UNIVERSIDAD NACIONAL SAN CRISTOBAL DE HUAMANGA

FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS, GEOLOGA Y CIVIL

9o CONGRESO NACIONAL DE MINERA

Comprometidos con el crecimiento sostenible del pas

TEMA: DISEO DE EXCAVACIONES SUBTERRNEAS MEDIANTE LA CORRELACION DE CONCENTRACION DE TENSIONES CRTICAS DELA MASA ROCOSA.
AUTORES AUTORES: :
ING. ROBERTO MEZA SALCEDO.
Especialista Senior en Geomecnica/Geotecnia - Argentina.

ING. INDALECIO QUISPE RODRIGUEZ.

Profesor de la Facultad de Ingeniera Minas Geologa. Y Civil UNSCH.

Octubre 2012

UBICACIN DE LOS PUNTOS DE LA INVESTIGACIN: Tnel Rampa 690 CMH (Prof. = 681m) Explotacin Flor de Loto RAURA (Prof. = 1030m 1030m) )

Tnel Rampa Profundizacin MARSA (Prof. = 1200m)

Tnel Rampa P +3100 +3100 HUANSALA (Prof. = 550 550m) m)

OBJETIVOS:
1 Determinar en la prctica la relacin de estabilidad de la excavacin en funcin de los criterios de rotura de Hoeck y Brown.

2 Determinar la concentracin de tensiones crticas y la relacin de la forma de las excavaciones, y sus incidencias como posibles astillamientos y/o estallidos de roca.

cc = Po x St/Sv
3 Demostrar la distribucin de tensiones en el contorno de la excavacin que depende de su forma y no necesariamente de su tamao.
C ON C E NT R A C I N D E T EN S ION E S D E

s t/ s v

10

x : D AT O S E X P E RI ME NT A L E S o : D AT O S C AL C UL A DO

EL IP SE

C OM P R ES I N C R TI C A S

RE CTNG ULO x

x
4

x x x x

o
VAL O

o o o
m = 1/ 3
0 .5

1. 5

2 .5

3. 5

W o /H o

1.1. - DETERMINACIN DE LA RELACIN DE ESTABILIDAD DE LA EXCAVACIN DE ACUERDO A LOS CRITERIOS DE ROTURA DE HOECK BROW:

Hoek menciona que el coeficiente (cm/Po) controla la estabilidad de la excavacin de acuerdo a las siguientes condiciones: Si cm/Po < 0.15 entonces se genera un campo de deformaciones, el cual se incrementa significativamente, y por ende el radio de la zona plstica. Igualmente para valores cm/Po 0.5 las deformaciones son insignificantes.

a.- Aplicacin prctica de la relacin de estabilidad de una excavacion para la Rampa P +3100 - Huanzal (Extractos de Informes Geomecnicos 2007) 2007):
Calculando parmetros de corte. mi = 17 (roca intacta) m = mi . e((GSI-100)/28) m = 2.8505 s = e((GSI-100)/9) s = 0.003866 1 2 C/ c c C cm cm / Po = 37.6385 = 66.89 = 27.20 (3/ c = 0) (3/ c = 1/4)
Se observa que el valor obtenido a travs de dicha relacin es mucho mayor de 0.15, lo que indica que la deformacin a desarrollarse en la cavidad subterrnea ser muy inferior a la condicin crtica, obtenindose una deformacin de 1.11mm/m de radio del tnel. En estas condiciones se requerir de un soporte menos denso.

= 0.03953, como: = 105 MPa = 4.151MPa = 16.905MPa = 16.905/12.6

cm / Po

= 1.342

Seccin Roca Profundidad Peso unitario Presin litosttico ndice GSI Resistencia

: 4.00m x 3.50m : Caliza, con mi = 17. : H = 550mt : = 22 KN/M3 : Po = v = . H = 22KN/M3 x 550M /1000 = 12.6MPa : GSI = 50 : c = 105 MPa.

b.- Aplicacin prctica de la relacin de estabilidad de una excavacion para la Rampa P 690 - CMH (Extractos de Informes Geomecnicos 2009) 2009):
Calculando parmetros de corte. mi = 27 (roca intacta) m = mi . e((GSI-100)/28) m = 2.65 s = e((GSI-100)/9) s = 0.00073 1 2 C/ c c C cm cm / Po = 37.71 = 73.91 = 26.65 = 0.03195, = 65 MPa = 2.077MPa = 5.811MPa = 5.811/17.71 (3/ c = 0) (3/ c = 1/4) como:
Se observa que el valor obtenido a travs de dicha relacin es mucho mayor de 0.15, lo que indica que la deformacin a desarrollarse en la cavidad subterrnea ser muy inferior a la condicin crtica, obtenindose una deformacin de 18.40mm/m de radio del tnel. En estas condiciones se requerir de un soporte ms denso y pesado.

