i
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN
FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLOGICA
ESTUDIO GEOLÓGICO – GEOTÉCNICO PARA EL
DISEÑO DEL SOPORTE DE LOS ADIT DEL TÚNEL 2
– PROYECTO HIDROELÉCTRICO RENACE II, SAN
PEDRO CARCHA, ALTA VERAPAZ - GUATEMALA
TESIS PRESENTADA POR:
CACERES FLORES, ABIMAEL
FERNANDO
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE : INGENIERO GEOLOGO
AREQUIPA – PERÚ
2016
i
Dedicatoria
El presente trabajo es dedicado a mis
padres el Sr. Florencio Cáceres y la Sra.
Trinidad Flores en mérito al esfuerzo y
sacrificio durante mi vida universitaria, y
sobre todo al apoyo y aliento constante
que me brindan.
ii
Agradecimiento
Mi agradecimiento a Dios por haberme
permitido llegar hasta este punto y haberme
dado salud para lograr mis objetivos, además
de su infinita bondad y amor.
A mi asesora MSc. Salome Chacón, con quien
conté en todo momento para aclarar dudas y
para orientarme; haciendo la transferencia de
sus conocimientos, para hacer posible el
desarrollo de este trabajo.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
iii ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
RESUMEN
El Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, se encuentra ubicado inmediatamente
aguas abajo de la Casa de Máquinas de RENACE I, en el municipio de San Pedro
Carchá, departamento Alta Verapaz, Guatemala. Dicha central tendrá una
capacidad máxima de 114 MW de potencia.
Dentro de los componentes para la construcción de la C.H. RENACE II, se
realizara la excavación de dos túneles. El túnel de carga o túnel 2, es un túnel de
4,030 km de longitud, y para agilizar los trabajos de construcción se realizó la
ejecución de dos accesos secundarios o Adits. En este trabajo se detallaran los
estudios de diseño del soporte para el Adit 2 y 3 del Túnel 2.
El presente trabajo consta de ocho capítulos, que se describen a continuación:
Capítulo I: En este capítulo se describe los datos generales como: Ubicación y
acceso, justificación, formulación del problema, alcance y limitaciones, variables
e indicadores, los objetivos e hipótesis.
Capitulo II: Para el presenta trabajo se ha realizado una revisión a la bibliografía
disponible. El trabajo de campo comprende la cartografía geológica-geotécnica a
escala 1/2000 y una campaña de geotécnica.
Capítulo III: Se realiza la descripción de los antecedentes de la investigación, los
componentes del proyecto y las bases teóricas empleadas para la caracterización
geotécnica a nivel de roca intacta, macizo rocoso y de las discontinuidades.
Capítulo IV: El zona de proyecto se registra una precipitación anual de 2,045-
2514 mm, con una temperatura que oscila entre 16-23 ºC y se ubica en la
provincia fisiográfica Tierras altas Sedimentarias. En base al estudio de
Hidrografía se define que el caudal de diseño es de 40 m3/s.
Capítulo V: Desde el punto de vista geológico, la construcción del proyecto se
sitúa en la denominada Cordillera Central de Guatemala, se caracteriza por ser un
área de pliegues y cabalgamientos.
Capítulo VI: La geológica local corresponde al miembro superior de la
Formación Cobán, que comprende calizas y brechas calcáreas.
Capítulo VII: El Adit 2 y Adit 3 tendrán una longitud de 377 y 277 metros
respectivamente. Ambos Adit tendrán una sección en forma de baúl de 6,50 m de
ancho por 6,50 m de alto.
Capítulo VIII: Se exponen los resultados obtenidos de la caracterización
geotécnica a nivel de roca intacta, macizo rocoso y de discontinuidades. Con la
caracterización geotécnica se aplicó la metodología expuesta para el diseño de
soporte y se determinó el soporte para los Adits del Túnel 2 - Proyecto
Hidroeléctrico RENACE II.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
iv ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
ÍNDICE
Dedicatoria ............................................................................................................... i
Agradecimiento ....................................................................................................... ii
RESUMEN............................................................................................................. iii
CAPITULO I..........................................................................................................15
INTRODUCCIÓN .............................................................................................15
1.1. Ubicación y accesibilidad ...................................................................... 16
1.1.1. Ubicación ............................................................................................ 16
1.1.2. Accesibilidad ....................................................................................... 16
1.2. Justificación............................................................................................ 18
1.3. Formulación del problema ..................................................................... 18
1.3.1. Definición del problema ...................................................................... 18
1.3.2. Formulación del problema .................................................................. 18
1.4. Alcances y limitaciones.......................................................................... 18
1.4.1. Alcances .............................................................................................. 18
1.4.2. Limitaciones ........................................................................................ 18
1.5. Variables e indicadores .......................................................................... 19
1.5.1. Independientes..................................................................................... 19
1.5.2. Dependientes ....................................................................................... 19
1.5.3. Indicadores .......................................................................................... 19
1.6. Objetivos ................................................................................................ 19
1.6.1 General ................................................................................................. 19
1.6.2 Específicos ........................................................................................... 19
1.7. Hipótesis ................................................................................................. 20
CAPITULO II ........................................................................................................21
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN .................................................21
2.1. Recopilación bibliográfica ..................................................................... 21
2.2. Trabajo de campo ................................................................................... 21
2.2.1. Cartografía geológico geotécnica ........................................................ 22
2.2.2. Estaciones geomecánicas .................................................................... 22
2.2.3. Esclerómetro o martillo Schmidt ........................................................ 23
2.2.4. Prospección de campo ......................................................................... 24
2.2.4.1. Sondeos ............................................................................................ 25
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
v ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
2.2.4.2. Prospección geofísica ....................................................................... 27
2.2.4.2.1. Prospección geoeléctrica ............................................................... 27
2.2.4.2.2. Prospección sísmica ...................................................................... 28
2.2.5. Ensayos in situ..................................................................................... 29
2.2.5.1. Ensayos de permeabilidad ................................................................ 29
2.2.5.2. Mediciones del nivel piezométrico .................................................. 30
2.3. Trabajo de gabinete ................................................................................ 30
CAPITULO III .......................................................................................................31
MARCO TEORICO ...........................................................................................31
3.1. Antecedentes de la investigación ........................................................... 31
3.2. Marco conceptual o bases teóricas ......................................................... 32
3.2.1. Caracterización geotécnica.................................................................. 39
3.2.1.1. Caracterización de la roca intacta .................................................... 39
3.2.1.2. Propiedades mecánicas a nivel macizo rocoso................................. 44
3.2.1.3. Propiedades mecánicas de las discontinuidades .............................. 48
3.2.2. Método constructivo............................................................................ 53
CAPITULO IV .......................................................................................................54
GENERALIDADES ..........................................................................................54
4.1. Clima y Vegetación ................................................................................ 54
4.2. Fisiografía .............................................................................................. 54
4.2.1. Relieve................................................................................................. 55
4.2.2. Hidrografía .......................................................................................... 55
4.2.3. Hidrogeología ...................................................................................... 56
4.3. Geomorfología ....................................................................................... 56
CAPITULO V ........................................................................................................58
GEOLOGÍA REGIONAL..................................................................................58
5.1. Litoestratigrafía ...................................................................................... 60
5.1.1. Formación Tactic (Pi-t) ....................................................................... 60
5.1.2. Formación Chóchal (Pm-ch) ............................................................... 60
5.1.3. Formación Todos Santos (JK-ts) ......................................................... 61
5.1.4. Formación Cobán (Kim-co) ................................................................ 61
5.1.5. Formación Campur (Km-ca) ............................................................... 61
5.1.6. Formación Sepur (KsTi-se) ................................................................. 62
5.1.7. Formación Caribe (Ts-c) ..................................................................... 62
5.1.8. Rocas igneas básicas (Ki).................................................................... 62
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
vi ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
5.1.8.1. Unidad de la Sierra de Santa Cruz (Ki-s) ......................................... 62
5.1.9 Depósitos cuaternarios (Q-al) .............................................................. 63
CAPITULO VI .......................................................................................................64
GEOLOGÍA LOCAL .........................................................................................64
6.1. Litoestratigrafía ...................................................................................... 64
6.1.1. Formación Cobán (Kim-co) ................................................................ 64
6.1.2. Depósitos cuaternarios (Q) .................................................................. 66
6.1.2.1. Depósitos coluvio-eluviales (Q-cl-el) .............................................. 66
6.1.2.2. Depósitos aluviales (Q-al) ................................................................ 67
6.2. Geología estructural ............................................................................... 70
6.2.1. Estructura ............................................................................................ 71
6.2.1.1. Fallas y/o fracturas ........................................................................... 71
6.2.1.2. Familias de juntas ............................................................................. 72
6.3. Sismicidad .............................................................................................. 80
6.4. Geología económica ............................................................................... 81
CAPÍTULO VII .....................................................................................................82
DESARROLLO DEL TEMA DE TESIS ..........................................................82
7.1. Sección geométrica ................................................................................ 85
7.2. Metodología del dimensionamiento ....................................................... 85
7.2.1. Prediseño de sostenimiento a partir de la clasificación geomecánica . 87
7.2.2. Análisis de caída de bloques ............................................................... 90
7.2.2.1. Programa unwedge ........................................................................... 90
7.2.2.2. Propiedades de las juntas ................................................................. 91
7.2.3. Modelización numérica en elastoplasticidad ...................................... 93
7.2.3.1. Programa de cálculo ......................................................................... 93
7.2.3.2. Condiciones de contorno .................................................................. 95
7.2.3.3. Propiedades de los terrenos .............................................................. 95
7.2.3.4. Propiedades de los elementos estructurales ..................................... 96
7.2.3.5. Simulación del efecto frente en 2d ................................................... 97
7.3. Desplazamiento del terreno .................................................................... 99
7.4. Plan de auscultación ............................................................................. 100
7.4.1. Medida de convergencias .................................................................. 100
7.4.2. Disposición de la estaciones de medida de convergencia ................. 101
7.4.3. Toma de medidas y frecuencia de las mismas .................................. 101
7.4.4. Criterios de la interpretación de las convergencias ........................... 102
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
vii ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
7.4.5. Plan de contingencia ......................................................................... 103
CAPITULO VIII ..................................................................................................104
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ............................................104
8.1. Caracterización de la roca intacta ........................................................ 104
8.2. Propiedades mecánicas a nivel macizo rocoso..................................... 105
8.3. Propiedades mecánicas de las discontinuidades .................................. 107
8.4. Caracterización geotécnica de los depósitos cuaternarios .................. 108
8.5. Resultados obtenidos para el diseño del sostenimiento en los Adits del
Túnel 2 – proyecto hidroeléctrico Renace II ............................................... 109
8.5.1. Clasificación geomecánica ................................................................ 109
8.5.2. Análisis de formación de bloques ..................................................... 111
8.5.3. Modelización numérica en elastoplasticidad .................................... 116
8.5.3.1. Sección tipo III ............................................................................... 116
8.6. Sostenimiento propuesto ...................................................................... 122
8.6.1. Tramificación constructiva del sostenimiento .................................. 122
CONCLUSIONES ...............................................................................................124
RECOMENDACIONES ......................................................................................125
BIBLIOGRAFIA .................................................................................................126
BIBLIOGRAFÍA DIGITAL ....................................................................... 126
APÉNDICES ........................................................................................................127
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
viii ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
ÍNDICE DE TABLAS Y CUADROS
Tabla 1: Situación y principales características de las estaciones geomecánicas
realizadas. .............................................................................................................. 23
Tabla 2: Ubicación y características de los sondeos mecánicos. .......................... 26
Tabla 3: Longitud de los perfiles de tomografía eléctrica realizados en el Túnel 2.
............................................................................................................................... 27
Tabla 4: Denominación y longitud de los perfiles de sísmica de refracción
realizados en el portal de entrada del túnel secundario. ........................................ 28
Tabla 5: Ensayo tipo Lugeon para determinar la permeabilidad de la roca.
(Clasificación del Macizo rocoso según su unidad Lugeon Olalla y Sopeña, 1991).
............................................................................................................................... 29
Tabla 6: Puntos singulares trazado en alzado del Túnel 2. ................................... 36
Tabla 7: Valores del módulo relativo (MR) Ei / σci (Deere, 1966/Palmstrom y
Singh, 2001). ......................................................................................................... 43
Tabla 8: Valores de la constante mi, para roca intacta, según grupos de rocas
(Hoek et al, 1996). ................................................................................................. 44
Tabla 9: Criterios para calcular el RMR (Bieniawski, 2003)................................ 46
Tabla 10: Perfiles tipo para determinar el coeficiente de rugosidad JRC de las
juntas (Barton y Choubey, 1977). ......................................................................... 49
Tabla 11: Orientación y características de las familias de discontinuidades. ....... 79
Tabla 12: Características de los Adits del Túnel 2. ............................................... 83
Tabla 13: Puntos singulares trazado en planta Adit 2. .......................................... 83
Tabla 14: Puntos singulares trazado en planta Adit 3. .......................................... 83
Tabla 15: Evaluación del E.S.R. (Fuente: Grinstad y Barton, 1993). ................... 89
Tabla 16: Características de las familias de juntas representativas en el entorno del
túnel. ...................................................................................................................... 92
Tabla 17: Propiedades de cálculo asignadas al hormigón proyectado. ................. 97
Tabla 18: Propiedades de cálculo asignadas a los bulones. .................................. 97
Tabla 19: Propiedades de cálculo asignadas a los marcos reticulados. ................. 97
Tabla 20: Parámetros a nivel de roca intacta de la Formación Cobán. ............... 105
Tabla 21: Situación y principales características de las estaciones geomecánicas
realizadas. ............................................................................................................ 105
Tabla 22: Resultado de los parámetros resistentes calculados para el macizo
rocoso. ................................................................................................................. 107
Tabla 23: Módulos elásticos calculados para el macizo rocoso. ......................... 107
Tabla 24: Parámetros resistentes de las discontinuidades. .................................. 108
Tabla 25: Propiedades geotécnicas de los depósitos cuaternarios. ..................... 109
Tabla 26: Parámetros de cálculo para el prediseño mediante clasificaciones
geomecánicas. Adits ............................................................................................ 109
Tabla 27: Recomendaciones de Barton para el sostenimiento de los Adits. ....... 110
Tabla 28: Orientaciones de adits considerados en el análisis de caída de bloques.
............................................................................................................................. 111
Tabla 29: Resumen de las cuñas formadas en el perímetro de las sección de los
Adits, 153/12,43 Trend/Plunge del Adit 2, y 113/13,47 para el Adit 3. ............. 113
Tabla 30: Porcentajes de los pesos de las cuñas presentes, 153/12,43 Trend/Plunge
del Adit 2, y 113/13,47 para el Adit 3. ................................................................ 114
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
ix ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Tabla 31: Propiedades de los terrenos aplicadas en la realización de los cálculos
para la sección tipo III. ........................................................................................ 116
Tabla 32: Factores de seguridad calculados para los esfuerzos pésimos sobre el
sostenimiento....................................................................................................... 118
Cuadro 1: Sostenimiento de los Adits del túnel 2. .............................................. 123
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
x ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Obra de toma, canal de aducción, canal 1 y portal de entrada del túnel 1.
............................................................................................................................... 33
Figura 2: Sección del canal 1. ............................................................................... 34
Figura 3: Trazado del túnel 1 y adit. ..................................................................... 34
Figura 4: Embalse de regulación, portal de salida del túnel 1 y portal de entrada
del túnel 2. ............................................................................................................. 35
Figura 5: Trazado del túnel 2 y adits. .................................................................... 36
Figura 6: Definición geométrica del túnel revestimiento concreto reforzado. (e=
30 cm).................................................................................................................... 37
Figura 7: Definición geométrica del túnel revestimiento con camisa de acero. ... 38
Figura 8: Ubicación de casa de la Tubería Forzada, Casa de Máquinas y
Subestación. .......................................................................................................... 39
Figura 9: Clasificación de rocas intactas para las Calizas. .................................... 42
Figura 10: Gráfica de corrección del efecto escala en juntas. ............................... 50
Figura 11: Gráfica de correlación entre la dureza de Schmidt y la compresión
simple. ................................................................................................................... 51
Figura 12: Caudales diarios mensuales estimados a la obra de toma del proyecto
RENACE II. La línea verde corresponde a los caudales del período húmedo de la
serie, la línea café al período seco y la línea azul corresponden al comportamiento
medio de la serie de caudales estimados. Según la gráfica, para el año húmedo el
caudal de diseño se cubre el 50% del tiempo estimado, durante la año seco no se
cubre naturalmente y, se tienen que el caudal de diseño se cubre en un 25% con el
comportamiento diario mensual de estos valores. (Fuente: Proyecto RENACE II,
2012). .................................................................................................................... 55
Figura 13: Columna estratigráfica regional. (Fuente: Elaboración propia). ......... 63
Figura 14: Calizas con Pseudorhapydionina chiapanensis y Nummoloculina
heimi, Formación Cobán Superior (cuadrángulo Cobán). Tomado de S. Morán,
2005. ...................................................................................................................... 65
Figura 15: Columna estratigráfica local del área de estudio. (Fuente: Elaboración
propia). .................................................................................................................. 70
Figura 16: Diagrama que muestra las principales estructuras geológicas del
cuadrángulo de Cobán. (Fuente: Cuadrángulo de Cobán-San Pedro Carcha). ..... 71
Figura 17: Roseta de frecuencia para fracturas (A) y dolinas y ríos (B). (Fuente:
Cuadrángulo de Cobán-San Pedro Carcha)........................................................... 71
Figura 18: Contornos de polos medidos en todas las estaciones geomecánicas. .. 73
Figura 19: Planos medios de las seis familias principales de discontinuidades. ... 73
Figura 20: Rango de variación del espaciado para cada familia de
discontinuidades. ................................................................................................... 74
Figura 21: Rango de variación de la continuidad de las juntas para cada familia de
discontinuidades. ................................................................................................... 74
Figura 22: Rango de variación de la rugosidad (índice JRC) para cada familia de
discontinuidades. ................................................................................................... 75
Figura 23: Rango de variación de la apertura de juntas para cada familia de
discontinuidades. ................................................................................................... 75
Figura 24: Situación del área de estudio dentro del mapa de zonación
macrosísmica de Guatemala. ................................................................................. 80
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
xi ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 25: Aceleraciones máximas efectivas para el sismo básico y para el sismo
frecuente. ............................................................................................................... 81
Figura 26: Trazado en planta................................................................................. 84
Figura 27: Perfil longitudinal. ............................................................................... 84
Figura 28: Definición geométrica de los Adit 2 y 3. (Fuente: Subterra Ingeniería).
............................................................................................................................... 85
Figura 29: Determinación, aproximada, del sostenimiento de un túnel (Fuente:
Grinstad y Barton, 1993). ...................................................................................... 89
Figura 30: Reducción sísmica del valor de Q para obtener un aumento del 25% en
la presión de sostenimiento. .................................................................................. 90
Figura 31: Efecto del frente en la estabilidad de la excavación. ........................... 99
Figura 32: Rango de variación de la rugosidad (índice JRC) para cada familia de
discontinuidades. ................................................................................................. 108
Figura 33: Diagrama de Barton para la definición de los sostenimientos. Adits 110
Figura 34: Geometría considerada para el análisis cinemático de cuñas de los adit.
Seccion de sostenimiento tipo I........................................................................... 112
Figura 35: Geometría considerada para el análisis cinemático de cuñas de los adit.
Sección de sostenimiento tipo II. ........................................................................ 112
Figura 36: Comparación porcentual de las cuñas con un RMR >65 C=1 t/m2
Ф=32 Persistencia=5 m para los trazados del Adit 2 y 3. ................................... 113
Figura 37: Comparación porcentual de las cuñas con un RMR 35-65 C=0 t/m2
Ф=32 Persistencia=12 m para los trazados del Adit 2 y 3. ................................. 114
Figura 38: Pesos de las cuñas con un RMR >65 C=1 t/m2 Ф=32 Persistencia=5 m
para los trazados del Adit 2 y 3. .......................................................................... 115
Figura 39: Pesos de las cuñas con un RMR >65 C=0 t/m2 Ф=32 Persistencia=12
m para los trazados del Adit 2 y 3. ...................................................................... 115
Figura 40: Modelo de cálculo para la Sección Tipo III. Adit ............................. 117
Figura 41: Desplazamientos verticales tras la colocación del sostenimiento. .... 118
Figura 42: Desplazamientos horizontales tras la colocación del sostenimiento. 119
Figura 43: Estado de plastificación tras la colocación del sostenimiento. .......... 119
Figura 44: Deformaciones cortantes en el terreno tras la colocación del
sostenimiento....................................................................................................... 120
Figura 45: Distribución de tensiones en el terreno tras la colocación del
sostenimiento....................................................................................................... 120
Figura 46: Momentos flectores en el sostenimiento. .......................................... 121
Figura 47: Esfuerzos axiles en el sostenimiento. ................................................ 121
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
xii ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS
Fotografía 1: Esclerómetro o martillo Schmidt. .................................................... 23
Fotografía 2: Ejecución de perfil sísmico en la zona del emboquille de entrada del
Túnel secundario. .................................................................................................. 29
Fotografía 3: Torre Kárstica en rocas de la Formación Chóchal, aldeaTzalamilá. 56
Fotografía 4: Cerro cónico en rocas de la Formación Cobán, camino a la aldea
Xicacao. ................................................................................................................. 57
Fotografía 5: A) Lineamientos en el cerro marcan la estratificación de las calizas,
en este caso buzando al sur. B) Afloramiento de calizas mostrando una pequeña
secuencia de estratos cuyo espesor varía de 30 a 50 cm. ...................................... 65
Fotografía 6: A) Bloque de brecha que muestra fragmentos de mudstone, con
vetillas de calcita. B) Afloramiento de brecha calcárea mostrando fragmentos
mayores a 15 cm, angulosos a subangulosos. ....................................................... 66
Fotografía 7: Suelos coluvio-eluviales detectados durante la excavación de los
taludes de emportalamiento del Adit 3.................................................................. 67
Fotografía 8: Depósitos aluviales, conformado por rocas de calizas y lutitas
redondeado a bien redondeado, con una matriz arenosa color gris. Fotografía toma
desde aguas arriba, cerca al Azut. ......................................................................... 68
Fotografía 9: Vista general de la ejecución de mediciones de convergencia. ..... 101
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
xiii ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
ÍNDICE DE PLANOS
Plano 1: Ubicación y Accesibilidad al Proyecto Hidroeléctrico RENACE II.
