Medición del grado de fracturación de un macizo rocoso: el índice RQD

La fracturación de un macizo rocoso se define por el número, espaciado y condiciones de las discontinuidades que presenta, cualquiera que sea su origen y clase. El grado de fracturación se suele expresar mediante el índice RQD (Rock Quality Designation), que representa la relación entre la suma de las longitudes de los framentos de testigo mayores de 10 cm y la longitud total del tramo considerado. Éste índice fue desarrollado por Don U. Deere entre 1963 y 1967, en principio, para rocas ígneas.

 Para estimar el RQD sólo se consideran los fragmentos o trozos de testigo de material fresco, excluyéndose los que presentan un grado de alteración importante. La medida de este índice se realiza en cada maniobra de sondeo o en cada cambio litológico, siendo recomendable que la longitud de maniobra no exceda de 1,5 m. Además, el diámetro mínimo de los testigos debe ser de 48 mm.

Se puede decir que un RQD inferior a 25 indica un macizo rocoso de muy mala calidad, mientras que de 90 a 100, indica una calidad muy buena. Una calidad media en relación a la fracturación podría situarse entre 50 y 75.

Aunque este índice es muy utilizado, hay que tener en cuenta que no tiene en cuenta aspectos tan importantes como la orientación del sondeo, separación, rellenos y demás condiciones de las discontinuidades, por lo que no es suficiente para describir completamente las características de la fracturación de un macizo rocoso.

Si no se dispone de datos de sondeos, el RQD aproximado puede estimarse por medio de la siguiente fórmula:

RQD ≈ 115 – 3,3 Jv

donde Jv es el número de fracturas observado por metro cúbico de roca.

Os recomiendo el artículo de Enrique Montalar acerca de éste índice. Recojo las referencias de dicho artículo.

Referencias:

 

Método alemán de construcción de túneles

metodo-alemanEl método alemán es un procedimiento de construcción de túneles de grandes luces que también se emplea cuando el terreno es muy malo y resulta peligroso descalzar parte de la bóveda para ejecutar los hastiales, como es el caso del método belga. Con este procedimiento se puede reaccionar con mayor rapidez que el método belga en el caso de aparecer agua, en terrenos sueltos o capas arenosas. Además, permite reducir los posibles asientos diferenciales que producirían grietas en la bóveda y asientos en superficie.

El sistema sería conceptualmente parecido al método belga, pero cambiando el orden las fases de ejecución y la propia ejecución de la bóveda. El procedimiento inicia la excavación con dos galerías de avance, fase 1; se hormigonan los hastiales para después proceder a la excavación de las fases 3 y 4, se procede al recubrimiento de la bóveda y, por último se excava la parte central, fase 5, con el fin de facilitar la entibación y el apuntalamiento de la parte superior. El avance de las galerías (fase 1) se suele realizar por tramos de 25 a 30 m, dependiendo del tipo de terreno; sin embargo, si el túnel no es muy largo (menos de 200 m, por ejemplo) se puede excavar de un tirón. Estas galerías son muy útiles si es necesario drenar agua durante la ejecución. El hormigonado de la bóveda no apoya sobre el terreno (método belga), sino sobre los estribos hormigonados. Esta bóveda se ejecuta por costillas, construidas de forma alterna. Es decir, se construye la galería central superior y cada semicostilla se ataca desde la parte superior del hastial antes de verter hormigón. Se hormigona la bóveda una vez excavada a través de la galería superior. Este procedimiento permite la construcción de grandes secciones de túnel sin que el frente abierto supere los 3-5 m2.

Os dejo un par de vídeos donde se explica con mayor detalle el método. Espero que os sean útiles.

Referencias:

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

MELIS, M.J.; TRABADA, J.M. (2000). Construcción de una estación en caverna de gran luz. La estación de Guzmán el Bueno. Revista de Obras Públicas, 3485:85-90.

 

El método inglés de excavación de túneles

metodo-inglesLa excavación de túneles en arcillas y areniscas, terrenos típicos en Inglaterra, ha dado nombre al procedimiento de construcción de túneles a sección completa, en una sola operación. También se llama método de ataque a plena sección. Se aplica a túneles de pequeña sección, de no más de 15 m2, con lo cual se puede corregir cualquier imprevisto que surja durante la excavación. Este procedimiento constructivo se utilizó en el primer túnel bajo el Támesis (1825), que pudo realizarse gracias a un escudo de frente abierto.

