El documento describe diferentes métodos de sostenimiento para excavaciones subterráneas en roca. Explica sistemas de sostenimiento activo como pernos de roca y barras helicoidales, los cuales refuerzan la roca al integrarse con ella. También describe sistemas pasivos como split sets, mallas y arcos metálicos, que soportan la roca desde el exterior. Finalmente, analiza factores como la calidad de la roca y el diseño de la excavación que afectan la estabilidad.

4. 1.- Diseño basado en la experiencia que ha mostrado ser exitosa.
2.- Diseño basado en métodos de la especialidad de Geomecánica y
Mecánica de Rocas, que cuantifican y modelan el
comportamiento roca -soporte.
Para adecuar un método de sostenimiento es necesario tener una
evaluación geomecánica del macizo rocoso y existen para ello diversos
sistemas como:

5. Valoración de la masa rocosa RMR (rock mass rating) Aplicable a la
estimación del sostenimiento, al tiempo de autosostenimiento y los
parámetros de resistencia de la masa rocosa.
Los siguientes 6 parámetros son usados para clasificar una
masa rocosa con el sistema RMR.
1.- Resistencia compresiva uniaxial de la roca intacta
2.- Designación de la calidad de la roca RQD
3.- Espaciamiento de las discontinuidades
4.- Condición de las discontinuidades
5.- Condición del agua subterránea
6.- Orientación de las discontinuidades

7. Índice de calidad tunelera (Q) para la determinación de las
características de la masa rocosa y de los requerimientos de
sostenimiento de túneles.
Q=RQD x Jr x Jw
Jn Ja SRF
RQD: Designación de la calidad de la roca (=115-3,3Jv)
Jn: Numero de sistemas de juntas
Jr: Numero de rugosidad de las juntas
Ja: Numero de alteración de las juntas
Jw: Factor de reducción de agua en las juntas
SRF: Factor de reducción de los esfuerzos

9. CONDICIONES DE
INESTABILIDAD
EN LAS
EXCAVACIONES
SUBTERRÁNEAS
Calidad del macizo rocoso
Mal diseño en el trazo de la
perforación y voladura
Mala disposición de los
elementos de soporte

11. Usualmente se denomina soporte de rocas a los
procedimientos y materiales utilizados para
mejorar la estabilidad y mantener la capacidad de
resistir las cargas que producen las rocas cerca al
perímetro de la excavación subterránea. Se puede
clasificar a los diversos sistemas en dos grandes
grupos:

12. LOS DE APOYO ACTIVO(REFUERZO): que viene a ser
el refuerzo de la roca donde los elementos de
sostenimiento son una parte integral de la masa
rocosa.
LOS DE APOYO PASIVO(SOPORTE): donde los
elementos de sostenimiento son externos a la roca
y dependen del movimiento interno de la roca que está
en contacto con el perímetro excavado.

17. • El empernado es un tipo de sostenimiento activo, los pernos
simulan grapas haciendo que la roca fija se conecte a una roca
suelta.
• Se instala aprovechando el tiempo de autosostenimiento.
• El espaciamiento entre pernos varía según al volumen de bloques
por sostener.
• La dirección de los pernos se determina de acuerdo al rumbo de las
estructuras, previo un plano estructural,
dibujados en cortes ó secciones.
• la longitud del perno debe sobrepasar “el campo” afectado por la
voladura.

18. EFECTO “CUÑA”
En roca masiva o levemente fracturada
y en rocas fracturadas, el papel
principal
de los pernos de roca es el control de
la estabilidad de los bloques y cuñas
Rocosas potencialmente inestables.
Ésto es lo que se llama también el
“EFECTO CUÑA”.

19. EFECTO “VIGA”
En roca estratificada sub-horizontal y roca no estratificada con un
sistema de fracturas dominantes subhorizontales,los pernos ayudan a
minimizar la deflexión del techo (pandeamiento). Esto es lo que se
llamatambién el “EFECTO VIGA”.

20. EFECTO “ARCO”
En roca fracturada e intensamente fracturada y/o débil, los pernos
confieren nuevas propiedades a la roca que rodea la excavación.
Instalados en forma radial, los pernos en conjunto forman un arco
rocoso que trabaja a compresión denominado “efecto arco”, el
mismo que da estabilidad a la excavación.