(Fuente: Elaboración Propia). ............................................................................... 17
Plano 2: Mapa Geológico de Alta Verapaz. (Fuente: Instituto Geográfico
Nacional, 1970). .................................................................................................... 59
Plano 3: Planta Geológica-Geotécnica. (Fuente: Subterra Ingeniería). ................ 69
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
xiv ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
APÉNDICE
APÉNDICE I: PERFILES GEOLÓGICOS-GEOTÉCNICOS
APÉNDICE II: TESTIFICACIONES
APÉNDICE III: PROSPECCIÓN GEOFÍSICA
APÉNDICE IV: UNWEDGE. FACTORES DE SEGURIDAD
APÉNDICE V: PERFIL CONSTRUCTIVO DE LOS ADITS DEL TÚNEL 2.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
15 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
El Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, el cual se encuentra ubicado
inmediatamente aguas abajo de la Casa de Máquinas de RENACE I, constituye el
segundo de los tres elementos de la cascada del aprovechamiento del Río
Cahabón, ubicado en el municipio de San Pedro Carchá, departamento Alta
Verapaz, Guatemala.
La construcción de la Central Hidroeléctrica RENACE II, es un proyecto de
generación de energía eléctrica a través de medios hidráulicos, utilizando para tal
efecto una parte del caudal del río Cahabón. El proyecto ya instalado tendrá una
capacidad máxima aproximada de 114 MW de potencia.
Dentro de los componentes para la construcción de la C.H. RENACE II, se
realizara la excavación de dos túneles. El túnel de carga o túnel 2, es un túnel de
4,030 km de longitud, y para agilizar los trabajos de construcción se realizó la
ejecución de dos accesos secundarios o Adits. El Adit 2 tendrá una longitud de
377 m, y el 277 m el Adit 3. Ambos Adits tendrán una sección en forma de baúl
de 6.50 m de ancho por 6.50 m de alto.
En base al desarrollo de este proyecto, se busca como objetivo general:
- Definir el diseño del soporte para cada tipo de roca de los Adits del Túnel
2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, con la aplicación de la Ingeniería
Geológica-Geotécnica.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
16 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
1.1. Ubicación y accesibilidad
1.1.1. Ubicación
El Proyecto Hidroeléctrico RENACE II se encuentra geográficamente ubicado en
la cuenca del río Cahabón, en el municipio de San Pedro Carchá, del
departamento de Alta Verapaz, Guatemala. El proyecto está comprendido en la
zona 15, banda P, dentro de las siguientes coordenadas UTM del sistema WGS84:
1´718,397N - 806,571 E / 1´716,864N - 810,893 E
1.1.2. Accesibilidad
El acceso principal al proyecto Hidroeléctrico RENACE II, puede hacerse desde
la ciudad capital, mediante la ruta del atlántico (CA-9, Norte), hasta llegar al
pueblo del Rancho en el Progreso, en este punto se toma la carretera CA-14, que
conduce al municipio de Tactic, Cobán y San Pedro Carchá. Al llegar al
municipio de San Pedro Carchá se toma la ruta a Semuc Champey, para llegar a la
aldea Bancab y acceder a un camino de trocha, pasando por las aldeas Sacsi Chiyo
y Chiguarrom para llegar al área del proyecto.
En el Plano 1 se muestran la ubicación y accesibilidad al Proyecto Hidroeléctrico
RENACE II.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
17 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Plano 1: Ubicación y Accesibilidad al Proyecto Hidroeléctrico RENACE II. (Fuente: Elaboración
Propia).
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
18 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
1.2. Justificación
El presente estudio se realiza para establecer las características principales de la
estructura geológica y conjuntamente los parámetros geotécnicos del macizo
rocoso, los cuales se requieren para determinar el diseño ingenieril del soporte de
roca adecuado para la ejecución de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico
RENACE II, y obtener resultados de eficiencia económica y eficacia en la
ejecución del proyecto.
1.3. Formulación del problema
1.3.1. Definición del problema
El presente trabajo pretende detallar los estudios para definir el diseño de soporte
de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, con la aplicación
de la Ingeniería Geológicos-Geotécnica.
1.3.2. Formulación del problema
PROBLEMAS CAUSAS EFECTO
¿Cómo se hace el diseño de
soporte de los Adits del
Túnel 2 – Proyecto
Hidroeléctrico RENACE II?
Aplicar la Ingeniería Geológica-Geotécnica.
Permitirá definir el diseño de soporte para
cada tipo de roca.
1.4. Alcances y limitaciones
1.4.1. Alcances
En la presente tesis se emplea una metodología que permite realizar el diseño de
soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II. Esta
metodología es extrapolable y sirve de contraste para los proyectos en donde se
tiene de componente un túnel, y es indispensable realizar el diseño de soporte.
Realizar el mapeo geológico-geotécnico, empleo de prospecciones geofísicas,
ejecución de una campaña geotécnica (con ensayos in situ y de laboratorio) y
análisis de resultados; se caracterizara el macizo rocoso, comprende su
comportamiento y así aplicar los métodos de diseño, para determinar el soporte de
un túnel.
1.4.2. Limitaciones
El diseño de soporte está definido exclusivamente para los Adits del Túnel 2, y no
es adecuado aplicar este mismo diseño de soporte al Túnel 2 propiamente dicho.
Si bien ambos se excavan en el miembro superior de la Fm. Cobán, entre la
diferencia más importantes es la función para el Túnel 2 y los Adits. Los Adíts
tienen una función temporal durante el proceso constructivo del Túnel 2.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
19 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
1.5. Variables e indicadores
1.5.1. Independientes
Aplicación de la Ingeniería Geológica-Geotécnica.
1.5.2. Dependientes
Se caracterizara el macizo rocoso, comprenderá su comportamiento y podrá
aplicar métodos de diseños para definir su soporte, en este caso, a los Adits del
Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II.
1.5.3. Indicadores
-Tipo de roca.
-Estructuras geológicas.
-Propiedades de la roca intacta.
-Propiedades a nivel macizo rocoso.
-Factor de seguridad.
1.6. Objetivos
1.6.1 General
Definir el diseño del soporte para cada tipo de roca de los Adits del Túnel 2 -
Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, con la aplicación de la Ingeniería
Geológica-Geotécnica.
1.6.2 Específicos
- Caracterizar geológica y geotécnicamente el macizo rocoso.
- Realizar pruebas de campo y de laboratorio para cuantificar las propiedades de la
roca intacta.
- Aplicar métodos de cálculo para el diseño del soporte.
- Realizar el análisis de los problemas de estabilidad, asociado a las juntas del
macizo rocoso.
- Obtener con la presentación y sustentación del presente trabajo, el Título
profesional de Ingeniero Geólogo.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
20 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
1.7. Hipótesis
Con la aplicación de la Ingeniería Geológica-Geotécnica se caracterizara el
macizo rocoso, comprenderá su comportamiento y podrá aplicar métodos de
diseño para definir su soporte, en este caso, a los Adits del Túnel 2 - Proyecto
Hidroeléctrico RENACE II.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
21 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
CAPITULO II
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
2.1. Recopilación bibliográfica
Se realizó una síntesis bibliográfica, con la revisión de publicaciones científicas y
revisión a los estudios previos realizados en el área de proyecto.
2.2. Trabajo de campo
El trabajo de campo consiste en la caracterización geomecánica del macizo rocoso
y la fracturación del mismo.
Para ello se ha realizado el mapeo geológico-geotécnico y estaciones
geomecánicas, tomando a su vez, medidas de la compresión simple del macizo
con el esclerómetro o martillo Schmidt.
Comprende una campaña de sondeos, con la ejecución de ensayos in situ y la
toma de muestras parafinadas para laboratorio. El ensayo realizado en el interior
del sondeo para medir la permeabilidad de la roca fue el de tipo Lugeon.
Se realizó Prospección Geofísica, que comprende un estudio de tomografía
eléctrica y sísmica de refracción. Aunque esta se realizó sobre el trazado del Túnel
2, los resultados ayudan a comprender y estimar las características del subsuelo
para el trazado del Adits del Túnel 2.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
22 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
2.2.1. Cartografía geológico geotécnica
Con la información recopilada, las imágenes satelitales de Google Earth y la visita
al área de ubicación del túnel 2, se ha realizado una cartografía geológico-
geotécnica a escala 1/2.000, en el que se recogen todos los datos tomados en
campo, como son el tipo de litología, las estaciones geomecánicas, fallas y
fracturas, estados de meteorización del macizo rocoso, puntos de afloramiento, y
depósitos de suelos (coluvio-eluviales, aluviales, etc.). Plano 3.
2.2.2. Estaciones geomecánicas
A lo largo de la zonas de ubicación del túnel 2 se han realizado un total de 11
estaciones geomecánicas. El avanzado estado de karstificación de la roca ha
impedido la realización de un mayor número de estaciones geomecánicas.
En cada una de las estaciones se ha realizado un completo levantamiento
geotécnico de las discontinuidades estructurales, mediante la medición de su
orientación, espaciado, continuidad, apertura, relleno, rugosidad, resistencia y
presencia de agua.
Los parámetros observados permiten la asignación del correspondiente índice
RMR (Rock Mass Ratio). Este índice resulta de la suma de los distintos valores
obtenidos para RMR 1, RMR 2+3, RMR 4 Y RMR 5, donde RMR 1 valora la
resistencia a compresión de la roca, RMR 2+3 es función del RQD y del
espaciado de las discontinuidades estructurales existentes en el macizo rocoso,
RMR 4 establece el estado de las discontinuidades (persistencia, abertura,
rugosidad, relleno y meteorización) y RMR 5 es función del efecto del agua en el
macizo rocoso.
En la Tabla 1 se presentan las principales características de las estaciones
geomecánicas.
ESTACIÓN GEOMECÁNICA
COORDENADAS U.T.M. UNIDAD
RECONOCIDA RMR
1 RMR (2+3)
RMR 4
RMR 5
RMR (1+2+3+4+5)
OBJETIVO
X Y
EG-1 807126 1717802 Calizas 4 29 12-19 10 55-62 Portal de entrada
túnel 2
EG-2 807089 1717832 Calizas 4 28 12-17 10 54-59 Portal de entrada
túnel 2
EG-3 807447 1717937 Calizas 2-4 27 14-16 10 53-57 Adit 1
EG-4 807817 1718150 Calizas 2-4 27 14-17 10 53-58 Túnel 2
EG-5 810734 1717274 Calizas 2-4 25 9-15 10 46-54 Portal de salida
túnel 2
EG-6 810536 1717281 Calizas 2-4 26 10-17 10 48-57 Portal de salida
túnel 2
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
23 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
ESTACIÓN GEOMECÁNICA
COORDENADAS U.T.M. UNIDAD
RECONOCIDA RMR
1 RMR (2+3)
RMR 4
RMR 5
RMR (1+2+3+4+5)
OBJETIVO
X Y
EG-7 809610 1717601 Calizas 2-4 25 14-17 10 51-56 Túnel 2
EG-8 809360 1717704 Calizas 2-4 23 14-17 10 49-54 Túnel 2 / Adit 2
EG-9 809109 1717838 Calizas 2-4 28 12-17 10 52-59 Adit 2
EG-10 808420 1718087 Calizas 2-4 23 10-19 10 45-56 Túnel 2
EG-11 807806 1718156 Calizas 2-4 27 8-17 10 47-58 Túnel 2
Tabla 1: Situación y principales características de las estaciones geomecánicas realizadas.
2.2.3. Esclerómetro o martillo Schmidt
En cinco de las once estaciones geomecánicas, se han realizado un mínimo de
veinte medidas in situ con el esclerómetro (Fotografía 1) para la determinación
de la resistencia a compresión simple de las juntas.
Fotografía 1: Esclerómetro o martillo Schmidt.
Su funcionamiento consiste en una pesa tensada con un muelle. Dicha pesa
tensada es lanzada perpendicularmente contra la superficie de la junta estudiada
midiendo su rebote.
El rebote del martillo se puede correlacionar con la resistencia a compresión
simple de las juntas (JCS) a partir de la inclinación del mismo y la densidad de la
roca.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
24 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Si las paredes de las juntas no están alteradas o meteorizadas se toma el valor de
la resistencia a compresión simple de la matriz rocosa.
Si la pared está alterada, como ocurre habitualmente, el rebote del martillo (r) se
puede correlacionar con la resistencia a compresión simple de las juntas (JCS)
mediante la siguiente expresión:
Log10JCS = 0,00088 × γ × r + 1,01
Donde,
γ, es la densidad de la roca en kN/m3.
2.2.4. Prospección de campo
En este apartado se exponen los trabajos de investigación geotécnica realizados
para la elaboración del presente estudio geotécnico. La campaña de investigación
se ha planificado con el objetivo de poder cubrir las necesidades planteadas en el
presente proyecto, adecuando los trabajos realizados a las características generales
de la obra y de los materiales existentes en el trazado analizado.
Los reconocimientos geotécnicos de campo se han definido teniendo en cuenta la
estructura geológica del ámbito de estudio, la accesibilidad a los puntos de
reconocimiento, así como la dificultad técnica de los reconocimientos previstos.
Dichos reconocimientos consisten básicamente en una campaña de sondeos y una
campaña de prospección geofísica, cuya información se ha completado además
con la toma de datos estructurales del macizo rocoso, mediante la realización de
estaciones geomecánicas.
El objetivo perseguido con la campaña de sondeos propuesta ha sido llegar a
determinar la estructura geológica en profundidad del área y obtener los
parámetros geotécnicos necesarios para el diseño de las excavaciones
subterráneas.
Los puntos de investigación se han planteado con el criterio general del
reconocimiento de los niveles de alteración de la roca y su estado en profundidad.
Sin embargo, algunos sondeos se han planteado con el objeto de determinar la
posible interferencia entre el trazado de los diversos túneles proyectados y los
sistemas de fracturación y karstificación reconocidos en superficie mediante la
cartografía geológica y en profundidad mediante la prospección geofísica
realizada.
De la campaña de sondeos propuesta, que consistía en la realización de seis
sondeos a rotación con extracción continua de testigo, todos ellos verticales, se
han podido ejecutar únicamente tres de ellos, debido a falta de permisos en las
parcelas necesarias para la ejecución o en los acceso a los puntos de ubicación de
los mismos,
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
25 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Por su parte, la campaña de prospección geofísica se planificó con el fin de poder
determinar las características del subsuelo, considerándose adecuado, para una
mejor caracterización, emplear dos metodologías de prospección diferentes,
sísmica de refracción y perfiles de tomografía eléctrica. En el primer caso se
analizan las características de los materiales desde un punto de vista sísmico,
pudiendo determinar así la ripabilidad y espesor de los mismos; mientras que en el
segundo se estudian las características geoeléctricas de dichos materiales,
pudiendo obtener información sobre contactos, fracturas y estructuras.
El estudio de tomografía eléctrica fue realizado en el mes de agosto de 2012,
mientras que la primera fase de la campaña de sísmica de refracción se ejecutó en
noviembre de 2012.
Mediante esta campaña de campo se han obtenido diferentes muestras del terreno,
que han sido llevadas al laboratorio para la realización de diversos ensayos,
dirigidos a completar la caracterización y definir los parámetros geotécnicos de
los materiales prospectados.
En los siguientes apartados se procederá a la descripción de los diferentes trabajos
que constituyen la campaña de reconocimientos de campo, tanto directos como
indirectos.
2.2.4.1. Sondeos
En la Tabla 2 se incluye la ubicación y características de los 6 sondeos mecánicos
propuestos, de los que finalmente solamente se han podido ejecutar 3, que
totalizan 164 m lineales de perforación.
SONDEO P.K.
UBICACIÓN COORDENADAS
LONGITUD (m)
INCLINACIÓN
(°) OBJETIVO
FECHA DE EJECUCIÓN
STU2-0+005 0+005 X= 806905 Y= 1717776 Z= 991.49
24 90 (vertical) Portal de
entrada Túnel de Conducción
20-21/11/2012
STU2-0+640 0+640 - - 90 (vertical)
Adit 1 – Túnel de Conducción. Reconocimiento
general por incertidumbre
geológica
No realizado por falta de permisos
STU2-1+470 1+470 - - 90 (vertical) Reconocimiento zona de dolinas
No realizado por falta de permisos
STU2-2+000 2+000 X= 808777 Y= 1717981 Z= 926.51
49 90 (vertical)
Adit 2 – Túnel de Conducción. Reconocimiento
general por incertidumbre
geológica
11-14/02/2012
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
26 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
STU2-3+400 3+400 - - 90 (vertical)
Zona de posible Adit 3 – Túnel
de Conducción. Reconocimiento
general por incertidumbre
geológica
No realizado por falta de permisos
STU2-3+580 3+580 X= 810225 Y= 1717348 Z= 886.06
91 90 (vertical)
Reconocimiento zona de dolinas
y escaso recubrimiento
20-26/02/2013
Tabla 2: Ubicación y características de los sondeos mecánicos.
En los sondeos que han atravesado la roca se procedió a la toma de testigos
parafinados de forma sistemática cada 10,0 m de perforación o cuando ha variado
la naturaleza del terreno.
Los ensayos “in situ” a ejecutar en el interior de los sondeos revisten una especial
importancia para la caracterización de los macizos rocoso y se desarrollarán en un
apartado posterior.
Los sondeos se concentran en las zonas de los portales, adits, zonas
previsiblemente falladas o fracturadas, así como tramos con mayor incertidumbre
geológica. La posición de los mismos se ha optimizado una vez obtenidos los
resultados de la campaña de tomografía eléctrica.
Todos los sondeos se han perforado hasta una profundidad de al menos un
diámetro por debajo de la cota de la rasante del túnel.
La campaña de sondeos ha sido ejecutada entre los meses de noviembre de 2012 y
febrero de 2013, habiendo sido realizados todos ellos con batería de diámetro HQ
(96 mm) y aporte de agua.
En las columnas de los registros de sondeos, que se incluirán en forma de
apéndice (Apéndice II, Testificaciones), se recogen las principales características
tanto del método de perforación, como del material perforado, que de forma
resumida se agrupa en los siguientes aspectos:
- Diámetro y tipo de perforación
- Porcentaje de recuperación del testigo
- Diámetro de revestimiento
- Profundidad del nivel freático
- Espesor de los estratos
- Descripción geológica del material
- Profundidad y tipo de muestras
- Ensayos realizados
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
27 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
2.2.4.2. Prospección geofísica
Se han realizado dos campañas de prospección geofísica diferentes, consistente en
la realización de tomografía eléctrica y sísmica de refracción, respectivamente,
para la estimación de las características del subsuelo en el emplazamiento de la
Central Hidroeléctrica.
Se ha considerado adecuado el empleo de dos metodologías de prospección del
subsuelo: una campaña de perfiles de tomografía eléctrica, para poder conocer las
características del subsuelo desde el punto de vista geoeléctrico, tanto en los que
se refiere a la litología, fracturas y contactos, así como a sus propiedades
eléctricas, y una campaña de sísmica de refracción, para analizar la ripabilidad y
espesor de los materiales en algunas zonas del trazado.
A partir de la cartografía geológica, y con la información obtenida en los perfiles
de tomografía eléctrica, se ha podido llevar a cabo una descripción más detallada
de las unidades geológicas y la estructura existente en profundidad.
2.2.4.2.1. Prospección geoeléctrica
Se ha considerado adecuado el empleo de la tomografía eléctrica multi-electrodo
con el objetivo de definir un modelo de la estructura del macizo rocoso en el que
se excavará el túnel 2.
La longitud de los perfiles en el trazado del Túnel 2 se muestra en la Tabla 3,
alcanzándose una longitud total investigada de 3.770 metros lineales, ejecutados
con los dispositivos de medida Polo – Dipolo y Polo – Polo.
TÚNEL PERFIL DE TOMOGRAFÍA
ELÉCTRICA
LONGITUD
(M)
Túnel 2 Perfil eléctrico 1 2.580
Perfil eléctrico 2 1.190
Tabla 3: Longitud de los perfiles de tomografía eléctrica realizados en el Túnel 2.
Como resultado de la tomografía eléctrica, se ha interpretado 2 horizontes
geofísicos principales: superficialmente el horizonte A, debajo del cual se ubica el
horizonte B.
El horizonte A se caracteriza por un espesor variable, pasando desde alrededor de
10 metros en la porción noroeste a los casi 20 metros hacia el sureste. La
tendencia de este horizonte podría ser asociado también a la porción superficial de
alteración y suelo orgánico.
El horizonte B se encuentra debajo del horizonte A, caracterizado por un espesor
relevante, hasta la máxima profundidad de investigación alcanzada. Tal horizonte
se encuentra afectado por la presencia de varias anomalías bajo resistivas de
orientación pseudovertical, que han sido asociadas a discontinuidades
probablemente de origen tectónico.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
28 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Se ha realizado un perfil geológico – geotécnico del Túnel 2, tomando como base
la cartografía geológico – geotécnica llevada a cabo en la zona, y la información
obtenida en los perfiles eléctricos 1 y 2.
2.2.4.2.2. Prospección sísmica
La campaña de sísmica de refracción realizada durante los días 30 y 31 de octubre
y 2 de noviembre de 2012, consistió en la ejecución de doce (12) perfiles de
tomografía sísmica de refracción, de diferentes longitudes, denominados con una
numeración correlativa desde el perfil 1 hasta el 13, con la única excepción del
perfil 11, que no se realizó.
Cabe destacar que la campaña sísmica de refracción se ejecutó con el objetivo de
poder obtener el conocimiento adecuado de los materiales del subsuelo existentes
en las principales obras del Proyecto Hidroeléctrico RENACE II y zonas del
especial interés, ubicándose únicamente dos de esos perfiles en el portal de
entrada del Túnel 2.
La denominación y longitud de cada uno de los perfiles sísmicos de refracción
realizados en el Túnel 2 se muestra en la tabla Tabla 4, mientras que en la
Fotografía 2 se puede observar la ejecución de uno de los perfiles sísmicos
realizados en el portal de entrada.
PERFIL SÍSMICO DE
REFRACCIÓN
LONGITUD
(m)
EMPLAZAMIENTO
Perfil 12 99 Portal entrada túnel 2
Perfil 13 55
Tabla 4: Denominación y longitud de los perfiles de sísmica de refracción realizados en el portal de
entrada del túnel secundario.
