UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN MINAS

OBTENCIÓN DE UN MODELO CONSTITUTIVO PARA TÚNELES EMPLAZADOS EN ROCA EXPANSIVA. ANÁLISIS CASO DE

ESTUDIO

AGUSTÍN CARLOS LUIS RAMOS LÓPEZ

Propuesta de Trabajo de Titulación

Profesor Guía: Sr. Patricio Cavieres Rojas

Tutor: Sr. Björn Stuge

Santiago 2013

TABLA DE CONTENIDOS

PROPUESTA DE TRABAJO DE TITULACIÓN................................................................................1

1.1. INTRODUCCIÓN................................................................................................................1

1.2. OBJETIVOS....................................................................................................................... 2

1.2.1. Objetivo General.........................................................................................................2

1.2.2. Objetivos Específicos.................................................................................................2

1.3. MOTIVACIÓN DEL ESTUDIO............................................................................................3

1.4. ALCANCES Y LIMITACIONES...........................................................................................4

1.5. METODOLOGÍA DE TRABAJO.........................................................................................5

1.6. JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO [3]...................................................................................7

1.7. PROGRAMA DE TRABAJO Y DURACIÓN........................................................................9

1.8. REFERENCIAS.................................................................................................................. 9

i

PROPUESTA DE TRABAJO DE TITULACIÓN

1

1.1. INTRODUCCIÓN

En materia energética, Chile se encuentra promoviendo y desarrollando estrategias que permitan

satisfacer la creciente demanda de energía del país, razón que ha derivado en la necesidad de

hacer más diversa la matriz energética. Esto ha llevado a un aumento en la cantidad de proyectos

hidroeléctricos ubicados en los márgenes andinos de la zona central de Chile, con el

emplazamiento subsecuente de una significativa cantidad de kilometraje de túneles ubicados en

formaciones rocosas cuyo origen comprende al período entre el Cretácico Superior y el Terciario y

que presentan propiedades geotécnicas diversas.

Los estudios realizados en las unidades litológicas en que se han emplazado estos proyectos, ha

determinado que muchas de estas rocas son de origen volcanoclástico y contienen porcentajes

significativos de minerales arcillosos expansivos, aunque la mayoría de las muestras que se han

recolectado durante el desarrollo de estos proyectos no presenta características expansivas

cuando se ven sometidas a ensayos de hinchamiento de rutina sobre roca intacta, algunas de las

unidades litológicas dentro de la misma formación, con apariencia física similar, exhiben

comportamientos de expansividad clásicos y los ensayos de hinchamiento realizados presentan

resultados para los ensayos de hinchamiento libre y de presión de hinchamiento acordes con el

comportamiento esperado para el porcentaje de arcillas expansivas presente dentro de la roca. [1]

El fenómeno de expansividad es un problema que impone uno de los mayores desafíos dentro de

la ingeniería de túneles, puede generar daños significativos a las estructuras subterráneas y es

difícil estimar sus efectos durante la excavación y en la interacción entre el macizo rocoso y el

sistema de soporte. Las rocas con contenido de arcillas expansivas se caracterizan por poseer un

complejo comportamiento esfuerzo - deformacional, en el que influyen las reacciones físico –

químicas en los minerales arcillosos, el comportamiento hidrogeológico, el campo de esfuerzos y la

interacción entre el sistema de soporte y el macizo rocoso, además de presentar una fuerte

componente reólogica.

2

Las razones esgrimidas en el párrafo anterior ayudan a visualizar las dificultades que presenta la

modelación del comportamiento de este tipo de macizos rocosos y justifican la necesidad de

ajustar un modelo constitutivo que sirva como base para futuros proyectos ubicados en la zona y

para evaluar la eficiencia del sistema de soporte. Bajo este contexto, el presente trabajo de

titulación está orientado a obtener el modelo constitutivo correspondiente a un túnel de aducción de

una central hidroeléctrica emplazada en los márgenes andinos de la zona central de Chile. Parte

importante del estudio considera la utilización de una herramienta de simulación numérica que

permita incorporar diferentes modelos constitutivos definidos por el usuario, e ir ajustando sus

parámetros mediante un proceso de iteración, ello con el fin de reflejar de manera más fehaciente

el comportamiento de este tipo de macizos rocosos en terreno.

