene que:
9.1.1 Sobreconsolidación media a baja, blandos, rellenos de minerales arcillosos. Los
recubrimientos son continuos de < de 5 mm de espesor.
Para el presente macizo se adopta el numeral 7.4.2 por lo tanto Ja = 8

9-27

TUNELES


Tabla 18. Índices de alteración de discontinuidades (Ja)

Factor de reducción por presencia de agua, Jw
Teniendo en cuenta que el caudal de aguas de infiltración es de 10lit/ /min por c/100m de túnel
(Tabla 19) se presenta una fluencia pequeña o presión baja, < 5 l/min, por lo tanto, Jw = 1

Tabla 19. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jw)

Factor de reducción por los esfuerzos, SRF

De acuerdo con la Tabla 21, la roca es competente con problemas de esfuerzos (numeral b). Se
determinan las siguientes relaciones:
9-28

TUNELES


à
1.
`V

Donde:
à = 100 1P3, $H0A0=HCJA3 3 @3 JI;2GH0AóC 0A;2@H
MD
à = 100 ∗ 10 = 1000 L
J;
`V = S ∗ T9
Donde:
S = 2.4

=
,
;

T9 = 800 ;,
`V = 2.4

&HC0A?3? ?H @3 GIJ3
PGI<>C?A?3? ?H@ =úCH@

=
= 1000MD
1;L
∗ 800 ; = 1920 L ∗
∗
-100J;.L
;
;
1=

MD
J;L
MD
à 1000 J;L
=
MD
`V
192
J;L
à
= 5.21
`V
`V = 192

Según la Tabla No. 26,

cd
ce

= 5.56, está en el rango 10 – 5, que corresponde al numeral K

(Tensiones altas, estructura muy compacta, favorable para la estabilidad, puede ser desfavorable
para la estabilidad de los hastiales), por lo tanto el número SRF están en el rango 0.5 – 2 → SRF =
2.
`9
2.
`V
Donde:
VWW

`9 = VW 1P3 = 10 123, $H0A0=HCJA3 ?H @3 GIJ3 3 @3 fG3JJAóC, la cual es la décima parte de
la Resistencia a la compresión simple.
`9 = 10 ∗ 10 = 100
`V = 192

MD
J;

MD
J;L

Entonces:
9-29

TUNELES


MD
`9 100 J;L
=
MD
`V
192
J;
`9
= 0.52
`V
Según la Tabla 21,

cg
ce

= 0.52 está en el rango 0.66 – 0.33, que corresponde al numeral K

(Tensiones altas, estructura muy compacta, favorable para la estabilidad, puede ser desfavorable
para la estabilidad de los hastiales), por lo tanto el número SRF están en el rango 0.5 – 2 → Se toma
c
SRF = 2, igual que para la relación cd .
e

Índice Q de calidad NGI

%=

$%& hj hl
∗ ∗
hi
hk ,$m

%=

43 1.5 1
∗
∗
12 8 0,5
% = 1,3

El valor obtenido (Q=1,3), de acuerdo a la Tabla 22. Clasificación de Barton de los macizos
rocosos, Indice de Calidad Q, clasifica como mala, si se reemplaza el valor de SRF por 2, se
obtiene un valor de Q = 0,3, lo cual clasifica como una roca muy mala.

RQD
Jn
Jr
Ja
Jw

0-100
0,5-20
0,5-4
0,75-20
0,05-1

SRF

0,5-20

Tabla 20. Rango de variación de parámetros

9-30

TUNELES


Tabla 21. Calificaciones de la clasificación del sistema SRF

TIPO DE ROCA

VALOR DE Q

Excepcionalmente Mala
Extremadamente Mala
Muy mala
Mala
Media
Buena
Muy Buena
Extremadamente Buena

0,001 - 0,01
0,01 - 0,1
0,1 - 1
1-4
4 - 10
10 - 40
40 - 100
100 - 400

Excepcionalmente Buena

400 - 1000

Tabla 22. Clasificación de Barton de los macizos rocosos, Indice de Calidad Q
9-31

TUNELES


9.1.2 Cálculo de la luz libre sin soporte del túnel
Ecuación:
&n =

o>p @AKGH -;.
$H@3JAóC ?H 0I2IG=H ?H @3 HqJ3O3JAóC ],$

Donde:
ESR, es la relación de soporte de la excavación, la cual tiene que ver con el uso que se pretende
dar a la excavación y hasta dónde se le puede permitir cierto de grado de inestabilidad. Barton
da los valores supuestos para ESR. Indicados en la Tabla 23

Tabla 23. Valores supuestos de la relación de soporte de la excavación (ESR), según Barton

Para el presente ejercicio, correspondiente a un túnel carretero pequeño, ESR = 1.3.
Entonces:
o>p @AKGH = &n ∗ 1.3
En la Gráfica 3, para un Q = 1,3 se obtiene &n = 2,5

9-32

TUNELES


Gráfica 3. Relación entre la dimensión equivalente máxima de una excavación subterránea sin soporte
y el índice Q de la calidad para túneles (NGI)

Entonces:
o>p @AKGH = 2,5 ∗ 1.3 = 3,25 ;
9.1.3 Clasificación y recomendaciones de soporte de acuerdo con el sistema de clasificación Q
Índice de calidad del macizo rocoso, % = 1,3
rsáun9jv wnx 9úinx u.

VL

Dimensión equivalente, &n =
= V. = 9,23
Ynxkasói wn yv5vj9n wn xk nzak{kasói |}Y

9-33

TUNELES
Gráfica 4. Categorías de soporte estimadas basadas en el Índice de Calidad del Macizo Rocoso Q
(Después de Grimstad y Barton, 1993)

De acuerdo con la Gráfica 4, se tiene la siguiente clasificación y recomendaciones de soporte:
9.1.3.1 Clasificación del macizo rocoso
Macizo rocoso pobre
9.1.3.2 Tipo de Soporte
•
•

Categoría de refuerzo: 5, Concreto lanzado de 5 cm de espesor con malla.
Pernos de anclaje:
- En malla, separación 1.70 m.
- Longitud del perno (L): 2.9 m para ESR = 1

9-34

TUNELES


10. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GSI
Hoek, et al (1995) han propuesto un índice geológico de resistencia, GSI (geological strength
index), que evalúa la calidad del macizo rocoso en función del grado y las características de la
fracturación, estructura geológica, tamaño de los bloques y alteración de las discontinuidades.
Teniendo en cuenta las características del macizo se tiene una roca pobre P (Superficies de cizalla
muy alteradas con rellenos compactados que contienen fragmentos rocosos), con bloques y capas (BC)
(Macizo alterado, plegado y fracturado, con múltiples diaclasas que forman bloques angulosos y con baja
proporción de finos).
Con la relación BC/P, obtenemos un valor de GSI de 35, Los valores del GSI varía desde cerca de
10, para macizos rocosos extremadamente malas, hasta 100, para la roca intacta.

10-35

POBRE
cizalla
(MP)
muy
alteradas
con

CARACTERIZACIÓN DEL MACIZO
ROCOSO PARA ESTIMAR SU RESISTENCIA

CONDICI
ÓN DEL
FRENTE
MUY
BUENA
(MB)
es muy
rugosas
sin
BUENA
(B)
nte
alteradas,
con
MEDIA
(M)
es suaves
moderad
amente
POBRE
(P)
con
rellenos
compacta
MUY

Hoek y Brown y su equivalencia con el criterio de falla de Mohr Coulomb

TUNELES


Basándose en el aspecto de la roca, se elege la
categoría que mejor describa las condiciones del
macizo previo a la excavación. Tenga en cuenta
que las voladuras pueden crear una impresión
falsa sobre la calidad del macizo rocoso, en cuyo
caso será necesario realizar algún tipo de ajuste
por daños debidos a voladuras; la observación de
núcleos de perforación y de exposiciones de roca
en zonas afectadas y no afectadas por voladuras,
pueden ser de gran ayuda. Para la definición del
grado de fracturamiento, debe considerarse la
relación entre el tamaño del bloque y la
dimensión del frente de excavación.

