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“9º Congreso Nacional de Minería”
"Comprometidos con el crecimiento sostenible del país
CLASIFICACION GEOMECANICA Y SU APLICACIÓN
Por: ING. PEDRO SAMANE TUNI
Trujillo - Octubre - 2012
INTRODUCCION
CONSTRUCCIÓN DE OBRAS SUBTERRÁNEAS POR EL MÉTODO
CONVENCIONAL DE PERFORACIÓN Y VOLADURA
 El personal de una mina debe estar familiarizado con las características y
condiciones de la masa rocosa propias de su mina, los peligros potenciales que
podrían causar accidentes.
 Permitirá tomar decisiones correctas sobre diferentes aspectos relacionados
con las labores mineras, entre otras, se podrá establecer la dirección en la cual
se deben avanzar las excavaciones, el tamaño de las mismas, el tiempo de
exposición abierta de la excavación, el tipo de sostenimiento a utilizar y el
momento en que éste debe ser instalado.
INTRODUCCION
MÉTODO CONSTRUCTIVO DE TÚNELE EMPLEANDO TBMs

Las TBMs han aumentado en potencia, tamaño y modelos: Abiertas, escudadas y dobles-escudos,
extendiéndose su campo de aplicación; de tal forma que su uso condiciona fuertemente el proyecto
del túnel.

La seguridad en el trabajo y excelentes rendimientos que se pueden conseguir; pero también es
fuente de profundas decepciones cuando las características de la tuneladora no están bien
adaptadas a las condiciones del terreno y la tuneladora queda atrapada durante meses y, a veces,
debe ser rescatada empleando métodos clásicos, como la simple excavación a mano o los
explosivos.
METODOLOGIA DE DISEÑO Y PRINCIPIOS DE LA INGENIERIA DE ROCAS.
Bieniawski 1992, Diseño Estructural Activo DEA (Celada 2001)
CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS EN EXCAVACIONES
SUBTERRANEAS.
Parámetros de Clasificación RMR (Bieniawski, 1989)
Correlación de RMR y Q
Fuente
Comentarios
Origen diverso Túneles
RMR= 9 Ln e Q + 44
RMR= 13.5 log Q + 43
Nueva Zelandia Túneles
RMR= 12.5 log Q + 55.2
España
Túneles
África del sur
Túneles
RMR= 5 Ln e Q + 60.8
España
Mina roca suave
RMR= 43.89 - 919 Ln e Q
España
Mina roca suave
RMR= 10.5 Ln e Q + 41.8
RMR= 12.11 log Q + 50.81 Canadá
Mina roca dura
Canadá
Túneles, roca sedimentarias
RMR= 8.7 Ln e Q + 38
Canadá
Mina roca dura
RMR= 10 ln e Q + 39
Fuente: Choquet y Hadjigeorgiou, 1993
CLASIFICACIÓN
GEOMECÁNICA Q DE BARTON
Esta clasificación geomecánica se basa
en el índice de calidad “Q”
denominado también índice de calidad
tunelera, que da una estimación de la
calidad del macizo rocoso, teniendo en
cuenta los siguientes factores:
Dónde:
RQD: Designación de calidad de roca.
Jn:
Número de familias de
discontinuidad
Jr :
Rugosidad de las juntas
Ja:
Alteración de las juntas
Jw:
Factor de reducción por
presencia de aguas
SRF: Factor de reducción por
esfuerzos (zonas de corte,
fluencia, expansividad,
tensiones (“in situ”).
RQD/Jn:
Tamaño de bloques, representa la
estructura global del macizo rocoso.
Jr/Ja:
Reúne términos de rugosidad, fricción y
relleno de las juntas y representa la
resistencia al corte entre bloques.
Jw/SRF:
Combina condiciones de agua, tensión y
por tanto, puede representar una
tensión activa o eficaz.
