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Introducciónalasexcavaciones
subterráneas
Curso: Sostenimiento en excavaciones
mineras
El arte de
excavar túneles
radica en ser capaz de
colocar el sostenimiento
adecuado a la distancia del
frente adecuada.
EXCAVACION SUBTERRANEA
Cuando las excavaciones subterráneas son
desarrolladas de manera artesanal, se
conceptúa a la excavación como el
“SOCAVON”, que es una labor efectuada con la
mínima sección posible de excavación, para
permitir el tránsito del hombre o de acémilas
para realizar la extracción del material desde el
frontón hasta la superficie.
Cuando las excavaciones se ejecutan
controlando la sección de excavación, de
manera que se disturbe lo menos posible la
roca circundante considerando la vida útil que
se debe dar a la roca, es cuando aparece el
concepto de “TUNEL”, que abarca,
globalmente, al proceso de excavación, control
de la periferia, sostenimiento, revestimiento y
consolidación de la excavación.
“UN TUNEL NO ES UN AGUJERO MAS EN LA
TIERRA. EN TERMINOS ESTRICTAMENTE
PRACTICOS SE TRATA SE UNA OBRA DE
INGENIERIA EXTRAORDINARIAMENTE
SOFISTICADA Y NUNCA FUE SENCILLA NI
SEGURA” Nordlund, “Muerte en el Túnel”
Excavaciones
subterráneas
El objetivo de la obra
subterránea
Temas básicos
La geometría del proyecto
Sección típica
Trazado
El sistema constructivo
Las instalaciones para la excavación
La estructura resistente: el calculo
La geología y geotecnia del macizo
rocoso
Riesgos a asumir
Factores que
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Excavaciones Subterráneas
•conceptos equivocados en el planeamiento
de la obra.
•Inadecuada especificaciones técnicas.
•Errada elección de equipos.
•Sobredimensionamiento de los elementos de
sostenimiento.
•Mala disposición de cargas explosivas en las
voladuras.
•Accidentes geológicos factores que
inesperados.
Cronograma
Calidad
Costos
Financiación del
proyecto
Variables de riesgos
Objetivos Funcionales
Formar parte del trazado de
una vía de comunicación
(carretera, ferrocarril)
Túnel de conducción
hidráulica, acueductos,
gasoductos, oleoductos, etc.
Explotación minera o de
carácter industrial (c.h.,
geotérmicas, nucleares.
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(angares, muelles, etc.)
Objetivos
Complementarios
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DEL DISEÑO.
Preservar el valor Medioambiental del paisaje.
Limitación de ruidos en la zona.
Reducción de volúmenes de tierra a remover.
Reducción de terrenos a adquirir.
PREVENCION DE DAÑOS FISICOS
En la Explotación: Prevención de incendios,
salidas de emergencia, etc.
En la Construcción: Seguridad e higiene
Laboral.
OBJETIVOS DE LAS EXCAVACIONES SUBTERRANEAS
LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO Y
SECCION TIPO
La geotecnia del macizo
rocoso a atravesar
La afección a obras
subterráneas existentes.
La afección a obras
exteriores existentes
LA GEOTECNIA LOCAL DEL
MACIZO A ATRAVEZAR
Hay que disponer de una
información de tipo general
sobre las condiciones geotécnicas del
macizo a atravesar, aunque luego se
vuelva sobre el tema. Permitirá
establecer alternativas de trazado,
más adecuadas desde el punto de
vista geotécnico.
LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO –
EN PLANTA
LA AFECCION A OBRAS
SUBTERRANEAS
EXISTENTES
Se puede decir, sin exageración
alguna, que la información sobre los
servicios existentes en el subsuelo de
la zona de futura obra subterránea
es tan importante, por no decir más,
que la relativa a la geotecnia del
macizo.
LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO
LA AFECCION A OBRAS
EXTERIORES EXISTENTES
El fenómeno de la subsidencia
del terreno superficial, debida a
la ejecución de un túnel bajo el
mismo, existe siempre, aunque,
naturalmente, depende muy
esencialmente de las
características geotécnicas del
macizo rocoso.
LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO
LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO -
PENDIENTE
CARRETERAS ORDINARIAS (LIMITE MAXIMO 5% )
AUTOPISTAS (2% TUNELES ASCENDENTES y 4% TRAMOS
CORTOS)
FERROCARRILES: 2.5% TRAMOS LARGOS; 5% TRAMOS
MUY CORTOS; EN PROYECTOS DE ALTA VELOCIDAD DEBE
SER MAX. 1%
CONTRAPENDIENTES Y DESAGUES: REALIZAR
EXCAVACONES A FAVOR DE LA PENDIENTE PARA EVACUAR
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CONSIDERACIONES GEOLOGICAS PARA ELEGIR EL SISTEMA CONSTRUCTIVO
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION A LA MORFOLOGIA DEL TERRENO
➢ Los esfuerzos que existen en un macizo rocoso inalterado están en
relación con el peso de los estratos sobreyacente y con la historia
geológica del macizo.
➢ Imaginemos un pequeño elemento de volumen integrante de una masa
rocosa, donde los esfuerzos actúan en términos de fuerzas generadas por
el peso de la roca superyacente.
➢ Consideraremos cuatro condiciones de esfuerzos para sus
correspondiente situaciones, en relación con la morfología de superficie
DONDE:
σv = Esfuerzo vertical
γ = Peso de la roca
h4 = Altura de profundidad
ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION A LA MORFOLOGIA DEL TERRENO
El macizo esta con
estratificación inclinada,
formando un ángulo (α) con la
horizontal, se originan dos
tipos de esfuerzos, el primero
en dirección de los estratos
(σst), debido a las presiones de
cabecera, y un segundo (σa),en
las zonas de aflojamiento en la
periferia
de la excavación, debido a las
presiones de esponjamiento.
Se tiene:
σmáx. = γ * h
σmáx. ≅ σst
Luego: σst * sen α = γ * hst * sen α
ESFUERZOS INDUCIDOS POR PLEGAMIENTO
PRESENCIA DE AGUA EN LAS EXCAVACIONES
La presencia de agua en la roca alterada y débil puede acelerar el aflojamiento
y actuar como lubricante para producir deslizamientos de bloques.
➢ También dañan los sistemas de sostenimiento, produciendo corrosión a los
elementos de fierro, acero y deterioro de concreto.
➢ En rocas estratificadas y/o fracturadas la presencia de agua puede ejercer
presión, lavar el relleno de las fracturas y actuar como lubricante.
➢ Es importante la observación de cambios de humedad en el techo y paredes
de la excavación, ya que ayuda al reconocimiento de posibles fallas en el
macizo rocoso, como resultado de las variaciones de los esfuerzos.
➢ Si el agua empieza a filtrarse a través de la roca dentro de un área que es
normalmente seca, es un signo de que la roca esta pasando por cambios de
esfuerzo, estos cambios harán que las fracturas se abran o se extiendan,
empezando a manifestarse la humedad. Similarmente, si un área
normalmente con presencia de agua empieza a secarse también deberá
tomarse como una indicación de que la roca esta ganando esfuerzos o se
esta equilibrando a la excavación.
INESTABILIDAD POR PRESENCIA DE AGUA EN LA EXCAVACION
Material a
excavar (Roca o
Suelo)
Excavación con
Perf. Y Vol.
Utiliza explosivos
Energía: Presión de
gases y energía de
vibración.
Excavación
mecánica
Tuneladoras TBM,
Rozadoras,
Martillos de
impacto.
Energía: En punta de
maquina, superando
resistencia de roca.
METODOS DE EXCAVACIONES SUBTERRANEAS
METODOS DE EXCAVACION MEDIANTE PERFORACION Y VOLADURA
Topografía
Perforación
Carga de Explosivos
Voladura
Ventilación
Carga
Saneo
Sostenimiento
16%
52%
16%
57%
23%
9%
PERFORACION CARGA - VOLADURA VENT.- LIMPIEZA
SOSTENIMIENTO
SHOT+MALLA+PERNOS+
CERCHA
SOSTENIMIENTO
SHOT+MALLA+PERNOS
PERFORACION
CICLO DE TRABAJO EN LA EXCAVACION
MEJORAMIENTO DEL CICLO DE EXCAVACION
➢ Aumento de la
eficiencia del equipo
➢ Mejoramiento de
incentivos las técnicas
de voladura
➢ personal
experimentado
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tamaño del equipo
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SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO
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:
LOS DE APOYO ACTIVO; 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; donde los elementos de sostenimiento son externos a la roca y
dependen del movimiento interno de la roca que esta en contacto con el perímetro
excavado.

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1. Introduccion a las excavaciones subterraneas (1).pdf

  • 2. El arte de excavar túneles radica en ser capaz de colocar el sostenimiento adecuado a la distancia del frente adecuada.