ESTRUCTURA
BLOQUES REGULARES (BR)
Macizo rocoso sin alterar. Bloques en
contacto de forma cúbica formados por tres
familias de diaclasas ortogonales, sin
relleno

BR/MB

BR/B

BR/M

BR/P

BR/MP

BI/MB

BI/B

BI/M

BI/P

BI/MP

BC/MB

BC/B

BC/M

BC/P

BC/MP

FI/MB

FI/B

FI/M

FI/P

FI/MP

BLOQUES IRREGULARES (BI)
Macizos rocosos parcialmente alterados.
Bloques angulares en contacto formados
por cuatro o más familias de diaclasas con
rellenos de baja proporción de finos
BLOQUES Y CAPAS (BC)
Macizo alterado, plegado y fracturado, con
múltiples diaclasas que forman bloques
angulosos y con baja proporción de finos
FRACTURACIÓN INTENSA (FI)
Macizo rocoso muy fracturado formado por
bloques angulosos y redondeados, con alto
contenido de finos

COND
ICIÓN
DEL
FREN
TE
BUE
NA
muy
rugos
as sin
BUE
NA
(B)
mente
altera
das,
MED
IA
(M)
s
mode
POB
radam
RE
rellen
(P)
os
comp
actad
POB
a muy
RE
altera
das
con

Tabla 24. Caracterización de macizos rocosos con base en su grado de fracturamiento y estado de las diaclasas (Hoek y Brown, 1997.
NDICE GEOLÓGICO DE RESISTENCIA
GSI (Geolgical Strenght Index)

10-36

TUNELES


A partir de la clasificación de la tabla anterior, se
selecciona el recuadro correspondiente y se
obtiene, en este ábaco, el valor medio del GSI.

ESTRUCTURA

80

contacto de forma cúbica formados por
tres familias de diaclasas ortogonales, sin
relleno

70

60

Bloques angulosos en contacto formados
por cuatro o más familias de diaclasas
con rellenos de baja proporción de finos.

50

40

Macizo alterado, plegado y fracturado
con múltiples diaclasas que forman
bloques angulosos y con baja proporción
de finos

30

20

Macizo rocoso muy fracturado, formado
por bloques angulosos y redondeados,
con alto contenido de finos.

10

Tabla 25. Estimación del Índice GSI con base en descripciones geológicas (Hoek y Brown, 1997.

Hoek y Brown y su equivalencia con el criterio de falla de Mohr Coulomb
PROCEDIMIENTO
Una vez establecidos sci, mi y el Índice GSI, se calculan los parámetros que describen las
características de resistencia del macizo rocoso, mediante las siguientes ecuaciones:

 GSI − 100 
mb = mi exp

28


10-37

TUNELES


Cuando GSI > 25 (macizo rocoso de calidad entre buena y razonable):

 GSI − 100 
s = exp

9



a=0

Cuando GSI < 25 (macizo rocoso de calidad muy pobre):

GSI
200
La resistencia a la tensión del macizo rocoso, se estima como:
s=0

σ tm =

a = 0.65 −

σ ci 

2

 mb − mb + 4 s 

2 

mb = 1,67

s=

0,0007

a=

stm =

-0,04

0,5

MPa

Esfuerzo máximo efectivo en la falla

 σ ' 
σ 1 ' = σ 3 '+σ ci  mb 3 + s 
 σ

ci



a

Cuando GSI > 0.25 (a = 0.5):

∂σ 1 '

∂σ 3 '

= 1+

mbσ ci
2(σ 1 '−σ 3 ')

Cuando GSI < 25:

∂σ 1 '

σ '
= 1 + a mb  3 
σ 
∂σ 3 '
 ci 

a −1

a

Relación entre el esfuerzo normal y el esfuerzo cortante en términos de los esfuerzos principales
efectivos

σ n ' = σ 3 '+

σ 1 '−σ 3 '
∂σ 1 '
∂σ 3 '+1

Relación entre el esfuerzo normal y el esfuerzo cortante en términos de los esfuerzos principales
efectivos

τ = (σ 1 '−σ 3 ') ∂σ 1 ' ∂σ '
3
 τ 
Y = log
σ 

 ci 

B=

ΣXY − (ΣX ΣY ) / T
ΣX 2 − (ΣX ) 2 / T

 σ ' −σ 
X = log n tm 
 σ

ci



A = 10^ (ΣY / T − B(ΣX / T ) )
10-38

Y = log A + B X

TUNELES


Esfuerzo cortante en la envolvente de resistencia de Mohr

 σ '−σ 
τ c = Aσ ci  n tm 
 σ

ci



B

Parámetros de la envolvente de Mohr
Angulo de fricción en la envolvente recta de Mohr-Coulomb

sin φ ' =

k −1
k +1

Resistencia cohesiva en la envolvente recta de Mohr-Coulomb

c' =

σ cm (1 − sin φ ')
2 cos φ '

10-39

TUNELES


11. CLASIFICACIÓN RMI (ÍNDICE DEL MACIZO ROCOSO)
El método de sostenimiento RMI (Índice del Macizo Rocoso –Rock Mass index) fue introducido en
1995 como resultado de una Tesis Doctoral que optaba al grado de Ph.D., llevada a cabo en la
Universidad de Oslo, Noruega. El método pide como datos de entrada, los principales rasgos que
influencian las propiedades del macizo rocoso; para ser expresados como la resistencia a la
compresión uniaxial del macizo rocoso, el RMi puede utilizarse en varias aplicaciones, adicionales
a su uso en la estimación del sostenimiento, tales como:

Caracterización de la resistencia y deformabilidad del macizo rocoso.
Cálculo de las constantes del criterio de rotura de Hoek y Brown para macizos
rocosos
Valoración o estimación del grado de penetración de máquinas tuneladoras a
sección completa (TBM).
El índice del macizo rocoso (RMi, Rock Mass index).

El índice del macizo rocoso es un parámetro volumétrico que indica, de forma aproximada,
la resistencia uniaxial a compresión de un macizo rocoso. Se expresa cómo:

Los símbolos en las expresiones anteriores representan:

σc =
JC

La resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta, medida sobre muestras de
50 mm de diámetro. (100 MPa)
Factor de estado (o condición) de las diaclasas, el cual es una medida combinada de:
el factor de tamaño y continuidad de las diaclasas (jL), el factor de rugosidad de las
diaclasas (jR), y del factor de la alteración de las diaclasas (JA); expresado como:

h+ = ho ×
Vb:

h$
1.5
=3×
= 0,6
hF
8.0

El volumen del bloque medido o expresado en m3;

Nota: Teniendo en cuenta que el macizo presenta zonas que contienen principalmente
arcillas, la estimación aproximada del sostenimiento puede llevarse a cabo, usando un
volumen de bloque mínimo nominal de Vb =1 cm3 (0.01m3)
JP:

El parámetro del diaclasado, el cual incorpora los principales rasgos del macizo
rocoso.

& = 0.37 × h+ XW.L = 0.37 × 0.6XW.L = 1.12
hP = 0,2 ~h+ × •K r
11-40

TUNELES


$1/ = 100 × 0.2 × √0.6 × 0.01V.VL = 0.09
De acuerdo a la Tabla 26 el RMI es bajo.

RMI
MUY BAJO
BAJO
MODERADO
ALTO
MUY ALTO

CALIFICACIÓN
<0.01
0.01 – 0.1
0.1 – 1
1 – 10
<10

Tabla 26. Calificación sistema RMI

SISTEMA DE
CLASIFICACIÓN

CLASIFICACIÓN
DEL MACIZO
ROCOSO

ISRM

Media - Alta

TERZAGHI

RECOMENDACIONES
GENERALES

Se presenta en muchos
bloques, diaclasado y
fracturado.

11-41

RECOMENDACIONES DE SOPORTE
PERNOS
CONCRETO
ARCOS
DE
LANZADO METÁLICOS
ANCLAJE

TUNELES

Posee poca o ninguna
presión lateral.
Una (1)
pulgada de
diámetro (25
espesor de 2.9
mm)
pul (7 cm).
espaciados
cada 3.3 ft (1
m).

RSR = 46 (Roca ígnea),
RSR =41 (Roca
metamórfica)
RSR
Roca pobre. Carga de
roca = 12,200kg/m2
RMR = 48

RMR

Galería superior: 1.5 3 m de avance en
Clase III: Roca Regular
media sección. Inicio
del soporte después de
Cohesión = 200 – 300
cada voladura. Soporte
KPa
completo a 10 m del
frente.
Ángulo de fricción = 25 –
35°
Q = 1,3
Luz libre sin soporte =
3,25 m.

