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7/25/2019 Proyecto de Investigacion de Un Tunel
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FACULTAD DE INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERIA DE MINAS
CURSO : TUNELES Y MOVIMIENTO DE TIERRAS
TEMA : PROYECTO DE INVESTIGACION DE TUNEL
DOCENTE : ING. GEOL. ROBERTO GONZALES YANA
INTEGRANTES : TORRES TERRONES, Carlos Alberto.
TAVERA VARGAS, Jhonson Rafael.
SAUCEDO CHAVEZ, Jos
CASTREJON MARTINEZ, Ulises
RODRIGUEZ CORTEZ, Cristian
PROGRAMA : WORKING ADULT
CICLO : IX
Cajamarca, Abril 2016.
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I. INTRODUCCIN:
Salvar la barrera que representa la orografa para poderse
comunicar ha supuesto un empeo permanente del hombre a lo largo de su
historia. Ya desde tiempos remotos tenemos constancia de que nuestros
antepasados excavaban tneles.
Como podemos ver, con el paso del tiempo y el desarrollo de las
herramientas y la tcnica, han permitido que poco a poco se hayan podido
construir tneles cada vez ms largos y de mayores prestaciones. La
construccin de tneles y obras subterrneas, desde el punto de vista de la
ingeniera, es una actividad que histricamente se inici con las explotaciones
mineras. Esta actividad se vio enriquecida con la construccin de los grandestneles ferroviarios de finales del siglo XIX, y se ha impulsado actualmente con
las grandes obras de ingeniera llevadas a cabo en este nuevo siglo XXI.
A. Objetivos:
Objetivos Generales: Establecer los aspectos geomorfolgicos de la zona en la que se
realiz la prctica.
Establecer los parmetros necesarios para el diseo de tneles paralabores mineras e infraestructuras viales.
Objetivos Especficos: Evaluar la calidad de roca en campo para el diseo de tneles.
Comprender la importancia del RMR en los estudios preliminares de
tneles.
Evaluar los parmetros de diseo para falso tnel.
B. Realidad de la Problemtica:
Para el diseo y construccin de los Tneles se requiere efectuar
una serie de estudios preliminares dirigidos en principio a determinar su
factibilidad econmica y tcnica para luego realizar los estudios
definitivos que servirn para la elaboracin del proyecto.
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Haciendo un Anlisis Econmico dentro de las construcciones
civiles, el tnel es de las ms costosas en su inversin inicial;
consecuentemente los ahorros que se logran en sus dimensiones finales,
tanto en longitud como en seccin transversal, son significativas. En el
anlisis deben incluirse aspectos de desarrollo regional motivados por lasnuevas obras.
La Exploracin Geotcnica es quiz la fase ms importante de
los estudios previos, ya que ello condicionar el procedimiento
constructivo y avance esperado del tnel lo cual permitir estimar las
cargas que intervendrn en el diseo de revestimiento temporal y
definitivo.
La ubicacin general del tnel est gobernada por su fin
especfico, mientras que su posicin detallada depende de lascaractersticas geolgicas de la Regin.
Entre ms preciso sea el conocimiento de la geologa de la zona,
se tendrn planos ms confiables para la construccin del tnel, mejores
avances y menos variaciones del presupuesto original.
C. Planteamiento del Problema:
Como parte del desarrollo profesional como ingeniero de Minas
es necesario conocer los fundamentos y parmetros de diseo de untnel, aplicando los conocimientos obtenidos de Mecnica de Rocas,
Minera Subterrnea y transporte minero.
La prctica de campo realizada nos ha sido muy importante
para el desarrollo profesional ya que nos permite determinar insitu las
restricciones y oportunidad en el diseo de tneles as como determinar los
parmetros bsicos para determinar la viabilidad de un tnel.