1.2. OBJETIVOS

1.2.1. Objetivo General

Obtener un modelo constitutivo, para los tramos del caso de estudio, que presenten roca

con carácter potencialmente expansivo.

1.2.2. Objetivos Específicos

Recopilar y analizar los modelos constitutivos para rocas expansivas disponibles en la

literatura técnica.

Generar un criterio de aceptabilidad, que sirva como mecanismo para filtrar los modelos

constitutivos recopilados y que tenga presente el ámbito de utilización del modelo, la

diversidad de sus variables, su capacidad predictiva y su grado de adaptación a las

características geológicas, hidrogeológicas, geotécnicas y geomecánicas del proyecto.

Definir los valores numéricos para los parámetros de entrada del o los modelos

seleccionados mediante benchmarking1 sobre proyectos de similares condiciones

geológicas-geotécnicas.

Construir modelos numéricos que incorporen los modelos constitutivos definidos, de forma

de estimar la magnitud de los esfuerzos y deformaciones sobre el sistema de soporte.

1 Benchmarking: herramienta de gestión que, a partir de la cuantificación y posterior comparación interna y con otros

miembros de la industria permite mejorar el desempeño que se tiene en los procesos clave y en los resultados finales

obtenidos, a partir de los llamados Indicadores de Desempeño (ID). En el contexto del presente trabajo de título se busca

identificar el conjunto de valores numéricos que mejor representen el comportamiento expansivo de la roca en proyectos de

similares condiciones geológicas.

3

Calibrar y validar el o los modelos constitutivos utilizados, en base a la comparación de los

resultados de las simulaciones numéricas con las mediciones de convergencia.

Analizar e interpretar los resultados de los modelos constitutivos empleados y seleccionar

aquel que genere una mejor predicción de las mediciones de convergencia, así como del

daño evidenciado en terreno.

1.3. MOTIVACIÓN DEL ESTUDIO

Este trabajo busca contribuir con un avance en el estado del arte, desarrollando un documento que

a partir de la definición de un modelo constitutivo indique y consolide los datos e información

geológica, geotécnica y geomecánica principal que se debe manejar para el diseño, planificación y

construcción de una obra subterránea emplazada en rocas con comportamiento expansivo, de

manera que cumpla con sus fines operativos, construyéndose bajo los estándares de calidad y

seguridad exigidos, con la mayor efectividad, en los tiempos requeridos y en lo posible al costo

más bajo en términos de excavación y reparación.

Este estudio, además, constituye un importante material de apoyo técnico para SKAVA Consulting

S.A., en vista del número de proyectos en desarrollo emplazados en rocas de carácter

potencialmente expansivo.

4

1.4. ALCANCES Y LIMITACIONES

En este trabajo se recopilan los distintos modelos constitutivos para rocas con carácter

potencialmente expansivo disponibles en la literatura técnica, para luego, seleccionar aquellos que

cumplan con un criterio de aceptabilidad, cuya elaboración es parte de este estudio.

Posteriormente, se definen los valores numéricos de los parámetros de los modelos seleccionados

y se simula numéricamente el comportamiento del macizo rocoso a partir de los modelos

constitutivos definidos, luego se calibran y validan estos últimos, con el fin de obtener aquel que

constituya un mejor predictor del comportamiento mecánico y reológico de los tramos del caso de

estudio que presenten macizos rocosos de esta naturaleza. Para cumplir con el alcance se

contempla:

La descripción de los aspectos teóricos fundamentales del mecanismo de expansividad,

así como de la información geológica-geotécnica del proyecto.

La elaboración de un criterio de aceptabilidad para filtrar y seleccionar los modelos

constitutivos que mejor se adoptan a la situación de estudio y que presentan una base

teórica más robusta.

El benchmarking de proyectos similares para la obtención de los valores numéricos de los

parámetros del o los modelos constitutivos seleccionados.