Q
Macizo rocoso pobre
GSI

Sistemáticos,
4 m de
longitud
50 - 100 mm
espaciados
en la corona y
1.5 - 2 m en
30 mm por
la corona y
los lados
hastiales con
malla en la
corona

Ninguno

En malla
separados
cada 1.70 m
Longitud del
perno 2,9 m
para ESR= 1

5 cm de
espesor con
malla.

35, Macizo rocoso malo.

RMI

8 WF 31,
separado 6.10
ft (1.90 m).

0,09, Macizo rocoso malo

Tabla 27. Resumen comparativo de clasificaciones del macizo rocoso y recomendaciones de soporte del
túnel vial

11-42

TUNELES


12. DISEÑO DEFINITIVO DE SOPORTE DEL TÚNEL
De acuerdo con las recomendaciones de soporte del túnel vial, obtenidas de los diferentes sistemas
de clasificación, a continuación se presenta el diseño definitivo de soporte del túnel:
Pernos de anclaje:
En malla separados cada 1.70 m
Longitud del perno 2,9 m para ESR= 1
Concreto lanzado:
5 cm de espesor con malla.
Arcos metálicos
8 WF 31, separado 6.10 ft (1.90 m).

12-43

TUNELES


13. CLASIFICACIÓN INDIRECTA

Correlación entre RSR y Q y entre RMR y Q
1) Correlación entre RSR y Q
Se tiene que:

$,$ = 13.3@ID% 8 46.5
oID% =

Roca ígnea:

$,$ − 46.5
13.3

46 − 46.5
13.3
% = 0.917

oID% =
Roca metamórfica:

41 − 46.5
13.3
% = 0.386

oID% =

2) Correlación entre RMR y Q
Se tiene que:

$1$ = 13.5@ID% 8 43
oID% =

$1$ − 43
13.5

oID% =

43 − 43
13.5

%=1
El valor obtenido por medio de la clasificación fue de 1.3, y de acuerdo a la desviación
estándar para ambos, (7.0 y 9.4 respectivamente) está dentro del rango.

13-44

TUNELES


14. CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Y RECOMENDACIONES DE SOPORTE
DE UN TÚNEL VIAL TRAMO II
Planteamiento del problema
Profundidad (cobertura)

800 m

Longitud

5000 m

Ancho

12 m

Altura

8m

Características

Camino de herradura,

Macizo

Ígneometamórfico
(diorita-esquistografitico), 2.4 Ton/m3. Diaclasado en toda su
longitud.

k

σh/ σv = 1.3
Tabla 28. Datos iníciales del túnel

500 m

Longitud
Kinicio

K2+500
3

# de diaclasas/ m (jv)

30

(Is)

2 Mpa

Avance del Túnel

dd= Este – Oeste 70°

Presencia de agua media en el túnel

25L/min por c/100m

Apertura de diaclasas
Tipo de Avance

Con explosivos
Tabla 29. Datos del Tramo II

14-45

TUNELES


15. CÁLCULOS TRAMO II
Cálculo del esfuerzo horizontal

=

=

× .

=
=

/

/

×

×
=

=
=

/

,

Cálculo del índice de calidad de la roca RQD (Rock Quality Designation)
El RQD se calcula mediante la siguiente ecuación:
RQD = 115 − 3.3 × J#
Donde: Jv es el número diaclasas por m3 = 20
$%& = 115 − 3.3 × 30
$%& = 16
Cálculo de la resistencia a la compresión simple
$+, = -20 − 24. × /0 (Se asume un valor de 20)
$+, = -24. × 2 = 48 123

15-46

TUNELES


16. CLASIFICACIÓN ISRM (SOCIEDAD INTERNACIONAL DE MECÁNICA DE
ROCAS), 1970
Con el valor de la Resistencia a la compresión simple = 48Mpa, ingresamos a la Tabla 30, y según
la clasificación ISRM, obtenemos un tipo de roca entre moderada y media.

Tabla 30. Distintas Clasificaciones según autor

16-47

TUNELES


17. CLASIFICACIÓN DE TERZAGHI (1946)

Tabla 31. Clasificación modificada por Deere et al (1970) sobre la de Terzaghi

Altura de presión de soporte ó carga de roca (Hp)
Para RQD = 16%, en la Tabla 31, la altura de presión de soporte o carga de roca inicial es:

17-48

TUNELES


45 = 1.1+

Donde:

+ = 7 8 49

Siendo:
B = Ancho del túnel = 12 m
Ht = Altura del túnel = 8 m
Entonces:

+ = 12 8 8 = 20 ;
45 = 1.1 × 20; = 22 ;
1 <=
= 72.18 <=
45 = 22 ; ×
0.3048 ;

Condición del macizo rocoso:
Completamente triturado.
Posee poca o ninguna presión lateral.
Teniendo en cuenta que para un RQD=16, la calidad de la roca es muy pobre (Tabla 32).

Tabla 32. Descripción y Clasificación por el parámetro RQD.

A partir del dato obtenido anteriormente, la Tabla 33, recomienda el tipo de soporte para túneles en
toca (6m a 12m de diámetro), del cual se obtiene que:

CALIDAD
DE LA ROCA

MÉTODO
CONSTRUCTIVO
DEL TÚNEL

ARCOS METÁLICOS

17-49

PERNOS DE
ANCLAJE

CONCRETO
LANZADO

TUNELES


MÉTODO
CONSTRUCTIVO
DEL TÚNEL

ARCOS METÁLICOS

Tuneladora

CALIDAD
DE LA ROCA

Arcos
medianos
circulares separados
de 3 ft entre centros.
– 2.2)B

Muy pobre
RQD<25
Convencional
(Perforación y
voladura)

Arcos
pesados
separados de 2 ft entre
centros.
– 2.2)B

PERNOS DE
ANCLAJE

CONCRETO
LANZADO

Patrón de 2 a 4 ft
entre centros.

6 o más in (0.15
m o más) en la
clave y lados,
combinado con
pernos.

Patrón de 3
entre centros.

6 o más in (0.15
m o más) en la
clave y lados,
combinado con
pernos.

ft

Tabla 33. Recomendaciones de soporte para el túnel con base en el RQD

17-50

TUNELES


18. CLASIFICACIÓN RSR (ROCK STRUCTURE RATING)
Cálculo del parámetro A – Aspectos geológicos generales
Tipo de roca básico: Ígnea - metamórfica
Estructura geológica: moderadamente fallada o plegada.

Tabla 34. Parámetro A: Aspectos Geológicos Generales

De acuerdo con la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.Tabla 34, el Parámetro A = 15,
para la roca ígnea, para la roca metamórfica A = 10.
Cálculo del parámetro B – Fracturación y dirección del avance
El túnel es perpendicular, en contra del avance principal.
Promedio de separación de juntas: Teniendo en cuenta que la calidad de la roca es muy pobre
con RQD=16, se estima que las juntas o discontinuidades están estrechamente unidas con
separación entre 2 y 6 pulgadas (5 y 15 cm).
La inclinación de la estratificación (70 grados) es vertical, debido a que está en el rango 50-90
grados.

Tabla 35. Parámetro B: Patrón de juntas y dirección de avance
18-51

TUNELES


De acuerdo con la Tabla 35, el Parámetro B = 17
Cálculo del parámetro C – condiciones de agua y de las juntas calidad general del macizo
rocoso, debido a los parámetros A y B combinados:
Parámetro A + B = 15 + 17 = 32 (Roca ígnea)
Parámetro A + B = 10+ 17 = 27 (Roca metamórfica)
El rango para ambos tipos de roca está entre 13 – 44.
Condición de la junta: pobre, debido a que está severamente erosionada y alterada.
Caudal = 25 lit/ /min, por c/100 m
+3>?3@ =

25@A=
1D
0.3048;
D
∗
∗
= 0,02158
∗ 1000<= = 20,16D2;
100; ∗ ;AC 3,7854118 @A=
1<=
<= ∗ ;AC

Tabla 36. Parámetro C: Agua subterránea y condición de la junta

De acuerdo con la Tabla 36, el Parámetro C = 9
Cálculo de RSR
El número RSR, se calcula por medio de la ecuación: $,$ = F 8 7 8 +
$,$ = 15 8 17 8 9 = 41 (Roca Ígnea)
$,$ = 10 8 17 8 9 = 38 (Roca Metamórfica)
Estimación del soporte del túnel
Para estimar el soporte requerido para el túnel con RSR = 41+38/2= 40, se utiliza la Gráfica 5

18-52

TUNELES


Gráfica 5. Carta de Soporte para el Túnel

1<= L
@K 1MD
∗
∗
<= L 2.2@K -30.48 J;.L
MD
MD
+3GD3 ?H GIJ3 = 1.47 L = 14.700 L
J;
;

+3GD3 ?H GIJ3 = 3000

18.1.1 Soporte con arco de acero
De acuerdo con la Gráfica 5, el arco de soporte seleccionado es 8 WF 31, separado 4.80 ft (1.46 m).
Opcionalmente se pueden emplear:
18.1.2 Pernos de roca
De acuerdo con la Gráfica 5, los pernos de roca son de una (1) pulgada de diámetro (25 mm)
espaciados cada 2.8 ft (0.90 m).
18.1.3 Concreto lanzado
De acuerdo con la Gráfica 5, el espesor de concreto lanzado es de 3.4 pul (8.6 cm).