22. La barra helicoidal ha sido diseñada para
reforzar y preservar la resistencia natural
que presentan los estratos rocosos, suelos o
taludes. Consiste en una barra de acero con
resaltes en forma de hilo helicoidal de
amplio paso, que actúa en colaboración con
un sistema de fijación formado por una
placa perforada de acero y una tuerca. La
inyección de concreto, mortero o resina en
la perforación del estrato en que se
introduce la barra sirve de anclaje,
actuando el hilo como resalte para evitar el
deslizamiento de la barra. Ello da como
resultado un conjunto altamente resistente,
sometido a esfuerzo de compresión

23. •Su mayor diámetro le confiere mayor resistencia y su rosca
constante permite el reajuste de la placa contra la pared rocosa.
• Su uso esta orientado a perforaciones de diámetro como
promedio de 36 mm.
• La barra helicoidal esta diseñado para incrementar la capacidad
de transferencia de carga.
La capacidad de anclaje de las varillas de fierro corrugado es
del orden de 12 TM, mientras que de las barras helicoidales
superan las 18 TM.

26. SPLIT SET
Consiste en un largo tubo compresible de acero de alta
resistencia, ranurado en toda su longitud, en un extremo es
mas delgado, para facilitar su introducción en el taladro y en el
otro extremo tiene un anillo soldado para su instalación y retener
la placa.
Este elemento de sostenimiento desarrolla la estabilidad de la
roca por fricción; como el tubo cortado es forzado en el hueco
perforado, la acción de instalación comprime el tubo generando
una fuerza radial contra la roca, lo que genera una resistencia al
deslizamiento entre la roca y el acero

27. • Es simple y rápido para instalar .
• No se puede tensar y se activa por el movimiento de la roca.
• En algunas oportunidades, donde se ha requerido un soporte por
largo tiempo, se han presentado problemas por oxidación.
• El dispositivo no puede ser inyectado con mortero.

28. El perno estabilizador es insertado en una perforación de diámetro menor,
la que actúa como una matriz comprimiendo el estabilizador al diámetro
de la perforación, cerrando parcialmente la ranura durante el proceso.
La compresión sobre el estabilizador genera fuerzas radiales de
confinamiento que se extienden en toda la longitud de contacto con la
roca que lo contiene.

29. La resistencia de un “split set” puede variar por el:
• Tipo de roca (el “Split Set” tiene desempeño favorable en
rocas Tipo II y III (RMR >50,GSI: F/R, MF/R, MF/P).
• Diámetro de perforación ( recomendable 36 – 38 mm )
Presencia de fallas y fracturas.
• Angulo de instalación del “Split Set” formado con la
superficie de la roca a soportar.

30. Las siguientes consideraciones son importantes para su utilización:
•Los split sets son utilizados mayormente para reforzamiento temporal,
usualmente conformando sistemas combinados de refuerzo en
terrenos de calidad regular a mala. En roca intensamente fracturada y
débil no es recomendable su uso.
•Su instalación es simple, solo se requiere una máquina jackleg o un
jumbo. Proporciona acción de refuerzo inmediato después de su
instalación y permite una fácil instalación de la malla.
•El diámetro del taladro es crucial para su eficacia, el diámetro
recomendado para los split sets de 39 mm es de 35 a 38 mm, con
diámetros más grandes se corre el riesgo de un anclaje deficiente y
con diámetros más pequeños es muy difícil introducirlos. Son
susceptibles a la corrosión en presencia de agua, a menos que sean
galvanizados. En mayores longitudes de split sets, puede ser
dificultosa la correcta instalación. Los split sets son relativamente
costosos.

31. Los pernos de anclaje de Swellex son tubos de acero de alta
calidad, herméticos, de doble plegado, que se expanden con
bombas de agua de alta presión dentro de un hoyo pre-
perforado.
La expansión del tubo genera fricción de contacto y vinculación
mecánica entre el acero y la roca produciendo un refuerzo en
forma columna en la roca.

32. •El Swellex se adhiere a las irregularidades del barreno
perforado y proporciona inmediatamente capacidad de columna
completa y carga total.
• Swellex se deforma para acomodarse a los movimientos del
terreno, al mismo tiempo que conserva la capacidad de soportar
la carga.
• La instalación manual es fácil, rápida y no requiere equipo
pesado.
• Swellex es versátil y se puede usar en cualquiera geometría de
excavación
• Con la instalación de pernos mecanizada, Swellex reduce
dramáticamente el tiempo improductivo, problemas y el
consumo de partes de desgaste de los equipos apernados.
• Swellex es insensible a las voladuras y variaciones de diámetro
del barreno.