Se interpreta 3 horizontes en los perfiles sísmicos realizados. El primer horizonte
tiene una potencia en promedio de 3 m, con velocidades de 300 m/s, es la capa de
suelo residual. El segundo y tercer horizonte es netamente el sustrato rocoso, en la
segundo horizonte se obtiene velocidades en un rango promedio de 2300 a 2700
m/s, con una potencia en promedio de 15 m. En el tercer horizonte se obtiene
velocidades superiores a los 4000 m/s y su espesor es hasta la máxima
profundidad estudiada.
La ubicación de los reconocimientos geofísicos realizados, tanto los perfiles de
tomografía eléctrica como los extendimientos de sísmica de refracción, se
muestran en la planta geológico-geotécnica. El informe completo de prospección
geofísica se incluye en el Apéndice III. Prospección geofísica.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
29 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Fotografía 2: Ejecución de perfil sísmico en la zona del emboquille de entrada del Túnel secundario.
2.2.5. Ensayos in situ
2.2.5.1. Ensayos de permeabilidad
Los ensayos de permeabilidad (LUGEON) consisten en obturar un tramo de
sondeo que se somete a una carga de agua creciente hasta llegar un máximo (no
superior a 10 bares e inferior si hay riesgo de hidrofracturación de la roca) y
posteriormente se va reduciendo la carga, lo que permite determinar la permeabilidad del tramo e incluso la conductividad hidráulica inicial y final de las
discontinuidades presentes.
En la Tabla 5 se muestra los resultados de los ensayos Lugeon realizados en dos
sondeos.
ENSAYO LUGEON
Sondeo Desde
(m)
Hasta
(m) k (cm/s) ULE
Tipo de
Flujo Litología
Tipo de
Macizo
STU-2-2+000 34.0 39.0 2.58 E-4 4.104
Laminar Caliza
mudstone Permeable
44.0 49.0 2.48 E-4 6.397
STU-2-3+580 76.0 81.0 5.43 E-6 0.140
Dilatación Caliza
mudstone
Muy Permeable 86.0 91.0 4.42 E-6 0.114
Tabla 5: Ensayo tipo Lugeon para determinar la permeabilidad de la roca. (Clasificación del Macizo
rocoso según su unidad Lugeon Olalla y Sopeña, 1991).
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
30 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
2.2.5.2. Mediciones del nivel piezométrico
En el sondeo STU-2-3+580 se ha encontrado el nivel freático a la profundidad de
65 m.
2.3. Trabajo de gabinete
Se realizó la descripción petrográfica y mineralógica de las diferentes unidades
litológicas encontradas en el área de estudio. Así mismo, se procedió a la
interpretación de los ensayos in situ y de laboratorio. Lo cual conllevo al
modelamiento de soporte mediante métodos teóricos y software.
Finalmente se realizó la redacción del presente trabajo.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
31 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
CAPITULO III
MARCO TEORICO
3.1. Antecedentes de la investigación
Este informe se ha realizado basándose en el análisis de todos los documentos
antecedentes disponibles. Concretamente, se han consultado:
-Estudio geológico y geotécnico. Proyecto de construcción del azud de la presa
Renace II. Informe 1. Empresa Consultora, mayo de 2012.
-Estudio geológico y geotécnico. Proyecto de construcción del canal de aducción
y canal 1 de la presa Renace II. Informe 1. Empresa Consultora, mayo de 2012.
-Estudio geológico y geotécnico. Proyecto de construcción del camino de acceso a
la casa de máquinas Renace II Guatemala. Informe 3. Empresa Consultora, mayo
de 2012.
-Estudio geológico y geotécnico. Proyecto de construcción del camino de acceso
al campamento Renace II Guatemala. Informe 4. Empresa Consultora, junio de
2012.
-Estudio geotécnico. Análisis de estabilidad de la ladera en la que se asienta la
tubería forzada. Proyecto Renace II. Informe 5. Empresa Consultora, mayo de
2012.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
32 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
-Estudio geológico y geotécnico. Proyecto de construcción del vial de Chiquisís a
Sacrab. Informe 6. Empresa Consultora, junio de 2012.
-Estudio geológico y geotécnico. Proyecto de construcción del túnel de la presa
Renace II. Informe 8. Empresa Consultora, julio de 2012.
-Estudio geológico y geotécnico. Proyecto de construcción del camino de acceso
al campamento Renace II Guatemala. Informe 9. Empresa Consultora, julio de
2012.
3.2. Marco conceptual o bases teóricas
La construcción de la Central Hidroeléctrica RENACE II, es un proyecto de
generación de energía eléctrica a través de medios hidráulicos, utilizando para tal
efecto una parte del caudal del río Cahabón.
El Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, se encuentra ubicado inmediatamente
aguas abajo de la Casa de Máquinas de RENACE I.
El proyecto ya instalado tendrá una capacidad máxima aproximada de 114 MW de
potencia.
Las componentes que conforman el Proyecto Hidroeléctrico RENACE II son las
siguientes:
Obra de toma.
La obra de toma esta actualmente ubicada según el diseño básico del Proyecto
“RENACE II Fase 1”, aguas arriba de casa de máquinas de RENACE I,
aproximadamente en elevación 985 msnm.
La Obra de Toma consta de un Azud de derivación, el cual desvía el agua hacia el
edificio de compuertas, en donde es conducida por el canal de aducción hacia el
cuenco integrador en donde se une con el caudal que descarga Renace I. Figura 1.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
33 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 1: Obra de toma, canal de aducción, canal 1 y portal de entrada del túnel 1.
Canal de aducción y cuenco integrador.
El canal de aducción será ejecutado en hormigón armado, tendrá una longitud de
97.0 m en función de la ubicación del azud, de 4.5 metros de ancho y 5.20 metros
de altura con vigas transversales y juntas cada 25 metros, guía el agua hasta la
descarga de RENACE I.
Allí se une con la descarga de RENACE I mediante el cuenco integrador, de 8.60
metros de ancho. De este nacerá el Canal 1, para un caudal de 40 m3/s.
El cuenco integrador llevará un rebosadero lateral hacia el río, descargando sobre
él. Este rebosadero permitirá evacuar 40 m3/s en caso que la compuerta de salida
del canal 1 esté cerrada mientras el Proyecto Renace I esté en funcionamiento.
Ver Figura 1.
Canal 1.
Luego de unificar los caudales provenientes de la Obra de Toma de la descarga de
RENACE I, el cuenco integrador entrega el agua al Canal 1, este conduce el agua
una distancia aproximada de 1,291 m hacia el túnel 1. Es necesario destacar que
una de las características más importantes de este canal es el rebosadero lateral
que permite evacuar todo el caudal excedente antes de ingresar al túnel.
Este canal es de sección rectangular de 4.5 m de ancho, construido en concreto
armado y con una capacidad de conducción de 40 m3/s. Figura 2.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
34 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 2: Sección del canal 1.
Túnel 1.
Con una longitud total de conducción de 3,445 m y una sección en forma de baúl
de 6.30 m de ancho y 6.30 m de alto, su objetivo es conducir el agua desde el
canal 1 hasta la zona del embalse en donde será almacenada una parte de ella
durante las horas de menor demanda para poder utilizarla en las horas de piqueo.
Se realizó la excavación de un acceso secundario o Adits, de 136 m de longitud,
con una sección tipo baúl de 6.50 de ancho y 6.30 m de alto. Figura 3.
Figura 3: Trazado del túnel 1 y adit.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
35 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Embalse de regulación.
El Embalse de Regulación con una capacidad máxima de almacenamiento de
118.200 m³, afecta un área de 27,400m² dentro de esta misma superficie estarán
ubicadas las obras correspondientes a desarenador y cámara de Carga. Lo que
disminuye significativamente las superficies a afectar. En la imagen a
continuación puede apreciarse la ubicación del Embalse. Figura 4.
Figura 4: Embalse de regulación, portal de salida del túnel 1 y portal de entrada del túnel 2.
Túnel 2.
Seguido al desarenado en el embalse, la conducción pasa nuevamente a lo que
denominamos túnel 2, en cual tendrá una longitud aproximada de 4030 m. La
característica principal de este túnel es que trabajara a sección llena,
convirtiéndose así en un túnel a baja presión. Figura 5.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
36 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 5: Trazado del túnel 2 y adits.
En la Tabla 6 se muestran los puntos singulares del trazado en alzado del Túnel 2.
P.K. Inicio /Cota de
Elevación
P.K. Final / Cota de
elevación
Longitud
tramo(m)
Pendiente
(%)
0+000 973.00 0+451.11 918.87 451.11 -12.00
0+451.11 918.87 1+746.67 880.00 1295.56 -3.00
1+746.67 880.00 2+157.14 880.00 410.47 0.00
2+157.14 880.00 3+143.29 845.48 986.15 -3.50
3+143.29 845.48 3+535.00 798.48 391.71 -12.00
3+535.00 798.48 4+030 796.50 495 -0.40
Tabla 6: Puntos singulares trazado en alzado del Túnel 2.
Se han diseñado dos secciones geométricas distintas en función de las presiones
hidráulicas que debe soportar el revestimiento del túnel y del recubrimiento del
mismo.
Revestimiento de concreto
Esta sección se aplicará desde el PK 0+000 al PK 3+930, es decir 3930 m. El
revestimiento será de 30 cm de concreto de concreto reforzado. La sección libre
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
37 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
está constituida por un arco de 2.30 m de radio y hastiales rectos a los que se
redondearán en su parte inferior. La anchura libre en el piso es de 4.20 m
En la Figura 6 se muestra la definición geométrica este sector del túnel
Figura 6: Definición geométrica del túnel revestimiento concreto reforzado. (e= 30 cm).
Revestimiento de blindaje de acero
Esta sección se aplicará desde el PK 3+930 al 4+030, es decir a lo largo de 100 m
de túnel.
La sección útil de este tramo del túnel, se encuentra constituida por una
circunferencia de 3,40 m de diámetro.
La excavación tendrá una sección en herradura con un radio de 1.85 m y un ancho
de base útil de 3.68 m con el objeto de permitir el movimiento de los equipos de
excavación. Para esta descripción no se han tenido en cuenta los espesores
asociados al sostenimiento.
En la Figura 7 se muestra la definición geométrica del túnel.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
38 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 7: Definición geométrica del túnel revestimiento con camisa de acero.
Y con el objetivo de acelerar las labores de construcción del Túnel 2, se realizó la
ejecución de dos accesos secundarios o Adits. “Y como planteamiento del
problema de la presente tesis, en los siguientes apartados se detallara el estudio
para definir el diseño soporte a ejecutar en los Adits del Túnel 2 – Proyecto
Hidroeléctrico RENACE II”.
Tubería de alta presión o forzada.
La tubería de alta presión estará ubicada inmediatamente a la salida del túnel 2, en
donde la topografía exige una caída abrupta para continuar con la conducción.
Esta conducción constará de una sola tubería de acero de diámetro 3.40 m y
longitud aproximada de 200m, distribuyendo el flujo en cuatro tubos de 1.80 m de
diámetro ya en zona de casa de Máquinas.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
39 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 8: Ubicación de casa de la Tubería Forzada, Casa de Máquinas y Subestación.
Casa de máquinas.
Junto al río Cahabón se ha situado la central de turbinado donde se alojan 4
turbinas Pelton con una potencia total de 114 MW, capaces de turbinar un caudal
total de 40 m³/s con un salto neto de 335 m, la casa de máquinas está ubicada a
aproximadamente en la cota 640 msnm, abarca una superficie aproximada de
5,200 m².
Subestación renace II.
En el diseño se tiene previsto una zona de aproximadamente 13,792 m² para que
pueda ubicarse cómodamente la subestación.
Ver Figura 8, se aprecia la ubicación de la Tubería Forzada, Casa de Máquinas y
Subestación.
3.2.1. Caracterización geotécnica
3.2.1.1. Caracterización de la roca intacta
El primer paso para la caracterización mecánica del macizo, es establecer las
propiedades de la roca intacta para cada uno de los litotipos diferenciados.
Para ello se ha recopilado toda la información existente de los ensayos de
laboratorio realizados anteriormente para el Proyecto RENACE II.
Los parámetros resistentes se determinan a partir de los ensayos de laboratorio
efectuados, utilizándose ensayos a compresión simple o uniaxial, ensayos de
tracción indirecta (brasileño), y los ensayos de compresión triaxial. De esta
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
40 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
manera, si se representan los resultados de estos ensayos en el plano σ3 - σ1 se
obtiene un punto para cada uno de ellos. Así mismo, se ha realizado una serie de
ensayos de carga puntual (PLT).
Los diferentes criterios de rotura determinan una relación funcional entre estos
puntos representativos de cada ensayo y los utilizados en este caso han sido el de
Mohr-Coulomb y el de Hoek-Brown; este último en su última revisión, publicada
el año 2005.
El criterio de Mohr-Coulomb supone una relación lineal entre σ3 y σ1, de la forma:
c31 σσλσ
Siendo la σc la resistencia a compresión simple del litotipo y λ un parámetro
relacionado con el ángulo de fricción según la ecuación:
)2
φ45(tg
φsen1
φsen1λ 2
A partir de σc y σ1 se pueden obtener el ángulo de fricción (Φ) y la cohesión del
litotipo (C) mediante la expresión:
90λtana2φ
φcos2
φsen1σC c
El criterio de Hoek-Brown supone una relación no lineal entre σ1 y σ3 de la forma:
a
ci
ci sm
''' 3
31
donde m es un parámetro que depende del ángulo de fricción, y s es un parámetro
que relaciona la resistencia a compresión simple de la roca intacta (σci) con la
resistencia a compresión simple del macizo rocoso (σcm) mediante la expresión:
a
cici
m
c s
El parámetro “a” es una constante del macizo rocoso, dada por:
3
20
15
RMR
ee6
1
2
1a
En el caso de los ensayos de laboratorio, s vale 1 ya que se trata de roca intacta, y
si se denomina mi a m, la ecuación adquiere la forma:
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
41 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
a
ci
ici m
1
''' 3
31
Si ahora se efectúa el cambio de variables:
x = σ3’
y = (σ1’ - σ3’)1/a
Se obtiene la siguiente relación lineal para roca intacta:
y = mi • x • σci(1/a-1) + σci 1/a
Si se asume un valor de σci fijo, determinado en este caso por los ensayos de
laboratorio, se puede obtener el valor del parámetro mi, que se utilizará más
adelante para evaluar las propiedades del macizo rocoso.
Para determinar los valores de los parámetros del criterio de plastificación, tanto
del criterio de Mohr-Coulomb como del de Hoek-Brown, se realiza una regresión
lineal de los valores σ1’ y σ3’ obtenidos de los ensayos de laboratorio. Así, para el
criterio de Mohr-Coulomb, se ajusta la recta de la fórmula anteriormente expuesta,
y para el de Hoek-Brown, en caso de roca intacta, el que se indicó en la última
expresión.
En general, estos ajustes son muy sensibles al valor de σci y, normalmente, el valor
de σci obtenido en laboratorio debería ser similar al de los ajustados para los dos
criterios de rotura. Por ello además del coeficiente de correlación la comparativa
entre σci media obtenida en laboratorio, y la estimada en ambos ajustes, constituye
un excelente criterio para evaluar la bondad del ajuste realizado.
En este caso, se parte de una resistencia a compresión simple determinada en
laboratorio, por lo que las expresiones utilizadas para estimar los parámetros son,
para el caso del criterio de Mohr-Coulomb:
90λarctan2φ ee
e
ecie
φcos2
φsen1σc
Y para el criterio de Hoek y Brown:
1
a
1
ci3
a/1
ci
a/1
i3i1e
σσ
σ'σ'σ
n
1m
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
42 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Donde el subíndice "e" indica los parámetros ajustados y el subíndice "i" cada uno
de los puntos correspondientes a un ensayo, siendo n el total de los puntos σ1’ -
σ3’ considerados por litotipo.
Los coeficientes de correlación se obtienen de la expresión conocida:
2mede
2medest2
)(
)(r
El módulo relativo, o relación entre el módulo de elasticidad Ei y la resistencia a
compresión simple σci, varía en función de la litología. La Figura 9 muestra esta
relación para las Calizas.
En la Tabla 7 se muestran los valores más frecuentes del módulo relativo.
Figura 9: Clasificación de rocas intactas para las Calizas.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
43 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Tabla 7: Valores del módulo relativo (MR) Ei / σci (Deere, 1966/Palmstrom y Singh, 2001).
El valor de mi también puede asignarse a partir de la bibliografía y, en concreto,
de Hoek et al (1996). La Tabla 8 muestra valores de la constante mi para
diferentes grupos de rocas.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
44 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Tabla 8: Valores de la constante mi, para roca intacta, según grupos de rocas (Hoek et al, 1996).
3.2.1.2. Propiedades mecánicas a nivel macizo rocoso
Una vez determinadas las propiedades, a nivel de roca intacta, del litotipo
existente en la zona de estudio, deben minorarse a nivel de macizo rocoso. Para
ello, se ha asociado al litotipo 5 valores diferentes de Rock Mass Ratio (RMR), en
función al grado de fracturación del mismo, aplicando la clasificación de
Bieniawski. A continuación se expone la metodología seguida y los resultados
obtenidos.
La aplicación de la clasificación de Bieniawski en esencia consiste en asignar a
cada tipo de terreno un índice de calidad, denominado RMR que depende de:
- Resistencia a compresión simple de la roca matriz.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
45 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
- Condiciones del diaclasado.
- Efecto del agua.
- Posición relativa de la excavación con respecto a las diaclasas.
Para tener en cuenta la incidencia de estos factores, se definen una serie de
parámetros, asignándoles unas determinadas valoraciones, cuya suma en cada
caso ofrece el RMR que varía entre 0 y 100.
En la Tabla 9, adjunta en la página siguiente, se muestran los criterios de
valoración para aplicar esta clasificación de Bieniawski en su versión de 2003.
La utilización del criterio de corrección según la orientación de la excavación
puede ser sustituida por el oportuno estudio de estabilidad de cuñas y bloques.
En función del RMR obtenido los macizos rocosos se clasifican en las cinco
categorías siguientes:
- Roca Muy Buena (RMR entre 81 y 100).
- Roca Buena (RMR entre 61 y 80).
- Roca Media (RMR entre 41 y 60).
- Roca Mala (RMR entre 21 y 40).
- Roca Muy Mala (RMR menor que 20).
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
46 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
RMR (1) RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE DE LA ROCA INTACTA
VALOR (MPa) >240 240 - 175 175 - 125 125 - 100 100 -75 75 - 50
50 -30 30 -10 < 10
VALORACIÓN 15 14 12 10 8 6 4 2 1
RMR (2+3) RQD Y ESPACIADO ENTRE DISCONTINUIDADES
JUNTAS POR m 0 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
VALORACIÓN 40 37 34 31 29 28 27 26 25 23 22 22 21 20 19 18 17 16 16 15
JUNTAS POR m 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
VALORACIÓN 15 14 14 12 12 11 11 10 10 10 9 9 9 8 8 8 8 8 7 7
JUNTAS POR m 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
VALORACIÓN 7 7 7 7 5 5 5 4 4 4 4 3
RMR(4) CONDICIONES DE LAS DISCONTINUIDADES
CONTINUIDAD < 1 m 1-3m 3-10m 10-20m >20m
6 4 2 1 0
APERTURA 0 <0,1 mm 0,1-1 mm 1-5 mm >5 mm
6 5 4 1 0
RUGOSIDAD Muy rugosa Rugosa Liger. rugosa Lisa Espejo falla
6 5 3 1 0
RELLENO Ninguno
Relleno duro Relleno blando
apertura < 5 mm apertura > 5 mm apertura < 5
mm apertura > 5
mm
6 4 2 2 0
GRADO DE METEORIZACIÓN
No afectado Ligero Moderado Alto Descompuesto
6 5 3 1 0
RMR (5) CONDICIONES HIDROGEOLÓGICAS
ESTADO Seco Lig. Húmedo Húmedo Goteando Flujo
FLUJO (l/min ּm) 0 < 1 1 - 2,5 2,5 - 12,5 > 12,5
RATIO (u/σ1) 0 < 0,1 0,1 - 0,2 0,2 - 0,5 > 0,5
VALORACIÓN 15 10 7 4 0
Tabla 9: Criterios para calcular el RMR (Bieniawski, 2003).
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
47 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
a) Parámetros resistentes
Con el valor RMR obtenido en campo es posible minorar las propiedades
obtenidas para la roca intacta, empleando el criterio de rotura de Hoek-Brown
expresado en la ecuación:
a
ci
3ci31 s
σ
'σmσ'σ'σ
Donde m y s son dos parámetros función de la litología de la roca (mi) y del
estado del macizo rocoso caracterizado por el citado RMR. Esta dependencia
viene dada por las expresiones de Hoek et al (2005), basadas en las de Priest y
Brown (1983):
320
15RMR
D39
100RMR
D1428
100RMR
i
ee6
1
2
1a
es
emm
Siendo mi un parámetro dependiente de la litología de la roca. Su valor puede
tomarse de la bibliografía, ó determinarse, en cada caso concreto, mediante
ensayos de laboratorio.
D es un factor que depende del grado de desconfinamiento producido en la roca
por la excavación y la relajación de tensiones. Varía entre 0 para rocas inafectadas
por la excavación y 1 para aquellas que han sido muy afectadas.
La resistencia a compresión uniaxial del macizo rocoso puede obtenerse mediante
la siguiente expresión:
acic sσσ
Una vez obtenidos m y s se pueden estimar los valores de la cohesión y fricción
del macizo rocoso, ya que existe una relación para un determinado nivel de
presión de confinamiento.
La curva de resistencia intrínseca envolvente de los estados tensionales últimos
definidos por el criterio de Hoek y Brown, puede sustituirse por una recta definida
por el ángulo de rozamiento y la cohesión, para cuya linealización se han
propuesto diferentes métodos.
En general, y basándonos en la experiencia, se ha comprobado que algunos de
estos métodos obtienen unos valores excesivamente elevados para los parámetros
de cohesión y fricción. Por ello en este caso se propone seguir el ajuste para un
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
48 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
intervalo dado de la presión de confinamiento σ3, mediante una recta de Morh-
Coulomb secante a la curva de rotura de Hoek-Brown, que cumple con las
siguientes expresiones:
m
mcm
mm
2
3
c
3
c
3
cm
φcos2
φsen1σsC
90λarctg2φ
sσ
σm
σ
σ
σ
sσ1λ
Donde el subíndice “m” se refiere al macizo rocoso, y σ3 se toma igual a la carga
litostática del terreno.
b) Parámetros deformacionales
El módulo de elasticidad del macizo rocoso ha sido estimado desde hace muchos
años, de forma empírica a partir de numerosas correlaciones y las dos más
recientes han sido propuestas por Bieniawski et al. (2005) y Hoek (2005).