18-53

TUNELES


19. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BIENIAWSKI – RMR
(ROCK MASS RATING 1973, 1989)
En este sistema el índice RMR se obtiene como suma de cinco números que son a su vez
función de:
La resistencia a la compresión simple de la roca matriz
RQD
Espaciamiento de las discontinuidades
Condición del agua
Orientación de las discontinuidades
Resistencia a la compresión simple de la roca matriz

Para el valor de RCS=40 Mpa, se obtiene una calificación de 4.

Tabla 37. Clasificación geomecánica de macizos rocosos por el sistema RMR

Índice de calidad de la roca (RQD)
Para el valor de RQD=16, se obtiene una calificación de 3.
Espaciamiento de discontinuidades
Para RQD = 49%, el espaciamiento entre discontinuidades = 7 cm = 70 mm (Tabla 5), se obtiene
una calificación de 8.
Para separación de diaclasas de 70 mm, se obtiene una calificación de 8.
19-54

TUNELES


Condición del agua subterránea
El caudal de agua subterránea es de 25 lit/m/min por cada 100 m de longitud de túnel, valor que
menor de 10 lit/min, se obtiene una calificación de 10
Nota: El valor de la calificación de cada parámetro se tomó de la Tabla 37. Clasificación
geomecánica de macizos rocosos por el sistema RMR
Cálculo del RMR

$1$ = 4 8 3 8 8 8 10 8 10
$1$ = 35

Ajuste de la calificación por orientación de las discontinuidades
El túnel avanza con el buzamiento de 70º en contra del avance principal.
De acuerdo con la Tabla 38, cuando se avanza con el buzamiento de 70 en contra del avance
principal, la condición es “menos favorable (Fair)”.

Tabla 38. Efecto de la discontinuidad, la dirección y el buzamiento en el túnel

De acuerdo a las condiciones obtenidas en la Tabla 39, se obtienen los siguientes valores
para el ajuste del RMR:

Tabla 39. Valores de ajuste del RMR

+IC?AJAóC ;HCI0 <3OIG3K@H $1$ = 35 − 5 = 30
Con el valor de RMR=30, se evalúa la calidad del macizo rocoso, el cual es < de 20, por tanto se
obtiene Clase No. IV, el cual corresponde a una roca muy pobre. (Tabla 40)

19-55

TUNELES


Tabla 40. Clasificación del macizo rocoso determinado a partir de la calificación total

Con la Clase No. IV, se obtienen las características resistentes del macizo (Tabla 41)
Promedio de tiempo sin soporte = 10 horas para una luz libre de 2,5 m.
Cohesión del macizo rocoso = 100 - 200 KPa.
Ángulo de fricción del macizo rocoso = 15º - 25°

Tabla 41. Características resistentes del macizo rocoso

Presión de soporte (P)
La presión de soporte se puede determinar a partir de la siguiente ecuación:
100 − $1$
R ∗ S ∗ 7 = S ∗ T9
P=Q
100

Donde:
P, es la presión de soporte.
T9 = U

VWWXYZY
[∗
VWW

7, Altura de la roca en metros

B, ancho del túnel en metros (B = 12 m).
RMR, calificación del macizo rocoso a partir de la clasificación geomecánica (RMR = 30, menor
valor, por ser la condición más desfavorable).
S, densidad de la roca en kg/m3 (S = 2400 kg/m3).
100 − 30
MD
P = Q
R ∗ 2400 ∗ 12;
100
;
MD
P = 21060 L
;
Módulo de Young del macizo rocoso (EM)
Para RMR < 50, se tiene que:
19-56

TUNELES

]Z =

YZYXVW
10 ^W _P3

]Z = 10


WXVW
^W _P3

]Z = 3,2 _P3
En la Gráfica 6, para un RMR = 30 se tiene que el tiempo sin soporte y la luz libre del techo, en
promedio están en rangos cercanos a los indicados en la Tabla No. 16

Gráfica 6. Clasificación geomecánica de macizos rocosos para minería y túneles

Recomendaciones de soporte de acuerdo con la clasificación geomecánica RMR

Teniendo en cuenta el valor de RMR obtenido, se obtienen las recomendaciones de soporte
(Tabla 42)
EXCAVACIÓN

PERNOS (20 mm de
diámetro inyectados

SOPORTE CON
CONCRETO
LANZADO

Galería superior: 1 - 1,5 m Pernos sistemáticos,
de avance en media
4 m de longitud
100 - 150 mm en la
sección. Inicio del soporte espaciados 1.5 - 2 m
corona y 30 mm por
después de cada voladura.
en la corona y
los lados
Soporte completo a 10 m hastiales con malla
del frente.
en la corona

19-57

ARMADURA EN ACERO

Ligera a media,
espaciadas 1,5 m donde
se requiera.

TUNELES


Tabla 42. Guía para excavación y soporte de un túnel en roca de acuerdo con la clasificación
geomecánica RMR

19-58

TUNELES


20. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN Q (ROCK MASS QUALITY)
El índice Q se obtiene mediante la siguiente expresión:

Donde, además del RQD, se introducen los parámetros siguientes:
Jn parámetro para describir el número de familias de discontinuidad
Jr parámetro para describir la rugosidad de las juntas
Ja parámetro para describir la alteración de las juntas
Jw factor asociado al agua en juntas
SRF factor asociado al estado tensional (zonas de corte, fluencia, expansividad, tensiones “in
situ”)

La asociación de factores permite dar un sentido físico a cada uno de ellos:
• Jn/RQD

Representa el tamaño del bloque medio.

• Ja/Jr

Reúne términos de rugosidad, fricción y relleno de las juntas y representa
la resistencia al corte entre bloques.

• Jw/SRF

Combina Condiciones de agua y tensión y, por tanto, puede representar
una tensión activa o eficaz.

Aunque en el índice Q no se menciona explícitamente la orientación de las juntas, señalan sus
autores que los valores de Jr y Ja se han de referir a la familia de juntas que con más probabilidad
puedan permitir el inicio de la rotura.
Índice de calidad de la roca, RQD
El índice de calidad de roca (RQD) determinado es de 30, equivalente a una roca muy pobre, según
la Tabla 32
Número de familias de discontinuidades, Jn

Teniendo en cuenta que el macizo se encuentra diaclasado en toda su longitud, se toma el
valor de 15 (tres familias de diaclasas + una que no es persistente, el valor estaría entre 9 y
12, por seguridad se toma 12), Tabla 43.

20-59

TUNELES


Tabla 43. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jn)

Número de rugosidad de las discontinuidades, Jr
La rugosidad es una medida de la forma de las superficies que conforman la discontinuidad. Una
clasificación cualitativa de la rugosidad se basa en la observación de la superficie en dos escalas
descriptivas. La escala intermedia (varios metros) que se divide en tres grados: escalonada,
ondulada y plana y una escala pequeña (varios centímetros) que divide cada grado de la escala
intermedia en: rugosa, lisa y pulida. Figura 6 presenta una escala descriptiva comúnmente utilizada
para clasificar el tipo de rugosidad. El coeficiente de rugosidad de la discontinuidad, JRC = 6 a 8
(Figura 8).