33. Algunos métodos para determinar la longitud de un Perno para Roca
a) La profundidad de las capas (X) a soportar, longitud del perno
(L) = X + 0.75 m.
b) Dimensión de los bloques (X) a soportar, longitud del perno
(L) = X + 0.75 m.
c) L = 1.4 + (0.15 X W) por L = longitud del perno,
W = Ancho de la apertura en metros.
L = X + 0.75M L = 1.4 + (0.75MxW)

34. Normalmente el espaciamiento de los pernos de
sostenimiento instalado sistemáticamente resulta en un
mínimo de 1,0 metro y un máximo de 1,5 metros. El
espaciamiento entre Elementos de Sostenimiento puede
cambiar cuando se combina con otros sistemas; ya sea:
shotcrete, malla de alambre, cintas metálicas etc.
L E = 1,75
donde;
L = Longitud del perno
E = Espaciamiento de los pernos

36. ELONGACION DE LOS SISTEMAS DE PERNOS

37. RESUMEN COMPARATIVO ENTRE LOS SISTEMAS DE
PERNOS

38. Es utilizada para los siguientes fines:
Primero, para prevenir la caída de rocas ubicadas entre los pernos de roca,
actuando en este caso como sostenimiento de la superficie de la roca.
Segundo, para retener los trozos de roca caída desde la superficie ubicada
entre los pernos, actuando en este caso como un elemento de
seguridad.
Tercero, como refuerzo del shotcrete.
Existen dos tipos de mallas: la malla tejida (eslabones o entrelazada) y
la malla electrosoldada (soldada).

40. Los arcos metálicos, denominados también como cerchas o cimbras,
es un sistema pasivo de sostenimiento debido al hecho que los
arcos de acero no interactúan con la roca de la misma forma que
como ocurre con los pernos ; en este caso, los elementos se hacen
parte de la masa rocosa.
Estos soportes son altamente efectivos para resistir cargas pesadas,
incluso después que se han producido fuertes deformaciones.
Si no están bien colocados, en contacto continuo con el medio
rocoso, son ineficientes y propensos a torcerse bajo cargas
excéntricas.

43. Carga puntual sobre
cimbras
Sucede cuando la roca
se encuentra en
intensa deformación
elástica, debido a
esfuerzos tectónicos u
otras causas, los
bloques de roca A,B,C
tienden a estallar
repentinamente,
siendo proyectados
violentamente al
interior del túnel

45. Es el concreto obtenido mediante
la mezcla de cemento,
agregados, agua, aditivos y
elementos de refuerzo; el cual es
lanzado con una bomba
proyectora empleando un flujo de
aire comprimido hasta la
superficie de la roca.

46. • Aplicamos shotcrete para resolver problemas de estabilidad en túneles y en
otras construcciones subterráneas.
• Sostenimiento y Estabilidad de taludes
• El concreto lanzado aplicado correctamente, vía húmeda o vía seca, es un
material de construcción sólido y durable, del que se puede obtener un concreto
denso, con relaciones agua/cemento bajas, de alta resistencia, baja absorción,
buena resistencia al intemperismo y buena adherencia.

47. Los principales aditivos pueden ser clasificados como sigue:
a) Plastificantes
Los plastificantes son aditivos que ayudan a la bombeabilidad o fluidez del
concreto
b) Acelerantes
Los acelerantes del shotcrete son productos que son añadidos al mismo,
segundos o minutos antes que sea aplicado a la superficie
c) Estabilizadores
Son productos químicos que detienen o estabilizan el proceso de
hidratación.
d) Microsilice
El microsílice es un subproducto de la producción silica del acero.