La correlación de Bieniawski-Galera (1995) relaciona el módulo a nivel de
macizo con el índice RMR y el módulo de elasticidad a nivel de roca intacta de la
siguiente forma:
Em = Ei • e((RMR-100)/36)
La correlación de Hoek-Diederichs (1996) obtiene el módulo de elasticidad del
macizo a partir del parámetro D, el módulo a nivel de roca intacta y el parámetro
GSI (asimilable al índice RMR en este caso) de la siguiente forma:
11/)2575(12
102,0
GSIDime
D
EE
3.2.1.3. Propiedades mecánicas de las discontinuidades
Seguidamente se describen los criterios de rotura basados en la estimación
sistemática de diversos parámetros en campo, tales como la rugosidad (aplicando
el índice JRC), resistencia de las paredes (índice JCS) y ángulo de fricción básico
(Φb). A continuación se presenta cómo se han obtenido estos tres parámetros.
a) Rugosidad (índice JRC)
La rugosidad de las paredes de las juntas es una componente muy importante de
su resistencia al corte, cuantificada mediante el índice JRC que varía entre 0 y 20.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
49 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Las escalas de rugosidad utilizadas en la toma de datos están representadas en la
Tabla 10.
Tabla 10: Perfiles tipo para determinar el coeficiente de rugosidad JRC de las juntas (Barton y
Choubey, 1977).
El índice JRCo (JRC a pequeña escala, generalmente para longitudes de entre 10 y
20 cm) se obtiene por comparación con los perfiles de rugosidad estándar.
Para escalas reales puede estimarse el índice JRCn (índice JRC a escala de bloque)
utilizando gráficas que relaciona la longitud L de la junta y la amplitud a de la
rugosidad en la longitud anterior con el índice JRCn.
En el caso de que no pueda obtenerse en campo los parámetros necesarios en el
gráfico anterior, puede obtenerse el índice JRCn a partir del índice JRCo,
corrigiéndolo según la longitud de la junta de esta forma:
JRCo02,0
oon L/LnJRCJRC
Donde:
JRCn = Índice JRC a escala real.
JRCo = Índice JRC a escala de laboratorio (10 a 20 cm)
Ln = longitud real de la junta.
Lo = longitud considerada a escala de laboratorio (10 a 20 cm).
Las Figura 10 ilustran cómo se considera el mencionado efecto escala.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
50 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 10: Gráfica de corrección del efecto escala en juntas.
b) Resistencia de las paredes. Índice JCS
La resistencia a compresión de las paredes de las discontinuidades (JCS) es una
componente importante de la resistencia al corte de las juntas, especialmente en el
caso de juntas que no han sufrido desplazamientos y no presentan rellenos.
El índice JCSo puede obtenerse en el campo mediante el martillo de Schmidt o
esclerómetro, aplicándolo sobre la pared de la junta verticalmente hacia abajo
mediante el gráfico original de Schmidt que se muestra en la Figura 11 o bien
mediante la expresión:
Log10 JCSo = 0,00088 • γ • r + 1,01
Donde:
JCSo =Resistencia a compresión de las paredes de la junta a pequeña
escala (MN/m2).
γ = Densidad media de la roca (kN/m3).
r = Valor representativo tras 10 ensayos del rebote obtenido en el martillo.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
51 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 11: Gráfica de correlación entre la dureza de Schmidt y la compresión simple.
A escala de bloque, el valor de JCSo se reduce a JCSn según la siguiente
expresión:
JRCooon LLnJCSJCS 03,0/
Donde:
JCSn = Resistencia a compresión de la pared de la discontinuidad a escala
de bloque.
Ln = Longitud de la discontinuidad a escala de bloque.
Lo = Longitud de la discontinuidad a pequeña escala (0,1 a 0,2 m).
c) Ángulo básico de fricción
El ángulo de fricción básico (Φb) en este caso se obtiene a partir de datos
bibliográficos (Coulson 1972). En este caso se ha adoptado un Φb = 35º para la
unidad geotécnica.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
52 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
d) Criterio de Barton y Choubey
Se trata de un criterio empírico, deducido a partir del análisis del comportamiento
de las discontinuidades en ensayos de laboratorio, que permite estimar la
resistencia al corte en discontinuidades rugosas, expresándose de la siguiente
forma:
Donde:
τ y σ’n = son los esfuerzos tangencial y normal efectivo sobre el plano de
discontinuidad.
φr = es el ángulo de rozamiento residual.
JRCn = es el coeficiente de rugosidad de la discontinuidad corregido según
la escala.
JCSn = es la resistencia a compresión de las paredes de la discontinuidad
corregida según la escala.
En general, la pared de la junta está alterada y por lo tanto el ángulo de
rozamiento residual será inferior al ángulo de la roca sana Φb. Para su evaluación
se aplica la fórmula:
R
rbr 20º20
donde R es el valor del rebote del martillo de Schmidt sobre una superficie de
material sano y seco; r es el valor de rebote sobre la superficie de la pared de la
junta en estado natural, húmedo o seco; Φb es el ángulo de resistencia básico de la
roca, a partir de datos bibliográficos (Coulson 1972).
Con la relación de Barton y Choubey se obtienen ángulos de rozamiento muy
altos para tensiones de compresión muy bajas sobre la discontinuidad. Por ello no
debe usarse para tensiones σn tales que JCS / σn > 50, debiéndose tomar en estos
casos un ángulo de rozamiento constante independiente de la carga, con un valor
Φ tal que:
Φ = Φr + 1,7 JRC
Este es el ángulo de fricción o rozamiento básico de la discontinuidad Øb también
puede obtenerse por la expresión propuesta por Franklin.
r
n
n10nn φ
'σ
JCSlogJRCtag'στ
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
53 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
3.2.2. Método constructivo
Tomando en consideración las dimensiones de las secciones del túnel, este se
excavará a sección completa basándose su proceso constructivo en el Nuevo
Método Austriaco.
La excavación se realizará mediante el método de perforación y voladura. El
sistema de perforación y voladura para la excavación de túneles es una técnica
convencional que se utiliza con gran profusión debido a las numerosas ventajas
que presenta frente a los procedimientos mecanizados como son su versatilidad en
cuanto a tipos de roca y secciones de excavación, adaptabilidad a otros trabajos,
movilidad de los equipos y reducida inversión inicial.
En rocas competentes los túneles con sección de excavación inferior a 100 m2 se
pueden excavar a sección completa o en un solo paso. La excavación por fases se
utiliza para la apertura de grandes secciones donde la sección resulta demasiado
grande para ser cubierta por el equipo de perforación o cuando las características
geomecánicas de las rocas no permiten la excavación a sección completa
Considerando las características del macizo rocoso y las dimensiones de la
sección, con una altura máxima de excavación, unos 4,5 m, se ha previsto
excavar el túnel a sección completa.
El ciclo básico de excavación mediante perforación y voladura se compone de las
siguientes operaciones:
- Perforación
- Carga de explosivo
- Disparo de la carga
- Evacuación de humos y ventilación
- Saneo de los hastiales y bóveda
- Carga y transporte de escombro
- Ejecución del sostenimiento
- Replanteo de la nueva voladura
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
54 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
CAPITULO IV
GENERALIDADES
4.1. Clima y Vegetación
El proyecto se localiza en lo que tradicionalmente suele llamarse la zona de vida
de Holdrige del Bosque muy húmedo subtropical (frío). Esta zona se identifica
con una precipitación pluvial total anual de 2,045-2514 mm, con una temperatura
que oscila entre 16-23 ºC. No existe una estación seca sensu stricto.
La vegetación comprende árboles de pino de la especie (Pinusmaximinoi), en
forma natural con plantas epifitas en el sobresuelo y buena variedad de orquídeas.
4.2. Fisiografía
En cuanto a la fisiografía de Guatemala es variada y la comprende 11 provincias
que son: Cinturón Plegado del Lacandon, Depresión de Izabal, Depresión de
Motagua, Montañas Maya, Pendiente volcánica reciente, Planicie costera del
Pacífico, Plataforma sedimentaria de Yucatán, Tierras altas cristalinas, Tierra altas
Sedimentarias, Tierras altas Volcanicas y Tierras bajas interiores de El Petén.
El departamento de Alta Verapaz está dentro de la provincia fisiográfica Tierras
altas Sedimentarias, a nivel local distinguimos dos unidades fisiográficas, siendo
una de ellas la Sierra Plegada de Chamá, ubicada al norte y constituye el eje
central norte del país, desde en Huehuetenango hasta el norte de Izabal, pasando
por Quiché y Alta Verapaz. Luego se tiene, la zona Montañosa Cobán-Senahú, se
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
55 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
extiende desde Tactic hacia el norte de Purulhá, del departamento de Baja
Verapaz y Tucurú y Senahú en Alta Verapaz y contiene montañas de Tactic
Tucurú-Senahú, también incluye cerros y lomas cársticas de Cobán Cahabón.
4.2.1. Relieve
El relieve que abarca la zona de proyecto, comprende topografías planas (1200
msnm) hasta sectores montañosos (2600 msnm). Compuesto por cerros y lomas
de contornos redondeados, también se encuentra una gran cantidad de sumideros o
dolinas conocidas en la región como siguanes, accidentes típicos de una
topografía cárstica.
4.2.2. Hidrografía
Para el agua superficial de esta parte de la cuenca del río Cahabón es el río del
mismo nombre el nivel base del sistema de drenaje y el que se utiliza para el
proyecto, cuyo caudal de diseño es de 40 m3/s.
Para la caracterización hidrológica de las aguas superficiales para el proyecto, la
estación Chajcar lo define muy bien, y tiene un registro que va por lo menos de
1963 a 2011, usaremos los datos de este registro 1963-2011 (proporcionados por
el proyecto RENACE I) para efectos de caracterizar el recurso hídrico para el
mismo.
Del Proyecto “RENACE I han calculado la estacionalidad para la obra de toma
del proyecto RENACE II, representado por los caudales diarios mensuales, que se
muestran en la Figura 12. (Fuente: Proyecto RENACE I, 2002).
Figura 12: Caudales diarios mensuales estimados a la obra de toma del proyecto RENACE II. La línea
verde corresponde a los caudales del período húmedo de la serie, la línea café al período seco y la línea
azul corresponden al comportamiento medio de la serie de caudales estimados. Según la gráfica, para el
año húmedo el caudal de diseño se cubre el 50% del tiempo estimado, durante la año seco no se cubre
naturalmente y, se tienen que el caudal de diseño se cubre en un 25% con el comportamiento diario
mensual de estos valores. (Fuente: Proyecto RENACE II, 2012).
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
56 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
4.2.3. Hidrogeología
El sistema acuífero existente en el área de estudio está formado por las rocas
sedimentarias del Cretácico, compuestas por calizas y dolomías, con extensas
áreas de circulación kárstica, lo que hace que muestre complejos sistemas de
circulación subterránea asociados a grandes cavernas y fracturas.
Los niveles de agua subterránea normalmente son profundos y muy variados. En
las partes altas de la cuenca el agua subterránea se aprovecha por medio de pozos
excavados, pozos perforados y manantiales; en las partes bajas el
aprovechamiento es escaso, y algunas áreas se caracterizan por su alto contenido
en sulfatos y carbonatos, lo que las hace poco aptas para el consumo humano y
animal.
4.3. Geomorfología
La zona de estudio posee la típica topografía kárstica, formada por rocas
sedimentarias calcáreas. Este hecho, unido a las condiciones climáticas de la
región y a los procesos erosivos, ha permitido el desarrollo de formas específicas,
como torres kársticas, cuevas, cenotes, siguanes, mogotes, sistemas de cuevas y
ríos subterráneos, que tienen su origen en los sistemas de pliegues y fallas
existentes.
Aproximadamente el 80% del área presenta un karst de tipo cónico, mientras que
el restante es de tipo torres. En la fotografía 3 se observa un ejemplo de una torre
Kárstica en rocas de la Formación Chóchal, aldea Tzalamilá. Mientras que en la
fotografía 4 se observa un cerro cónico en la Formación Cobán, camino cerca de
la aldea Xicacao.
Fotografía 3: Torre Kárstica en rocas de la Formación Chóchal, aldeaTzalamilá.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
57 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Fotografía 4: Cerro cónico en rocas de la Formación Cobán, camino a la aldea Xicacao.
El desarrollo de los karsts tiene un fuerte control estratigráfico y estructural. De
este modo, la densidad de dolinas es mucho mayor en la Formación Cobán
Superior. Esto sugiere que el contenido en dolomita en la Formación Cobán
Inferior posiblemente disminuye su potencial kárstico.
Este relieve kárstico ocasiona una baja densidad de drenaje fluvial, con la pérdida
total de drenaje superficial.
Por otra parte, el endokarst en el interior del macizo rocoso es prácticamente
desconocido. Sin embargo, se supone la presencia de cavidades y cavernas
métricas a decamétricas, como ha podido observarse en los resultados del
reconocimiento geofísico realizado en la zona.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
58 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
CAPITULO V
GEOLOGÍA REGIONAL
La zona objeto de estudio se encuentra en la parte central de Guatemala, sobre el
Río Cahabón, municipio de San Pedro de Carchá, departamento Alta Verapaz.
Desde el punto de vista geológico, se sitúa en la denominada Cordillera Central de
Guatemala, que constituye una de las cuatro provincias geológicas principales en
que se divide Guatemala. Dicha cordillera se caracteriza por ser un área de
pliegues y cabalgamientos que afectan a rocas sedimentarias cretácicas de
naturaleza calcárea, denominadas Formación Cobán.
En el plano 2 se muestra a grandes rasgos el encuadre geológico regional donde
se encuentra ubicada nuestra área de estudio. (Fuente Instituto Geográfico
Nacional, 1970).
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
59 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Plano 2: Mapa Geológico de Alta Verapaz. (Fuente: Instituto Geográfico Nacional, 1970).
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
60 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
La Cordillera Central Guatemalteca forma parte del sistema de cordilleras que se
extienden desde México hasta las Islas de la Bahía en Honduras y consiste en un
cinturón de pliegues y cabalgamientos de rocas plutónicas, metamórficas y
sedimentarias. Las rocas y materiales dentro de la Provincia consisten, en la parte
meridional, en esquistos, gneises, mármoles, serpentinitas y granitos del
Paleozoico-Mesozoico. En su parte septentrional consisten en rocas mesozoicas
que incluyen calizas, dolomías, areniscas y limolitas con un plegamiento de menor
intensidad.
5.1. Litoestratigrafía
Regionalmente, la columna estratigráfica es conformada por rocas sedimentarias,
rocas intrusivas básicas y depósitos cuaternarios, con edades que varían del
Pérmico hasta el Cuaternario reciente. Las rocas sedimentarias que afloran en el
estudio regional comprenden en la base la Formación Tactic, seguida de la
Formación Chóchal, Todos Santos, Cobán, Campur y Sempur. También se
presentan rocas intrusivas de edad del Cretáceo inferior que afectan la Formación
Sempur. Sobreyaciendo se presenta rocas sedimentarias del Grupo Peten y
finalmente los depósitos Cuaternarios, consistente en depósitos de suelos,
pomáceos eólicos, en parte redepositadas y depósitos aluvionales.
La descripción de las unidades litoestratigráficas se detallan a continuación:
5.1.1. Formación Tactic (Pi-t)
Se encuentra distribuida sobre la parte sur del área de estudio, principalmente en
el municipio de San Cristóbal Verapaz y Tactic, formando una franja con
orientación este-oeste que llega hasta el valle del Río Polochic. La Formación
consiste de lutitas de color café y negro y lodolitas con capas locales de cuarcita y
dolomita. Localmente las lutitas son filíticas y en algunas zonas donde la erosión
ha cortado profundamente en la formación, afloran pizarras y metacuarcitas
(Millan, 1985).
De acuerdo con Walper (1960); Richards (1963) y Anderson et al., (1973) la
Formación Tactic es de edad Pérmica ya que los fósiles en las capas de caliza de
la parte superior de la formación indican esa edad.
5.1.2. Formación Chóchal (Pm-ch)
La Formación Chóchal se restringe al área sur, formando un cinturón orientado en
dirección este-oeste desde el área central sur del municipio San Cristóbal Verapaz,
Tactic y Senahú de Alta Verapaz, encontrándose bien dispersa a lo largo del sur
de las zonas de falla Río Chixoy-Polochic.
Litológicamente, la Formación Chóchal consiste de dolomitas y calizas masivas,
estratificadas, formadoras de escarpes, variando de color que van de gris-negro
amarillento-medio a gris oscuro. Ocurren en zonas altamente fosilíferas con un
alto contenido de fusulínidos, corales, braquiópodos, gasterópodos, crinoides,
esponjas y algas.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
61 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Existe un contacto litológico marcado con la formación Tactic haciéndose hacia el
oeste más gradual donde se intercala con la Formación Esperanza (Walper, 1960).
La determinación de la edad de la formación Chóchal fue realizada por Vachard y
otros (1977), en base a fusulínidos y algas del Leonardiano-Roadiano, pero con
varios notables diacronismos.
5.1.3. Formación Todos Santos (JK-ts)
Esta formación se encuentra alojada en pequeñas áreas en los municipios de
San Cristóbal Verapaz y Tactic. Consiste de areniscas conglomeráticas,
limolitas y lutitas terrosas de color rojo, con un cuerpo lenticular de estratos de
caliza marina presente localmente en la parte superior de la secuencia (Millan,
1985). Debido a la escasez de fósiles en la parte inferior de la formación Todos
Santos, existe algo de incertidumbre en cuanto a su edad exacta, que ha sido
variadamente asignada de Triásico tardío a Jurásico tardío (1962). De la misma
manera, aunque la edad de la porción marina superior de la Formación ha sido incierta, la fauna que contiene indica una edad transicional Jurásico tardío
Cretácico temprano (Millan, 1985).
5.1.4. Formación Cobán (Kim-co)
La formación se localiza en la parte central y norte del departamento de Alta
Verapaz, ocupando gran parte de su extensión. Sapper (1899), dio el nombre de
Cobán a una gruesa secuencia de carbonatos y evaporitas del Cretácico cerca de
Cobán, Alta Verapaz (Millan, 1985). Sin embargo esta secuencia he
posteriormente dividida por Fourcade et al., (1994) en dos miembros:
a) Miembro dolomítico inferior: Consistente de dolomitas oscuras, algunas veces
cristalinas, calizas dolomíticas con contenido de miliólidos, y ocasionalmente
algunas listas de calizas créticas, capas de brechas métricas de origen evaporítico;
y
b) Miembro de caliza superior: Compuesta por lodolita, calizas mudstone
,wackestone o packestone con algunas listas de dolomitas y brechas, con
elementos que pueden llegar a los 20 cm en tamaño. Litológicamente los
elementos de estas brechas son idénticos con la roca caja. La parte superior de este
miembro es de caliza de color claro y contiene fósiles distintivos, tales como
Rudistas y foraminíferos grandes Dicyclina schlumbergeri, Pseudorhapydionina
sp. y Valvulammina picardi.
La edad de la Formación Cobán es Aptiano-Santoniano (Fourcade y otros, 1994).
5.1.5. Formación Campur (Km-ca)
La Formación Campur fue definida por Vinson (1962), cerca de la aldea Campur
al norte de Alta Verapaz. Consiste de calizas color gris, café-grisáceo a marrón de
grano fino, con menor cantidad de dolomita y localmente está interestratificada
con láminas delgadas de lutita, limolita y brecha de caliza o conglomerado. La
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
62 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
formación Campur es muy fosilífera (rudistas y miliólidos) con fauna típica de
antearrecife; característica típica que la diferencia de la Formación Cobán.
Fourcade et a1.,(1999), determinaron que las calizas con rudistas de la Formación
Campur, aflorantes en la localidad tipo, son de edad Campaniana Temprano-
Tardío.
5.1.6. Formación Sepur (KsTi-se)
La formación Sepur fue nombrada por Sapper (1899), basándose en un lugar
llamado Sepur, cerca del municipio de Lanquín y la aldea Campur. Ocurre en una
banda orientada generalmente este-oeste, a través de Guatemala, encontrándose en
los departamentos de Alta Verapaz, Baja Verapaz, Izaba1 y El Petén.
Está compuesta de arcillas de color café, lutitas, areniscas y margas,
interestratificadas con lentes de caliza. Cerca del municipio de Lanquín (Alta
Verapaz) se compone de conglomerados y areniscas gruesas, con fragmentos de
cuarcitas (Millán, 1985). Fourcade et a1.,(1994), le da una edad de Maastrichtiano
a la base de la Formación Sepur.
5.1.7. Formación Caribe (Ts-c)
Su ocurrencia varía entre el Mioceno y Plioceno. Su distribución está restringida a
áreas pequeñas, principalmente a sinclinales. Consiste principalmente de lutitas,
limolitas, areniscas, conglomerados ricos en cuarzo, calizas de agua fresca y capas
fosilíferas ricas en ostrácodos.
5.1.8. Rocas igneas básicas (Ki)
Este tipo de rocas ocurren a lo largo de las fallas activas Polochic y Motagua y
consisten de grandes cuerpos de rocas ofioliticas, serpentinas Cretácicas, basaltos
toleíticos y escasos cherts radiolarios. Cuerpos alóctonos importantes de estas
rocas componen la Sierra de Santa Cruz, al norte del Río Polochic y una parte de
la Sierra de las Minas, tendencia este-oeste, entre Purulhá y Tactic.
Dentro de la Zona de Sutura del Motagua, Becalluva et. al. 1994 identificaron
como unidades ofiolíticas: a)Unidad de la Sierra de Santa Cruz, b) Unidad Baja
Verapaz, c) Unidad del Norte de la Falla del Motagua, d) Unidad Juan de Paz y e)
Unidad al Sur de la Falla del Motagua.