El proceso de excavación comienza, en su fase 1, con una galería centras de sección pequeña y fácil de controlar, de unos 3 m2 y una longitud de 3-4 m. La excavación se entiba con puntales y tablones o con placas metálicas. Una vez asegurada la fase 1, se puede ampliar la excavación hacia los laterales, en la fase 2. Este proceso es más rápido al atacar los laterales. Posteriormente se excavan en franjas horizontales, en las fases 3 y 4. Una vez se ha excavado la sección completa del túnel, se procede al revestimiento, comenzando por la solera o contra-bóveda.

Este procedimiento presenta la ventaja de que el hormigonado se realiza de una sola vez, evitando juntas y posibles asientos. Sin embargo, hay que tener en cuenta que no se hormigona la sección hasta el final de la excavación, con lo que en cualquier momento se puede producir un fallo en el sostenimiento. Es por ello que el material requiere de un mínimo de cohesión para poder excavar la destroza y la contra-bóveda en una única fase. También se podría utilizar el método en roca, cuando no hay necesidad de revestimiento.

Os dejo a continuación un vídeo sobre la construcción del metro bajo el Támesis, obra de Sir Marc Isambard Brunel. Espero que os guste.

Referencias:

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

Método Bernold de ejecución de túneles

Construcción con método Bernold. Túnel de Jeresa (Fotografía: M. Romana)
Construcción con método Bernold. Túnel de Jeresa (Fotografía: M. Romana)

El método ideal de perforación de un túnel sería aquel que permitiese excavar el perfil y hormigonar la bóveda de un túnel simultáneamente. El método Bernold de ejecución de túneles consiste en la colocación, inmediatamente después de la excavación, de un sostenimiento rígido compuesto por cerchas sobre las que se monta una chapa troquelada denominada chapa Bernold, dejándose hasta la superficie de excavación una distancia igual al espesor del recubrimiento. Posteriormente se hormigona detrás de la chapa, sirviendo ésta como encofrado perdido y armadura. Esta es una opción válida para macizos de calidad mala o muy mala, aunque, según indica Romana (2001), su utilización ha decaído en España debido a la popularización del Nuevo Método Austríaco. Este sistema incorpora los siguientes elementos:

  • Chapas metálicas troqueladas, onduladas y curvadas, de 2 a 3 mm. de espesor y 1 m2 de superficie útil, solapadas y unidas entre sí por medio de pasadores también metálicos.
  • Cimbras de montaje o cerchas, formadas por perfiles de acero de ala ancha (HEB) con 3 o 4 articulaciones que facilitan el montaje de la chapa a la que sirven de soporte.
  • Tubos separadores metálicos, para arriostrar las cimbras y fijar su distancia. Las cerchas llevan unas chapas preparadas para encajar los separadores en ellas.

La aplicación del sistema Bernold es compatible con el control y gunitado del terreno y además proporciona un refuerzo adicional con el recubrimiento final del túnel realizado con los elementos anteriores, de la siguiente forma: Conforme se va realizando la excavación se van colocando las cimbras de montaje, arriostradas con los tubos separadores. La distancia entre cimbras es normalmente de 0,96 m. Partiendo de la base y a cada lado de la sección, se va montando la chapa Bernold, solapando y uniendo los sucesivos tramos con pasadores hasta llegar a la clave del túnel.

Chapa Bernold
Chapa Bernold

Colocada la chapa se hormigona el hueco que queda entre ella y la superficie del terreno, que debe tener un espesor mínimo de 1/15 a 1/20 del radio de la sección. Las ranuras de la chapa facilitan su adherencia y completa unión con el hormigón al refluir éste por ellas y por los huecos que quedan entre los solapes de los tramos contiguos; al mismo tiempo, estas ranuras facilitan la eliminación del agua sobrante durante el vibrado.

El hormigón que se emplea tiene una dosificación de cemento de 250-300 kg/m3, una relación a/c = 0,4-0,5 y un tamaño máximo de áridos de 30 mm. El tape frontal es perdido y se realiza normalmente con metal deplové o nervometal.

Como en cualquier método de excavación-entibación, el sistema Bernold puede combinarse con el bulonado, la inyección u otros medios de refuerzo complementario, aunque las cerchas y la chapa por su forma, ya constituyen un medio altamente resistente y capaz de absorber cargas disimétricas. Su empleo es muy recomendable en las zonas de boquillas y en el cruce de fallas o zonas tectonizadas.