La elaboración de códigos numéricos que permitan introducir el o los modelos

constitutivos.

La construcción de modelos numéricos que permitan estimar la magnitud de los esfuerzos

y deformaciones en el macizo rocoso.

La calibración y validación del o los modelos constitutivos utilizados en la simulación

numérica, a partir de la correlación entre los resultados de ella y las mediciones de

convergencia.

El análisis e interpretación de los resultados de los modelos constitutivos utilizados en el

estudio.

Este trabajo presenta las siguientes limitaciones:

Dado que este trabajo de titulación está asociado al análisis de un caso de estudio, se

considera sólo el tipo de mineralización y alteración asociada al proyecto en particular, lo

que implica que se limita a analizar el comportamiento de rocas con contenidos de arcillas

expansivas. Queda fuera del alcance de este trabajo de título el tratamiento de rocas con

otros minerales de naturaleza expansiva.

5

Para la selección del modelo constitutivo y de los valores numéricos de los parámetros del

mismo, al igual que para la elaboración del marco teórico de este trabajo de título se

considera la revisión de la literatura técnica disponible, entendiéndose ésta como los

siguientes documentos: tesis de pregrado y postgrado, textos, revistas, material de

congresos, simposios, publicaciones, material de internet e informes técnicos. Estos

documentos corresponden a casos reales desarrollados alrededor del mundo.

Además de la literatura técnica disponible, se considera como fuente de información, las

entrevistas con profesionales que hayan participado en proyectos de túneles con las

mismas dificultades constructivas/operacionales, vale decir, aquellos cuyo trazado

atravesara macizos rocosos con comportamiento expansivo.

Se consideran como datos de entrada para la calibración y validación del modelo

constitutivo los resultados de la modelación numérica y las mediciones de convergencia y

de monitoreo de daños registradas en terreno.

Tanto para la elaboración del código en que se introducirá el modelo constitutivo como

para la construcción del modelo numérico se contempla el uso del software de diferencias

finitas FLAC 2D.

En este estudio no se contempla una evaluación económica, pues el trabajo se restringe a

una evaluación sólo de carácter técnico.

1.5. METODOLOGÍA DE TRABAJO

Para cumplir con los objetivos de este estudio se plantea la siguiente metodología:

i. Definición del objetivo del trabajo.

ii. Solicitud de información y revisión bibliográfica.

iii. Recopilación de antecedentes generales del proyecto.

iv. Ordenamiento y procesamiento de la información.

v. Generación de un criterio de aceptabilidad, que sirva como un mecanismo para filtrar

los modelos constitutivos recopilados en las etapas anteriores del estudio, y que tenga

presente el ámbito de utilización del modelo, la diversidad de sus variables, sus

capacidades predictivas y su grado de adaptación a las características geológicas,

hidrogeológicas, geotécnicas y geomecánicas del proyecto.

vi. Selección del o los modelos constitutivos que cumplan con el criterio de aceptabilidad.

vii. Definición de los valores de los parámetros del o los modelos constitutivos

seleccionados en base a benchmarking sobre proyectos que enfrentaron el mismo

problema.

6

viii. Elaboración de códigos numéricos que permitan introducir el o los modelos

constitutivos adoptados.

ix. Construcción de modelos numéricos que permitan estimar la magnitud de los

esfuerzos y deformaciones en el macizo rocoso.

x. Calibración y validación de los modelos constitutivos utilizados, a partir de los

resultados de los modelos numéricos y las mediciones de convergencia tomadas en

terreno.

xi. Análisis de resultados.

xii. Elaboración de las conclusiones y recomendaciones.

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1.6. JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO [1]

Actualmente en Chile existen y se están desarrollando grandes proyectos que consideran el

emplazamiento de túneles en rocas con carácter potencialmente expansivo. Algunos ejemplos son:

Proyectos hidroeléctrico La Higuera (no está en operación), propiedad de Tinguiririca

Energía S.A. (joint venture entre Pacific Hydro y SN Power), fue construido entre 2,006 y

2,008 mediante perforación y tronadura. Está ubicado cerca de San Fernando, alrededor

de 160 km al sur de Santiago, junto al valle del río Tinguiririca.