  • 3. EXCAVACION SUBTERRANEA Cuando las excavaciones subterráneas son desarrolladas de manera artesanal, se conceptúa a la excavación como el “SOCAVON”, que es una labor efectuada con la mínima sección posible de excavación, para permitir el tránsito del hombre o de acémilas para realizar la extracción del material desde el frontón hasta la superficie. Cuando las excavaciones se ejecutan controlando la sección de excavación, de manera que se disturbe lo menos posible la roca circundante considerando la vida útil que se debe dar a la roca, es cuando aparece el concepto de “TUNEL”, que abarca, globalmente, al proceso de excavación, control de la periferia, sostenimiento, revestimiento y consolidación de la excavación.
  • 4. “UN TUNEL NO ES UN AGUJERO MAS EN LA TIERRA. EN TERMINOS ESTRICTAMENTE PRACTICOS SE TRATA SE UNA OBRA DE INGENIERIA EXTRAORDINARIAMENTE SOFISTICADA Y NUNCA FUE SENCILLA NI SEGURA” Nordlund, “Muerte en el Túnel”
  • 5. Excavaciones subterráneas El objetivo de la obra subterránea Temas básicos La geometría del proyecto Sección típica Trazado El sistema constructivo Las instalaciones para la excavación La estructura resistente: el calculo La geología y geotecnia del macizo rocoso
  • 6. Riesgos a asumir Factores que incrementan el presupuesto Excavaciones Subterráneas •conceptos equivocados en el planeamiento de la obra. •Inadecuada especificaciones técnicas. •Errada elección de equipos. •Sobredimensionamiento de los elementos de sostenimiento. •Mala disposición de cargas explosivas en las voladuras. •Accidentes geológicos factores que inesperados. Cronograma Calidad Costos Financiación del proyecto Variables de riesgos
  • 7. Objetivos Funcionales Formar parte del trazado de una vía de comunicación (carretera, ferrocarril) Túnel de conducción hidráulica, acueductos, gasoductos, oleoductos, etc. Explotación minera o de carácter industrial (c.h., geotérmicas, nucleares. Instalaciones militares (angares, muelles, etc.) Objetivos Complementarios IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DEL DISEÑO. Preservar el valor Medioambiental del paisaje. Limitación de ruidos en la zona. Reducción de volúmenes de tierra a remover. Reducción de terrenos a adquirir. PREVENCION DE DAÑOS FISICOS En la Explotación: Prevención de incendios, salidas de emergencia, etc. En la Construcción: Seguridad e higiene Laboral. OBJETIVOS DE LAS EXCAVACIONES SUBTERRANEAS
  • 8. LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO Y SECCION TIPO La geotecnia del macizo rocoso a atravesar La afección a obras subterráneas existentes. La afección a obras exteriores existentes
  • 9. LA GEOTECNIA LOCAL DEL MACIZO A ATRAVEZAR Hay que disponer de una información de tipo general sobre las condiciones geotécnicas del macizo a atravesar, aunque luego se vuelva sobre el tema. Permitirá establecer alternativas de trazado, más adecuadas desde el punto de vista geotécnico. LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO – EN PLANTA
  • 10. LA AFECCION A OBRAS SUBTERRANEAS EXISTENTES Se puede decir, sin exageración alguna, que la información sobre los servicios existentes en el subsuelo de la zona de futura obra subterránea es tan importante, por no decir más, que la relativa a la geotecnia del macizo. LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO
  • 11. LA AFECCION A OBRAS EXTERIORES EXISTENTES El fenómeno de la subsidencia del terreno superficial, debida a la ejecución de un túnel bajo el mismo, existe siempre, aunque, naturalmente, depende muy esencialmente de las características geotécnicas del macizo rocoso. LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO
  • 12. LA GEOMETRIA DEL PROYECTO: TRAZADO - PENDIENTE CARRETERAS ORDINARIAS (LIMITE MAXIMO 5% ) AUTOPISTAS (2% TUNELES ASCENDENTES y 4% TRAMOS CORTOS) FERROCARRILES: 2.5% TRAMOS LARGOS; 5% TRAMOS MUY CORTOS; EN PROYECTOS DE ALTA VELOCIDAD DEBE SER MAX. 1% CONTRAPENDIENTES Y DESAGUES: REALIZAR EXCAVACONES A FAVOR DE LA PENDIENTE PARA EVACUAR EL AGUA
  • 13. GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO HIDRAULICOS Y VIALES HERRADURA CIRCULARES DOS NIVELES