Figura 6. Escala descriptiva de observación para determinar la rugosidad (Hoek, 1981)

Figura 7. Rugosidad del macizo
20-60

TUNELES


Figura 8. Perfiles tipo para la determinación del coeficiente de rugosidad de la discontinuidad, JRC

La junta con un JRC = 6 – 8 es rugosa o irregular, planar, se estima por comparación de perfiles
mostrados en la figura y teniendo en cuenta las características del macizo. A partir de este dato se
determina Jr = 1.5, (Tabla 44), basado en la relación o el contacto entre las dos caras de la junta con
poco desplazamiento lateral de menos de 10 cm.

Tabla 44. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jr)

20-61

TUNELES


Número por la alteración de las discontinuidades, Ja
Según la Tabla 45, para contacto entre 2 caras de la diaclasa con < de 10 cm desplazamiento
lateral, y teniendo en cuenta que las diaclasas están abiertas 2 mm y rellenas de material arcilloso,
se tiene que:
20.1.1 Sobreconsolidación media a baja, blandos, rellenos de minerales arcillosos. Los
recubrimientos son continuos de < de 5 mm de espesor.
Para el presente macizo se adopta el numeral 7.4.1 por lo tanto Ja = 8.

Tabla 45. Índices de alteración de discontinuidades (Ja)

Factor de reducción por presencia de agua, Jw
Teniendo en cuenta que el caudal de aguas de infiltración es de 25lit/ /min por c/100m de túnel
(Tabla 47) se presenta una fluencia pequeña o presión baja < 5 l/min, por lo tanto, Jw = 1

20-62

TUNELES


Tabla 46. Calificaciones de la clasificación del sistema Q (Jw)

Factor de reducción por los esfuerzos, SRF
De acuerdo con la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., la roca es
competente con problemas de esfuerzos (numeral b). Se determinan las siguientes relaciones:
1.

à
`V

Donde:
à = 48 1P3, $H0A0=HCJA3 3 @3 JI;2GH0AóC 0A;2@H
MD
à = 48 ∗ 10 = 480 L
J;
`V = S ∗ T9
Donde:
=
,
&HC0A?3? ?H @3 GIJ3
;
T9 = 800 ;,
PGI<>C?A?3? ?H@ =úCH@
=
= 1000MD
1;L
`V = 2.4 ∗ 800 ; = 1920 L ∗
∗
;
;
1=
-100J;.L
MD
`V = 192
J;L
MD
à 480 J;L
=
MD
`V
192
J;L
à
= 2,50
`V
S = 2.4

Según la Tabla 48,

cd
ce

= 2,50, está en el rango de 2,5 a 5,0 que corresponde al numeral L (Roca

solida), por lo tanto el número SRF están en el rango 5 - 10 → SRF = 10
20-63

TUNELES

2.


`9
`V

Donde:
^•

`9 = 1P3 = 4,8 123, $H0A0=HCJA3 ?H @3 GIJ3 3 @3 fG3JJAóC, la cual es la décima parte de
VW
la Resistencia a la compresión simple.
`9 = 4,8 ∗ 10 = 48
`V = 192

MD
J;

MD
J;L

Entonces:
MD
`9 48 J;L
=
`V 192 MD
J;
`9
= 0.25
`V
Según la Tabla 48,

cg
ce

= 0.21, está en el rango 0.16 – 0.33, que corresponde al numeral L (Roca

sólida), por lo tanto el número SRF están en el rango 5 - 10 → Se toma SRF = 10, igual que para la
c
relación d .
ce

Índice Q de calidad NGI
%=

$%& hj hl
∗ ∗
hi
hk ,$m

%=

30 1.5 1
∗
∗
12 8 10
% = 3,0

El valor obtenido (Q=3,0), de acuerdo a la Tabla 49. Clasificación de Barton de los macizos
rocosos, Indice de Calidad Q, clasifica como muy mala.

RQD
Jn
Jr

0-100
0,5-20
0,5-4
20-64

TUNELES

Ja
Jw

0,75-20
0,05-1

SRF

0,5-20

Tabla 47. Rango de variación de parámetros

Tabla 48. Calificaciones de la clasificación del sistema SRF

TIPO DE ROCA

VALOR DE Q

Excepcionalmente Mala
Extremadamente Mala
Muy mala
Mala
Media
Buena
Muy Buena
Extremadamente Buena

0,001 - 0,01
0,01 - 0,1
0,1 - 1
1-4
4 - 10
10 - 40
40 - 100
100 - 400

Excepcionalmente Buena

400 - 1000

20-65

TUNELES

Tabla 49. Clasificación de Barton de los macizos rocosos, Indice de Calidad Q

20.1.2 Cálculo de la luz libre sin soporte del túnel
Ecuación:
&n =

o>p @AKGH -;.
$H@3JAóC ?H 0I2IG=H ?H @3 HqJ3O3JAóC ],$

Donde:
ESR, es la relación de soporte de la excavación, la cual tiene que ver con el uso que se pretende
dar a la excavación y hasta dónde se le puede permitir cierto de grado de inestabilidad. Barton
da los valores supuestos para ESR. Indicados a continuación en la Tabla 50

Tabla 50. Valores supuestos de la relación de soporte de la excavación (ESR), según Barton

Para el presente ejercicio, correspondiente a un túnel carretero pequeño, ESR = 1.3.
Entonces:
o>p @AKGH = &n ∗ 1.3
En la Gráfica 7, para un Q = 1,3 se obtiene &n = 2,5

20-66

TUNELES
Gráfica 7. Relación entre la dimensión equivalente máxima de una excavación subterránea sin soporte
y el índice Q de la calidad para túneles (NGI)

Entonces:
o>p @AKGH = 2,5 ∗ 1.3 = 3,25 ;
20.1.3 Clasificación y recomendaciones de soporte de acuerdo con el sistema de clasificación
Q
Índice de calidad del macizo rocoso, % = 1,3
rsáun9jv wnx 9úinx u.

VL

Dimensión equivalente, &n =
= V. = 9,23
Ynxkasói wn yv5vj9n wn xk nzak{kasói |}Y

Gráfica 8. Categorías de soporte estimadas basadas en el Índice de Calidad del Macizo Rocoso Q
(Después de Grimstad y Barton, 1993)

De acuerdo con la Gráfica 8, se tiene la siguiente clasificación y recomendaciones de soporte:
20.1.3.1 Clasificación del macizo rocoso
Macizo rocoso pobre

20.1.3.2 Tipo de Soporte
20-67

TUNELES

•
•


Categoría de refuerzo: 5, Concreto lanzado de 5 cm de espesor con malla.
Pernos de anclaje:
- En malla, separación 1.70 m.
- Longitud del perno (L): 2.9 m para ESR = 1

20-68

TUNELES


21. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN GSI
Hoek, et al (1995) han propuesto un índice geológico de resistencia, GSI (geological strength
index), que evalúa la calidad del macizo rocoso en función del grado y las características de la
fracturación, estructura geológica, tamaño de los bloques y alteración de las discontinuidades.
Teniendo en cuenta las características del macizo se tiene una roca muy pobre MP (Superficies de
cizalla muy alteradas con rellenos arcillosos), con fracturación intensa (FI) (Macizo rocoso muy fracturado
formado por bloques angulosos y redondeados, con alto contenido de finos).

21-69

POBRE
cizalla
(MP)
muy
alteradas
con

CARACTERIZACIÓN DEL MACIZO
ROCOSO PARA ESTIMAR SU RESISTENCIA

CONDICI
ÓN DEL
FRENTE
MUY
BUENA
(MB)
es muy
rugosas
sin
BUENA
(B)
nte
alteradas,
con
MEDIA
(M)
es suaves
moderad
amente
POBRE
(P)
con
rellenos
compacta
MUY

Con la relación FI/MP, obtenemos un valor de GSI de 15, Los valores del GSI varía desde cerca de
10, para macizos rocosos extremadamente malas, hasta 100, para la roca intacta.

TUNELES


Basándose en el aspecto de la roca, se elege la
categoría que mejor describa las condiciones del
macizo previo a la excavación. Tenga en cuenta
que las voladuras pueden crear una impresión
falsa sobre la calidad del macizo rocoso, en cuyo
caso será necesario realizar algún tipo de ajuste
por daños debidos a voladuras; la observación de
núcleos de perforación y de exposiciones de roca
en zonas afectadas y no afectadas por voladuras,
pueden ser de gran ayuda. Para la definición del
grado de fracturamiento, debe considerarse la
relación entre el tamaño del bloque y la
dimensión del frente de excavación.