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II. ANTECEDENTES:
El Tnel ms antiguo del primer tnel del que se tiene constancia gracias a
los relatos de Diodoro de Sicilia, Herodoto y Estrabon, es el tnel de
Babilonia, que mando construir Seminaris bajo el ro ufrates, para
comunicar el Palacio y el Templo de Belos, en Babilonia, en el ao 2200 A.C. El tnel de Ezequas en Jerusaln, calado sobre el ao 700 a.C. En la
excavacin del tnel participaron dos equipos que avanzaron
simultneamente desde los dos extremos. El resultado fue un tnel de 450 m
para cubrir una distancia de 300 m, ya que los equipos realizaron numerosos
intentos fallidos en direcciones equivocadas.
Pero no es hasta el siglo XIX con la aparicin del ferrocarril cuando la
excavacin de tneles alcanza su gran apogeo. El tnel de Terre-Noir en
Francia, se podra considerar como el primer tnel ferroviario del mundo.Terminado en el ao 1826 y con una longitud de 1.476 m, se trataba de un
camino de carriles traccionado por caballos, que cubra la lnea Roanne-
Andrezieux.
En la segunda mitad del siglo XIX, se produce un extraordinario progreso en
Europa con la construccin de los tres grandes tneles ferroviarios que
permitiran atravesar los Alpes, realizando excavaciones que superaban los
10 km, cuando todava los medios de los que se dispona por aquel
entonces eran bastante rudimentarios. El primero en cruzar los Alpes fue eltnel de Mont Cenis, que con una longitud de 13,7 km, conecta Francia
(por Modane) con Italia (por Bardonecchia). Su construccin prevista para
25 aos, se complet en slo 14, entre los aos 1857 y 1871, gracias a las
innovaciones tcnicas empleadas por el ingeniero francs Germain
Sommeillier, desarrollando la primera mquina perforadora de roca y
llegando incluso a utilizar al final del proyecto la recin inventada dinamita.
En el ao de 1882, se abre el tnel ferroviario de Saint Gothard con casi 15
km de longitud en Suiza, tratndose de un solo tuvo con dos vas.Construido por el ingeniero suizo Luis Favre en tan solo ocho aos. La
excavacin comenz por ambas bocas en el ao 1872 y termin en 1.880.
El tercer tnel ferroviario que complet la triada en la lucha por perforar los
Alpes, fue el tnel de Simplon I, entre Suiza e Italia, abierto en el ao 1906 y
con una longitud de 19,8 km.
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III. MARCO TEORICO:
1. CLASIFICACION DE DEERE o del RQD (1964)
La clasificacin de Deere o del RQD (RQD = Rock Quality Designation)se
funda en la cuantificacin del grado de fractura de la roca.
RQD = ROCK QUALITY DESIGNATION
Permite la obtencin de un ndice, que es un valor cuantitativo que
representa la calidad del macizo rocoso, teniendo en cuenta las
caractersticas del testigo recuperado en una perforacin.
As, realizando una perforacin con maquinaria especficamente
empleadas en estas operaciones, puede evaluarse la calidad del macizo
rocoso subyacente sobre la base del anlisis del material que se obtiene
de esa perforacin.
Ordinariamente, se contempla entonces la planificacin de una serie de
perforaciones segn el trayecto previsto del tnel o de la traza vial o
ferroviaria y se obtienen las caractersticas en cada punto.
En funcin de la homogeneridad o herterogeneidad observadas, se
realizan perforaciones complementarias para clarificar la situacin en
zonas que podran ser consideradas a priori como crticas.
Los testigos se van colocando en cajones especiales en cuyos bordesconstan las progresivas de profundidad.
De una perforacin pueden extraerse trozos enteros de roca (donde la
roca no est fracturada) hasta que se encuentra una discontinuidad en la
masa rocosa (el testigo se interrumpe).
Esta llegada a una discontinuidad puede significar que es simplemente
una fractura o una diaclasa limpias o con algn material intermedio.
Pero tambin puede tratarse de una zona de roca muy fracturada, de lacual slo se extraen trozos de roca, contabilizndose el espacio de esta
parte, si se trata de una transicin.
Todos estos trozos enteros de testigo o estas partes de roca fracturada se
miden y se contabilizan para entonces aplicarlos a una frmula de
clculo.