Proyecto Hidroeléctrico Chacayes, propiedad de Pacific Hydro, fue construido entre 2,008 y

2,011 mediante perforación y tronadura junto con TBM. Está ubicado junto al valle del río

Cachapoal, a 50 km al norte de las centrales hidroeléctricas La Higuera y La Confluencia y

alrededor de 100 km al sur de Santiago.

Proyecto Hidroeléctrico Hornitos (10.5 km de túneles), proyecto de Colbún S.A., fue

construido entre 2,006 y 2,007 mediante perforación y tronadura. Está ubicado junto a los

valles de los ríos Aconcagua y Juncal, a 40 km al oriente de la ciudad de Los Andes,

Región de Valparaiso.

Proyecto Hidroeléctrico Chacabuquito, propiedad de Colbún S.A, fue construido entre

2,001 y 2,002 mediante perforación y tronadura. Se encuentra ubicado en el valle del río

Aconcagua, a 65 km al noreste de Santiago, en la Cordillera de Los Andes, Región de

Valparaíso.

Proyecto Hidroeléctrico Alfalfal, propiedad de AES Gener S.A., fue construido entre 1,987 y

1,992 mediante perforación y tronadura. Se encuentra ubicado en la ribera derecha del río

Túnel de Traspaso de Relaves N°1 de Andina, Codelco. Este túnel constituye uno de los

tres túneles del sistema de traspaso de relaves mineros de Andina. Fue construido junto

con los otros dos túneles (el túnel N°2 y el Túnel Pocuro) entre 1,995 y 1,997 mediante

perforación y tronadura.

Las inspecciones realizadas en los túneles de las centrales hidroeléctricas más antiguas (Alfalfal y

Chacabuquito) han mostrado que se presenta un proceso de degradación latente, lento y

dependiente del tiempo en algunas de las unidades litológicas que son atravesadas por ellos, lo

que se manifiesta en problemas de desprendimiento y grietas en el shotcrete en tramos

considerados "poco interesantes" geológicamente hablando, ya que suelen estar lejanos de

discontinuidades estructurales. Estos problemas parecen haber tomado en desarrollarse alrededor

de una década o más. Sin embargo, en otros casos, como en la Central Hidroeléctrica Hornitos, el

daño parece haberse desarrollado dentro de apenas un par de años. La Figura 1, fotografiada en

abril de 2010, muestra la condición de las cajas en el PK 2+630 a 2+635 del Túnel 3 de la Central

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Hidroeléctrica Los Hornitos después a los dos años de operación. Los registros disponibles indican

que la condición de la caja y la calidad del shotcrete durante la construcción de este tramo fueron

adecuadas, y que después de un año de operación, la calidad del shotcrete se mantenía aceptable.

Figura 1: Daño severo de las cajas debido al hinchamiento de rocas volcano-sedimentarias arcillosas hematitizadas

en el Túnel 3 de la Central Hidroeléctrica Hornitos (PK 2+630 a 2+ 635). [1]

Por otro lado, los antecedentes de proyectos emplazados alrededor del mundo claramente apuntan

a que existe una conexión directa entre la composición mineralógica y el comportamiento del

macizo rocoso.

De ahí la importancia de poseer un conocimiento lo más acabado posible, respecto del

comportamiento de las rocas de carácter potencialmente expansivo en aquellos sectores donde se

presenta la ocurrencia de minerales de esta naturaleza, a la hora de diseñar y construir estructuras

subterráneas, de forma de seleccionar el sistema de soporte y el método constructivo más

adecuado en términos técnicos y económicos.

En este contexto, este trabajo debe ser una contribución hacia una metodología clara que permita

abordar el problema y que incorpore el comportamiento físico-químico, mecánico y reológico del

macizo rocoso a partir de un modelo constitutivo dentro del análisis de interacción roca-sistema de

soporte-tiempo.