EL FACTOR DE TENSIONES (SRF) EN ROCAS DURAS
El rango de valores del factor SRF en rocas afectadas por tensiones elevadas
es difícil de estimar mediante observaciones visuales. Siempre que sea
posible, el factor SRF debe estimarse a partir de la relación entre la tensión
tangencial y la resistencia a compresión simple, tal y como muestra la Tabla.
Tensiones tangenciales máximas (бθ), la resistencia a compresión (бc), el
nivel de tensiones principales máximas para el macizo virgen (б1), y el
sostenimiento aplicado. Se encontró que la reducción de la relación бc/б1
corresponde de forma muy aproximada con aumentos en la relación бθ/бc.
1
бθ/бc
SRF(antiguo)
SRF(actual)
> 200
< 0,01
2,5
2,5
200 - 10
0,01 - 0,3
1
1
10 - 5
0,3 - 0,4
0,5 - 2
0,5 - 2
5-3
0,5 - 0,65
5-9
5 - 50
Descostramiento y estallidos de la roca (Rock burst) después
de algunos minutos en rocas masivas.
3-2
0,65 - 1,0
9 - 15
50 - 200
Estallidos violentos de roca (tensión-estallido) y
deformaciones dinámicas inmediatas en rocas masivas.
<2
> 1,0
15 - 20
200 -400
NIVEL TENSIONAL
Tensiones pequeñas, cerca de la superficie, fracturas abiertas.
Tensiones medias, condiciones tensiónales favorables.
Tensiones elevadas, estructura muy comprimida.
Normalmente, favorable para la estabilidad, quizás
desfavorable para la estabilidad de los hastiales.
Descostramiento moderado (Slabbing) después de 1 hora en
rocas masivas.
бc/б
Relaciones
entre
RQD/Jn,
el
factor
SRF
y
el sostenimiento empleado en rocas duras sometidas a
tensiones elevadas
Diseño del sistema Q, para Túneles y cavernas de sostenimiento
permanente del MNT (Grimstad y Barton 1,993)
Ancho de la excavación, diámetro o altura (m)
Dimensión Equivalente (De ) =
Relación de soporte de la excavación ESR
Tipo de excavación
A
B
C
D
E
ESR
2-5
Excavaciones mineras provisionales
Excavaciones mineras permanentes, túneles de conducción para obras hidroeléctricas (con la
excepción de las cámaras de alta presión para compuertas), túneles pilotos (exploración), 1.6 - 2
excavaciones parciales para cámara subterráneas grandes.
Cámaras de almacenamiento, plantas subterráneas para el tratamiento de aguas, túneles
carreteros y ferrocarriles pequeños, cámara de alta presión, túneles auxiliares.
1.2 - 1.3
Casa de máquinas, túneles carreteros y ferrocarriles mayores, refugios de defensa civil, 0.9 - 1.1
portales y cruces de túneles.
Estaciones nucleoeléctricas subterráneas, estaciones de ferrocarril, instalaciones para deporte 0.5 - 0.8
y reuniones de fábricas.
Relación del índice Q, con tensión – resistencia de excavación subterránea y
sostenimiento
En la ecuación q = 7 y Q 1/3, se ha supuesto una densidad Y = 2,6 g/cm3.
CLASE
DE
ROCA
A
B
C
D
E
F
G
INDICE Q
40 - 1000
10 - 40
4 - 10
1-4
0,1 - 1
0,01 - 0,1
0,001 - 0.01
VALORACION
H (m)
q (MPa)
FENÓMENO PROBABLE
Extremad. buena
Buena
Regular
Mala
Muy mala
Extremad. mala
Excepc. mala
1196 - 3492
754 - 1196
555 - 754
350 - 555
162 - 350
76 - 162
35 - 76
62 - 182
39 - 62
29 - 39
18 - 29
8,4 - 18
3,9 - 8,4
1,8 - 3,9
Deformación explosiva.
Descostramiento y lajado de la roca
Fluencia de bloques.
Fluencia de bloques.