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Experimentalmente, se cumple que la curva de distribucin es del tipo
exponencial negativa en un grfico Frecuencia - Espaciamiento:
Dnde:
= Es la frecuencia media de discontinuidades por metro
2. CLASIFICACION DE BIENIAWSKY (1984)
Este mtodo engloba algunos parmetros en trminos genricos:
RMR = ROCK MASS RATING
La clasificacin Geomecnica RMR fue presentada por Bieniawski en
1973, siendo modificada sucesivamente por el autor en 1976, 1979, 1984 y
1989.
La clasificacin incluye un RMR bsico, independiente de la estructura de
la roca, y de un factor de ajuste.
El RMR bsico se obtiene estimando el rango de valores de varios
parmetros: El RQD
Ensayo de compresin simple
Espaciamiento de las diaclasas (juego ms desfavorable)
Condiciones de las diaclasas (4 + 5 de Bieniawsky 1973)
Condiciones del agua subterrnea
Orientacin de las diaclasas (favorabilidad de Rumbo y Buzamiento)
El mtodo se aplica asignando la valoracin correspondiente para cada
parmetro.
El factor de ajuste, definido cualitativamente, depende de la orientacin
de las discontinuidades y tiene valores distintos segn se aplique a tneles,
cimentaciones o taludes.
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El resultado de la resta (el factor de ajuste es negativo) es el ndice final
RMR, que puede variar entre 0 y 100, y que clasifica los macizos rocosos en
cinco clases.
Presentamos seguidamente las Tablas dirigidas a la evaluacin expeditiva
de macizos rocosos de Bieniawski:
Tabla 1:Puntaje segn el valor del R.Q.D. (A)
RQD (%) PUNTAJE
90 - 100 2075 - 90 1750 - 75 1325 - 50 8
< 25 3
Tabla 2: Puntaje segn resistencia a la Compresin Simple (B)
ndice del Ensayode Carga Puntual
(Mpa)
Resistencia a laCompresin Simple
(RCS) - (Mpa)Puntaje
> 10 > 250 154 - 10 100 - 250 122 - 4 50 - 100 71 - 2 25 - 50 4
- 10 -25 2- 3 - 10 1
- < 3 0
Tabla 3: Puntaje segn espaciamiento de discontinuidades del juego ms
importante (C)
Espaciamiento (m) Puntaje> 2 20
0.6 - 2.0 150.2 - 0,6 100.06 - 0.2 8
< 0.06 5
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Tabla 4:Puntaje segn las condiciones de las discontinuidades (D)
Descripcin Puntaje
Superficies muy rugosas, de poca extensin,paredes de roca resistente
15
Superficies poco rugosas, apertura menor a 1mm, paredes de roca resistente 12
Idem. Anterior, pero con paredes de rocablanda
7
Superficies suaves o relleno de falla de 1 a 5mm de espesor o apertura de 1 a 5 mm, lasdiscontinuidades se extienden por variosmetros
4
Discontinuidades abiertas, con relleno de fallade ms de 5 mm de espesor o apertura dems de 5 mm, las discontinuidades seextienden por varios metros
0
Tabla 5: Puntaje segn las condiciones del agua subterrnea(E)
Filtracin por cada10m de longitud de
tnel (L/min)
Presin de agua en ladiscontinuidad debido a
la tensin PrincipalMayor
CondicionesGenerales
Puntaje
Nada 0Completamente
Seco15
< 10 0.01 - 0.1ApenasHumedo
12
10 -25 0.1 - 0.2 Humedo 725 - 125 0.2 - 0.5 Goteo 4
> 125 > 0.5 Flujo Continuo 0
Tabla 6:Correccin por la orientacin de las discontinuidades (F)
Evaluacin de lainfluencia de la
orientacin para laobra
Puntajepara
Tneles
Puntaje paraFundaciones
Muy Favorable 0 0Favorable -2 -2
Medio -5 -7Desfavorable -10 -15
Muy Desfavorable -12 -25
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Tabla 7:Categora de la Clasificacin Geomecnica
CLASIFICACION GEOMECANICA FINAL(Bieniawski)
R.M.R.Suma de los
puntajes de lastablas
Presin de agua en ladiscontinuidad debido a
la tensin PrincipalMayor
CondicionesGenerales
81 - 100 Muy bueno I61 - 80 Bueno II41 - 60 Medio III21 - 40 Malo IV
0 - 20 Muy Malo V
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3. CLASIFICACION DE JACOBS ASSOC. (1974)
RSR = ROCK STRUCTURE RATING
Este mtodo establece un modelo sumatorial teniendo en cuenta:
a)
La geologa (tipo de roca, estructura de la roca)b) La fracturacin (rumbo, buzamiento y frecuencia de las
discontinuidades)
c) El efecto del agua (fluencia prevista de agua)
Favorabilidad de las discontinuidades (su relacin con la obra)
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:81100
.