Fuente: Tedesa, técnicas de entibación, s.a. http://www.dfdurofelguera.com/catalogo_tedesa/prod/prod_cat/chapa/Bernold/bernold.pdf
Fuente: Tedesa, técnicas de entibación, s.a. http://www.dfdurofelguera.com/catalogo_tedesa/prod/prod_cat/chapa/Bernold/bernold.pdf

Referencias:

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

ROMANA, M. (2001). Recomendaciones de excavación y sostenimiento para túneles. Revista de Obras Públicas, 148(3408):19-28. (link)

Cargadoras LHD para obras subterráneas

Cargadora LHD Scooptram ST1030LP

Las labores de extracción de material en obras subterráneas y túneles no es una tarea sencilla. Al poco espacio de maniobra hay que añadir los problemas derivados de la ventilación de espacios cerrados y problemas de seguridad y salud que afectan a los trabajadores.

Este tipo de cargadoras se desarrollan para las más duras aplicaciones subterráneas, con objetivos orientados a economizar la producción, incrementar la seguridad y fiabilidad.  Este equipo de cargador LHD (load haul dump) es especialmente adecuado para trabajar debajo de condiciones difíciles, como estrechos, de baja altura y lugares de trabajo con lodo.

En este sentido, las cargadoras LHD, de perfil bajo, empleadas en este tipo de obras adquieren características especiales. Su diseño es compacto, tanto en altura como en anchura. Su radio de giro es mínimo (articuladas), lo que le permite una gran maniobrabilidad en zonas estrechas. Son muy productivas en recorridos cortos o medios (hasta 1000 m). Pueden ser de accionamiento eléctrico o mediante motores diésel.

Para distancias inferiores a unos 500 m 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. La máquina no gira, sentándose el maquinista de forma lateral para conducir en ambas direcciones. Para distancias mayores se utilizan zonas de acopio intermedio de escombros.

Con marcos optimizados, una fuerza motriz muy potente, avanzada tecnología de transmisión, tracción, controles de dirección articulados y ergonómicos, son extremadamente resistentes, muy maniobrables y excepcionalmente productivas. Estas máquinas presentan una capacidad de 1 a 25 toneladas.

 

Un cargador SANDVIK LH517. Wikipedia

Os paso varios vídeos para que podáis ver su funcionamiento. Espero que os gusten.

Referencias:

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5. Ref. 402.

YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. 148 pp.

Hormigón proyectado: gunitado

La técnica del gunitado, también conocida como hormigón proyectado, es un sistema constructivo consistente en proyectar con un “cañón”, o manguera a alta presión, hormigón o mortero pudiendo construir sobre cualquier tipo de superficie, inclusive la tierra, con el objetivo de conseguir un muro continuo, con mayor resistencia y menor espesor, para soportar y contener la presión ejercida por el terreno, con cualquier tipo de pendiente, ofreciendo una impermeabilización óptima gracias a la baja porosidad. Una de las grandes ventajas respecto al hormigón tradicional es que no precisa compactación (tampoco el autocompactante), por lo que se puede adaptar a superficies de todo tipo y geometría. La velocidad de impacto es la que compacta inmediatamente el material. El hormigón proyectado es actualmente un elemento indispensable en los procedimientos de sostenimiento y revestimiento estructural de túneles y taludes.

Este hormigón se llamó originalmente “Gunite” o Gunita, cuando Carl Akeley diseñó un duplicado de pistola de cemento de cámaras en 1910. Su aparato neumático aplicó una mezcla de cemento-arena a gran velocidad a la superficie prevista. El desarrollo de la gunita en Europa siguió a EE.UU. cuando un ingeniero de la CEMENT-GUN CO. americana fundó la TORKRET GmbH en 1921, utilizándose entonces la gunita en reparaciones de muros defectuosos y en mucho menor escala en revestimiento de túneles y galerías.