5.1.8.1. Unidad de la Sierra de Santa Cruz (Ki-s)
Geológicamente la Unidad de la Sierra de Santa Cruz (SSC), se localiza al norte
de la Falla Polochic, está claramente cabalgando las secuencias carbonáticas-
terrígenas del Bloque Maya, mayormente sobre la Formación Sepur. La unidad de
la SSC está compuesta de harzburgitas mantíferas serpentinizadas, gabros
estratificados y basaltos. Estas rocas deben ser del Cretácico inferior en edad,
generalmente toda la secuencia está deformada y raramente es bien reconocible;
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
63 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
se subdivide en porciones tectónicas cortadas por fallas de alto ángulo (Becalluva,
et. al, 1994).
5.1.9 Depósitos cuaternarios (Q-al)
Las principales formaciones de edad Reciente que se encuentran dentro del
departamento son: depósitos de suelos, pomáceos eólicos, en parte redepositadas y
depósitos aluviales; estos dos últimos predominan en la parte suroriental del
departamento de Alta Verapaz. Los depósitos aluviales más importantes de la
parte norte del departamento se encuentran en los poljes y en áreas al norte de la
laguna Lachuá y en el vértice del Chixoy.
La columna estratigráfica regional se ilustra en la Figura 13. (Fuente: Elaboración
Propia).
Figura 13: Columna estratigráfica regional. (Fuente: Elaboración propia).
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
64 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
CAPITULO VI
GEOLOGÍA LOCAL
Se realizaran obras en superficie y subterráneas, y es muy importante e
imprescindible realizar una geología local de detalle. Con la información
recopilada, interpretación de las imágenes satelitales de Google Earth y el trabajo
de campo, se ha realizado una cartografía geológico-geotécnica a escala 1/2.000,
en el que se recogen todos los datos tomados en campo, como son el tipo de
litología, las estaciones geomecánicas, fallas y fracturas, estados de meteorización
del macizo rocoso, puntos de afloramiento, y depósitos de suelos (coluvio-
eluviales, aluviales, etc.).
A continuación se realizara la descripción de las unidades geológicas.
6.1. Litoestratigrafía
6.1.1. Formación Cobán (Kim-co)
El área geológica de influencia de nuestro proyecto corresponde al miembro
superior de la Formación Cobán, que comprende calizas y brechas calcáreas.
En estas rocas se diferencian dos facies, las rocas carbonatadas, principalmente
calizas y en menor proporción dolomías en niveles masivos y estratificados (Ver
Fotografía 5). La otra facies es una brecha calcárea de disolución, con estructura
masiva.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
65 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Calizas
Esta unidad se compone de calizas tipo mudstone, wakestone y packestone.
Generalmente de color gris a la intemperie y beige a café en fractura fresca. En
algunas localidades se pueden encontrar calizas cristalinas y dolomías. Niveles
estratigráficos fosilíferos de rudistas y miliolidos se pudieron distinguir en algunas
localidades. Se pudieron reconocer especímenes, que se presume, corresponden
con las especies Nummuloculina Heimi y Pseudorhapydionina Chiapanensis.
(Ver Figura 14).Ambas especies son indicadoras de un medio sedimentario de
plataforma marina interna, de dominio infratidal. Estas especies son usadas para
datación relativa; su rango estratigráfico indica que las rocas se formaron en el
periodo Albiano-Cenomaniano (112-98 m.a.)
Este contenido fosilífero se puede usar como criterio para correlacionar estas
calizas con el miembro superior de la Formación Cobán.
Fotografía 5: A) Lineamientos en el cerro marcan la estratificación de las calizas, en este caso buzando
al sur. B) Afloramiento de calizas mostrando una pequeña secuencia de estratos cuyo espesor varía de
30 a 50 cm.
Figura 14: Calizas con Pseudorhapydionina chiapanensis y Nummoloculina heimi, Formación Cobán
Superior (cuadrángulo Cobán). Tomado de S. Morán, 2005.
Brechas calcáreas
Las brechas calcáreas forman cuerpos, aparentemente masivos, entre las calizas.
Están compuestas por fragmentos angulares y subangulares, mal clasificados, de
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
66 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
tamaños centimétricos a decimetricos, pudiendo alcanzar 30 centímetros de
diámetro (Ver Fotografía 6). La matriz presenta recristalización de calcita y
granos carbonaticos tamaño limo y arena. Entre los clastos dominan los
fragmentos de mudstone, pero se pueden encontrar fragmentos de packestone
conteniendo bioclastos de origen desconocido y fragmentos de rudistas.
La composición y morfología de los clastos sugieren un proceso de disolución y
brechificación por colapso de rocas carbonatadas. Estos depósitos se forman
típicamente en ambientes sub-mareales a intermareales, con alternancias de
episodios de sedimentación en condiciones supramareales y evaporación.
Fotografía 6: A) Bloque de brecha que muestra fragmentos de mudstone, con vetillas de calcita. B)
Afloramiento de brecha calcárea mostrando fragmentos mayores a 15 cm, angulosos a subangulosos.
Se espera que a lo largo del túnel 2, se corte principalmente Calizas estratificadas,
y Brechas calcáreas aproximadamente en el tramo 3+300 al 4+000.
Se han realizado perfiles geológico-geotécnicos de los adit 2 y 3 a escala 1/1000
(Apéndice I), y con los resultados de la tomografía eléctrica en el trazado de los
túneles principales y estudio del plano la geología local, se interpreta:
Adit 2: Se excavara íntegramente en la calizas del miembro superior,
distinguiendo dos zonas de dolinas entre los PK´s 0+145 A 0+175 y en la zona de
entronque 0+355 A 0+377, esta última es controlada estructuralmente por una
falla.
Adit 3: Así también este Adit se excavara en calizas del miembro superior de la
Fm. Cobán, identificando una zona de dolina en el emportalamiento del Adit.
6.1.2. Depósitos cuaternarios (Q)
6.1.2.1. Depósitos coluvio-eluviales (Q-cl-el)
Dentro de esta unidad se han incluido los suelos coluvio-eluviales existentes en la
zona de estudio. Estos materiales, procederían de la alteración del sustrato rocoso
subyacente, y recubrirían las laderas de las dolinas y mogotes. Por otra parte, este
depósito, constituye una unidad con un grado de compacidad variable,
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
67 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
generalmente creciente con la profundidad. Son suelos de naturaleza
fundamentalmente arcillosa, de tonalidades marrones y rojizas, en cuyo seno se
engloban fragmentos rocosos del tamaño grava a bloques, de naturaleza calcárea.
En las siguientes fotografías se puede observar el aspecto de este recubrimiento de
naturaleza coluvio-eluvial (Ver Fotografía 7).
Fotografía 7: Suelos coluvio-eluviales detectados durante la excavación de los taludes de
emportalamiento del Adit 3.
6.1.2.2. Depósitos aluviales (Q-al)
Materiales de naturaleza aluvial, asociados al Río Cahabón (restringidos, en este
caso, estrictamente al propio cauce del río), constituidos por gravas y bloques
heterométricos, englobados en una escasa matriz de naturaleza arenosa. Las rocas
son de calizas y lutitas (Ver Fotografía 8).
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
68 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Fotografía 8: Depósitos aluviales, conformado por rocas de calizas y lutitas redondeado a bien
redondeado, con una matriz arenosa color gris. Fotografía toma desde aguas arriba, cerca al Azut.
El siguiente plano (Plano 3) es la cartografía geológica geotécnica, realizada
durante la campaña de reconocimiento para la elaboración del proyecto del
TUNEL 2.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
69 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Plano 3: Planta Geológica-Geotécnica. (Fuente: Subterra Ingeniería).
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
70 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
En la Figura 15 se muestra la columna estratigráfica local. (Fuente: Elaboración
propia).
Figura 15: Columna estratigráfica local del área de estudio. (Fuente: Elaboración propia).
6.2. Geología estructural
La Figura 16 muestra las principales estructuras geológicas que se han
identificado en el cuadrángulo Cobán. Basado en geología regional e intuición se
puede elaborar el siguiente modelo hipotético. El área parece haber sido afectada
por lo menos por dos eventos tectónicos. El primer evento está caracterizado por
fallas de desplazamiento de rumbo sinistral con la zona de falla de Cobán y la
zona de falla de Chilax siendo las principales. Los principales centros urbanos se
localizan en valles aluviales que parecen representar cuencas “pull-apart”. Estos
valles se han interpretado como poljes y se ubican en las zonas de menor esfuerzo,
donde las fallas presentan deflexiones a rumbo. Los anticlinales y sinclinales
identificados por Walper (1960) parecen representar zonas transpresionales cuyos
ejes se localizan a 30º con respecto a las principales zonas de falla. Como
resultado de este evento transpresional también se formaron fallas dextrales que se
ubican a 60º con respecto a la falla sinistral. El evento más reciente está
caracterizado por fallas extensionales de rumbo norte-sur y fracturas N30-40W.
Se midió la orientación de 588 fracturas con objeto de determinar cuáles son las
orientaciones dominantes (Figura 17). La Figura 15.A permite establecer la
presencia de cuatro sistemas de fracturas bien desarrollados: a) fracturas E-W, b)
fracturas N50-60E relacionadas a fallamiento de rumbo, c) fracturas extensionales
N-S, y d) fracturas N30-40W. Se midieron lineamientos de dolinas y segmentos
rectos de ríos los cuales se muestran en la roseta de lineamientos (Figura 15.B).
La comparación de ambas rosetas permite inferir que ha existido un desarrollo
dominante de dolinas a lo largo de los cuatro sistemas de fracturamiento.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
71 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 16: Diagrama que muestra las principales estructuras geológicas del cuadrángulo de Cobán.
(Fuente: Cuadrángulo de Cobán-San Pedro Carcha).
Figura 17: Roseta de frecuencia para fracturas (A) y dolinas y ríos (B). (Fuente: Cuadrángulo de
Cobán-San Pedro Carcha).
6.2.1. Estructura
Las principales unidades estructurales que se presentan en el área del proyecto son
las siguientes:
6.2.1.1. Fallas y/o fracturas
Durante la realización del recorrido geológico - geotécnico y la revisión de las
imágenes satelitales de Google Earth se reconocieron en el área de estudio una
importante red de fallas y fracturas cuya ubicación ha quedado plasmada en la
planta geológica-geotécnica a escala 1/2.000.
Esta red puede agruparse en tres sistemas principales de fracturas (acordes con la
estructura regional) con las siguientes orientaciones:
- Un primer sistema, ampliamente representado, de orientación NNW-SSE a
NW-SE.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
72 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
- Un segundo sistema con orientación NE-SW.
- Y un tercer sistema, con menor representación y dirección media E-W,
cuya orientación varía a lo largo del área estudiada.
6.2.1.2. Familias de juntas
Con objeto de estudiar a escala de afloramiento las juntas o diaclasas existentes en
el macizo rocoso se han realizado once estaciones geomecánicas a lo largo del
trazado, que contienen un mínimo de veinte medidas de discontinuidades cada una
de ellas.
Para cada discontinuidad se han obtenido los principales parámetros que
caracterizan la fracturación, concretamente:
- Rumbo y buzamiento.
- Espaciado entre planos.
- Continuidad o persistencia de los planos de la discontinuidad.
- Rugosidad de la cara de la junta medida con el índice JRC (Joint
Roughness Coefficient).
- Apertura de la junta.
- Espesor y tipo de relleno.
- Presencia de agua.
- Resistencia a compresión en las caras de la junta mediante el índice JCS.
Para la agrupación de cada discontinuidad en familias se ha utilizado el programa
DIPS, de Rockscience (Canadá).
Las medidas tomadas en campo se han representado mediante proyección
estereográfica en falsilla equiangular y utilizando el hemisferio inferior, para
obtener su distribución, a partir de la cual se obtienen, mediante análisis
estadístico, isolíneas de densidad de polos. Posteriormente se obtiene, a partir de
dichas concentraciones de polos, los polos medios que corresponden a las
direcciones medias de fracturación.
En la Figura 18 se muestran los contornos de polos para todas las estaciones, y en
la Figura 19 los planos medios correspondientes a las seis familias principales
que se deducen del análisis.
Como se observa en las figuras anteriores, en la zona de estudio pueden
diferenciarse seis familias de juntas principales que se han denominado S0, J1, J2,
J3, J4 y J5.
Una vez determinada la representatividad del patrón de fracturación deducido de
las orientaciones, se ha procedido a cuantificar los parámetros característicos de
cada familia de juntas. De esta forma, las Figuras 20, 21, 22 y 23 muestran el
rango de variación de cada familia de juntas frente al espaciado, la continuidad, la
rugosidad y la apertura de las juntas.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
73 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 18: Contornos de polos medidos en todas las estaciones geomecánicas.
Figura 19: Planos medios de las seis familias principales de discontinuidades.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
74 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 20: Rango de variación del espaciado para cada familia de discontinuidades.
Figura 21: Rango de variación de la continuidad de las juntas para cada familia de discontinuidades.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
>2,0 0,6-2,0 0,06-0,6 <0,06
VALOR MEDIO DE ESPACIADO (m)
S0
J1
J2
J3
J4
J5
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
>10,0 3,0-10,0 1,0-3,0 <1
VALOR MEDIO DE CONTINUIDAD (m)
S0
J1
J2
J3
J4
J5
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
75 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 22: Rango de variación de la rugosidad (índice JRC) para cada familia de discontinuidades.
Figura 23: Rango de variación de la apertura de juntas para cada familia de discontinuidades.
A continuación se expone, de forma resumida, las características de cada una de
las familias de juntas consideradas.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
>14,0 10,0-14,0 6,0-10,0 <6,0
VALOR MEDIO DE RUGOSIDAD JRC (10)
S0
J1
J2
J3
J4
J5
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
>5,0 1,0-5,0 <1
VALOR MEDIO DE APERTURA (m)
S0
J1
J2
J3
J4
J5
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
76 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Familia S0
Se trata de la familia de juntas que constituye la estratificación, muy bien
representada en la zona de estudio, concretamente, se presenta en nueve de las
once estaciones geomecánicas realizadas.
Su dirección de buzamiento medio es de 054º y su buzamiento medio de 37º, las
dispersiones en la dirección de buzamiento son de 36º y de 30º en el buzamiento.
Presenta espaciados predominantes entre 0,06 y 0,6 m (91,7 % de las juntas de la
familia), lo que indica que se trata de juntas medianamente separadas a próximas,
mientras que el 8,3% restante poseen un espaciado de 0,6 a 2,0 metros,
consideradas como juntas separadas.
Su continuidad lateral varía de un rango entre 1 – 3 m, en el 75 % de los casos, a
estar comprendida en un rango entre 3 – 10 m, en el 25% de la familia de juntas,
tratándose de juntas de continuidad baja a media.
Presenta un coeficiente de rugosidad ligeramente rugoso, con un porcentaje del
81% de las juntas con un índice JRC comprendido entre 6 y 10, mientras que en el
19% restante las juntas son rugosas, con un índice JRC comprendido entre 10 y
14.
La apertura de las juntas se considera abierta a moderadamente ancha, con un
73% de las juntas con apertura mayor a 5 mm y el 27% una apertura entre 1 – 5
mm.
Las juntas pertenecientes a la familia S0 se encuentran ligeramente húmedas.
Familia J1
La familia J1 está registrada en cinco de las once estaciones geomecánicas,
concretamente en las estaciones EG-3, EG-5, EG-8, EG-9 y EG-11.
Su dirección de buzamiento medio es de 146º y su buzamiento medio de 35º, las
dispersiones en la dirección de buzamiento son de 25º y de 10º en el buzamiento.
Presenta espaciados entre 0,06 y 0,6 m, lo que indica que se trata de juntas
medianamente separadas a próximas.
Su continuidad lateral varía de un rango entre 1 – 3 m, en el 80 % de los casos, a
estar comprendida en un rango entre 3 – 10 m, en el 20% de la familia de juntas,
tratándose de juntas de continuidad baja a media.
Presenta un coeficiente de rugosidad ligeramente rugoso, con un porcentaje del
79% de las juntas con un índice JRC comprendido entre 6 y 10, mientras que en el
21% restante las juntas son rugosas, con un índice JRC comprendido entre 10 y
14.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
77 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
La apertura de las juntas se considera abierta a moderadamente ancha, con un
80% de las juntas con apertura mayor a 5 mm y el 20% una apertura entre 1 – 5
mm.
Las juntas pertenecientes a la familia J1 se encuentran ligeramente húmedas.
Familia J2
La familia J2 se detecta en seis de las once estaciones geomecánicas realizadas.
Su dirección de buzamiento media es de 078º, y su buzamiento medio de 68º, las
dispersiones en la dirección de buzamiento son de 24º y de 8º en el buzamiento.
Presenta espaciados entre 0,06 y 0,6 m, lo que indica que se trata de juntas
medianamente separadas a próximas.
Su continuidad lateral varía de un rango entre 1 – 3 m, en el 83 % de los casos, a
estar comprendida en un rango entre 3 – 10 m, en el 17% de la familia de juntas,
tratándose de juntas de continuidad baja a media.
Presenta un coeficiente de rugosidad ligeramente rugoso, con un porcentaje del
73% de las juntas con un índice JRC comprendido entre 6 y 10, mientras que en el
27% restante las juntas son rugosas, con un índice JRC comprendido entre 10 y
14.
La apertura de las juntas se considera moderadamente ancha, con una apertura
mayor a 5 mm.
Las juntas pertenecientes a la familia J2 se encuentran ligeramente húmedas.
Familia J3
La familia J3 se presenta en siete de las once estaciones geomecánicas realizadas.
Su dirección de buzamiento media es de 164º, y su buzamiento medio de 75º, las
dispersiones de la dirección de buzamiento son de 115º y de 13º en el buzamiento.
Presenta espaciados entre 0,06 y 0,6 m, lo que indica que se trata de juntas
medianamente separadas a próximas.
Su continuidad lateral varía de un rango entre 1 – 3 m, en el 86 % de los casos, a
menor a 1 metro en el 14% restante, tratándose de juntas de continuidad baja a
muy baja.
Presenta un coeficiente de rugosidad ligeramente rugoso, con un porcentaje del
78% de las juntas con un índice JRC comprendido entre 6 y 10, mientras que en el
22% restante las juntas son rugosas, con un índice JRC comprendido entre 10 y
14.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
78 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
La apertura de las juntas se considera abierta a moderadamente ancha, con un
86% de las juntas con apertura mayor a 5 mm y el 14% una apertura entre 1 – 5
mm.
Las juntas pertenecientes a la familia J3 se encuentran ligeramente húmedas.
Familia J4
La familia J4 está registrada en tres de las once estaciones geomecánicas.
Su dirección media de buzamiento es de 224º y su buzamiento medio de 64º, las
dispersiones en la dirección de buzamiento son de 23º y de 27º en el buzamiento.
El espaciado de esta familia de juntas está comprendido entre 0,06 y 0,6 m,
tratándose por lo tanto de juntas medianamente separadas a próximas.
Su continuidad lateral varía de un rango entre 1 – 3 m, en el 67 % de los casos, a
menor a 1 metro en el 33% restante, tratándose de juntas de continuidad baja a
muy baja.
Presenta un coeficiente de rugosidad ligeramente rugoso, con un porcentaje del
84% de las juntas con un índice JRC comprendido entre 6 y 10, mientras que en el
16% restante las juntas son rugosas, con un índice JRC comprendido entre 10 y
14.
La apertura de las juntas se considera abierta a moderadamente ancha, con un
67% de las juntas con apertura mayor a 5 mm y el 33% una apertura entre 1 – 5
mm.
Las juntas pertenecientes a la familia J4 se encuentran ligeramente húmedas.
Familia J5
La familia J5 está registrada en cuatro de las once estaciones geomecánicas.
Su dirección media de buzamiento es de 323º y su buzamiento medio de 48º, las
dispersiones en la dirección de buzamiento son de 29º y de 18º en el buzamiento.
Presenta espaciados predominantes entre 0,06 y 0,6 m (75% de las juntas de la
familia), lo que indica que se trata de juntas medianamente separadas a próximas,
mientras que el 25% restante poseen un espaciado de 0,6 a 2,0 metros,
consideradas como juntas separadas.
Su continuidad lateral se encuentra dentro del rango entre 1 – 3 m, tratándose de
juntas de continuidad baja.
Presenta un coeficiente de rugosidad ligeramente rugoso, con un porcentaje del
93% de las juntas con un índice JRC comprendido entre 6 y 10, mientras que en el
7% restante las juntas son rugosas, con un índice JRC comprendido entre 10 y 14.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
79 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
La apertura de las juntas se considera abierta a moderadamente ancha, con un
75% de las juntas con apertura mayor a 5 mm y el 25% restante una apertura entre
1 – 5 mm.
Las juntas pertenecientes a la familia J5 se encuentran ligeramente húmedas.
En la Tabla 11 se muestra el resumen de las principales características de las
diferentes familias de juntas presentes en las calizas de la Formación Cobán.
FAMILIA
ORIENTACIÓN DE LAS JUNTAS CARACTERÍSTICAS DE LAS JUNTAS
Dirección
buzamiento (º)
Dispersión
dirección de
buzamiento (º)
Buzamiento (º)
Dispersión
buzamiento (º)
Espaciado (m)
Continuidad (m)
Rugosidad (JRC)
Apertura (mm)
Rango
% Rang
o % Rango % Rango %
S0 054 36 37 30
>2 0.0 >10 0.0 >14 0.0 >5 0.0
2-0,6 8.3 10-3 25.0 14-10 19.4 5-1 72.7
0,6-
0,06
91.7 3-1 75.0 10-6 80.6 <1 27.3
<0,06 0.0 <1 0.0 <6 0.0 - 0.0
J1 146 25 35 10
>2 0.0 >10 0.0 >14 0.0 >5 0.0
2-0,6 0.0 10-3 20.0 14-10 21.4 5-1 80.0
0,6-
0,06 100.0
3-1 80.0
10-6 78.6
<1 20.0
<0,06 0.0 <1 0.0 <6 0.0 - 0.0
J2 078 24 68 8
>2 0.0 >10 0.0 >14 0.0 >5 0.0
2-0,6 0.0 10-3 16.7 14-10 26.7 5-1 100.