:6180
.
:4160
.
:2140
.
:
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4. FALSO TNEL:
A. TIPOLOGIA:
Los falsos tneles convencionales son en su mayora de Concreto Armado
Reforzado, donde el Sistema de Proteccin contra impacto de cada de
rocas lo ofrece el conjunto de cubierta compuesto por la losa maciza de
concreto reforzado con apoyos lineales sobre dos de sus bordes opuestos
(elemento estructural) y capa de material granular (elemento
amortiguador).
Esta tipologa de falso tnel es comnmente usada en terrenos
escarpados y montaosos, sitios que se caracterizan por el espacio
restringido y por cortes abiertos, sin posibilidades de construir un falso tnel
confinado ya sea por un muro o por un cerro testigo (corte en cajn).
La tipologa de falso tnel convencional, en terrenos escarpados y
montaosos tiene la ventaja de poder aprovechar el costado abierto en
beneficio de la iluminacin, ventilacin y seguridad del falso tnel.
B. GEOMETRA:
La geometra del falso tnel est en funcin de las condiciones
geomorfolgicas y estructurales del tipo de roca y/o suelo donde se est
construyendo el tnel. El objetivo es definir una seccin transversal quepermita la proteccin de equipos, personal y herramientas mientras duren
los trabajos extractivos, as mismo en el caso de vas de transporte este
falso tnel deber mantenerse en buenas condiciones durante la vida til
de dicha va.
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C. IMPACTO
El impacto, se define como el evento en el que se transfiere al falso tnel
toda la energa cintica alcanzada por el bloque de roca, justo antes del
choque con la capa de material granular. Cabe anotar, que puede
mediar otro tipo de energa como la rotacional, sin embargo, por ser muy
pequea en relacin a la traslacional.
El impacto en trminos matemticos tambin se puede expresar como la
funcin que define la variacin de la fuerza aplicada al falso tnel en un
lapso de tiempo determinado, la variacin de la fuera durante un
impacto tiene la caracterstica principal de comenzar y terminar en valor
nulo, pasndose por un valor pico en un instante dado.
La correcta simulacin del impacto en la etapa de modelizacin
numrica, se considera determinante, ya que sus caractersticas tales
como: duracin, fuerza mxima o pico, velocidad de carga, forma de la
funcin, forma del bloque o rea de contacto, entre otros, definen gran
parte de la respuesta dinmica para el diseo del falso Tnel.
D. MATERIAL GRANULAR DE LA CAPA DISIPADORA
El material ms usado sobre la cubierta de falsos tneles convencionales
han sido los materiales trreos de grano grueso (suelo grueso granular),
como los tipos de suelo GW y GP de acuerdo con el sistema unificado de
clasificacin (SUCS) (ASTM D 2487) con menos del 12% de finos o sin finos,
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adems del triturado y mezclas de los anteriores suelos con cantos
rodados y pequeos bloques de roca. Los materiales trreos se han
aprovechado en muchos proyectos de falso tnel como capa disipadora
de energa, entre otras razones por su bajo costo y fcil consecucin. La
arena o suelos como el SW y SP y con menos del 12% de finos o sin finos,tambin han sido usados para este fin aunque en menor proporcin en
comparacin con las gravas.
E. LOSA DE CONCRETO REFORZADO
El sistema de proteccin contra impacto de cada de rocas, tal como se
ha definido para esta investigacin es aquel conformado principalmente
por una capa de material granular sobre una losa de concreto reforzado.
Esta losa de concreto reforzado, es la parte estructural del sistema y debe
estar diseada para poder resistir todas las solicitaciones previstas durante
su vida til con un nivel de seguridad adecuado.