Podemos distinguir tres procesos distintos de gunitado: mezcla seca, mezcla húmeda y mezcla semi-húmeda. En el proceso de mezcla seca, introduce y se mezcla el agua necesaria en la boquilla de aplicación, que el material seco de cemento (cenizas, escorias, humo de sílice, etc) y los agregados son entregados a través de la pistola. El proceso de mezcla húmeda utiliza hormigón entregado a la tarea que esté bien mezclada con exclusión de los aceleradores necesarios. Los ingredientes son generalmente entregados en camiones mezcladoras de hormigón listos, como se hace con el hormigón normal. La dosificación de cemento oscila entre 300 y 375 kg/m3 con relaciones agua/cemento que están en torno a 0,40 y 0,56, con la limitación del tamaño máximo de árido, generalmente inferior a los 10 mm dependiendo del tamaño de la manguera y boquilla empleada.

http://vgatec.blogspot.com.es
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http://vgatec.blogspot.com.es
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Os dejo el siguiente enlace de Alberto Rey donde podéis ampliar la información al respecto: http://www.ciccp.es/ImgWeb/Castilla%20y%20Leon/Art%EDculos%20T%E9cnicos/Hormigon%20Proyectado.pdf . También os dejo varios vídeos sobre cómo se aplica la técnica. Espero que os gusten.

Máquinas de gunitar por la vía seca:

Gunitado por vía seca:

Gunitado por vía húmeda:

Construcción de túneles mediante empuje de tramos sucesivos

Una forma de construir un túnel consiste en ir empujando, mediante gatos, tramos sucesivos. Este método es similar al de los cajones empujados.

A continuación os paso una infografía realizada por  Hispana y Estudio da Vinci, en León, sobre este procedimiento constructivo empleado por la empresa española OPEMA. Espero que os guste.

 

 

 

Referencia:

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

Ventilación en minas y túneles en fase de construcción

http://geologiavenezolana.blogspot.com.es

La ventilación en minas y túneles constituye una operación fundamental cuya función es la de renovar el aire, diluir los gases contaminantes y polvo y controlar los humos en caso de incendio. Esta operación asegura unas condiciones ambientales no peligrosas para la circulación (respiración y visibilidad) y en caso de incendio garantiza las condiciones de evacuación y de intervención de los equipos de emergencia. En base al volumen de los gases nocivos emitidos, se adecua el volumen de aire limpio y fresco necesarios.

Existen diferencias entre la ventilación en fase de construcción y de explotación, pues en la primera se emiten más contaminantes, principalmente en la zona del frente de avance, estando además allí los operarios durante toda la jornada de trabajo. Otra diferencia importante en la ventilación durante la construcción de un túnel es que sólo tiene una entrada, por lo que la ventilación debe conseguirse asegurando la circulación desde la entrada hasta el frente de avance.

Básicamente, se pueden adoptar tres tipos de ventilación en construcción:

  • Ventilación aspirante: en ella se emplea la conducción del aire como aspirante (tubería rígida) extrayendo el polvo y los gases a su través. El aire entra por la boca del túnel y atraviesa toda su sección hasta llegar al frente de avance, mezclándose así con los distintos contaminantes que puedan existir. Un ventilador acoplado a la tubería hace que el aire del frente entre en ésta y sea expulsado por su otro extremo al exterior del túnel.

Ventilación aspirante. Fuente: construmatica.com

 

  • Ventilación soplante: se alimenta el frente de ataque con aire a través de la tubería de impulsión, saliendo el aire sucio a través de la galería que se está perforando. El tapón de humos, gases y polvo que ocupa el fondo del túnel es removido por el aire fresco soplado por la tubería, siendo así diluido y empujado a lo largo del túnel hasta su emboquille, por donde es expulsado hacia el exterior.

Ventilación soplante. Fuente: construmatica.com

 

  • Ventilación mixta: es una combinación de las anteriores; cuando se produce la pega (voladura) se adopta la disposición aspirante y una vez estraída la mayor parte de los gases sucios, se cambia a soplante.

Ventilación mixta. Fuente: construmatica.com

 

La ventaja de la ventilación aspirante es que los gases y el polvo retornan por la tubería evitando que los respire el personal. Además, tras el disparo de las voladuras los gases y humos se eliminan rápidamente. Por contra, se requiere una tubería rígida o si es de lona deben estar armadas con una espiral de acero, el aire entra por el túnel lentamente, la ventilación aspirante deja algunas zonas del frente mal ventiladas, precisa una mayor potencia instalada y genera mayores pérdidas de carga.

Cuando la obra subterránea presenta una gran longitud, es práctica frecuente la utilización de dos o más ventiladores instalados en serie. Con esta disposición de racionaliza la utilización, añadiendo ventiladores a medida que avanza el frente hasta la instalación final para el último tramo de obra.

Os dejo un vídeo donde se explica la ventilación de un túnel en construcción. Espero que os guste.