0 0,6-
0,06
100.0 3-1 83.3 10-6 73.3 <1 0.0
<0,06 0.0 <1 0.0 <6 0.0 - 0.0
J3 164 115 75 13
>2 0.0 >10 0.0 >14 0.0 >5 0.0
2-0,6 0.0 10-3 0.0 14-10 22.2 5-1 85.7
0,6-
0,06
100.0 3-1
85.7 10-6
77.8 <1
14.3
<0,06 0.0 <1 14.3 <6 0.0 - 0.0
J4 224 23 64 27
>2 0.0 >10 0.0 >14 0.0 >5 0.0
2-0,6 0.0 10-3 0.0 14-10 15.8 5-1 33.3
0,6-
0,06 100.0
3-1 66.7
10-6 84.2
<1 66.7
<0,06 0.0 <1 33.3 <6 0.0 - 0.0
J5 323 29 48 18
>2 0.0 >10 0.0 >14 0.0 >5 0.0
2-0,6 25.0 10-3 0.0 14-10 6.7 5-1 75.0
0,6-
0,06
75.0 3-1 100.0 10-6 93.3 <1 25.0
<0,06 0.0 <1 0.0 <6 0.0 - 0.0
Tabla 11: Orientación y características de las familias de discontinuidades.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
80 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
6.3. Sismicidad
De acuerdo con las Normas Estructurales de Diseño recomendadas para la
República de Guatemala, AGIES NR-2: 2000 Demandas Estructurales,
Condiciones del Sitio y Niveles de Protección, en su capítulo 3 de Aspectos
Sísmicos, el proyecto hidroeléctrico de Renace II se ubica en la zona 3, muy
próximo al límite con la zona 4.1 según el mapa de macrozonificación sísmica de
Guatemala (Figura 24). Por ello se ha considerado adecuado adoptar una
aceleración sísmica básica máxima de 0,35g a nivel de basamento rocoso,
correspondiente a un periodo de retorno de 475 años, de acuerdo a los rangos de
aceleraciones máximas efectivas para el sismo básico recomendados para las
zonas 3 y 4.1, como puede observarse en la Figura 25.
Figura 24: Situación del área de estudio dentro del mapa de zonación macrosísmica de Guatemala.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
81 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 25: Aceleraciones máximas efectivas para el sismo básico y para el sismo frecuente.
6.4. Geología económica
Los principales recursos minerales que se han utilizado en la cuenca son las
calizas y el yeso. Las calizas fueron usadas extensamente por los mayas tanto en
construcción de edificios como en estelas. En la actualidad su principal uso es
como áridos para caminos y carreteras y como fuente de cal para la construcción.
El yeso se ha trabajado a escala local únicamente debido a que el costo del
transporte sería muy alto, además de existir depósitos más accesibles y cercanos a
carreteras en los departamentos de Alta Verapaz y Chiquimula.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
82 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
CAPÍTULO VII
DESARROLLO DEL TEMA DE TESIS
El túnel 2 tendrá una longitud total de 4.030 m, desde la progresiva 0+000 al
4+030. Y con el objetivo de acelerar al máximo las labores de construcción del
túnel 2 inicialmente se contempló la construcción de tres accesos intermedios o
adit, cuyas características se presentan en la Tabla 12. Finalmente la construcción
del Adit 1 ha sido desestimada por lo que en el presente documento y planos
asociados al mismo no habrá referencia alguna a dicho Adit no obstante, y con el
objeto de evitar confusiones se ha mantenido la nomenclatura inicial siendo los
accesos intermedios a ejecutar el Adit 2 y el 3
En lo referente al trazado en alzado de los Adits, se ha se diseñado en base a los
siguientes criterios.
- Limitación de la pendiente máxima del túnel a 12° con el objetivo de
facilitar las labores de construcción del mismo.
- Dotación de cobertera suficiente para no suponer un condicionante sobre
la estabilidad de la excavación.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
83 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Ataques intermedios Intersección con
el túnel
Longitud
(m) Pendiente
Adit 2 2+000 377 -12.43
Adit 3 3+400 277 -13.47
Tabla 12: Características de los Adits del Túnel 2.
El trazado horizontal ha sido diseñado en base a los siguientes criterios:
- Disminución máxima de la intersección o afección con las dolinas
presentes en el área de implantación.
- Minimización de la afección sobre el túnel de las fallas presentes en el área
de implantación.
- Minimización de la longitud del trazado
PK inicio Pk fin Longitud
(m) ALIENACION RADIO
0+000.00 0+026.26 26.26 RECTA -
0+026.26 0+077.15 50.89 CURVA +50
0+077.15 0+268.28 191.13 RECTA -
0+268.28 0+315.43 47.15 CURVA +50
0+315.43 0+377.00 61.57 RECTA -
Tabla 13: Puntos singulares trazado en planta Adit 2.
PK inicio Pk fin Longitud
(m) ALIENACION RADIO
0+000.00 0+189.86 189.86 RECTA -
0+189.86 0+234.18 44.32 CURVA -30
0+234.18 0+277.00 42.82 RECTA -
Tabla 14: Puntos singulares trazado en planta Adit 3.
En las Figuras 26 y 27 se pueden observar en planta y perfil la propuesta diseñada
para la construcción de las obras subterráneas de la Central Hidroeléctrica.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
84 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 26: Trazado en planta.
Figura 27: Perfil longitudinal.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
85 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
7.1. Sección geométrica
Para el proceso de diseño las secciones de excavación se han considerado los
siguientes criterios:
Minimización del volumen de excavación.
Adopción de formas redondeadas en el área de clave que faciliten la
formación del arco de descarga.
Permitir la circulación de maquinaria lo que condiciona unas dimensiones
mínimas para la anchura de excavación y gálibo libres.
Facilitación de los procesos constructivos, adoptando soleras planas y
hastiales rectos.
La excavación tendrá una sección en forma de baúl de 6.50 m de ancho por 6.50
m de alto interior.
En la Figura 28 se muestra la definición geométrica del adit.
Figura 28: Definición geométrica de los Adit 2 y 3. (Fuente: Subterra Ingeniería).
En los siguientes apartados se presentan los cálculos realizados para la definición
de los sostenimientos de los Adits del Túnel 2 – Proyecto Hidroeléctrico
RENACE II.
7.2. Metodología del dimensionamiento
Para poder diseñar el sostenimiento de un túnel la primera operación a realizar es
dividirlo en tramos homogéneos desde el punto de vista de su comportamiento
tensodeformacional y asignar a cada uno de esos tramos unas secciones tipo de
sostenimiento. Una vez realizado este paso, generalmente se sigue una
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
86 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
metodología progresiva, que aplica sucesivamente diferentes criterios y
procedimientos, en el siguiente orden
- Clasificaciones geomecánicas: métodos empíricos basados en la
experiencia en otros túneles, que dan un prediseño muy ajustado del
sostenimiento a instalar.
- Métodos analíticos: el método analítico de las curvas características,
también denominado convergencia-confinamiento, Panet (1985), permite
superar algunas de las deficiencias que presenta la aproximación mediante
las clasificaciones geomecánicas.
- Cálculo de bloques: basados en la teoría de bloques, que determina dónde
pueden existir bloques peligrosos en un macizo rocoso interceptado por
diferentes discontinuidades. Los bloques se forman por la intersección de
juntas y fracturas en el macizo rocoso. Estos cálculos son complementarios
a los métodos numéricos.
- Métodos numéricos: una vez predefinidos los sostenimientos con los
criterios basados en las clasificaciones geomecánicas, se aplican métodos
basados en el análisis de simulaciones numéricas utilizando códigos de
elementos de contorno.
El dimensionamiento de las secciones de sostenimiento para las secciones
tramificadas según RMR se realiza considerando las recomendaciones de Barton
así como la experiencia acumulada en obras y proyectos similares. Posteriormente
se realiza la validación de estas secciones a través del resto de procedimientos de
cálculo desarrollados.
La asignación de sostenimientos para secciones singulares de los túneles como
podrían ser los emboquilles, las zonas de entronque y las zonas karstificadas se
realiza en base a la experiencia acumulada en obras y proyectos similares siempre
tomando en consideración las características particulares de la singularidad así
como las propiedades geomecánicas del macizo rocoso en la zona en cuestión
Son muchos los esquemas de clasificación geomecánica de macizos rocosos que
se han desarrollado desde que Ritter, en 1879, intentara formalizar un método para
el diseño de túneles. La mayoría de los métodos de clasificación
multiparamétricos (Wickham, Bieniawski, Barton, etc.) se han desarrollado para
su uso en obra civil, introduciendo todo tipo de componentes de la caracterización
geotécnica del macizo rocoso.
De todas las clasificaciones existentes en la bibliografía, las dos más extendidas y
desarrolladas son el Sistema Rock Mass Rating RMR de Bieniawski y el Sistema
Q de Barton. De ellos, el sistema de Barton es el más utilizado habitualmente,
pues presenta una definición muy precisa de sostenimientos, adaptados a cualquier
terreno, tamaño de la excavación e importancia relativa de la obra proyectada.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
87 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Los métodos analíticos se basan en el empleo de la formulación clásica de la
teoría de la elasticidad aplicada al terreno, analizando un problema bidimensional
en deformación plana, considerando un túnel circular y un terreno indefinido,
homogéneo e isótropo. Con carácter general se suelen estudiar tres casos: medio
elástico y tensiones iniciales isótropas, medio elástico y tensiones iniciales
anisótropas y medio elastoplástico con tensiones iniciales isótropas
Para el presente caso dado el escaso recubrimiento existente en los trazados de los
túneles no se ha considerado apropiado el empleo de los métodos análiticos pues
el método convergencia-confinamiento aporta resultados suficientemente
aproximados a partir de recubrimientos en el entorno de los 150 m.
Por lo que respecta a los cálculos de bloques de roca, estos son cálculos
meramente cinemáticos de la estabilidad de bloques de roca, considerando su peso
y la resistencia al corte de las juntas o discontinuidades que singularizan dichos
bloques. En este proyecto se ha empleado el programa de Rocscience,
UNWEDGE.
Por último los métodos numéricos permiten la ejecución de cálculos tenso
deformacionales, muy afinados tal como se presenta más adelante. En este
proyecto se ha empleado el programa FLAC 2D.
7.2.1. Prediseño de sostenimiento a partir de la clasificación geomecánica
Basándose en un gran número de casos históricos de excavaciones subterráneas,
Barton, del Instituto Noruego de Geotecnia, propuso el Índice de Calidad de
Construcción de Túneles (Q) para la determinación de las características de los
macizos rocosos y los requerimientos de sostenimiento.
El valor de Q varía en una escala logarítmica desde 0,001 hasta 1.000, estando
definido como:
Q =RQD
Jn
JrJa
JwSFR
Donde:
RQD = Índice RQD.
Jn = Parámetro función del número de juntas.
Jr = Parámetro función de la rugosidad de las juntas.
Ja = Parámetro función del grado de alteración de las juntas.
Jw = Parámetro función de la presencia de agua en las juntas.
SRF = Parámetro función del nivel tensional que sufre la roca.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
88 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
El índice Q de Barton también se puede calcular relacionándolo con el RMR de
Bieniawski, mediante la expresión (Barton 1995):
15
50RMR
10Q
Para diseñar el sostenimiento a instalar, Barton utiliza las dimensiones de la
excavación a realizar y el tipo de uso que se va a dar a la obra (ESR) para definir
la “Dimensión equivalente” (De) de la excavación
De =B
ESR
Donde:
B = anchura de la excavación (m)
ESR = parámetro función del nivel tensional que se obtiene de la tabla
mostrada a continuación en función del uso que se vaya a dar a la excavación.
Conocidos la “Dimensión equivalente” y el valor Q, el sostenimiento a utilizar se
puede estimar mediante el ábaco, presentado por Grinstad y Barton (1993) y que
se muestra en la Figura 29 En la Tabla 15 se presentan los valores recomendados
para el ESR.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
89 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 29: Determinación, aproximada, del sostenimiento de un túnel (Fuente: Grinstad y Barton,
1993).
CLASE TIPO DE EXCAVACIÓN E.S.R.
A Excavaciones mineras temporales. 3-5
B Pozos verticales de sección circular. 2,5
C Excavaciones mineras permanentes, túneles hidráulicos, túneles
piloto, pozos planos, excavaciones iniciales en las de gran sección. 1,6
D Cavernas de almacenamiento, plantas de tratamiento de aguas,
túneles carreteros y ferroviarios de sección media. 1,3
E Cavernas hidroeléctricas, túneles de gran sección, excavaciones
militares, emboquilles túneles. 1,0
F Instalaciones nucleares, estaciones de ferrocarril e instalaciones
industriales. 0,8
Tabla 15: Evaluación del E.S.R. (Fuente: Grinstad y Barton, 1993).
Para la aplicación del índice Q en diseños sísmicos de sostenimientos, Barton
(1984) propone incrementar el valor del SRF en un 100 %, lo que grosso modo se
traduce en una reducción del valor habitual de Q a la mitad:
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
90 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Q (diseño sísmico) = ½ Q (diseño estático)
En términos de presión de sostenimiento, esta regla supone incrementar su valor
en un 25 %, como se ilustra en la Figura 30 adjunto:
Figura 30: Reducción sísmica del valor de Q para obtener un aumento del 25% en la presión de
sostenimiento.
Barton recomienda que este incremento en la presión del sostenimiento se
materialice a base de pernos, cerrando la malla e incrementando la longitud si fuese necesario. La razón que indica para esta recomendación es que de ese modo
se limitan los movimientos en las diaclasas, y con ello también se limitan los
posibles incrementos de filtraciones tras los terremotos.
7.2.2. Análisis de caída de bloques
En túneles excavados en terrenos competentes fracturados, pueden producirse
problemas de estabilidad, asociados a las juntas del macizo rocoso, que
independicen cuñas susceptibles de caer al hueco creado.
En general, este problema de cuñas se da también en los macizos rocosos menos
competentes, pero en estos casos el sostenimiento dispuesto para asumir la
plastificación del terreno cubre con creces las necesidades derivadas de la caída de
bloques en los terrenos de RMR < 50.
7.2.2.1. Programa unwedge
Para el análisis de la estabilidad de bloques de roca se ha empleado el programa
UNWEDGE (Versión 3.0, año 2003). Se trata de un programa desarrollado por la
Universidad de Toronto (Rock Engineering Group) para el análisis de la
geometría y estabilidad de cuñas en excavaciones subterráneas.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
91 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
El análisis que realiza el programa UNWEDGE se basa en la asunción de que las
cuñas, definidas por tres planos de junta que se intersecan, están sometidas sólo a
fuerzas gravitacionales derivadas de su peso; es decir, se desprecia el efecto del
estado tensional alrededor de la excavación, lo cual está en la mayoría de los casos
del lado de la seguridad.
Las hipótesis y simplificaciones que deben asumirse, para realizar este análisis
son las siguientes:
- El análisis es válido para excavaciones en terreno competente donde no se
produzca plastificación apreciable.
- Las juntas que definen las cuñas se consideran suficientemente persistentes
y perfectamente planas y situadas de forma que las cuñas que se analizan
son las máximas que se pueden formar en el túnel.
- La excavación tiene sección constante.
El programa permite considerar cohesión y fricción en las juntas, aunque también permite obtener las propiedades de las juntas a partir de datos de campo según el
criterio de Barton–Bandis.
Se analiza el efecto del sostenimiento, a base de pernos (de anclaje puntual o
repartido), y/o con concreto lanzado, que se comprueba al corte según la teoría del
“falling block”.
Finalmente, es posible la visualización de las cuñas formadas y evaluación de los
factores de seguridad.
7.2.2.2. Propiedades de las juntas
Las propiedades geomecánicas de las discontinuidades necesarias para la
realización de los cálculos, han sido determinadas a partir de las estaciones
geomecánicas realizadas.
El programa UNWEDGE 3.0 permite calcular la resistencia al corte de una junta o
familia de juntas a partir de medidas tomadas en campo, utilizando para ello el
criterio de rotura de Barton –Bandis, que se expresa:
Donde:
- τ y σ’n son los esfuerzos tangencial y normal efectivo sobre el plano de la
discontinuidad.
- El índice JRC define la rugosidad de la junta, y el índice JCS, la
resistencia a compresión simple en las paredes de las juntas, obteniéndose
con el martillo de Smidth.
b
n
n
JCSJRCtg
'log' 10
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
92 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
- b es el ángulo de fricción básico de la roca, obtenido de Tablas
bibliográficas.
Para las juntas se han considerado las propiedades geomecánicas que se
especifican a continuación:
Para RMR>65
- Angulo de rozamiento: 32º
- Cohesión: 1 t/m2
- Persistencia 5,0 m
Para 35<RMR<65
- Angulo de rozamiento: 32º
- Cohesión: 0,0 t/m2
- Persistencia 12,0 m
Por otra parte, las estaciones geomecánicas permiten definir zonas a lo largo del
túnel con patrones de fracturación similares.
En la Tabla 16 se presentan las orientaciones de las principales familias
identificadas para el entorno del área de implantación de los túneles.
FAMILIA
DE
JUNTAS
BUZAMIENTO
(º)
DIRECCIÓN
BUZAMIENTO
(º)
J1 37 54
J2 35 146
J3 68 78
J4 84 145
J5 40 229
J6 59 334
Tabla 16: Características de las familias de juntas representativas en el entorno del túnel.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
93 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
7.2.3. Modelización numérica en elastoplasticidad
Para el cálculo en elastoplasticidad de la estabilidad de las secciones tipo
propuestas se ha recurrido a la simulación numérica. Para ello, se han resuelto los
modelos discretos bidimensionales por el Método de Diferencias Finitas mediante
el programa FLAC.
El Método de las Diferencias Finitas presenta ciertas ventajas respecto al Método
de los Elementos Finitos en el estudio de problemas inestables, en los que la
matriz de rigidez generada en el Método de los Elementos Finitos no es invertible.
El método de las Diferencias Finitas, al ser una formulación explícita, que se
resuelve por iteraciones, permite seguir la evolución del problema hasta el
colapso. Evidentemente, si el problema tiene solución, ambos métodos convergen,
sin diferencias apreciables, hacia los mismos resultados.
Si por el contrario no existe el equilibrio, los cálculos con Elementos Finitos se
abortan sin dar información alguna, mientras que los de Diferencias Finitas
ofrecen toda la historia hasta poco antes del colapso.
7.2.3.1. Programa de cálculo
El programa utilizado en la modelización numérica por el Método de las
Diferencias Finitas es el programa FLAC (Versión 6.0, año 2.008) de ITASCA
CONSULTING GROUP INC. (Minneapolis, Minnesota), que permite simular el
comportamiento de suelos, rocas y otros materiales estructurales que se ajustan a
modelos elásticos, elastoplásticos y viscoelásticos, en dos dimensiones. También
son posibles análisis térmicos o de flujos de agua con posibilidad de interacción
mecánica con el terreno.
La forma de la excavación o estructura puede ser ajustada por el usuario
prácticamente sin limitaciones. En el código del programa FLAC se contempla la
posibilidad de modelizar estructuras como pantallas, vigas, pernos y anclajes que
interaccionan con el terreno y facilitan el análisis de los efectos de estabilización
que dichos elementos estructurales tienen sobre excavaciones subterráneas o
superficiales.
También es posible modelizar interfases que dotan al modelo continuo de la
facilidad de simular juntas o fallas de comportamiento singular, o bien,
rozamientos entre la estructura y el terreno cuando la estructura se modeliza como
continuo en vez de elementos estructurales.
El programa FLAC permite utilizar uno cualquiera de los siete modelos
constitutivos mecánicos:
1. Isótropo
2. Plasticidad (Mohr-Coulomb)
3. Vacío (para simular excavaciones)
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
94 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
4. Elástico, Transversalmente isótropo
5. Juntas ubícuotas
6. "Strain-Softening" (o reblandecimiento)
7. Visco elasticidad
Y dos tipos de elementos: cuadrilateral de 4 nodos y lineal de 2 nodos.
En la resolución del modelo numérico construido para el del túnel se ha utilizado
el modelo constitutivo de Mohr-Coulomb. La formulación que el programa FLAC
hace del problema asume un sólido elastoplástico perfecto, en deformaciones
planas, de acuerdo con la ley de fluencia según Mohr-Coulomb y una ley de flujo
no asociado. El criterio de fluencia viene dado por:
N 2c + N - = f 21
y el potencial plástico está dado por:
N 2c + N - = g 21
donde:
c : Cohesión
φ: Ángulo de fricción
ψ : Ángulo de dilatancia
)sen - (1
)sen + (1 : N
)sen - (1
)sen + (1 : N
σ1 : Tensión principal mayor
σ2 : Tensión principal menor
El programa trabaja determinando los incrementos de tensiones en elasticidad en
los ejes x e y: σxx, σyy, σxy, y los transforma en tensiones principales con las que
entra en las ecuaciones anteriores. A continuación realiza las correcciones
plásticas en función de la dirección de las tensiones principales, de y del criterio de fluencia si f < 0. Posteriormente, se vuelven a transformar las tensiones
principales en σxx, σyy y σxy, volviéndose a repetir el proceso.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
95 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
7.2.3.2. Condiciones de contorno
En toda simulación numérica no basada en elementos infinitos, es necesario
establecer unos límites al modelo. De esta manera se asegura que el efecto de los
bordes del mismo no distorsione las zonas que son objeto de la modelización. El
establecimiento de dichos límites en el modelo obliga a fijar unas condiciones en
ellos, bien de desplazamiento, bien de presiones.
En general, en problemas en que el modelo llega a la superficie, es preferible
definir las condiciones de contorno fijando los desplazamientos.
Frecuentemente, se realiza en primer lugar una pasada de asentamiento para
establecer el estado de tensiones "in situ" en todos los elementos del modelo. Este
estado suele aceptarse generalmente que está definido por:
h . g . = yy
donde:
σyy : Tensión vertical
ρ: Densidad del terreno
g: Aceleración de la gravedad
h: Altura de las tierras
σxx = Kyx · σyy : Tensión horizontal en la dirección contenida en el plano del
modelo
σzz = Kyz · σyy: Tensión horizontal en la dirección del eje perpendicular al modelo
Kyx, Kyz: Coeficientes de reparto de tensiones horizontales
Los coeficientes de reparto de tensiones empleados en el modelo se han estimado,
y sus valores son:
Kyx = 0.75
Kyz = 0.75
7.2.3.3. Propiedades de los terrenos
En el presente apartado se presentan las propiedades de los terrenos que han sido
utilizadas en los cálculos.
