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“PREDICCIÓN EMPÍRICA DEL
STRAINBURST Y SQUEEZING
EN GALERÍAS PROFUNDAS”
Manuel Arlandi Rodríguez ([email protected])
Ingeniero de Minas
GEOCONSULT España Ingenieros Consultores S.A
Madrid (ESPAÑA)
Alberto Bernardo Sánchez ([email protected])
Ingeniero de Minas
GEOCONSULT España Ingenieros Consultores S.A
Madrid (ESPAÑA)
Luis Jordá Bordehore ([email protected])
Doctor Ingeniero de Minas
GEOCONSULT España Ingenieros Consultores S.A
Lima (PERÚ)
Introducción
•Los Túneles y Galerías Profundas presentan unas características geotécnicas especiales, que
condicionan tanto las técnicas de soporte como los métodos constructivos a emplear para su
excavación.
•Los comportamientos geotécnicos que los hacen singulares se derivan de los altos niveles
tensionales desarrollados en profundidad.
•Cuando las litologías excavadas son rígidas y competentes suelen desarrollarse mecanismos
de rotura frágil, que se traduce en el desarrollo de lajado de la roca (spalling), y en los casos
más severos provocan la aparición de fenómenos súbitos de estallido de roca (rockburst).
•Cuando el terreno es de mala calidad (GSI < 40), unido a la aparición de determinada
mineralogía en las rocas (arcillas, micas, grafito, etc.), se pueden desarrollar mecanismos de
rotura dúctil, con fuertes deformaciones y empujes, en un comportamiento geotécnico
denominado internacionalmente squeezing
Rockburst
Squeezing
Modos de Rotura y Deformación
en Galerías Profundas
Mecanismo de
Deformación y
Rotura
Características
Requerimientos de Sostenimiento
•
Desarrollo súbito
•
Inesperado
•
•
Empujes pequeños o
moderados
Colocación inmediata tras la
excavación
•
•
Peligro potencial a
personas y maquinaria
Desarrollo inmediato de su
capacidad portante tras su
colocación
•
Dependiente del tiempo
•
Alta capacidad resistente
Mecanismo
•
Fuertes empujes
•
Flexibles
Dúctil
•
Grandes deformaciones
•
Capaces de absorber
•
Daños potenciales al túnel
Mecanismo
Frágil
deformaciones sin perder
capacidad portante
Tabla 1: Mecanismos de rotura en túneles profundos (Amberg, 2006)
Rockburst
Según el mecanismo que desencadena la aparición del fenómeno,
podemos clasificarlo en dos tipologías generales (Kaiser, 1999):
A. Sísmicamente inducido: consiste en la proyección de bloques
existentes, por efecto de algún evento sísmico remoto.
B. Tensional (Strainburst): se origina por acumulación de energía
deformacional en zonas con elevado nivel de tensión. El mecanismo
es “autoiniciado”, ya que el fenómeno lo desencadena el reajuste
tensional producido tras la excavación. Produce en la roca el citado
efecto de lajado. Este mecanismo es el más habitual, y el que
normalmente cita la literatura técnica. En esta ponencia hablaremos
de este mecanismo.
Strainburst
PROFUNDIDAD DEL LAJADO
(Kaiser 2000):
Donde:
ε
df
= 1,25σ max
r
c
0,51± 0,1
df = Espesor de la roca lajada
r = Radio del túnel
εmax = Tensión circunferencial máxima
σc = Resistencia a Compresión Uniaxial de la roca obtenida en laboratorio
De acuerdo a la magnitud del lajado, puede valorase la severidad del fenómeno, de
acuerdo a la siguiente tabulación:
Severidad
Profundidad del lajado
Menor
< 0,25 m
Moderada
< 0,75 m
Intensa
< 1,5 m
Tabla 2: Severidad del Rockburst, según la magnitud del lajado observado
Strainburst
Para que un macizo rocoso pueda presentar este
comportamiento, deben concurrir simultáneamente las
siguientes circunstancias:
A. Que la roca sea capaz de acumular suficiente energía
deformacional, lo cual generalmente implica que el
macizo posea determinadas propiedades mecánicas
B. Que el nivel tensional sea elevado.
C. Que el macizo rocoso no se encuentre muy fracturado, ya
que la fracturación disipa las tensiones y reduce la
acumulación de energía.