Referencias:

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

 

La técnica del bulonaje

Figura 1. Anclaje pasivo con bulón. http://cimentacionesyaplicaciones.blogspot.com.es

Un bulón o perno es un elemento normalmente metálico que tiene como objetivo reforzar y soportar rocas fracturadas o incompetentes para prevenir su rotura. Sería cualquier tipo de mecanismo de soporte que, insertado en el interior del terreno, le proporcionaría un aumento de rigidez o de resistencia a tracción y corte. El bulón, cuando el terreno quiere deformarse, introduce unos esfuerzos adicionales en el macizo que contribuyen a su estabilidad general. Se puede decir que “cosen” las discontinuidades del macizo rocoso, impidiendo deslizamientos y caídas de cuñas y bloques, y por otra parte aportan al tereno un efecto de confinamiento.

La longitud de un bulón, por razones constructivas, suele estar comprendida entre 1,5 y 10 m. Se colocan en el interior del terreno desde una superficie libre, a través de un taladro. Sin embargo, la fuerza que puede soportar cada bulón es relativamente reducida, lo cual implica una densidad de aplicación elevada. Es habitual el uso de barras de acero de 20 a 40 mm de sección, admitiendo cargas del orden de 10 a 25 t.

Podemos distinguir un bulón de un anclaje por cables en dos aspectos fundamentales:

  • Su longitud, que raramente supera los 10 m, siendo habitual longitudes comprendidas entre 2 y 5 m.
  • Su fuerza resistente. El bulón no se tesa como el anclaje a una fracción importante de su carga de rotura.
Figura 2. Perno de anclaje SPLITBOLT(C). Cortesía de Aceros Arquipa.

Los primeros bulones que se utilizaron en una cantera de pizarras de Angers, al norte de Gales, (1872) eran de madera seca, donde se clavaban perpendicularmente a los planos de esquistosidad para lograr el cosido. Por efecto de la humedad del terreno, se conseguía un anclaje continuo debido al hinchamiento higroscópico de la madera. En minería subterránea, el primer empleo de este sistema de sostenimiento se produce a finales del siglo XIX en una mina cercana al río Missouri, en Estados Unidos. Sin embargo, no es hasta finales de la Segunda Guerra Mundial, en Estados Unidos, cuando se produce la gran expansión de esta tecnología. Con el “Nuevo Método Austríaco“, la tecnología del bulonaje y del gunitado se convierte en pieza fundamental en la construcción de túneles.

Los elementos funcionales de un bulón son los siguientes:

  1. Un dispositivo de aplicación y reparto de fuerzas sobre la superficie libre del terreno, que generalmente es una placa metálica de reparto, que se solidariza al sistema mediante una tuerca o anillo con su arandela.
  2. Un elemento transmisor de esfuerzos desde la superficie al interior del terreno, que suele ser una barra o tubo cilíndrico, normalmente de acero, aunque también pueden ser de otros materiales como el poliester o la fibra de vidrio.
  3. Un elemento o técnica de anclaje que solidariza el sistema en el interior del terreno. Así pueden existir bulones con anclaje puntual por cuña o por cabeza de expansión, o bien bulones con  anclaje repartido, que puede ser mecánico (torsión del tubo, presión de aire, ajuste de barra) o químico (inyección de cemento o resina).

La técnica continúa empleándose con gran profusión debido a sus indudables ventajas:

  • Simpleza
  • Funcionalidad
  • Relativa economía frente a otros tipos de sostenimiento
  • Permite usarse como soporte temporal o permanente, y en función de ello, las características del bulón a emplear son muy diferentes
  • Permite reducir la sección transversal en las excavaciones
  • Admite total mecanización.

Hoy día el tipo de pernos de anclaje es muy variado. Os dejo un vídeo donde se explican sus variantes.

Otro vídeo interesante es de Altas Copco.

En este vídeo podemos ver el anclaje SPLITBOLT®, en un vídeo de Aceros Arequipa.

Referencias:

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

http://www.dsiunderground.com/uploads/media/DSI_Underground_Systems_Trusses_Slings_US_01.pdf

Bieniawski, Z.T. (1990). Tunnel design by rock mass classifications. (link)

http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-080399-152659/unrestricted/WholeVersion.pdf

http://rezazt.tripod.com/sitebuildercontent/sitebuilderfiles/rockboltdesignreport.pdf

http://home.agh.edu.pl/~cala/hoek/Chapter5.pdf