Las propiedades elastoplásticas de los terrenos han sido determinadas a partir de
los ensayos “in situ” y de laboratorio que se han realizado para la caracterización
geotécnica.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
96 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Para el modelo constitutivo Mohr-Coulomb, el programa FLAC requiere las
siguientes propiedades elastoplásticas para cada uno de los materiales:
- Módulo volumétrico ("Bulk"):K
- Módulo de corte ("Shear"):G
- Cohesión:c
- Ángulo de fricción:φ
- Densidad:ρ
El módulo volumétrico ("K") y el módulo cortante ("G") se pueden obtener a
partir del módulo de Young ("E") y el coeficiente de Poisson (""), aplicando las siguientes expresiones:
)2-(1 3
E =K
)+(1 2
E =G
Para la determinación de las propiedades de cálculo de los materiales rocosos, se
han estimado en primer lugar las propiedades resistentes de la roca intacta de los
distintos litotipos: parámetro mi del criterio de rotura de Hoek-Brown, resistencia
a compresión simple (σci), densidad (ρ) y coeficiente de Poisson (); y se han minorado convenientemente en función del índice de calidad del macizo rocoso
(RMR de Bieniawski) para establecer los parámetros característicos de cálculo del
macizo rocoso.
7.2.3.4. Propiedades de los elementos estructurales
A continuación se describen las principales propiedades empleadas para la
modelización de los elementos estructurales que intervienen en el sostenimiento
de los túneles.
La simulación del sostenimiento de hormigón proyectado, que se ha discretizado
mediante elementos tipo “beam” que son elementos bidimensionales con 3 grados
de libertad por nodo (2 desplazamientos y 1 rotación).El parámetro más
importante para representar el comportamiento del hormigón de sostenimiento es
su módulo elástico, puesto que ha de reproducir el proceso de fraguado que se
produce simultáneamente a su puesta en carga por el avance del túnel. Se han
considerado los siguientes valores de módulo de elasticidad el cual se muestran en
la Tabla 17:
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
97 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
TIPO DE
ELEMENTO
E
Corto plazo
(MPa)
E
Largo
plazo
(MPa)
Hormigón
proyectado 12.000 15.800
Tabla 17: Propiedades de cálculo asignadas al hormigón proyectado.
Los bulones de anclaje repartido empleados como sostenimiento, han sido
modelizados con elementos tipo “cable”, que son elementos unidimensionales de
2 nodos por elemento y un grado de libertad por nodo (1 desplazamiento coaxial
al cable), comportamiento elástico con resistencia a tracción y acoplamiento
elásto-plástico al mallado. Se les han asignado las propiedades mostradas en la
Tabla 18.
TIPO DE
ELEMENTO
E
(MPa)
A
(cm2)
Acero 210.000 3,27
Tabla 18: Propiedades de cálculo asignadas a los bulones.
Para las secciones que incluyen marcos metálicos se ha modelizado el conjunto
hormigón proyectado-marco como un elemento tipo beam. Las propiedades
asignadas a los marcos se resumen en la Tabla 19.
TIPO DE
ELEMENTO
E
(MPa)
A
(cm2)
I
(m4)
Marco reticulado 210.000 10,4 218,3e-8
Tabla 19: Propiedades de cálculo asignadas a los marcos reticulados.
7.2.3.5. Simulación del efecto frente en 2d
La modelización de un túnel en una sección bidimensional está plenamente
justificada salvo en las inmediaciones del frente de excavación, donde el efecto
del núcleo de terreno que constituye el frente, ejerce un papel activo de
sostenimiento que, en sentido estricto, sólo se puede cuantificar con total precisión
con un modelo de tres dimensiones.
Sin embargo, la simulación del efecto frente cuando se modelizan problemas
planos, puede realizarse suponiendo que, en las inmediaciones del frente, actúa
una presión radial en el perímetro de la excavación que tiende a contrarrestar la
ejercida por el terreno; o bien, suponer que el núcleo de roca varía su módulo de
elasticidad con la distancia al frente.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
98 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
En el presente proyecto se ha utilizado la fórmula de Panet para calcular la presión
radial del núcleo. Panet propone que la presión radial ejercida por el núcleo, que
hace el papel de sostenimiento transitorio, puede calcularse mediante las
expresiones siguientes:
P ) - (1 = P o1
m ) - (1 + = oo
e - 1 = mr . 0,7
x -
i
donde:
ri es el radio de la excavación
x es la distancia al frente
y en caso de medios elásticos y excavaciones circulares,
3
1 0
En la Figura 31 se ilustra el efecto de estabilización transitoria que el núcleo de la
excavación ejerce sobre el túnel.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
99 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 31: Efecto del frente en la estabilidad de la excavación.
7.3. Desplazamiento del terreno
En la mayor parte de la longitud de un túnel es previsible que el terreno se
comporte cuasi-elásticamente y por ello los movimientos que se produzcan
después de la excavación serán milimétricos y, además, 1/3 de su magnitud se
habrá producido por delante del frente de avance.
Po
i
A
A
i
i
i
i = Po
i = s + 0,66 · Po
i = s + 0,16 · Po
i = s + 0,01 · Po
i = s
SECCION A-A
s Presión radial de sostenimiento
o Presión de campo
R Radio de la excavación
>3R
3R
R
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
100 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Por ello las habituales medidas de convergencia tendrán en este caso un valor
puramente testimonial y, consecuentemente, las estaciones de medida de
convergencia podrán colocarse mucho más espaciadas que en los casos anormales.
Por el contrario, en los tramos de terreno de mala calidad, la respuesta tenso –
deformacional del terreno a la distribución de tensiones que genera la excavación
es plástica con deformaciones apreciables y no lineales. Por ello en este caso se
esperan fuertes convergencias, que serán de orden centimétrico.
En estos tramos la medida de la convergencia será de vital importancia para
comprobar la eficacia del proceso constructivo y la bondad de los cálculos
previamente realizados. Por ello, en estos tramos, las estaciones de medida de
convergencia deberán situarse más próximas entre ellas y estas medidas deberán
complementarse con medidas de las presiones totales que actúan sobre los
elementos de sostenimiento.
Así debe comprobarse la cuantía de la convergencia para que esta no supere en
general el 1 % en relación al diámetro de la excavación y sobre todo, su velocidad,
evaluando si esta tiende a la estabilización o por el contrario, está descontrolada y
pudiera provocar el colapso de la excavación.
En el siguiente apartado se establece el Plan de auscultación asociado a las
excavaciones a efectuar estableciendo los mecanismos de auscultación, intensidad
de las mediciones, criterios de alarma y procedimientos de actuación
correspondientes.
7.4. Plan de auscultación
De acuerdo al contenido del apartado anterior, básicamente con medir la
convergencia que se produce después de la excavación, se puede comprobar la
estabilización de la sección y, sobre todo, es posible comparar las medidas reales
con las previsiones de los cálculos para, en el caso de que exista una divergencia
significativa, modificar el sostenimiento que se está utilizando.
En los apartados siguientes se presentan los criterios adoptados sobre: disposición
de las estaciones de medida, precisión y frecuencia de las medidas, así como su
interpretación.
7.4.1. Medida de convergencias
Las medidas de convergencia son muy fáciles de realizar y la instrumentación que
se necesita es muy poco costosa. Por ello, incluso con comportamientos elásticos
del terreno, es conveniente prever la realización sistemática de estas medidas.
En la Fotografía 9 se puede observar la metodología y toma de datos.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
101 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Fotografía 9: Vista general de la ejecución de mediciones de convergencia.
7.4.2. Disposición de la estaciones de medida de convergencia
Las estaciones de medida de convergencia constarán de dos o tres puntos de
referencia; dos en los hastiales y uno en su caso en clave. Las estaciones se
colocarán sistemáticamente cada 25 m de túnel excepto en zonas conflictivas y
emboquilles en donde se reducirá la distancia entre estaciones hasta los 5 m.
En todos los casos, los puntos de referencia para la medida de convergencias se
colocarán lo más próximo posible al frente. A ser posible esta distancia será de
uno o dos pases de excavación. Los puntos de convergencia en los hastiales se
colocarán a 1,0 m de altura respecto de la rasante de los túneles. En el caso de los
pozos se colocarán en puntos diametralmente opuestos y manteniendo una
alineación para las distintas secciones de convergencia.
Se realizara las mediciones de convergencia con el empleo de una cinta
extensométrica, con dispositivo de tensión incorporado, que permita una precisión
de 0,1 mm en una luz de 15 m.
Todos los puntos de referencia que, por cualquier causa, resulten inutilizados,
serán repuestos lo antes posible.
7.4.3. Toma de medidas y frecuencia de las mismas
El origen de medidas en estas secciones, no debe exceder en ningún caso 24 horas
respecto al paso de la excavación en el lugar donde se instalen, debiendo ser
colocadas en obra a una distancia en general de uno o dos pases de avance,
respecto a la última frente excavada.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
102 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
La densidad de la toma de medidas vendrá condicionada fundamentalmente por la
calidad geomecánica del terreno en el que se coloquen las secciones de
convergencia, la magnitud de la deformación medida y por la evolución de la
pendiente de la curva deformación tiempo en los distintos tramos a los que ésta
puede asociarse.
Una vez instalada se tomará, lo antes posible, una medida origen. A partir de ahí,
en principio, la frecuencia de medida a seguir será la siguiente:
- Una medida diaria, durante la primera semana después de su instalación.
- Una medida cada tres días, entre la segunda y tercera semana después de
su instalación.
- Una medida semanal, entre la cuarta y sexta semana después de su
instalación.
- Una medida mensual, a partir de la séptima semana tras su instalación y
hasta su estabilización definitiva (velocidad 0.01 mm/día).
Una vez que tres medidas consecutivas señalen una velocidad inferior a 0.01
mm/día, la sección se dará por estabilizada y se dejará de medir.
Las medidas se representarán en un gráfico tipo deformación tiempo, donde a
priori pueden diferenciarse tres tramos derivados de la alteración introducida por
la excavación; inmediatamente después del paso de la excavación se produce una
desestabilización reflejada en una mayor pendiente de deformación en ese primer
tramo. Posteriormente se presenta un segundo tramo donde la pendiente va
disminuyendo hasta hacerse prácticamente nula. En el tercer tramo, que sigue al
anterior, la deformación se estabiliza y la curva tiene una pendiente prácticamente
nula, apreciándose en ellas las deformaciones a largo plazo que en general son
bajas, comparadas con las que han tenido lugar anteriormente.
Las pendientes de los tramos y el tiempo de estabilización dependen, en cada
caso, de las características del terreno, profundidad del túnel, soporte colocado y
sistema de excavación, así como de la distancia al frente de excavación de la
sección de convergencia.
De esta forma se tendrá un control de todo el túnel, en todo momento, necesario
por si existiesen desestabilizaciones posteriores para detectarlas y tomas las
medidas necesarias para su corrección.
Como se ha indicado en el apartado anterior, las medidas de convergencia se
tomarán utilizando una estación total.
7.4.4. Criterios de la interpretación de las convergencias
Para la interpretación de las curvas de convergencia se establecen los siguientes
criterios indicadores de alarma para proceder a un análisis detallado y a las
actuaciones oportunas para su corrección.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
103 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
- Pendiente máxima de deformación. No debe ser superior a 5 mm/día en
períodos superiores a una semana.
- Siempre que la curva aumente de velocidad (pendiente) en algún punto de
la misma, se considerará como caso de inmediato análisis.
- El tiempo de estabilización normal se considera que debe estar
comprendido entre 20 y 30 días después del paso de la excavación por el
punto kilométrico donde está instalada la sección de medida.
- Una vez que la curva está estabilizada, cuando se observan aumentos de la
deformación que no sean debidos a causas justificadas, se considerará
como señal de alarma.
- Las deformaciones pequeñas y continuas, mantenidas a lo largo del
tiempo, que sobrepasen el periodo normal de estabilización, deben ser
objeto de análisis. En principio, en ningún caso se debe sobrepasar una
deformación acumulada del 1 % de la anchura de excavación.
Como se ha señalado anteriormente, una vez que tres medidas consecutivas
señalen una velocidad inferior a 0.01 mm/día, la sección se dará por estabilizada y
se dejará de medir.
7.4.5. Plan de contingencia
En el caso de que se supere uno de los dos valores de umbral límite señalados en
el apartado anterior:
- convergencia superior al 1 % de la anchura de excavación.
- velocidad de convergencia superior a 5 mm/día.
Se analizará específicamente:
- la calidad geomecánica del macizo rocoso.
- el proceso constructivo, la cantidad y calidad del soporte aplicado.
Y se decidirá una de las dos actuaciones siguientes:
- intensificar las medidas de monitoreo.
- reforzar la sección de sostenimiento.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
104 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
CAPITULO VIII
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
En los siguientes apartados se describen de forma general los materiales desde el
punto de vista geotécnico.
De acuerdo a esto se han diferenciado una única unidad geotécnica.
Miembro superior de la Formación Cobán
En esta unidad litoestratigráfica es donde se excavará el túnel de conducción.
Esta formación se encuentra formada principalmente por calizas de moderada a
intensamente fracturadas (Grado III-IV) las cuales presentan una elevada
karstificación.
8.1. Caracterización de la roca intacta
Para esta unidad se ha obtenido un valor de densidad aparente de 2,35 g/cm3, la
cual se considera representativa para esta unidad.
De acuerdo con los resultados de los ensayos de laboratorio los valores de la
resistencia a compresión simple obtenidos muestran valores muy variables entre
99 y 526 kp/cm2, lo que hace pensar que no se hayan diferenciado las roturas que
se han producido a favor de discontinuidades. Se considera representativo de esta
unidad un valor de la resistencia a compresión simple de 40 MPa.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
105 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Realizando un ajuste por medio de la relación Ei/ci gráfica se obtiene un valor del
módulo de deformación de 35.000 MPa que queda dentro de los rangos medios
establecidos para este tipo de materiales.
Por último, en la Tabla 20 se muestra el resumen de los parámetros a nivel de
roca intacta.
Densidad (g/cm3) ci (MPa) Ei (MPa) Mi
2,35 40 35.000 0,30 10
Tabla 20: Parámetros a nivel de roca intacta de la Formación Cobán.
8.2. Propiedades mecánicas a nivel macizo rocoso
Se han realizado 11 estaciones geomecánicas en la unidad. En base a los datos
disponibles, se ha estimado que el RMR medio para esta formación está entre 43 y
62 (roca media), con un valor medio de 57 representativo de la roca sana y de 45
para el macizo alterado y fracturado.
En la Tabla 21 se presentan las principales características de las estaciones
geomecánicas.
ESTACIÓN
GEOMECÁNICA
COORDENADAS
U.T.M. UNIDAD
RECONOCIDA
RMR
1
RMR
(2+3)
RMR
4
RMR
5
RMR
(1+2+3+4+5) OBJETIVO
X Y
EG-1 538.921 1.716.128 Calizas 4 29 12-19 10 55-62 Portal de
entrada túnel 2
EG-2 538.883 1.716.159 Calizas 4 28 12-17 10 54-59 Portal de
entrada túnel 2
EG-3 539.242 1.716.263 Calizas 2-4 27 14-16 10 53-57 Adit 1
EG-4 539.612 1.716.476 Calizas 2-4 27 14-17 10 53-58 Túnel 2
EG-5 542.529 1.715.601 Calizas 2-4 25 9-15 10 46-54 Portal de salida
túnel 2
EG-6 542.397 1.715.584 Calizas 2-4 26 10-17 10 48-57 Portal de salida
túnel 2
EG-7 541.405 1.715.927 Calizas 2-4 25 14-17 10 51-56 Túnel 2
EG-8 541.155 1.716.031 Calizas 2-4 23 14-17 10 49-54 Túnel 2 / Adit 2
EG-9 540.904 1.716.165 Calizas 2-4 28 12-17 10 52-59 Adit 2
EG-10 540.214 1.716.413 Calizas 2-4 23 10-19 10 45-56 Túnel 2
EG-11 539.600 1.716.482 Calizas 2-4 27 8-17 10 47-58 Túnel 2
Tabla 21: Situación y principales características de las estaciones geomecánicas realizadas.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
106 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Resistencia
Los parámetros resistentes de cohesión y fricción del macizo rocoso se han
calculado mediante el programa RocLab. En función a la variación del RMR
obtenida se han establecido cinco secciones tipo diferentes para el macizo rocoso,
por lo tanto se han realizado los cálculos para cada una de dichas secciones tipo,
teniendo en cuenta un recubrimiento máximo de 150 m, con cálculos cada 50 m
de profundidad.
Para el cálculo se ha considerado un factor de alteración D=0.4 excepto en zonas
de falla (RMR <30) que se ha tomado un valor de D=0.
En la Tabla 22 se muestran los resultados obtenidos al procesar los datos con el
programa RocLap.
PARÁMETROS DE LA FORMACIÓN COBÁN SUPERIOR (CALIZAS) CRITERIO DE
HOEK-BROWN
AJUSTE
MOHR-
COULOMB
SECCIÓN
TIPO
RECUBRIM.
MEDIO (m)
(γa)
(g/cm3)
σci
(MPa)
Ei
(MPa)
σcm
(MPa)
Em
(MPa) mi D mb s A C(MPa) φ(°)
ST-1
(RMR=65)
50
2.35 40 35000
8.24 14064.07
10
0.4
2.096 0.0113 0.502
0.65 53
100 0.78 49
150 0.90 46
ST-2
(RMR=55)
50
6.27 8230.36 1.341 0.0031 0.504
0.40 51
100 0.53 46
150 0.64 43
ST-3
(RMR=45)
50
4.83 4314.32 0.858 0.0009 0.508
0.27 48
100 0.39 43
150 0.49 40
ST-4
(RMR=35)
50
2.3 30 25000 2.75 1626.99 0.549 2.00E-
04 0.516
0.18 42
100 0.27 37
150 0.34 33
ST-5
(RMR=25)
50
2.3 25 15000 2.38 897.84 0 0.687 2.00E-
04 0.531
0.16 42
100 0.24 36
150 0.32 33
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
107 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
PROPIEDADES FORMACIÓN COBÁN SUPERIOR (CALIZAS) CRITERIO HOEK-
BROWN
PARÁMETROS
RESISTENTES
Densidad
(g/cm3) RMR
σci
(MPa
)
Ei
(MPa) mi D
Em
(MPa)
σcm
(MPa) mb s a c (MPa) ˚
2,35
0,30 60
40 35.000 10
0,4 10.973,8 7,17 1,677 0,0059 0,503 0,752 44,8
0,30 55 0,4 8.230,4 6,27 1,341 0,0031 0,504 0,643 43,1
0,30 45 0.4 4.314,3 4,83 0,858 0,0009 0,508 0,493 39,5
0,30 40 0.4 3.107,7 4,22 0,687 0,0005 0,511 0,437 37,5
0,30 <30 0 2.848,4 4,39 0,821 0,0004 0,522 0,431 38,7
Tabla 22: Resultado de los parámetros resistentes calculados para el macizo rocoso.
Deformabilidad
El módulo de elasticidad a nivel de macizo rocoso respecto al RMR, se ha
calculado a partir de la estimación de Bieniawski-Galera (2005).
Em = Ei • e((RMR-100)/36)
Obteniéndose los módulos elásticos que se muestran en la Tabla 23 para cada una
de las secciones tipo, calculados a partir del valor de Ei obtenido en laboratorio.
Como coeficiente de Poisson se ha adoptado un valor de 0,24.
SECCIONES TIPO Em (MPa)
ST-1 (RMR= 65) 13.238
ST-2 (RMR= 55) 10.028
ST-3 (RMR= 45) 7.596
ST-4 (RMR= 35) 4.110
ST-5 (RMR= 25) 1.868
Tabla 23: Módulos elásticos calculados para el macizo rocoso.
8.3. Propiedades mecánicas de las discontinuidades
Los datos de rugosidad según el índice JRC de las estaciones geomecánicas
realizadas en la miembro superior de la Formación Cobán se muestran en la
Figura 32.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
108 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 32: Rango de variación de la rugosidad (índice JRC) para cada familia de discontinuidades.
En base a esto, en la diferente documentación geotécnica se consideran los
parámetros resistentes para las discontinuidades que se muestran en la Tabla 24.
PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES c (MPa) ˚
Macizo rocoso sano 0,08 48,3
Macizo rocoso alterado 0,01 42,4
Tabla 24: Parámetros resistentes de las discontinuidades.
8.4. Caracterización geotécnica de los depósitos cuaternarios
Dentro de esta unidad se incluyen tanto los suelos aluviales asociados al Río
Cahabón, como los coluvio-eluviales productos de la alteración del sustrato
rocoso.
Los depósitos aluviales están compuestos por gravas y cantos de gran tamaño
englobados en una matriz areno-arcillosa, en ocasiones, escasa.
En base a la documentación consultada el espesor de estos suelos suele alcanzar
un valor máximo de 2,40 m.
Debido al alto contenido en gravas, bolos y bloques presentan una elevada
porosidad exceptuando en aquellos casos en los que el porcentaje de arcilla se
incremente, en cuyo caso el grado de permeabilidad se reduce sustancialmente.
Los depósitos coluvio-eluviales son de naturaleza fundamentalmente arcillosa con
un grado de compacidad variable, generalmente creciente con la profundidad.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
>14,0 10,0-14,0 6,0-10,0 <6,0
VALOR MEDIO DE RUGOSIDAD JRC (10)
S0
J1
J2
J3
J4
J5
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
109 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
El espesor máximo detectado puede llegar a valores de hasta 10 m en zonas de
fracturación o disolución importante.
Atendiendo a esto y en base a los ensayos de laboratorio efectuados, en la Tabla
25 se resumen las propiedades geotécnicas de estos materiales.
UNIDAD Densidad
aparente(g/cm3)
Densidad
saturada(g/cm3)
c
(MPa) ˚ Su
E
(MPa)
Depósitos aluviales 1,70 2,05 0,01 33,
4
0,3
0
7,5
Depósitos coluvio-
eluviales 1,75 2,08 0,02
31,
0
0,2
5 5,0
Tabla 25: Propiedades geotécnicas de los depósitos cuaternarios.
8.5. Resultados obtenidos para el diseño del sostenimiento en los Adits del
Túnel 2 – proyecto hidroeléctrico Renace II
En los siguientes apartados se muestran los resultados obtenidos según la
metodología expuesta.
Para la tramificación del presente túnel en tramos homogéneos según su
comportamiento tensodeformacional se ha recurrido al índice de clasificación de
macizos rocosos Rock Mass Rating (RMR) estableciendo los siguientes intervalos
para la asignación de la secciones tipo:
- Sección tipo I: RMR > 65
- Sección tipo II: 35 < RMR < 65
- Sección tipo III: RMR < 35
8.5.1. Clasificación geomecánica
En la Tabla 26 se presentan los parámetros de cálculo empleados en las
excavaciones subterráneas proyectadas, a partir de los cuáles se calcula el ábaco
de Barton, tal y como se muestra en la Figura 33.