Criterio de la energía de deformación elástica
Este criterio fue establecido por Kwasniewski (1994) y sus colaboradores en
Polonia. Estos autores tabulan el riesgo de estallido de roca en base a energía
potencial de deformación elástica, (Eq. 2) que denominan abreviadamente PES,
y cuyo valor es:
Donde:
PES = Energía Potencial de Deformación Elástica de la roca (kJ/m3)
σc = Resistencia a Compresión Uniaxial de la roca obtenida en laboratorio (MPa)
Es = Módulo de Young de la roca obtenido en laboratorio (GPa)
Criterio de la energía de deformación elástica
Energía Potencial de
Deformación Elástica (PES)
PES ≥ 50 kJ/m3
100 ≥ PES > 50
150 ≥ PES > 100
200 ≥ PES > 150
PES > 200
Valoración del Riesgo
de Estallido
Riesgo Muy Bajo
Riesgo Bajo
Riesgo Moderado
Riesgo Alto
Riesgo Muy Alto
Tabla 3: Valoración del riesgo de estallido sobre la base de la estimación
de la Energía Potencial Elástica
Criterio de la tensión tangencial
Este criterio, debido a Wang (1998), considera tanto el estado tensional del macizo
rocoso como las propiedades mecánicas de las rocas, y constituye una evolución
del Criterio de Hoek de 1980. Este autor calcula el valor Ts , expresado como:
Donde:
σθ = Tensión tangencial en la roca ubicada en la periferia de la excavación
σc = Resistencia a compresión uniaxial de la roca del macizo rocoso
Donde:
γ = Peso Específico de la roca
Z = Cobertera de terreno
Criterio de la tensión tangencial
Ts
< 0,3
0,3 – 0,5
0,5 – 0,7
> 0,7
Valoración del Riesgo de
Estallido
No existe riesgo
Riesgo de débil estallido
Riesgo de estallido fuerte
Riesgo de estallido violento
Tabla 4: Valoración del riesgo de estallido sobre la base del criterio de la tensión tangencial
Influencia de la fracturación sobre el estallido de roca
RQD
RQD < 25
25 < RQD < 50
50 < RQD < 75
RQD > 75
Valoración del riesgo
de estallido
No existe Riesgo
Riesgo Bajo
Riesgo Moderado
Riesgo Alto
Tabla 5: Valoración del riesgo de estallido sobre la base del criterio del RQD
Squeezing
CRITERIO DE SINGH
Fig. 1: Criterio de Singh (1992) para la predicción del Squeezing
Squeezing
CRITERIO DE GOEL
Sin Squeezing:
H < 275 · Q · 0,33 • B – 0,1
Squeezing Ligero:
275 · Q · 0,33 · B – 0,1 < H < 450 · Q · 0,33 · B – 0,1
Squeezing Moderado:
450 · Q · 0,33 · B – 0,1 < H < 630 · Q · 0,33 · B – 0,1
Squeezing Severo:
630 · Q · 0,33 · B – 0,1 < H
H = Recubrimiento de la galería
Q = Indice de Barton
B = Anchura de la galería
Fig. 2: Cobertera mínima para el desarrollo de fenómenos de Squeezing,
para un túnel de 10 m de diámetro. Adaptado a partir de (Goel, 1994 )
Squeezing
CRITERIO DE BARLA
Este autor ha propuesto un criterio muy útil y sencillo de aplicar para la estimación de las
condiciones de squeezing, que está basado en el cálculo del ratio:
σcmass
γ z
Donde:
σcmass = Resistencia a compresión del macizo rocoso
γ = Peso específico de la roca suprayacente
Z = Cobertera de terreno sobre el túnel
Grado de Squeezing
Sin Squeezing
Squeezing ligero
Squeezing moderado
Squeezing alto
RATIO
> 1,0
0,4 – 1,0
0,2 – 0,4
< 0,2
Tabla 6: Grados de Squeezing según Barla (1995)
σcmass
γ z
Squeezing
CRITERIO DE HOEK & MARINOS
Estos autores estiman el grado de squeezing mediante la obtención del ratio propuesto por Barla (1995):
σ
cmass
p0
donde:
p0 = γz
σcmass = Resistencia a compresión del macizo rocoso
p0 = Tensión in situ
σc = Resistencia a compresión simple de la matriz rocosa
mi = Constante del Criterio de Rotura de Hoek & Brown
GSI = Geological Strength Index del macizo rocoso del túnel
γ = Peso específico de la roca del recubrimiento del túnel
Z = Recubrimiento del túnel
Este criterio propone una expresión para estimar la convergencia ε(%) generada en el túnel,
como porcentaje del diámetro total del mismo:
σ
ε = 0,2
2
cmass
p0
Squeezing
CRITERIO DE HOEK & MARINOS
A
Convergencia
(%)
<1%
B
1 % – 2.5 %
C
2.5 % – 5 %
D
5 % – 10 %
E
> 10 %
Clase
Grado de Squeezing
No se desarrolla squeezing.
Squeezing ligero: problemas de soporte resolubles con
gunita, arcos metálicos ligeros y pernos.