cm / Po

= 0.33

Seccin Roca Profundidad Peso unitario Presin litosttico ndice GSI Resistencia

: 4.50m x 4.20m : Granodiorita, con mi = 27. : H = 681mt : = 26 KN/M3 : Po = v = . H = 26KN/M3 x 681M /1000 = 17.71MPa : GSI = 35 : c = 65 MPa.

c.- Aplicacin prctica de la relacin de estabilidad de una excavacion para la Rampa Profundizacin - MARSA (Extractos de Informes Geomecnicos 2010) 2010):
Calculando parmetros de corte. mi = 27 (roca intacta) m = mi . e((GSI-100)/28) m = 3.787 s = e((GSI-100)/9) s = 0.0022 1 2 C/ c c C cm cm / Po = 40.52 = 72.325 = 29.53 (3/ c = 0) (3/ c = 1/4)
Se observa que el valor obtenido a travs de dicha relacin es mucho mayor de 0.15, lo que indica que la deformacin a desarrollarse en la cavidad subterrnea ser muy inferior a la condicin crtica, obtenindose una deformacin de 8.00mm/m de radio del tnel. En estas condiciones se requerir de un soporte ms denso y pesado.

= 0.041, como: = 87.21 MPa = 3.585MPa = 15.56MPa = 15.56/31.20

cm / Po

= 0.50

Seccin Roca Profundidad Peso unitario Presin litosttico ndice GSI Resistencia

: 4.00m x 4.50m : Granodiorita, con mi = 27. : H = 1200mt : = 26 KN/M3 : Po = v = . H = 26KN/M3 x 1200M /1000 = 31.20MPa : GSI = 45 : c = 87.21MPa.

2.- DETERMINACIN DE LA RELACIN EXISTENTE ENTRE LAS 2.CONCENTRACIONES DE TENSIONES CRTICAS Y LA FORMA DE LA CAVIDAD DE ACUERDO OBERT Y DUBALL, 1967 Y HOEK BROWN

s t/ s v
r

v = Esfuerzo Vertical

10

= 90

r
= 180 a

CONCENTRACIN DE TENSIONES DE COMPRESIN CRTICAS

x: DATOS EXPERIMENTALES +: DATOS EXPERIMENTALES o: DATOS CALCULADO

= 0

h = kv
Esfuerzo Horizontal

ELIPSE RECTNGULO

x x x x x x

= 270

o+
+

+ + +
VALO

o + o

m=1
0.5

1.5

2.5

3.5

Wo /Ho

2.- DETERMINACIN DE LA RELACIN EXISTENTE ENTRE LAS 2.CONCENTRACIONES DE TENSIONES CRTICAS Y LA FORMA DE LA CAVIDAD DE ACUERDO OBERT Y DUBALL, 1967 Y HOEK BROWN
H cc Po St/Sv Wo/Ho : Profundidad o altura litosttico (m) : Peso unitario del macizo rocoso (KN/m3) : Esfuerzo compresivo crtico en el contorno de la excavacin (MPa) : Presin litosttico o tensin natural vertical (MPa) : Concentracin de tensin Compresivo crtico. (Figura) : Relacin de Ancho / Altura de la excavacin. (Figura)

De acuerdo a los estudios realizados por varios autores con respecto de la influencia de tensiones naturales a la estabilidad de la excavacin subterrnea. Dieron la relacin entre la resistencia a la compresin uniaxial de especmenes de 50mm y las tensiones medidas en la excavacin (c/): *.- Hoek y Brown (1980), si c/ > 7 la labor es estable, si c/ = 4 a 7 habr poco astillamiento, si c/ = 1.5 a 3 astillamiento severo. *.- Russenes (1974), si c/ > 4 la labor es estable y si c/ 3 a 4 habr poco astillamiento, si c/ 1.5 a 3 habr astillamiento moderado y necesita sostenimiento pesado. *.- Grimstard y Barton (1974), si c/ > 3 nivel de tensin aceptable y si c/ 2 a 3 habr poco astillamiento.