RMR B ESR DE Q QSÍSMICO
65
6,50 1,6 4,06
10 5
45 0,46 0,23
25 0,02 0,01
Tabla 26: Parámetros de cálculo para el prediseño mediante clasificaciones geomecánicas. Adits
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
110 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 33: Diagrama de Barton para la definición de los sostenimientos. Adits
Como se comprueba en el gráfico anterior, las recomendaciones de Barton se
resumen a continuación en la Tabla 27.
RMR de
aplicación Sostenimiento recomendado
65 Sin necesidad de soporte
45 9 cm de espesor de hormigón proyectado
Bulones de 2,25 m de longitud con un espaciado de 1,4 m x 1,4 m
25 15 cm de espesor de hormigón proyectado
Bulones de 2,25 m de longitud con un espaciado de 1,0 m x 1,0 m Tabla 27: Recomendaciones de Barton para el sostenimiento de los Adits.
Tomando como punto de partida las recomendaciones de Barton se han propuesto
las secciones de sostenimiento optimizadas. Estos prediseños se han realizado en
base a la experiencia contrastada en obras de características similares y, siguiendo
un proceso iterativo, se han comprobado y reajustado mediante la metodología de
diseño de sostenimientos anteriormente especificada.
A continuación se resumen los sostenimientos tipo propuestos para los Adit
- Sostenimiento Tipo I (RMR de aplicación >65):
Pernos Swellex Mn16 160 kN de 4,0 m de longitud y espaciado 2,00 m
x 2,50 m.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
111 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
- Sostenimiento Tipo II (RMR de aplicación 35-65):
5 cm de hormigón proyectado C32/40 reforzado con 3 Kg/m3 de fibras
de polipropileno.
Pernos Swellex Mn16 160 kN de 4,0 m de longitud y espaciado 1,50 m
x 2,00 m.
- Sostenimiento Tipo III (RMR de aplicación <35):
15 cm de hormigón proyectado C32/40 reforzado con 3 Kg/m3 de
fibras de polipropileno.
Marco LG-70/26/18 espaciadas 1,0 m.
8.5.2. Análisis de formación de bloques
Para el análisis de la estabilidad de bloques de roca se ha empleado el programa
UNWEDGE (Versión 3.0, año 2003). A continuación se detalla el análisis
efectuado.
Se ha realizado la modelización de la sección de excavación a través de la
extrusión de la sección de los adits. Se han considerado dos alineaciones
diferentes como representativas de los trazados de los mismos. A continuación se
especifican en la Tabla 28 las orientaciones del eje consideradas.
Adit Buzamiento Dirección de buzamiento
Adit 2 12.43° 153°
Adit 3 13.47° 113°
Tabla 28: Orientaciones de adits considerados en el análisis de caída de bloques.
Mediante esta metodología se han comprobado las secciones tipo de
sostenimiento I y II. Se han considerado los sostenimientos propuestos
anteriormente especificados. No se ha considerado la aportación estructural de los
espesores de hormigón proyectado, quedando de este modo del lado de la
seguridad. A continuación, en las Figuras 34 y 35 se muestran las geometrías
analizadas para cada una de las combinaciones de juntas consideradas.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
112 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 34: Geometría considerada para el análisis cinemático de cuñas de los adit. Seccion de
sostenimiento tipo I.
Figura 35: Geometría considerada para el análisis cinemático de cuñas de los adit. Sección de
sostenimiento tipo II.
Se presenta las tablas resumen de las cuñas formadas en los Adits, en base a su
sección, alineación y parámetros geomecánicos, los cuales fueron analizados con
el programa UNWEDGE. En la Tabla 29 se resume las cuñas formadas en el
perímetro de la sección. Y en la Tabla 30 se aprecia los porcentaje del peso de la
cuñas. Cada tabla se presenta con sus graficas comparativas respectivas.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
113 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Parámetros Trend/Plunge Clave (%)
Hombro derecho
(%)
Hombro izquierdo
(%)
Hastial derecho
(%)
Hastial izquierdo
(%)
RMR >65 C=1 t/m2 Ф=32
Persistencia=5 m
153°/12.43° 34.38 15.63 12.50 12.50 25.00
113°/13.47° 28.13 0.00 3.13 43.75 34.38
RMR 35-65 C=0 t/m2 Ф=32
Persistencia=12 m
153°/12.43° 34.38 21.88 3.13 28.13 28.13
113°/13.47° 18.75 12.50 6.25 37.50 40.63
Tabla 29: Resumen de las cuñas formadas en el perímetro de las sección de los Adits, 153/12,43
Trend/Plunge del Adit 2, y 113/13,47 para el Adit 3.
Figura 36: Comparación porcentual de las cuñas con un RMR >65 C=1 t/m2 Ф=32 Persistencia=5 m
para los trazados del Adit 2 y 3.
34.38
15.6312.50 12.50
25.0028.13
0.003.13
43.75
34.38
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
50.00
Clave (%) Hombroderecho (%)
Hombroizquierdo (%)
Hastialderecho (%)
Hastializquierdo (%)
Formación de cuñas en la sección del túnel: RMR >65C=1 t/m2 Ф=32Persitencia=5 m
153/12.43 113/13.47
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
114 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 37: Comparación porcentual de las cuñas con un RMR 35-65 C=0 t/m2 Ф=32 Persistencia=12 m
para los trazados del Adit 2 y 3.
Parámetros Trend/Plunge 0.5≤P<3
(t) %
3≤P<6 (t) %
6≤P<9 (t) %
9≤P<12 (t) %
P≥12 (t) %
RMR >65 C=1 t/m2 Ф=32 Persistencia=5
m
153/12.43 62.50 18.75 9.38 6.25 3.13
113/13.47 60.00 25.71 5.71 8.57 0.00
RMR >65 C=1 t/m2 Ф=32 Persistencia=5
m
153/12.43 16.22 2.70 10.81 13.51 56.76
113/13.47 16.22 16.22 8.11 8.11 51.35
Tabla 30: Porcentajes de los pesos de las cuñas presentes, 153/12,43 Trend/Plunge del Adit 2, y
113/13,47 para el Adit 3.
34.38
21.88
3.13
28.13 28.13
18.75
12.50
6.25
37.5040.63
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
Clave (%) Hombroderecho (%)
Hombroizquierdo (%)
Hastialderecho (%)
Hastializquierdo (%)
Formación de cuñas en la sección del túnel: RMR 35-65C=0 t/m2 Ф=32
Persitencia=12 m
153/12.43 113/13.47
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
115 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 38: Pesos de las cuñas con un RMR >65 C=1 t/m2 Ф=32 Persistencia=5 m para los trazados del
Adit 2 y 3.
Figura 39: Pesos de las cuñas con un RMR >65 C=0 t/m2 Ф=32 Persistencia=12 m para los trazados del
Adit 2 y 3.
En el Apéndice IV se adjuntan los listados de coeficientes de seguridad obtenidos
de los que se deduce que la totalidad de las cuñas formadas presentan coeficientes
de seguridad superiores a 1,5. No se han computado aquellas combinaciones de
juntas que forman bloques de un peso inferior a 0.5 tonelada.
62.50
18.75
9.386.25
3.13
60.00
25.71
5.718.57
0.000.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
0.5≤P<3 (t)%
3≤P<6 (t)%
6≤P<9 (t)%
9≤P<12 (t)%
P≥12 (t)%
Peso de las cuñas: RMR >65C=1 t/m2 Ф=32Persitencia=5 m
153/12.43 113/13.47
16.22
2.70
10.8113.51
56.76
16.22 16.22
8.11 8.11
51.35
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
0.5≤P<3 (t)%
3≤P<6 (t)%
6≤P<9 (t)%
9≤P<12 (t)%
P≥12 (t)%
Peso de las cuñas: RMR 35-65C=0 t/m2 Ф=32
Persitencia=12 m
153/12.43 113/13.47
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
116 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
De este modo se comprueba la idoneidad del sostenimiento diseñado en lo
referente a la estabilidad de los bloques de roca formados.
8.5.3. Modelización numérica en elastoplasticidad
En el siguiente apartado se muestran los resultados de los cálculos realizados para
el dimensionamiento de las secciones tipo de sostenimiento mediante la
modelización numérica en elastoplasticidad. Para ello se han desarrollado
modelos de cálculo bidimensional con el programa de diferencias finitas FLAC
(Versión 6.0, año 2.008) de ITASCA CONSULTING GROUP INC.
(Minneapolis, Minnesota), mediante el que se ha tratado de reproducir en la
medida de lo posible tanto la geometría del problema como las fases de
construcción proyectadas.
La secuencia de cálculo que se ha seguido ha sido la siguiente:
1. Fase previa de cálculo para ajustar el estado tensional en el modelo, de
acuerdo al coeficiente de reparto de tensiones escogido.
2. Excavación del pase de avance.
3. Colocación del sostenimiento en avance correspondiente a la sección tipo
correspondiente.
Para el caso de los adits se ha comprobado mediante esta metodología la sección
de sostenimiento tipo III.
8.5.3.1. Sección tipo III
Los cálculos se han realizado para un recubrimiento máximo de 65 m en aquellas
zonas donde el RMR básico sea inferior a 30 puntos. Se ha considerado un perfil
geomecánico conformado por un único terreno de calizas.
Las propiedades resistentes asignadas a los terrenos para la realización de los
cálculos, se encuentran reflejadas en la Tabla 31.
RMR γ (t/m3) Em
(MPa) c (MPa) Ø (º)
25 2,30 1868 0,3 0,24 36 Tabla 31: Propiedades de los terrenos aplicadas en la realización de los cálculos para la sección tipo III.
El modelo de cálculo, que se presenta en la Figura 40, presenta 65 m de
recubrimiento sobre clave y abarca un total de 100 m de ancho y 115 m de alto
hasta la superficie, con un total de 18.768 elementos. El tamaño de los elementos
en la zona de interés es de 0,3 m. El modelo constitutivo empleado ha sido el
elastoplástico de Mohr-Coulomb.
El sostenimiento se ha diseñado a base de una capa de hormigón proyectado de 25
MPa de resistencia y 15 cm de espesor. Adicionalmente y embebidas en el
hormigón proyectado se colocarán cerchas metálicas reticuladas cada 1,0 metros.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
117 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
La excavación se realiza a sección completa con un pase de 1,0 m de longitud, lo
cual se tiene en cuenta en el modelo mediante la simulación del confinamiento en
las proximidades del frente, según se ha explicado en el Apartado 7.2.3 de este
informe. De acuerdo al valor del pase de excavación y a las características
geométricas del caso de cálculo considerado, el valor del confinamiento empleado
para simular el efecto frente, resulta ser:
- Confinamiento = 36 %
Figura 40: Modelo de cálculo para la Sección Tipo III. Adit
A continuación se presentan los resultados obtenido en el análisis
tensodeformacional realizado en todos los gráficos adjuntados los
desplazamientos se presentan en metros y las fuerzas en Meganewton.
En las Figuras 41 y 42, se muestra la distribución de los desplazamientos
obtenidos en el terreno tras la fase de sostenimiento. Los valores máximos
obtenidos se corresponden con levantamientos de solera y descensos de clave,
siendo el máximo desplazamiento calculado de 6,5 mm en solera. La
convergencia máxima calculada en hastiales es inferior a 8,0 mm.
En la Figura 43, se muestra la plastificación producida en el entorno de la
excavación que es de poca entidad.
En la Figura 44, se muestran las deformaciones cortantes producidas en el terreno
en el entorno de la excavación. Los valores máximos de deformación cortante se
encuentran situados en la zona inferior de los hastiales, con unos valores máximos
de 2,7 mm/m, se trata de valores muy reducidos.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
118 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
En la Figura 45, se muestra la distribución de tensiones en el entorno de la
excavación.
En las Figuras 46 y 47, se muestran los esfuerzos máximos registrados en el
modelo de sostenimiento. A continuación se especifican los coeficientes de
seguridad existentes para los esfuerzos pésimos obtenidos en la Tabla 32.
N (KN/m) M(mkN/m) F.S.
784,1 5,23 1,48
695,9 4,49 1,70
795,5 2,78 2,14 Tabla 32: Factores de seguridad calculados para los esfuerzos pésimos sobre el sostenimiento.
Por lo tanto finalmente queda comprobado que la sección de sostenimiento tipo III
del adit se encuentra adecuadamente dimensionada.
Figura 41: Desplazamientos verticales tras la colocación del sostenimiento.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
119 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 42: Desplazamientos horizontales tras la colocación del sostenimiento.
Figura 43: Estado de plastificación tras la colocación del sostenimiento.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
120 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 44: Deformaciones cortantes en el terreno tras la colocación del sostenimiento.
Figura 45: Distribución de tensiones en el terreno tras la colocación del sostenimiento.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
121 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
Figura 46: Momentos flectores en el sostenimiento.
Figura 47: Esfuerzos axiles en el sostenimiento.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
122 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
8.6. Sostenimiento propuesto
A continuación se resumen los sostenimientos diseñado para las excavaciones de
los Adits:
- Adits
Sostenimiento Tipo I (RMR de aplicación >65):
*Sellado: 5 cm concreto lanzado C25/30 reforzado con fibras polipropileno
Pernos Swellex Mn16 160 kN de 4,0 m de longitud y espaciado 2,00 m
x 2,50 m.
Sostenimiento Tipo II (RMR de aplicación 35-65):
*Sellado: 5 cm concreto lanzado C25/30 reforzado con fibras polipropileno
5 cm de hormigón proyectado C32/40 reforzado con 3 Kg/m3 de fibras
de polipropileno.
Pernos Swellex Mn16 160 kN de 4,0 m de longitud y espaciado 1,50 m
x 2,00 m.
Sostenimiento Tipo III (RMR de aplicación <35):
*Sellado: 3 cm concreto lanzado C25/30 reforzado con fibras
polipropileno
15 cm de hormigón proyectado C32/40 reforzado con 3 Kg/m3 de
fibras de polipropileno.
Marcos LG-70/26/18 espaciadas 1,0 m.
8.6.1. Tramificación constructiva del sostenimiento
De acuerdo con lo indicado en los apartados anteriores, en el Cuadro 1 se
presentan las secciones de sostenimiento proyectado para los Adits del Túnel 2,
así como su ámbito de empleo y su longitud prevista de aplicación. En Apéndice
V se adjunta el perfil constructivo de los Adits del túnel 2.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
123 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
SECIÓN
TIPO
Ambito de
Aplicación
Longitud
de Pase
(m) SOSTENIMIENTO
LONGITUD
PREVISTA DE
APLICACIÓN
(m)
%
RMR
corregido AVANCE
ADITS
I >65 >4
Sellado: 5 cm concreto
lanzado C25/30
reforzado con fibras
polipropileno..
Pernos Swellex Mn16
160 kN l=4.0 m.
espaciados 2,0 m (L) x
2,5 m (T)
45,60 6.97
II 35-65 1.5-3
Sellado: 5 cm concreto
lanzado C25/30
reforzado con fibras
polipropileno
Sostenimiento: 5 cm
concreto lanzado C25/30
reforzado con fibras
polipropileno.
Pernos Swellex Mn16
160 kN l=4,0 m.
espaciados 1,5 m (L) x
2,0 m (T)
530,29 81.08
III <35 1,0
Sellado: 3 cm concreto
lanzado C25/30
reforzado con fibras
polipropileno
Sostenimiento: 15 cm
concreto lanzado C25/30
reforzado con fibras
polipropileno.
Marcos LG-70/26/18
espaciados 1,0 m
longitudinalmente
78,11 11.94
Cuadro 1: Sostenimiento de los Adits del túnel 2.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
124 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
CONCLUSIONES
1. La excavación del Adit 2 y 3 del Túnel 2, se realizaran en rocas del miembro
superior de la Formación Cobán, que consiste en calizas mudstone, el soporte
definido para la excavación de los Adits del Túnel 2, consiste en:
- Sostenimiento Tipo I (RMR de aplicación >65):
Sellado: 5 cm hormigón proyectado C32/40 reforzado con 3 Kg/m3 de
fibras de polipropileno.
Pernos Swellex Mn16 160 kN de 4,0 m de longitud y espaciado 2,00 m
x 2,50 m.
- Sostenimiento Tipo II (RMR de aplicación 35-65):
Sellado: 5 cm hormigón proyectado C32/40 reforzado con 3 Kg/m3 de
fibras de polipropileno.
5 cm de hormigón proyectado C32/40 reforzado con 3 Kg/m3 de fibras
de polipropileno.
Pernos Swellex Mn16 160 kN de 4,0 m de longitud y espaciado 1,50 m
x 2,00 m.
- Sostenimiento Tipo III (RMR de aplicación <35):
Sellado: 3 cm hormigón proyectado C32/40 reforzado con 3 Kg/m3 de
fibras de polipropileno.
15 cm de hormigón proyectado C32/40 reforzado con 3 Kg/m3 de
fibras de polipropileno.
Cerchas reticuladas espaciadas 1,0 m.
2. Las calizas del miembro superior de la Fm. Cobán esta moderada a
intensamente fracturadas, con un elevada karstificación, se le califica como una
roca de calidad media.
3. Se determinó 6 familias de juntas principales, con espaciado en promedio de 6
a 60 cm, continuidad de 1 a 3 y de 3-10, JRC de 6-10 y en menor proporción de
10-14 y aperturas mayores a 5 mm y entre 1-5 mm.
4. Se obtuvo un diseño del soporte mediante las Clasificaciones Geomecánicas,
este diseño fue complementado con el método de diferencias finitas para un
comportamiento deformacional Elastoplastico. Determinando mediante los
métodos numéricos un desplazamiento máximo de 6.5 mm en solera y una
convergencia máxima de 8.0 mm en hastiales.
5. Se empleó para el análisis de estabilidad de bloques de roca el programa
UNWEDGE, determinando que para el Adit 2 el mayor porcentaje de cuñas se
formaran en la clave, y para el Adit 3 en el hastial izquierdo. Los pesos de las
cuñas formadas serán de 0.5 a 3 toneladas y superiores a las 12 toneladas.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
125 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
RECOMENDACIONES
1. Contar con un equipo multidisciplinar en el área de Geotecnia, que permita
tomar decisiones a pie de obra y recomendar los diferentes tipos de
sostenimiento.
2. Realizar ensayos para la supervisión del sostenimiento, estos deben ser:
perforaciones para comprobar el espesor de shotcrete, con la medición de su
resistencia a la compresión; en los bulones es necesario el empleo de la
máquina de arranque de pernos para medir su resistencia a la tracción; los
marcos metálicos es necesario verificar que estén bien apoyados a la superficie
del terreno saneado, colocados ortogonales al eje de la traza, y que estén muy
bien recubiertas por el hormigón.
3. Se recomienda realizar un mayor número de sondeos, con el fin de obtener
mayor información de los niveles de alteración y su estado en profundidad.
Para determinar el número de sondeos, se basa en: perforar en el portal de
entrada y salida, cambios litológicos, zonas previsiblemente falladas o
fracturadas y Adits.
4. Durante la construcción del túnel, es necesario realizar un análisis de caída de
bloque, en tramos homogéneos cada 20 a 30 m y en cambios geológicos-
geotécnicos. De modo que se pueda justificar el sostenimiento instalado en
base a los factores de seguridad.
5. Con el avance y finalización de la obra, se debe realizar una comparación entre
el soporte diseñado y el puesto en obra, con el fin de afinar a futuro el diseño
de sostenimiento.
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
126 ____________________________________________________________________________ Abimael Fernando Cáceres Flores
BIBLIOGRAFIA
1. Deere, D.; Y Miller, R. Engineering classification and index properties for
intact rock, 1966.
2. Coulson, J. Shear strength of flat Surfaces in rock, proceedings, 13th
Symposium on rock mechanics, pp. 77–105, 1972.
3. Barton, N.; Y Choubey, V. The shear strength of rock joints in theory and
practice. rock mech, 1977.
4. Palmstrom, A.; Y Singh R. The Deformation modulus of rock masses –
comparisons between in situ tests and indirect estimates, 2001
5. Charles, S.; Tarano, J. Y Pinto, H. Clasificación de reconocimiento de los
suelos de la República de Guatemala, 1959.
6. Espina, S.; Santos, D.; Y Paredes. M. Proyecto constructivo del túnel
secundario de la Central Hidroeléctrica RENACE II, 2013.
7. Gonzales, L. Ingeniería Geológica, 2002.
8. López, C.; García, P. Y Torija, Miguel. Manual de voladuras en túneles,
2012.
9. López, C.; García, P. Y Torija, Miguel. Manual de excavación de túneles con
rozadora, 2012.
10 Sistemas Integrales de Gestión Ambienta (SIGA). Estudio de evaluación de
impacto ambiental proyecto RENACE II, 2012
11. Machorro, R. Evaluación Hidrogeológica de alta Verapaz, 2005.
12. Castillo, B. Evaluación de la amenaza por inundación en la parte alta de la
cuenta del río Cahabón. 2009.
13. Bieniawski, Z. The geomechanics classification in rock engineering
applications, 1979.
14. Hoek, E.; Y Brown, E. Underground excavation in rock. 1980
BIBLIOGRAFÍA DIGITAL
1. Sismología
http://www.insivumeh.gob.gt/geofisica.html
2. Marco tectónico de Guatemala
http://www.insivumeh.gob.gt/geofisica/indice%20sismo.htm
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
Abimael Fernando Cáceres Flores
APÉNDICES
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
Abimael Fernando Cáceres Flores
APÉNDICE I: PERFILES GEOLÓGICO-GEOTÉCNICOS
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
Abimael Fernando Cáceres Flores
APÉNDICE II: TESTIFICACIONES
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
Abimael Fernando Cáceres Flores
APÉNDICE III: PROSPECCIÓN GEOFÍSICA
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
Abimael Fernando Cáceres Flores
APÉNDICE IV: UNWEDGE. FACTORES DE SEGURIDAD
Estudio geológico-geotécnico para el diseño del soporte de los Adits del Túnel 2 - Proyecto Hidroeléctrico RENACE II, San Pedro Carcha – Alta Verapaz - Guatemala.
_____________________________________________________________________________
Abimael Fernando Cáceres Flores
APÉNDICE V: PERFIL CONSTRUCTIVO DE LOS ADITS DEL TÚNEL 2.