Rotura, trituración y fluencia.
Fluencia, deformación plástica
Fluencia, deformación plástica
EXCAVACIONES CON TBM
En nuestro país, se han efectuado los siguiente Proyectos:
Primera aplicación en el proyecto Carhuaquero (Chiclayo) a inicios de la
década de 1980.
Pasaron casi 18 años para la siguiente aplicación en el Proyecto Chimay (19981999).
Luego entre los años 2000-2004 en Proyecto hidroeléctrico de Yuncán, se
aplicaron 2 TBM.
Sólo un año después de la aplicación en Chimay, en el Proyecto Trasvase
Olmos, que inició desde Febrero del 2007 y culminando las excavaciones en
Diciembre del 2011, por una longitud de 13,871.47 m.
Para resumir los aspectos más importantes de esta revisión, se puede
indicar que, en la literatura, existen seis índices relevantes:
RQDTBM (Deere), N (Kirsten), RMRTBM (Bieniawski), RMiTBM
(Palmstrom), QTBM (Barton) y RME (Bieniawski).
Los más renombrados son el QTBM y RME, que se presenta como los
más útiles de los seis índices examinados, que a continuación
describiremos.
Q TBM (Barton 2000)
Dónde:
RQD: Designación de calidad de roca.
Jn: Parámetro para describir el número de
familias de discontinuidad
Jr: Parámetro para describir la rugosidad de
las juntas
Ja: Parámetro para describir la alteración de
las juntas
Jw: Factor de reducción por presencia de
aguas en las juntas
SRF: Factor de reducción por esfuerzos
(zonas de corte, fluencia, expansividad,
tensiones “in situ”)
SIGMA: Resistencia del macizo rocoso
(MPa).
F: Fuerza media aplicada por cortador
CLI: Índice de duración de los cortadores, 4
para cuarzo y 90 para caliza.
q: Contenido en cuarzo (%) del terreno.
бθ: Índice biaxial del esfuerzo en el túnel a
una profundidad de 100 m, aproximadamente
(MPa).
Índice excavabilidad del macizo rocoso (RME) Bieniawski 2009

La selección de los cinco parámetros que integran el RME se ha basado en un proceso de Análisis Lineal
Discriminante; que se ha llevado a cabo utilizando el programa denominado “R”, desarrollado por el Departamento
de Estadística y Teoría de Probabilidad de la Universidad Tecnológica de Viena.
1.
Resistencia a compresión uniaxial de la roca intacta (0 – 15 puntos)
<5
5 - 30
30 - 90
90 - 180
>180
бci (MPa)
Puntuación
0 (*1)
10
15
5
0
2.Perforabilidad (0 – 15 puntos)
DRI
>80
80- 65
65 - 50
50 - 40
<40
Puntuación
15
10
7
3
0
3.- Discontinuidades en el frente de excavación ( 0 – 30 puntos)
Orientación con respecto al eje del
túnel
Homogeneidad
Nº de juntas por metro
Homogenio
Mixto 0 - 4 4 - 8 8 - 15 15 - 30 > 30 Perpendicular Oblicua Paralela
Puntuación 10
0
5
10
20
15
0
10
5
0
4. Tiempo de autoestabilidad (0 – 25 puntos)
horas
<5
5 - 24
24 - 96
96 - 192
>192
Puntuación
0
2
10
15
25
5. Afluencia de agua (0 – 5 puntos)
>100
70 - 100
30 - 70
Oct-30
<10
Litros/seg.
0
1
2
4 (**0)
5
Puntuación
*Para doble escudo y escudo simple. **para rocas arcillosas.
I. EXCELENTE
II. BUENA
III REGULAR
IV. MALA
80 < RME < 100
60 < RME < 79
40 < RME < 59
RMR < 40
Factor del diámetro de excavación, está
definido por la expresión:
•
•
Siendo D el diámetro del túnel excavado.