ESTRUCTURA
contacto de forma cúbica formados por tres
familias de diaclasas ortogonales, sin
relleno

BR/MB

BR/B

BR/M

BR/P

BR/MP

BI/MB

BI/B

BI/M

BI/P

BI/MP

BC/MB

BC/B

BC/M

BC/P

BC/MP

FI/MB

FI/B

FI/M

FI/P

FI/MP

Bloques angulares en contacto formados
por cuatro o más familias de diaclasas con
rellenos de baja proporción de finos
Macizo alterado, plegado y fracturado, con
múltiples diaclasas que forman bloques
angulosos y con baja proporción de finos
Macizo rocoso muy fracturado formado por
bloques angulosos y redondeados, con alto
contenido de finos

COND
ICIÓN
DEL
FREN
TE
BUE
NA
muy
rugos
as sin
BUE
NA
(B)
mente
altera
das,
MED
IA
(M)
s
mode
POB
radam
RE
rellen
(P)
os
comp
actad
POB
a muy
RE
altera
das
con

Tabla 51. Caracterización de macizos rocosos con base en su grado de fracturamiento y estado de las diaclasas (Hoek y Brown, 1997.

NDICE GEOLÓGICO DE RESISTENCIA
GSI (Geolgical Strenght Index)

21-70

TUNELES


A partir de la clasificación de la tabla anterior, se
selecciona el recuadro correspondiente y se
obtiene, en este ábaco, el valor medio del GSI.

ESTRUCTURA

80

contacto de forma cúbica formados por
tres familias de diaclasas ortogonales, sin
relleno

70

60

Bloques angulosos en contacto formados
por cuatro o más familias de diaclasas
con rellenos de baja proporción de finos.

50

40

Macizo alterado, plegado y fracturado
con múltiples diaclasas que forman
bloques angulosos y con baja proporción
de finos

30

20

Macizo rocoso muy fracturado, formado
por bloques angulosos y redondeados,
con alto contenido de finos.
Tabla 52. Estimación del Índice GSI con base en descripciones geológicas (Hoek y Brown, 1997.

21-71

10

TUNELES


22. CLASIFICACIÓN RMI (ÍNDICE DEL MACIZO ROCOSO –ROCK MASS
INDEX)
El método de sostenimiento RMI (Índice del Macizo Rocoso –Rock Mass index) fue introducido en
1995 como resultado de una Tesis Doctoral que optaba al grado de Ph.D., llevada a cabo en la
Universidad de Oslo, Noruega. El método pide como datos de entrada, los principales rasgos que
influencian las propiedades del macizo rocoso; para ser expresados como la resistencia a la
compresión uniaxial del macizo rocoso, el RMi puede utilizarse en varias aplicaciones, adicionales
a su uso en la estimación del sostenimiento, tales como:

Caracterización de la resistencia y deformabilidad del macizo rocoso.
Cálculo de las constantes del criterio de rotura de Hoek y Brown para macizos
rocosos
Valoración o estimación del grado de penetración de máquinas tuneladoras a
sección completa (TBM).
El índice del macizo rocoso (RMi, Rock Mass index).

El índice del macizo rocoso es un parámetro volumétrico que indica, de forma aproximada,
la resistencia uniaxial a compresión de un macizo rocoso. Se expresa cómo:

Los símbolos en las expresiones anteriores representan:

σc =
JC

La resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta, medida sobre muestras de
50 mm de diámetro. (100 MPa)
Factor de estado (o condición) de las diaclasas, el cual es una medida combinada de:
el factor de tamaño y continuidad de las diaclasas (jL), el factor de rugosidad de las
diaclasas (jR), y del factor de la alteración de las diaclasas (JA); expresado como:

h+ = ho ×
Vb:

h$
1.5
=3×
= 0,6
hF
8.0

El volumen del bloque medido o expresado en m3;

Nota: Teniendo en cuenta que el macizo presenta zonas que contienen principalmente
arcillas, la estimación aproximada del sostenimiento puede llevarse a cabo, usando un
volumen de bloque mínimo nominal de Vb =1 cm3 (0.01m3)
JP:

El parámetro del diaclasado, el cual incorpora los principales rasgos del macizo
rocoso.

& = 0.37 × h+ XW.L = 0.37 × 0.6XW.L = 1.12
22-72

TUNELES


hP = 0,2 ~h+ × •K r
$1/ = 48 × 0.2 × √0.6 × 0.01V.VL = 0.04
De acuerdo a la Tabla 53. Calificación sistema RMI, el RMI es bajo.

RMI
MUY BAJO
BAJO
MODERADO
ALTO
MUY ALTO

CALIFICACIÓN
<0.01
0.01 – 0.1
0.1 – 1
1 – 10
<10

Tabla 53. Calificación sistema RMI

SISTEMA DE
CLASIFICACIÓ
N

CLASIFICACIÓN
DEL MACIZO
ROCOSO

ISRM

Moderada - Media

TERZAGHI

Completamente
triturado.

RECOMENDACIONE
S GENERALES

22-73

RECOMENDACIONES DE SOPORTE
PERNOS
CONCRET
ARCOS
DE
O
METÁLICO
ANCLAJE LANZADO
S

TUNELES

Posee poca o ninguna
presión lateral.
una (1)
pulgada de
diámetro
(25 mm)
espaciados
cada 2.8 ft
(0.90 m).

espesor de
3.4 pul (8.6
cm).

8 WF 31,
separado 4.80
ft (1.46 m).

Galería superior: 1 - 1,5
m de avance en media
sección. Inicio del
soporte después de cada
voladura. Soporte
completo a 10 m del
frente.

Pernos
sistemáticos
, 4 m de
longitud
espaciados
1.5 - 2 m en
la corona y
hastiales
con malla
en la corona

100 - 150
mm en la
corona y 30
mm por los
lados

Ligera a
media,
espaciadas 1,5
m donde se
requiera.

Luz libre sin soporte =
3,25 m.

En malla
separados
cada 1.70 m
Longitud
del perno
2,9 m para
ESR= 1

5 cm de
espesor con
malla.

RSR = 41 (Roca Ignea)
RSR

RSR = 38 (Roca
metamórfica)
Carga de roca: 14700
Kg/cm2
RMR=30

RMR

Macizo rocoso Clase IV
(Roca Pobre)
Promedio de tiempo sin
soporte = 10 horas para
una luz libre de 2,5 m.
Cohesión: 100 - 200
KPa.
Angulo de fricción: 15º 25°
Q = 1,3

Q
Macizo rocoso pobre

GSI

15, Macizo rocoso
extremadamente malo.

RMI

0,04, Macizo rocoso
malo

Tabla 54. Resumen comparativo de clasificaciones del macizo rocoso y recomendaciones de soporte del
túnel vial

22-74

TUNELES


23. DISEÑO DEFINITIVO DE SOPORTE DEL TÚNEL
De acuerdo con las recomendaciones de soporte del túnel vial, obtenidas de los diferentes sistemas
de clasificación, a continuación se presenta el diseño definitivo de soporte del túnel:
Pernos de anclaje:
En malla separados cada 1.70 m
Longitud del perno 2,9 m para ESR= 1
Concreto lanzado:
5 cm de espesor con malla.
Arcos metálicos
8 WF 31, separado 6.10 ft (1.90 m).

23-75

TUNELES


24. CLASIFICACIÓN INDIRECTA

Correlación entre RSR y Q y entre RMR y Q
1) Correlación entre RSR y Q
Se tiene que:

$,$ = 13.3@ID% 8 46.5
oID% =

Roca ígnea:

$,$ − 46.5
13.3

41 − 46.5
13.3
% = 0.386

oID% =
Roca metamórfica:

38 − 46.5
13.3
% = 0.230

oID% =

2) Correlación entre RMR y Q
Se tiene que:

$1$ = 13.5@ID% 8 43
oID% =

$1$ − 43
13.5

oID% =

35 − 43
13.5

% = 0.256

El valor obtenido por medio de la clasificación fue de 1.3, y de acuerdo a la desviación
estándar para ambos, (7.0 y 9.4 respectivamente) está dentro del rango.