  • 14. GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO
  • 15. GEOMETRIA DEL PROYECTO: SECCION TIPO
  • 17. TIPO HERRADURA – HIDRAULICO
  • 18. TIPO CIRCULAR – VIALIDAD E HIDRAULICO
  • 19. TIPO DOBLE CIRCULO TIPO BOCA – VIALIDAD
  • 20. TIPO HERRADURA CONCAVA – HIDRAULICO
  • 21. TIPO HERRADURA - MINERIA
  • 26. CONSIDERACIONES GEOLOGICAS PARA ELEGIR EL SISTEMA CONSTRUCTIVO
  • 27. ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION A LA MORFOLOGIA DEL TERRENO ➢ Los esfuerzos que existen en un macizo rocoso inalterado están en relación con el peso de los estratos sobreyacente y con la historia geológica del macizo. ➢ Imaginemos un pequeño elemento de volumen integrante de una masa rocosa, donde los esfuerzos actúan en términos de fuerzas generadas por el peso de la roca superyacente. ➢ Consideraremos cuatro condiciones de esfuerzos para sus correspondiente situaciones, en relación con la morfología de superficie
  • 28. DONDE: σv = Esfuerzo vertical γ = Peso de la roca h4 = Altura de profundidad ESTADO DE ESFUERZO EN RELACION A LA MORFOLOGIA DEL TERRENO
  • 29. El macizo esta con estratificación inclinada, formando un ángulo (α) con la horizontal, se originan dos tipos de esfuerzos, el primero en dirección de los estratos (σst), debido a las presiones de cabecera, y un segundo (σa),en las zonas de aflojamiento en la periferia de la excavación, debido a las presiones de esponjamiento. Se tiene: σmáx. = γ * h σmáx. ≅ σst Luego: σst * sen α = γ * hst * sen α
  • 30. ESFUERZOS INDUCIDOS POR PLEGAMIENTO
  • 31. PRESENCIA DE AGUA EN LAS EXCAVACIONES La presencia de agua en la roca alterada y débil puede acelerar el aflojamiento y actuar como lubricante para producir deslizamientos de bloques. ➢ También dañan los sistemas de sostenimiento, produciendo corrosión a los elementos de fierro, acero y deterioro de concreto. ➢ En rocas estratificadas y/o fracturadas la presencia de agua puede ejercer presión, lavar el relleno de las fracturas y actuar como lubricante. ➢ Es importante la observación de cambios de humedad en el techo y paredes de la excavación, ya que ayuda al reconocimiento de posibles fallas en el macizo rocoso, como resultado de las variaciones de los esfuerzos. ➢ Si el agua empieza a filtrarse a través de la roca dentro de un área que es normalmente seca, es un signo de que la roca esta pasando por cambios de esfuerzo, estos cambios harán que las fracturas se abran o se extiendan, empezando a manifestarse la humedad. Similarmente, si un área normalmente con presencia de agua empieza a secarse también deberá tomarse como una indicación de que la roca esta ganando esfuerzos o se esta equilibrando a la excavación.
  • 32. INESTABILIDAD POR PRESENCIA DE AGUA EN LA EXCAVACION
  • 33. Material a excavar (Roca o Suelo) Excavación con Perf. Y Vol. Utiliza explosivos Energía: Presión de gases y energía de vibración. Excavación mecánica Tuneladoras TBM, Rozadoras, Martillos de impacto. Energía: En punta de maquina, superando resistencia de roca. METODOS DE EXCAVACIONES SUBTERRANEAS
  • 34. METODOS DE EXCAVACION MEDIANTE PERFORACION Y VOLADURA Topografía Perforación Carga de Explosivos Voladura Ventilación Carga Saneo Sostenimiento
  • 35. 16% 52% 16% 57% 23% 9% PERFORACION CARGA - VOLADURA VENT.- LIMPIEZA SOSTENIMIENTO SHOT+MALLA+PERNOS+ CERCHA SOSTENIMIENTO SHOT+MALLA+PERNOS PERFORACION CICLO DE TRABAJO EN LA EXCAVACION
  • 36. MEJORAMIENTO DEL CICLO DE EXCAVACION ➢ Aumento de la eficiencia del equipo ➢ Mejoramiento de incentivos las técnicas de voladura ➢ personal experimentado ➢ Optimización del tamaño del equipo ➢ Incentivos ➢ Condiciones contractuales entre contratista y propietario
  • 42. SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO 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: LOS DE APOYO ACTIVO; 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; donde los elementos de sostenimiento son externos a la roca y dependen del movimiento interno de la roca que esta en contacto con el perímetro excavado.