48. • Vía seca ( al que se le añade el agua en la boquilla)
• Vía húmeda (al que el agua se le añade antes de
entrar por la manguera)
El shotcrete es impulsado por aire
comprimido
Velocidad de salida de la manguera debe
ser 100m/s

49. Agua
Bomba de dosaje de
Acelerante separada
Dosis de acelerante &
relación A/C
controlada por el
operador
Aire
Mezcla seca -
Agregados, cemento ( fibras)
Acelerante
Rendimiento : Menos de 1 m3/hr
Rebote : Agregados - 30 to 50%
Fibras de acero - 30 to 50%
Mezcla seca + aire

50. Acelerante
Mezcla húmeda -
agregados, cemento, agua
aditivos
Mezcla húmeda bombeada
Aire Comprimido
Acelerante
BOMBA DE DOSAJE DE
ACELERANTE
INTEGRADA
Rendimiento : 4 to 5 m3/hr
Rebote: Agregados - 2 to 10%
Fibras de acero – 2% to 10%
Control de dosaje del
acelerante y volumen
de aire en la bomba

53. El siguiente balance de fuerzas establecido por Sattler permite
determinar , por un simple cálculo, el espesor y la carga de ruptura por
corte de la cáscara de concreto.

54. Fuerza actuante = Fuerza resistente

55. Cálculo de espesores de la capa de concreto rociado

56. Carga de concreto rociado bajo cargas flexionantes
La aplicación de un momento flector o dos pares de fuerzas a una
cáscara de concreto rociado genera la flexión de ésta. Al buscar el
momento resistente de la losa se ha establecido la relación entre el
esfuerzo aplicado (momento flector) y las características
dimensionales de ésta.
La masa de roca que e necesario soportar se presenta en el gráfico, la
altura estática que interviene en el cálculo del espesor de la cáscara
puede ser considerada como el doble del espesor de ésta.
También se admite que la adherencia del concreto rociado con la roca
permite la absorción de los esfuerzos de flexión pequeños, poco
importantes para modificar el esquema, aun si la roca se presenta
quebradiza o fragmentada

58. El esfuerzo máximo resistente
La tensión al corte en la zona de influencia
Generalmente

59. En las superficies no planas de la roca, como representamos en el gráfico siguiente forradas con concreto
rociado actúan tensiones de flexión y tracción, debido a la carga en forma de arcos de parábolas de la
roca, a las que se superponen otras tensiones al corte provocadas por efectos terciarios, produciéndose
esfuerzos locales extraordinarios y dando lugar a deformaciones, rajaduras y desprendimientos de rocas;
se hace necesario controlar estas anomalías configurando con la cáscara de concreto rociado bóvedas
secundarias, de forma que se aproveche la alta resistencia del concreto a la compresión.
Cálculo de espesores
de concreto rociado
debido a cargas
flexionantes

60. Estos son utilizados para sostener galerías, cruceros y otros trabajos
de desarrollo, en condiciones de roca fracturada a intensamente
fracturada y/o débil, de calidad mala a muy mala y en condiciones
de altos esfuerzos. Si las labores son conducidas en mineral, el
enmaderado debe ser más sustancial para mantener la presión y el
movimiento de roca en los contornos de la excavación.
Los principales tipos de cuadros que usualmente se utilizan son:
los cuadros rectos, los cuadros trapezoidales o denominados
también cuadros cónicos y los cuadros cojos. Todos estos son
elementos unidos entre sí por destajes o por elementos exteriores
de unión, formando una estructura de sostenimiento.

61. Sombrero soportado por dos postes
verticales, este es el llamado cuadro
recto
Sombrero reducido
sobre postes inclinados,
se le conoce como
cuadro cónico
Cuando el techo y solo una de las cajas es
suelto, se utilizan los cuadros cojos

62. MINA ORCOPAMPA – BUENAVENTURA ( AREQUIPA)
El Departamento de Geomecánica de Mina Orcopampa,entre
otras actividades realiza mapeos geomecanicos diarios en todas
las labores mineras, en base al cualdetermina la calidad de la
masa rocosa. Según el criterio deBieniawski (1989), utilizado en
Orcopampa para clasificar
lamasa rocosa del yacimiento, la calidad de la misma varía
mayormente entre Regular B (III-B - RMR de 41 a
50) y Mala A (IV-A – RMR de31 a 40), en pocos caso la roca llega a
tener calidad superior, pero si puede llegar a tenerCalidad
inferior como Mala B(IV-B –RMR 21 a 30) yMuy Mala (V – RMR <
21).

63. Las aplicaciones de
estos diversos tipos
de sostenimiento
están
estandarizadas a
los tipos de rocas y
al tamaño delas
labores mineras,
sean estas
temporales o
permanentes.