Squeezing moderado: problemas resolubles con hormigón
proyectado y cerchas pesadas.
Squeezing severo: soporte muy pesado, problemas de
estabilidad del frente, enfilajes y paraguas.
Squeezing extremo: soportes especiales, graves problemas
de estabilidad del frente
Tabla 7: Grados de Squeezing (Hoek y Marinos, 2000)
APLICACIÓN MINA EL TENIENTE (CHILE)
DESCRIPCIÓN DEL TÚNEL
Riolita y
Dacita
ROCA INTACTA
Diorita y
Tonalita
Brecha Braden
60
30
45
25
2,8
2,62
2,73
2,61
Resistencia
Compresión
Uniaxial
mi
120
110
140
90
9,1
20,2
MACIZO ROCOSO
9,2
11,6
GSI
σcmass (MPa)
70 - 85
75 - 90
70 - 90
85 – 100
49
60
42
50
20 - 80
60 - 90
20 - 80
> 75
Parámetros
Es (GPa)
Módulo Young
γ (Ton/m3)
Peso específico
CMET
σc (MPa)
Resistencia
Compresión
RQD (%)
Tabla 8: Parámetros Geomecánicos Promedio El Teniente
APLICACIÓN MINA EL TENIENTE (CHILE)
DESCRIPCIÓN DEL TÚNEL
0+000 – 0+460
Longitud
Tramo (m)
460
Cobertera
Máxima Z(m)
250
0+460 – 1+826
1+826 – 1+876
1+876 – 2+211
2+211 – 2+291
1.366
50
335
80
400
250
390
430
2+291 – 3+242
951
595
3+242 – 3+895
653
605
3+895 – 4+514
619
625
4+514 – 7+747
3.233
935
Riolita Farallones
Falla
Riolita Farallones
Falla
Zona alteración
hidrotermal
Doirita Sewell
Diorita Sewell con
cuarzo
Diorita Sewell
7+747 – 8+506
759
1.080
CMET
8+506 – 8+883
377
1.100
Brecha Braden
P.K
Tabla 9: Tramificación Túnel El Teniente
Roca
Brecha Farallones
APLICACIÓN MINA EL TENIENTE (CHILE)
PES
(KJ/m3)
Ratio
Tensional
Máximo
RQD (%)
Evaluación
Riesgo
RIESGO DE STRAINBURST EN EL TÚNEL DE ACCESO
0+000 – 0+460
250
Brecha Farallones
202
0,09
60 - 90
No
probable
0+460 – 1+826
400
Riolita Farallones
202
0,14
60 - 90
No
probable
1+826 – 1+876
250
Falla
-
-
-
-
1+876 – 2+211
390
Riolita Farallones
202
0,14
60 - 90
No
probable
2+211 – 2+291
430
Falla
-
-
-
-
2+291 – 3+242
595
Zona alteración
hidrotermal
-
-
-
-
3+242 – 3+895
605
Doirita Sewell
218
0,18
20 - 80
No
probable
3+895 – 4+514
625
Diorita Sewell con
cuarzo
218
0,18
20 - 80
No
probable
4+514 – 7+747
935
Diorita Sewell
218
0,27
20 - 80
Posible en alguna
zona
7+747 – 8+506
1.080
CMET
120
0,38
20 - 80
Posible
8+506 – 8+883
1.100
Brecha Braden
162
0,48
>75
Muy Posible
P.K
Z
(m)
Roca
Tabla 10: Tramificación del Riesgo de Strainburst
APLICACIÓN MINA EL TENIENTE (CHILE)
Roca
Evaluación
Riesgo
(m)
Criterio
Barla
P.K
Z
Criterio
Hoek
RIESGO DE SQUEEZING
0+000 – 0+460
250
Brecha Farallones
<1%
9,35
No Squeezing
0+460 – 1+826
400
Riolita Farallones
<1%
5,84
No Squeezing
1+826 – 1+876
250
Falla
-
-
-
1+876 – 2+211
390
Riolita Farallones
<1%
5,99
No Squeezing
2+211 – 2+291
430
Falla
-
-
-
2+291 – 3+242
595
Zona alteración hidrotermal
-
-
-
3+242 – 3+895
605
Doirita Sewell
<1%
2,59
No Squeezing
3+895 – 4+514
625
Diorita Sewell con cuarzo
<1%
2,51
No Squeezing
4+514 – 7+747
935
Diorita Sewell
<1%
1,68
No Squeezing
7+747 – 8+506
1.080
CMET
<1%
1,65
No Squeezing
8+506 – 8+883
1.100
Brecha Braden
<1%
1,78
No Squeezing
Tabla 11: Tramificación del Riesgo de Strainburst
www.geoconsult.es
Muchas gracias por su atención