9

1.7. PROGRAMA DE TRABAJO Y DURACIÓN

El trabajo tiene una duración aproximada de seis meses, comenzando el 21 de Diciembre de 2,012

y finalizando el 11 de Julio de 2,013. La secuencia de etapas y actividades necesarias junto con los

plazos definidos y las dependencias entre cada una de ellas se presenta en la Carta Gantt de la

Figura 2.

Figura 2: Carta Gantt Trabajo de Título

1.8. REFERENCIAS

A continuación se indica el material bibliográfico principal revisado y por revisar que servirá de

apoyo para el desarrollo de este trabajo de título:

[1] Carter T.G, Castro S.O, Carvalho J.L, Hattersley D, Wood K, Barone F.S, Yuen D, Giraldo

C.M.K. Tunnelling Issues with Chilean tertiary volcaniclastic rocks. Mir conference;

Problemi di stabilità nelle opere geotecniche. Capitolo 11, Torino, 2,010.

[2] Castro, S., Van Sint Jan, M., González, R., Lois, P. and Velasco, L.. Dealing with Expansive

Rocks in the Los Quilos and Chacabuquito Water Tunnels - Andes Mountains of Central

Chile. Proc. ISRM-2003, Technology Roadmap for Rock Mechanics, South African Institute

of Mining and Metallurgy, Gauteng, 2,003.

[3] M. Barla, S. Ferrero, G. Barla. A new approach for predicting the swelling behaviour of

expansive clays in tunneling. International Conference on New Developments in Soil

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Cyprus, 2,003.

[4] Wittke-Gattermann, P., and Wittke, M. Computation of Strains and Pressures for Tunnels in

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[6] Kovari, K. Design Methods with Yielding Support in Squeezing and Swelling Rocks Proc.

35th ITA WTC Paper O-12-04, 10pp Budapest, 2,009.

10

[7] Kovári, K., Amstad, Ch., Anagnostou, G. Design/construction methods – Tunnelling in

swelling rocks: Key Questions in Rock Mechanics, Proc. of the 29th U.S. Symposium,

Minneapolis, Cundall et al. Balkema, Rotterdam, 1,989, pp. 17-32

[8] Barla, M. & Barla, G. Adoption of triaxial testing for the study of swelling behaviour in

tunnels Proceedings of XV ICSMGE, Istanbul, 2,001, pp 27-31.

[9] Barla, M. Numerical simulation of the swelling behaviour around tunnels based on special

triaxial tests. Tunnelling and underground space technology Vol 23/5, 2,008, pp.508-521.

[10] Barla, M. Tunnels in Swelling Ground – Simulation of 3D Stress Paths by Triaxial

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[11] G.J.E. Kramer, P.Eng. and I.D. Moore. Finite Element Modelling of tunnels in swelling

rocks. Technical Session D of K. Y. Lo Symposium, The University of Western Ontario,

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[13] Burak Sapaz, Lateral versus vertical pressures in expansive soils. Master of Science

Thesis. The Graduate School of Natural and Applied Sciences of Middle East Technical

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[14] Anagnostou, G. and Kovári, K., (1,995), Numerical Analysis of Tunnel Floor Heaves in

swelling ground. Proceedings of Fifth International Symposium on Numerical Models in

Geomechanics (NUMOG V), Davos, 1,995.

[15] Anagnostou, G., Pimentel, E., and Serafeimidis, K. Swelling of sulphatic claystones – some

fundamental questions and their practical relevance”, Geomechanics and Tunnelling, 3 (5),

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[18] Madsen, F. T., and Müller-Vonmoss, M. Swelling pressure calculated from mineralogical

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Triassic Sulphate-Bearing Rocks.Part II - Case studies from Jura Mountains. Revista

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parramagnéticas. Tesis Doctoral. Universidad de Granada, Granada, 2,008.

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swelling regime. Ph. D. Thesis. University of Missouri, Missouri, 2,008.

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[32] Galera, JM, P. Alamán, G. Ibarra & C. Quiroga (2011). Experiencias en el diseño y

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