a.- Determinacin de la concentracin de esfuerzos critico criticos s (Astillamientos Astillamientos, , Potencial estallido de rocas rocas) ) para las excavaciones que se determin en la parte 1:
a.- Acpite 3.2: Rampa P +3100,
c Po W o/Ho St/Sv cc = 105 Mpa: = 12.6 Mpa = 4/3.5 = 1.14 (ancho/altura) = 2.25 (Figura) = 2.25 x 12.6 = 28.35 Mpa

c/cc = 105/28.35 = 4.0,

Labor estable, con poca actividad de astillamiento.

b.- Acpite 3.3: Rampa 690,

c Po W o/Ho St/Sv cc = 65 Mpa: = 17.71 Mpa = 4.5/4.2 = 1.0 (ancho/altura) = 2.0 (Figura A.7) = 2.0 x 17.71 = 35.42 Mpa

c/cc = 65/35.42 = 1.8,

Labor estable, pero con sostenimiento ms pesado.

c.- Acpite 3.4: Rampa a 1200 mt de prof,

c Po W o/Ho St/Sv cc = 87.21 Mpa: = 31.20 Mpa = 4.0/4.5 = 0.88 (ancho/altura) = 1.85 (Figura A.7) = 1.85 x 31.20 = 57.72 Mpa

K = 0.42 + 850/z

c/cc = 87.21/57.72 = 1.51,

Labor con potencial de estallidos. Necesita sostenimiento ms pesado.

b.- Casos prcticos de esfuerzos critico criticos s (Astillamientos Astillamientos, , Potencial estallido de rocas rocas) ) para las excavaciones que se determin en la parte 2a:
v = Esfuerzo Vertical

= 90

= 180

=0

h = k v
Esfuerzo Horizontal

= 270

b.Casos prcticos de esfuerzos critico criticos s (Astillamientos Astillamientos, , Potencial estallido de rocas rocas) ) para las excavaciones que se determin en la parte 2a (Caso Raura 2012) 2012):
DATOS: Altura litosttica Z v h = 1030mt, v = 120Mpa = 2.75 Ton/m3 = 2,832.50 Ton/m2 (28.325Mpa) = 3,540.63 Ton/m2 (35.406Mpa) = 3 h v = 77.89Mpa

Densidad de la roca Esfuerzo vertical Esfuerzo vertical Para el techo, hastial y piso de la excavacin

Y la relacin de c/ = 120/77.89 = 1.54. El valor de c/ = 1.54, es indicativo de que existe alta actividad de estillamiento, con probabilidad de estallidos de roca. Por lo que necesitar de sostenimiento con capacidad de admitir altas deformaciones

b.- Casos prcticos de esfuerzos critico criticos s (Astillamientos Astillamientos, , Potencial estallido de rocas rocas) ) para las excavaciones que se determin en la parte 2a (Caso Raura 2012) 2012):

Con la relacin de c/ = 120/77.89 = 1.54. El valor de c/ = 1.54, es indicativo de que existe alta actividad de estillamiento, con probabilidad de estallidos de roca. Por lo que necesitar de sostenimiento con capacidad de admitir altas deformaciones

b.- Casos prcticos de esfuerzos critico criticos s (Astillamientos Astillamientos, , Potencial estallido de rocas rocas) ) para las excavaciones que se determin en la parte 2a (Caso Raura 2012) 2012):

1 2 1 2 1 2

( h + v ) 1 +

a r

2 2 2

1 2 1 2 1 2

( h - v ) 1 +

3a r
4

Cos 2

= =

( h + v ) ( h + v ) ( h + v ) ( h + v ) 3v - h

- 2 (h - v ) Cos 2 - 2 (h - v ) Cos 0 - 2 (h - v ) - 2 h + 2 v

= = = = =

( h + v ) ( h + v )

2 ( h - v ) Cos 2

( h + v ) 1 +

a a

( h - v ) 1 +

3a a
4

- 2 ( h - v ) Cos 180

Cos 2

( h + v ) + 2 ( h - v ) ( h + v ) 3h - v + 2 h - 2 v

( h + v )

( h - v )

Cos 2 =

= (h + v) - 2 ( h - v) Cos 2

En Hastiales

En techo y piso

3.3. - DEMOSTRACIN DE LA DISTRIBUCIN DE TENSIONES EN EL CONTORNO DE LA EXCAVACIN QUE DEPENDE DE SU FORMA Y NO DEL TAMAO
Y
ZONA FRACTURADA
Y = 1/f [a 1 - x2/a 1 ]

qv
ENCRIBADO 5" ENCRIBADO 5"

b
X
x 10'