24-76

TUNELES


25. DISEÑO MALLA DE PERFORACIÓN Y VOLADURA

25-77

DECRIPCION

DATOS
12
6
2
2,4
45
102
3,6
5
1,2
38x250
38

Anchura de Tunel (m):
Altura de Hastiales (m):
Flecha de Arco (m):
Dens. de la Roca (gr/cm3):
Diametro de Perf. (mm):
Barreno Vacio (mm):
Long. de Perforación (m):
Dist. de Maniobrabilidad (m):
Dens. de Explosivo (gr/cm3):
Dim. de cartucho (mm):
Dia. de Cart. Explosivo (mm):

CALCULO DE CUELE
Seccion de Cuele

Primera
Segunda
Tercera
Cuarta
Q Total de Cuele (Kg/Cuele)
Barrenos de Recorte (38 mm)

Valor de la Piedra
(mm)

Lado de la Sección
(mm)

Retacado
(m)

Long. de Carga
(m)

Q Total
(Kg/barreno)

# de
barrenos

Q Total
(Kg/barrenos)

153
216
459
974

216
459
974
2066

0,4
0,4
0,4
0,4

3,2
3,2
3,2
3,2

4,4
4,4
4,4
4,4

1,8

1,8

4,0
4,0
4,0
4,0
16,0
49,0

17,5
17,5
17,5
17,5
70,1
86,5

0,50

Concentración lineal Carga de
Fondo (Kg/m)

1,36

Piedra B (m)

0,98

0,98

TUNELES


0,2
0,5
0,5

1,0
1,0
1,0

1,1
1,1
1,2

1,2
1,2
1,2

1,9
1,9
1,9

0,5
0,5
0,5

1,4
1,4
1,4

0,7
0,7
0,7

Q Total
(Kg/barrenos)

2,2
2,5
2,5

# de barrenos

1,2
0,6
0,6

Fondo Columna
1,4
1,4
1,4
0,5
1,4
0,5

Q Total
(Kg/barreno)

1,1
1,1
1,1

Concentración de
carga

Q de
Columna
(Kg/barreno)

Retacado (m)

1,0
0,9
0,9

Piedra
(m)

Q de Fondo
(Kg/barreno)

Long. Carga
de Columna

Piso
Hastiales
Techo
DESTROSA
Hacia Arriba
Horizontales
Hacia Abajo
Metros cubicos/Voladura
Q Total (Kgs)
Q especifico (Kg/m3)
Metros lineales de perf.
(m)
Metros lineales/Metro
cubico

Long. Carga
de Fondo (m)

Zona de Voladura

Espaciamient
o (m)

DISEÑO DE VOLADURA Y CALCULO DE EXPLOSIVO DE DESTROZA, CONTORNO Y ZAPATERA

1,6
0,8
0,8

3,0
1,4
1,2

4,6
2,2
2,0

12,0
12,0
10,0

55,6
26,2
20,5

1,6
1,6
1,6

1,3
1,3
1,3

2,9
2,9
2,9

16,0
18,0
12,0

46,9
52,8
35,2
328,3
393,6
1,20

145,0

522,0
1,59

25-2

26. RECOMENDACIONES PARA LA EXCAVACIÓN Y MANEJO DE
ESCOMBROS
Un sistema eficiente de transporte y extracción del escombro reduce el tiempo de los ciclos de
trabajo y el coste de la propia obra. Esto es debido a que en una excavación subterránea se dispone
siempre de poco espacio y, además, el acceso al frente de excavación es muy restringido
(únicamente a lo largo del túnel ya excavado). Es fundamental, pues, quitar el escombro
rápidamente para que puedan iniciarse las tareas de sostenimiento, extrayéndolo para que no
dificulte el movimiento de máquinas y materiales por el túnel.
El sistema que se debe emplear dependerá de la cantidad de material a transportar por ciclo y de la
longitud de transporte. En túneles de carretera las secciones de excavación son grandes (entre 80 y
110 m² por lo general), con lo que el volumen de escombro es importante. Esto hace que no se usen
en general los sistemas de transporte mediante cinta o vagonetas, sino los sistemas mediante
maquinaria sobre neumáticos. Los métodos más usuales, en función de la distancia de transporte,
son los siguientes:
Palas cargadoras de perfil bajo: Para distancias cortas (inferiores a unos 500 metros) y túneles de
pequeña y mediana sección, se utiliza una pala con un cazo de gran capacidad (3m³) que carga el
escombro del frente y lo lleva hasta el exterior. No es necesario girar la máquina ya que el
maquinista se sienta lateralmente y puede conducir igualmente en ambos sentidos. Para distancias
más largas se utilizan zonas de acopio intermedio de escombros.
Palas cargadora + camión dumper: Se usa en distancias mayores de 500 metros en túneles de
gran sección (>70 m²). Una pala cargadora sobre neumáticos recoge el escombro y lo carga sobre el
camión, que lo saca fuera del túnel. La pala suele ser articulada para facilitar sus movimientos
dentro del túnel. Si la distancia es muy grande, se pueden habilitar zonas de ensanche a lo largo del
túnel que permiten el cruce de camiones dumper o emplear dumpers formados por una cabeza
tractora y cajas desacoplables. Cuando la excavación se realiza con máquina tuneladora y para
túneles de gran sección, la extracción se escombros se realiza con camiones dumper que son
cargados en el frente por la cinta porticada del topo.

Vagonetas sobre vía: Para túneles muy largos y de secciones medianas, la extracción de escombros
se realiza con vagonetas sobre vía. Son recomendables para distancias de transporte superiores a los
1500 m.
Para elegir el sistema de excavación a emplear en un determinado túnel se manejan varios criterios,
algunos de índole técnica y otros económica. A continuación mostramos los aspectos que se tienen

TUNELES


en cuenta en cada uno de ellos. Por supuesto, en cada caso concreto puede tener condicionantes de
otro tipo que obliguen a una determinada solución.
Resistencia del terreno. Cuando la roca tiene una alta resistencia es obligado a emplear la
excavación mediante explosivos, mientras que si la resistencia es media o baja pueden emplearse
indistintamente la voladura o la excavación mecánica.
Forma y dimensiones de la sección. La sección tipo del túnel puede ser un condicionante por
alguno de los siguientes motivos:
Los topos permiten únicamente perforar túneles de forma circular, por lo que en túneles de
carretera, que necesitan una base plana, se desaprovecha mucho espacio. Hoy en día ya se fabrican
topos con varias cabezas que proporcionan secciones ovaladas, pero son relativamente caros y sus
uso está limitado a suelos o rocas blandas.
En la excavación de túneles de carretera en roca, los topos se usan en ciertas ocasiones en la
ejecución de galerías piloto. Estas galerías sirven para el reconocimiento del terreno y actúan como
un gran cuele que facilita la excavación posterior del resto de la sección con perforación y voladura
o con cualquier otro sistema de excavación.
Actualmente los topos más grandes existentes en el mercado alcanzan los 12 m. de diámetro y las
rozadoras de mayor envergadura de brazo alcanzan los 7,50 m. de altura de corte. Los túneles de
carretera, por su gran sección, generalmente se excavan en fases, usándose mayoritariamente el
método de perforación y voladura para rocas duras y las rozadoras y excavadoras hidráulicas para
rocas blandas.

Costo de la maquinaria. Los topos tienen un coste elevado de inversión inicial. Esta inversión
resultará rentable para un determinado número de metros lineales de túnel perforado, lo que exigirá
un proyecto con importantes longitudes de túneles que permitan la amortización del topo. Para
secciones normales, existe un amplio mercado de topos de segunda mano que, convenientemente
readaptados pueden ser utilizados en régimen de alquiler o compra con unos costes razonables.
Vibraciones. Los explosivos producen unas vibraciones que los hacen muy complicados de utilizar
en zonas urbanas o próximos a edificios habitados o de interés. Incluso pueden existir problemas
cuando la voladura se efectúa en la proximidad de vías de circulación en uso como carreteras,
ferrocarriles, etcétera. En tales casos, normalmente se prefiere utilizar medios mecánicos de
excavación por razones de seguridad con el fin de evitar posibles daños
26-2

TUNELES


MANEJO DEL MATERIAL EXCAVADO
Se debe tener en cuenta que este material puede ser almacenado y reutilizado, teniendo en
cuenta que se trata de material de origen ígneo que, puede ser usado en:

1.
2.
3.
4.
5.
6.

Material para inyección del sostenimiento
Material para los concretos del revestimiento del túnel
Material para bases, sub bases, nivelaciones dentro del túnel
Material para la elaboración de los concretos asfálticos de la carretera
Materiales para concretos de revestimientos y construcción de los portales.
Materiales para sistemas de protección de los taludes, concreto inyectado,
gaviones y muros de contención, si es el caso.