E.1. Espesor de la losa : Es funcin del nivel de cargas a que est sometida
la estructura, en especial depende de la energa del impacto del bloque
desprendido, adems de las cargas muertas que estarn actuando de
manera permanente sobre sta, tales como el peso propio de la losa y el
peso del material granular. El espesor de la losa ptimo es el resultado de
un proceso iterativo en el cual se verifica que el diseo de la losa cumple
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todos los requisitos de resistencia y funcionalidad establecidos en la NSR-
10, adems, de verificarse que con este diseo se ofrece la resistencia
adecuada para evitar la falla por punzonamiento de la losa.
E.2. Calidad del concreto: La calidad del concreto, para efectos del
modelo numrico, est definida principalmente por su resistencia a la
compresin simple a los 28 das de fraguado. La calidad de los concretos
usados en los ensayos de losas para falsos tneles convencionales, y en
general los concretos usados en la experimentacin que sirve de base
para la formulacin presentada en cdigos y normas de diseo, se han
concentrado en resistencias entre 15 y 35 MPa. Sin embargo, para falsos
tneles convencionales, debido a su condicin de exposicin y altas
solicitaciones por esfuerzos cortantes y compresivos se recomienda no usar
concretos inferiores a fc= 30 MPa. El lmite superior, se establece en un
valor aproximado al lmite de los concretos considerados de resistencia
normal o el lmite que los separa de concretos de alta resistencia, lo
anterior para tener en cuenta que hasta este lmite son vlidas las teoras
de diseo y anlisis involucradas en esta investigacin. En conclusin se
adopta como intervalo de resistencia valores entre 30 y 40 MPa.
E.3. Densidad del concreto reforzado: El concreto para losas debe ser
concreto de peso normal, definido por la NSR-10 como aquel concretoque contiene agregados que cumplen con lo especificado en NTC 174
(ASTM C33), estos concretos de peso normal oscilan en el intervalo de
densidad entre 2240 y 2400 kg/m3.
E.4. Calidad del acero (Fy):La calidad del acero a usar en la construccin
de un falso tnel, debe cumplir lo especificado por la NSR-10. El acero de
refuerzo para concreto ms comercializado es el grado 60 (Fy= 420 MPa).
Como ejemplo se tiene un acero de refuerzo corrugado grado 60 (Fy= 420
MPa) que cumple la norma tcnica Colombiana NTC 2289 (ASTM A706),
adems de lo anterior el acero a usar debe cumplir los dems
requerimientos de calidad.
E.5. Factor de incremento dinmico para el acero: Las estructuras
sometidas a cargas explosivas o impactos, tal como ocurre con
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estructuras de proteccin contra cada de rocas, responden normalmente
a tasas de deformacin muy altas (sobre 1000 s-1). Y a estas tasas de
deformacin tan altas el esfuerzo de fluencia del acero de refuerzo se
pude incrementar hasta un 100 % o ms.
IV. HIPOTESIS:
Como hiptesis que podemos tener para la construccin de un tnel en la
zona de Callacpuma es el tipo de roca que luego de ser evaluada y
estudiada preliminarmente nos indica la posibilidad de la construccin de un
Tnel.
Se requiere un anlisis geotecnia y geolgica ms detallada para determinar
las caractersticas, fsicas y qumicas para determinar las soluciones de
ingeniera necesarias para el desarrollo del proyecto.
V. MATERIALES Y METODOS:
A. Brjula Brunton, o brjula de gelogo,
es una herramienta o equipo
diseado para obtener orientaciones
gracias al campo magntico
terrestre, posee una aguja imantada
que se dispone en la misma direccin
que las lneas de magnetismo natural
del planeta. Este equipo se usa para
principalmente medir orientaciones
geogrficas, triangular una ubicacin, medir lineaciones estructurales,
planos y lugares geomtricos de estructuras geolgicas.
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A.1. Mtodo para tomar un dato estructural
Mtodo de contacto. Se utiliza cuando la superficie es lisa y uniforme.
A.2. Mtodo a distancia.