SOMBRERO 8" x 10'

SOM BRERO 8" x 10'

Tope 8''
10'

8" x

8" x

qb

x 10'

10'

S T E

P O S T E

S T E

Rb

H
Y

8"

P O

P O

P O S T E

8"

(90 + ? )/2

Existe la teora de PROTODYANOKOV, muy similar al te TERZAGHI 1946, que si el macizo rocoso en la que se realiza la excavacin no es capaz de resistir las presiones tangenciales, la roca abandonar el dominio elstico y se plastificar llegando a producirse fracturas visibles en el permetro de la excavacin. Que seran los casos de los tajos de CMH - 2008. Por lo tanto, la zona fracturada tiene una configuracin parablica tal como se ilustra en la figura. La altura mxima de la parbola viene expresada por la relacin: b = a1 / f = (Hc) mxima

Pv = [b ( (2c/b)) / 2.Tang ] x [1-e (2.H.Tang /b)]

3.- DEMOSTRACIN DE LA 3.DISTRIBUCIN DE TENSIONES EN EL CONTORNO DE LA EXCAVACIN QUE DEPENDE DE SU FORMA Y NO DEL TAMAO

Pernos

Pernos

Tramo del tj 662 rellenado sin poliyute y malla TAJO 662N

Extremo de tj 662 rellenado con poliyute y malla (embolsado)

3.3. - DEMOSTRACIN DE LA DISTRIBUCIN DE TENSIONES EN EL CONTORNO DE LA EXCAVACIN QUE DEPENDE DE SU FORMA Y NO DEL TAMAO

Tubera de releno

Cmara Transf.

CX614N 4 BS.

Cmara Transf.

CX614N 4 BS.

RP746N 3 BS.

6
3 Tapn

RP746N 3 BS.

3 Tapn

RP746N
2 Tapn RP746N 2 BS.

RP746N

RP746N

Relleno Ciego
RP746N

2 Tapn

RP746N 2 BS.

RP746N

RP746N

RP746N 1 BS.
armado

RP746N 1 BS. Gl747N

1 Tapon de concreto

Gl747N

BP746N

Tapon de concreto armado

BP746N

3.- DEMOSTRACIN 3.DE LA DISTRIBUCIN DE TENSIONES EN EL CONTORNO DE LA EXCAVACIN QUE DEPENDE DE SU FORMA Y NO DEL TAMAO

3.- DEMOSTRACIN DE ESTAS 3.TEORIAS EN EXCAVACIONES GRANDES CAVERNAS TNEL COVEYOR

DEFORMACIN ELSTICA : Condicin estable de la caverna Sin ningn tipo de accin de sostenimiento. DEFORMACIN PLSTICA : Condicin estable de la caverna, pero con accin de sostenimiento (Pernos + shotcrete + cables pre tensados). ROTURA: Condicin inestable y colapso de la caverna.

CONCLUSIONES:
El dimensionamiento de sostenimiento en las excavaciones depende fundamentalmente de la calidad del macizo rocoso, de las dimensiones de las excavaciones y del estado tensional existente en el terreno. Las condiciones geomecnicas del macizo rocoso determinan el tamao de las excavaciones subterrneas, exigir mayores dimensiones de su capacidad de soporte de la roca, requiere adicionar un tipo de sostenimiento que garantice su estabilidad. De acuerdo a los ejemplos y teoras analizados en esta investigacin, los esfuerzos tangenciales o la concentracin de esfuerzos en el contorno de la excavacin depende de la forma y no necesariamente del tamao de la excavacin. Tal es as que Hoek y Brown en sus investigaciones determina los esfuerzos tangenciales en los enclaves y hastiales para tneles de diferentes geometras.

CONCLUSIONES:
En esta investigacin se da un alcance, de una forma de cuantificacin de los fenmenos de astillamiento hasta estallidos de roca en una excavacin, que est en funcin a la relacin de la resistencia compresiva uniaxial de la roca y el esfuerzo tangencial o esfuerzo compresivo crtico que se da en el contorno En Per se tiene avances en la determinacin de la ley tectnica in situ del Batolito de Pataz (Per). A la cual se tiene el coeficiente de reparto de tensiones promedio (K = 0.42 + 850/z), donde z es la profundidad desde la superficie hasta la excavacin subterrnea.

GRACIAS