UTILIZACIÓN DE FIBRA ÓPTICA (BOTDR) PARA MEDICIONES DE DEFORMACIÓN EN PERNOS DE SOPORTE EN TÚNELES.

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1 UTILIZACIÓN DE FIBRA ÓPTICA (BOTDR) PARA MEDICIONES DE DEFORMACIÓN EN PERNOS DE SOPORTE EN TÚNELES. Ricardo Moffat C. Académico, Departamento Ingeniería Civil, Universidad de Chile. Javier Sandoval G. Ingeniero Civil, Universidad de Chile. Se evalúa las deformaciones deducidas mediante un sistema de medición que interpreta los cambios en frecuencia de la luz que es reflejada en una fibra óptica (sistema BOTDR) adherida a pernos de sostenimiento de 22mm de diámetro. Se estudia si la resolución espacial del sistema es suficiente para medir adecuadamente deformaciones en pernos de menos de 3.0m de largo. Se muestra en este trabajo cómo se instrumentaron pernos de sostenimiento con fibra óptica y resultados de ensayos donde se comparan mediciones mediante fibra óptica y strain gauges en los pernos ensayados. Se propone un método de deducción de deformaciones alternativo en base a las curvas de frecuencia medidas mediante el equipo BOTDR. Se concluye que es posible medir deformaciones en pernos de sostenimiento lo cual permitiría su aplicación práctica en terreno. Keywords: pernos, sostenimiento, BOTDR, fibra óptica. INTRODUCCION En túneles en roca se generan deformaciones de diversas magnitudes según el nivel de carga y características geomecánicas del macizo rocoso. Estas deformaciones indican si el túnel se encuentra en un estado estable o en aquellos casos donde se observa un aumento o aceleración de estas deformaciones se considera una indicación de que el túnel esta cercano al colapso. Generalmente, cada compañía minera o civil maneja sus propios estándares de deformaciones admisibles al interior de un túnel, dependiendo de las consecuencias que trae una falla de estos túneles. Uno de los sistemas de sostenimientos mas utilizados en la práctica en túneles en roca tanto en minería como en obras civiles es la utilización de pernos de sostenimiento. Estos consisten generalmente en una barra metálica anclada a la roca en un extremo (o en todo el largo del perno) y su otro extremo (cara) fijada a través de una placa metálica y una tuerca (o soldadas). En la práctica estos pernos de anclaje pueden ser tensionados inicialmente (en caso de existir en largo libe o sin anclaje a la roca) o sin tensionar cuando por ejemplo existe grout o resina a lo largo de todo el perno. En este trabajo se analizan pernos sin tensar grouteados a lo largo de toda su extensión en la roca. En este caso son las deformaciones del macizo rocoso y la activación de bloques sueltos los que van generando carga y deformaciones en los pernos. Una modelación experimental de las deformaciones que alcanza estos sistemas de pernos se muestra en Hoek et al. (1995) la que esta basada en un estudio previo de Stillborg. De acuerdo a esto, se muestran en la Figura 1 distintas curvas de esfuerzo versus desplazamiento entre dos bloques de hormigón reforzado (que simulan la roca) obtenidas para distintos sistemas de pernos. Para el caso de barras de acero de 20mm grouteadas con cemento es posible ver que existe una carga alrededor de las 15 toneladas (y deformación de alrededor de 2mm) donde el módulo de deformación del sistema-perno disminuye en forma considerable por lo que las deformaciones medidas aumentan considerablemente con la carga aplicada. Además, se observa que existe una carga máxima o de rotura que en el mismo sistema es de aproximadamente 18 toneladas y con un nivel de deformación de aproximadamente 20mm. Luego si se midiese en la práctica la separación que se genera entre bloques de roca se podría determinar que tan cerca (o lejos) se encuentra el sistema de pernos de la falla para esta misma configuración. Sin embargo, existen varios inconvenientes