Los criterios anteriores se han establecido con datos de túneles cuyo diámetro de excavación es del
orden de 10 m; por ello, para poder evaluar la velocidad de avance cuando se construyen túneles con
otro diámetro se propone utilizar un coeficiente corrector, KD, definido por la expresión:
KD = - 0.007D3 + 0.1637D2 – 1.259D + 4.5158
•
Algunos valores característicos de KD son los siguientes:
CONCLUSIONES
1.- RMR y Q son los sistemas incorporan parámetros “ingenieriles” geométricos,
geológicos, y se obtiene un “VALOR” de la calidad del macizo rocoso más
ampliamente usados.
2.- TBM ABIERTAS
Túnel Trasvase Olmos (Perú)
I.- Para terrenos con σci > 45 MPa
Si σci > 45 MPa
ARAT = 0,839 · RME – 40,8
II.- Para terrenos con σci < 45 MPa
Si σci < 45 MPa
ARA T = 0,324 · RME – 6,8
1. Para terrenos con σci > 45 MPa el avance
medio máximo, es de unos 43 m/día., y en el
caso de que σci < 45 MPa este valor desciende a
unos 25 m/día.
Esta diferencia es lógica, ya que en los terrenos
poco
resistentes
es
preciso
colocar
sostenimientos más robustos que en los
terrenos de mayor resistencia; lo cual frena el
avance de las TBM.
2. En el caso de terrenos con σci < 45 MPa, los
avances medios estimados para RME <55 están
por debajo de los 6 m/día.
Situación que también es lógica; ya que el RME
baja de 55 puntos para combinaciones de
terrenos muy resistentes, σci > 150 MPa, y
homogéneos, que son muy difíciles de excavar.
3.- TBM ESCUDADAS
Túnel Pinglin Project (Taiwán)
I.-Para terrenos con σci > 45 MPa
Si σci > 45 MPa
ARA T = 10 Ln (RME) – 13
II.- Para terrenos con σci < 45 MPa
Si σci < 45 MPa
ARA T = 23 [1 – 242 ]
1. Para terrenos con σci > 45 MPa, el
avance medio máximo estimado es de
unos 33 m/día y en el caso de terrenos con
σci > 45 MPa este valor desciende a unos
23 m/día.
2. Para los terrenos con σci < 45 MPa,
el avance medio previsto es prácticamente
independiente del valor del RME; aunque
a partir del RME = 50 puntos desciende
bruscamente por la misma razón expuesta
en el caso de las TBM Abierta.
4.- TBM DOBLES-ESCUDOS
I.- Para terrenos con σci > 45 Mpa
Si σci > 45 Mpa
ARAT = 0,422 • RME – 11,6
II.- Para terrenos con σci < 45 MPa
Si σci < 45 Mpa
ARAT = 0,661 • RME – 20,4
Túnel de Guadarrama (España)
1.- Para terrenos con σci > 45 MPa, el
avance medio máximo estimado es de unos
45 m/día y en el caso de terrenos con σci >
45 MPa este valor desciende a unos 30
m/día.
2.- Para terrenos con σci < 45 MPa y
RME < 45, no hay datos de DOBLESEscudos excavando apoyándose en los
grippers; pues probablemente, para valores
de RME < 45 los Dobles Escudos no podrán
hacer el “regripping” y funcionarán como
un escudo.
Artículos relacionados a Geomecánica de Rocas contenidos en el Reglamento de Seguridad y Salud
Ocupacional Aprobado por D.S Nº 055 -2010-EM, dice que:

Artículo 216º.- Los trabajos de recuperación de puentes y pilares, considerados como trabajos de alto
riesgo, deben contar con un estudio previo de geomecánica y deben ser realizados por trabajador
calificado, certificado y que cuente con Permiso Escrito para Trabajo de Alto Riesgo (PETAR), de
acuerdo al ANEXO Nº 15. Dichos trabajadores deberán estar bajo la dirección permanente del
supervisor responsable de la tarea en mención.