Se utiliza en superficies desiguales o a las cuales no se pueden acceder.
El observador debe desplazar de una localidad donde tiene como
vista la superficie, hasta la localidad donde vea la superficie de canto.
Desde este punto, usted. Obtendr el rumbo al visar un punto delcanto de la superficie con la brjula.
a. Ser una recta de punta para obtener una visual hacia un punto
de Ud. Debe alojar la brjula entre sus manos como se muestra a
la figura.
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b.
Ud. Establecer la visual al alinear la pnula mayor con la lnea
axial del espejo, cuando la brjula este nivelada (posicin que Ud.
Controlar con el nivel de puntera).
B. PICOTA: Es un martillo especialmente
diseado para uso geolgico general, que
se utiliza para romper y extraer las muestras
tomadas en campo.
GPS: El sistema de posicionamiento global
(GPS) es un sistema que permite
determinar en toda la Tierra la posicin de
un objeto (una persona, un vehculo) con
una precisin de hasta centmetros (si se
utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual
son unos pocos metros de precisin. Elsistema fue desarrollado, instalado y
empleado por el Departamento de
Defensa de los Estados Unidos. Para
determinar las posiciones en el globo, el
sistema GPS est constituido por 24 satlites.
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D. Libreta de campo: La libreta de campo constituye el principal medio para
el registro de datos en el campo en donde se anota la informacin
necesaria para diseo y replanteo de los trabajos que se est realizando.
Alteraciones Geolgicas y geotcnicas
Ubicacin de puntos de referencias y
estructuras existentes y por construir
(coordenadas de GPS)
Croquis de ubicacin y dibujos
explicativos de los trabajos a realizar.
Localizacin de muestras, fotografas.
VI. DESARROLLO:
METODO BELGA: Tambin llamado Mtodo clsico de Madrid o mtodo de
galera de clave) es un mtodo para la construccin de tneles. Se basa en
los principios que permitieron la construccin, en 1828, del tnel del Charleroi
en el canal que enlaza Bruselas y Charleroi. Se caracteriza por la progresiva
excavacin de los elementos que componen el tnel, de tal forma que se van
retirando los elementos ms estables del tnel evitando el hundimiento o la
falta de estabilidad del frente. El mtodo se denomina mtodo clsico de
Madrid por ser el mtodo ms empleado en la construccin de los tneles del
metro de Madrid. Se suele aplicar a tneles con un ancho mximo de unos 8
m libres ms 3 m de ambos hastiales, es decir, de un mximo de 11 m.
Este mtodo consiste en realizar la excavacin abriendo una pequea galera
en clave del tnel para ir ensanchndola poco a poco, protegiendo yentibando el frente, hasta permitir hormigonar toda la bveda. El primer
elemento excavado es la bveda del tnel (se suele denominar avance en
bveda o calota). La bveda se sostiene en el terreno mediante un
entramado progresivo de madera. La bveda se asegura con un encofrado y
cuando est asegurada, la parte inferior se va excavando a medida que se
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va asegurando el avance. De esta forma la galera se va construyendo a
medida que se avanza sin poner en riesgo a los trabajadores debido al
hundimiento del tnel. Al abrir pequeas secciones es posible solucionar
cualquier problema que pudiera surgir de inestabilidad, puesto que la
seguridad del mtodo se basa en que se trabaja con un frente muy pequeo,normalmente inferior a 3 m2. Este mtodo tiene la ventaja de estar muy
comprobado en la prctica de la ingeniera civil, aunque su rendimiento es
pequeo.
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VII. RESULTADOS:
De acuerdo los datos tomados en campo se tienen los siguientes resultados.
DESCRIPCION MUESTRA 01 MUESTRA 02 MUESTRA 03 MUESTRA 04
ESTE782,873.53 782,792.71 782,747.52 782,657.50
NORTE9,205,165.38 9,205,254.71 9,205,420.90 9,205,759.26
Carga Puntual (MPA) 82 63 87 72Direccin 184 114 314 266
Orientacin NE SE SE S
Buzamiento 88 68 62 40
Longitud (m.) 1.20 2.60 1.95 3.30No. Discontinuidades (