Volumen de material proveniente de los procesos de excavación:

Como se observa se puede tener una disponibilidad de material de cerca de 500 mil metros
cúbicos, para ser reutilizados en la construcción de la obra, revestimientos, acabados, etc.

26-3

TUNELES


Debido a que se trata de una excavación con dinamita, se consigue una granulometría
heterogénea, por lo que luego de extraída de la excavación deberá ser clasificada, y si es el
caso, sometida a un proceso de trituración y clivaje y así este 10 a 15% de granular
excavado puede ser utilizado. El resto de material se puede emplear para la pavimentación
de 18 kilómetros con una estructura similar.
Por lo anterior, el ahorro en materiales para mezclas de concreto hidráulico y asfáltico es:
Concreto hidráulico
Concreto asfáltico
Granulares BG-1
Rellenos / rajón

m3
m3
m3
m3

$700.000
$650,000
$110,000
$ 80,000

Ahorro 60%
Ahorro 60%
Ahorro 90%
Ahorro 95 %
TOTAL

$12.000 millones
$ 2,300 millones
$ 1,200 millones
$ 680 millones
$16,180 millones

Respecto del valor del material dentro del proceso de construcción de la vía, seria:
$4,180 millones * 3,6 = $15,048 millones.
Por lo anterior, el ahorro al que se podría llegar, utilizando los materiales resultantes de la
excavación del túnel, debidamente procesado, estaría cercano a los $31 mil millones de
pesos, esto sin tener en cuenta el notorio aporte al impacto ambiental, ya que se dejarían de
explotar una gran cantidad de materiales de cantera.
COSTOS APROXIMADOS DE LA CONSTRUCCIÓN
A un costo aproximado de $20 mil dólares el metro lineal del túnel, en Colombia y
construido con el método planteado, estaríamos cercanos a los 100 millones de dólares, por
lo tanto, el ahorro en los materiales del túnel, calculados en el numeral anterior, seria del
8%, sin contar lo que respecta a la aplicación de los materiales en la construcción de la
carretera, ya que con este valor se llegaría a un 16%.

26-4

TUNELES


27. INTERACCIÓN TUNEL SOSTENIMIENTO
Con el objeto de establecer la interacción terreno – sostenimiento, se debe realizar un
análisis simplificado de los parámetros fundamentales; módulo elástico, criterios de rotura,
deformabilidad y del sostenimiento; rigidez y resistencia última,

Po
A-A’
Ui
B-B’
Pi
d
C-C’
D-D

= esfuerzos tensionales del macizo
= Sección del túnel en proyección, sin excavar y sin deformación (Ui)
= Desplazamiento radial
= Sección excavada, Po, en este punto desaparecio y se generó Ui
= Presión ipotética contraria que genera un Ui, generando Pi = Po
= Distancia de colocación del sostenimiento desde el frente
= Sección de inicio de sostenimiento
= Posición única de equilibrio

La curva de sostenimiento depende de las propiedades del terreno y a la distancia d, se
colocará el sistema de sostenimiento especificado en este documento. La primera
aproximación de dicho revestimiento, reaccionara con una determinada rigidez constante
(k), frente a las deformaciones impuestas, y se coloca luego de la deformación Ud, la
respuesta del revestimiento esta dada por la curva de confinamiento:

PA = M-‚A − ‚?.
El desplazamiento Ud, corresponde a una determinada presión virtual sobre el túnel Pd.
Túnel y revestimiento alcanzan un equilibrio (D-D), cuando se llegue a la presión Peq y el
desplazamento Ueq, comunes a las dos curvas CC y CF.

Para determinar la curva CC, existen 2 posibilidades, colocar el revestimiento muy proximo
al frente Ud1, o lejos del Ud2, o tambien elegir la rigidez del sostenimiento; rígido k1 o
deformable kn. Importante tener presnte, cuanto más rápido sea un sostenimiento y más
27-5

TUNELES


proximo al frente, mayor será la presión de equilibrio que ha de soportar y menor el
desplazamento radial o la convergencia del tunel.

Parametros de trabajo
1. Determinar la curva CC (que sólo depende de las características del terreno)
2. Determinar la rigidez del sostenimiento (k).
3. Determinar la deformación del túnel ud (o de forma equivalente, pd) correspondiente
a la instalación del sostenimiento.
Para determinar la curva característica del terreno se considerará sucesivamente el
comportamiento elástico y elastoplástico del terreno. Se presentan soluciones para dos criterios
de rotura:
• Criterio de Mohr-Coulomb, por ser de uso generalizado, tanto en macizos rocosos como en
suelos. Permite de forma natural tratar las condiciones no drenadas (c = cu, ϕ = 0) y
puramente friccionales (c = 0, ϕ).
• Criterio de Hoek-Brown, por su fidelidad para reproducir las envolventes de rotura no
lineales observadas en rocas.
Se examinará el caso de túnel circular en deformación plana y el caso esférico (comportamiento
elástico y criterio de Mohr-Coulomb). La cavidad esférica, aparte del interés que tiene en si
misma para el análisis de excavaciones subterráneas de formas diversas, es una aproximación
interesante al comportamiento en las proximidades del frente y proporcionan información útil
para entender sus condiciones de estabilidad.

27-6

TUNELES


27-7

TUNELES


27-8

TUNELES


27-9

TUNELES


27-10

TUNELES


27-11

TUNELES


28. CONCLUSIONES
Los sistemas de clasificación más utilizados y particularmente en Colombia son RMR y
Q, los cuales incorporan parámetros geológicos, geotécnicos y propios del macizo
rocoso.
Existen parámetros que requieren mucha experiencia para poder definirlo, por ello se
debe hacer la clasificación del macizo por diferentes sistemas, lo cual permitirá obtener
una mayor cantidad de datos y parámetros, que ayudarán a definir los procedimientos
para el diseño y construcción del túnel, así como el soporte y sostenimiento del túnel.
La clasificación de los macizos rocosos es de gran utilidad en el campo de la ingeniería
de obras subterráneas, ésta herramienta permite obtener las características del macizo, de
tal forma que el ingeniero pueda tener criterios y argumentos para la toma de decisiones
y soluciones en el momento de diseñar y construir un túnel.
En general, se clasificó el macizo por diferentes sistemas, pero la variación en la calidad
del macizo fue muy poco, por lo que la utilización de todos los sistemas permite
verificar los procedimientos realizados en cada uno de ellos, aunque en unos se obtengan
más parámetros característicos del macizo que en otros.
El tipo de explosivo a utilizar en una voladura depende de las características de la roca, del
volumen de roca a excavar, del entorno, factores ambientales, profundidad de la excavación y
del precio del explosivo principalmente.

En la construcción de un túnel uno de los principales problemas que se presentan es el
relacionado con el manejo de escombros, para ello deben utilizarse los equipos adecuados para
su disposición, botaderos debidamente acondicionados y aprobados por el ente ambiental
encargado. Así mismo se debe tener en cuenta el transporte, tiempos de acarreos y el costo
respectivo.

28-12

TUNELES


29. BIBLIOGRAFÍA
EMPIRICAL METHODS OF DESIGN.
ROCK MASS CLASSIFICATION.
MÉTODOS DE EXTRACCIÓN DE ESCOMBROS EN EXCAVACIONES
SUBTERRÁNEAS. PUBLICADO EL 28 MAR, 2010 POR JULIO
GONZÁLEZ EN CONSTRUCCIÓN. Consultado en:
http://www.fierasdelaingenieria.com/metodos-de-extraccion-de-escombros-enexcavaciones-subterraneas/
EL SOSTENIMIENTO DE TÚNELES BASADO EN LAS CLASIFICACIONES
GEOMECÁNICAS. E.T.S.E.C.C.P.B. - U.P.C.
ARILD PALMSTRÖM. RECIENTES DESARROLLOS EN LA ESTIMACIÓN
DEL SOSTENIMIENTO EN ROCA MEDIANTE EL RMI

29-13

30. ANEXOS
GEOMETRIA DEL TUNEL

SECCIÓN TRANSVERSAL TÚNEL

TUNELES


TRAMO
1
2
3

ABSISAS
K00+000 – K02+500
K02+500 – K03+000
K03+000 – K05+000

FAMILIA DE DIACLASAS

30-2

TUNELES


30-3

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