2 para este tipo de mediciones. Primero se debe medir directamente en la posición donde dos bloques de roca se desplazan entre ellos. Segundo, realizar estas mediciones hasta cerca de la falla implica un riesgo, dado que podría haber caída de bloques en terreno. Tercero, se debe caracterizar el desplazamiento obtenido de acuerdo a las condiciones propias geológicas/geotécnicas existentes en cada mina. Figura 1. Deformaciones de pernos de sostenimientos en laboratorio (En Hoek et al. 1995, de acuerdo a ensayos de Stillborg) Por otra parte el diseño de pernos en rocas ganó gran experiencia durante el diseño y construcción de cavernas subterráneas para el proyecto Australiano hidroeléctrico de Snowy Mountain (Brown,1999) a partir del cual Lang (1961) incorporó el concepto de que los pernos de sostenimiento pueden ser usados para generar un arco estable o reforzado alrededor de la cavidad aumentando su estabilidad. Esto implicaría que los pernos de sostenimiento pueden quedar sujetos a otro tipo de deformación en la práctica, además de los descritos como separación de bloques. Pells (2008) establece físicamente que el ejemplo de Lang de un balde con roca molida y pernos que puede ser invertido y mantiene la roca en su interior no corresponde a la situación real en túneles en roca y que el concepto de un arco comprimido que aumenta su resistencia comúnmente utilizado en libros no corresponde a cómo actúan los pernos en terreno. Pells postula que los pernos actúan transmitiendo fuerzas de tracción como un elemento estructural (tal como el acero en el hormigón armado) previniendo la desintegración del macizo rocoso, manteniendo la integridad geométrica del túnel de tal modo que los esfuerzos pueden ser redistribuidos de tal forma que el macizo rocoso es capaz de soportar la carga alrededor del túnel. Por lo tanto los pernos de sostenimientos dependiendo de la calidad de la roca pueden trabajar en alguna o algunas de las siguientes formas: - Creando un arco reforzado - Previniendo la caída de bloques individuales - Cómo elemento estructural transmitiendo tracción entre bloques manteniendo la geometría. - Prevención de desprendimientos violentos de bloques (Rock Burst) Cada una de estas formas genera un tipo de deformación particular en los pernos de sostenimiento y por lo tanto implica cambios en el diseño de estos. No existe un consenso general del tipo de análisis que se debe realizar.

3 En este trabajo se describe un sistema de medición de deformaciones en pernos que permita deducir las deformaciones a lo largo de estos en forma continua y segura, al no ser necesario que exista personal de medición en las cercanías de la zona donde se encuentra el perno. Esto se logra a través de un sistema de medición en base a fibra óptica pegada a lo largo del perno y monitoreada a través de un sistema de medición de deformaciones BOTDR, el que será descrito mas adelante. Al ser instalado en terreno, este tipo de sistemas podrá deducir cómo trabaja el perno de sostenimiento en distintas condiciones, con lo que se podrá determinar un diseño adecuado de estos en la práctica. SISTEMA DE MEDICIÓN DE DEFORMACIONES BOTDR. Mediciones de deformaciones unitarias en estructuras tales como puentes, túneles, tuberías, edificios y también en túneles mineros son de gran importancia. Mediciones de deformaciones unitarias mediante el uso de sensores BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometry) han demostrado ser una alternativa interesante para el monitoreo de estructuras civiles tal como lo explica Kim et al. (2002). El sistema de medición BOTDR es una técnica de medición basado en fibra óptica donde es posible medir parámetros físicos de la fibra a grandes distancias. En este sistema el largo completo de la fibra puede ser utilizado como sensor y además transmitir la información en forma simultánea. El método BOTDR permite medir la deformación unitaria en forma continua a lo largo de la fibra óptica con una resolución de 0.01%. Esta técnica se basa en el hecho de que un pulso de luz dentro de la fibra viaja por ella y generando una luz reflejada en cada punto. Esta luz reflejada presenta un cambio de frecuencia que depende de la temperatura y deformación de la fibra óptica localmente. Este cambio de frecuencia es medido por el equipo BOTDR y de esta forma se deduce la deformación unitaria a la que se somete la fibra óptica en cada punto (considerando que la temperatura se mantiene constante o se ha medido en forma independiente). Sensores de fibra óptica tienen diferentes ventajas con respecto de otros sistemas de medición. Entre estas ventajas están: inmunidad a interferencia electromagnética, ser sensores livianos y de tamaño pequeño, bajo poder de alimentación, un gran número de sensores pueden ser monitoreados en forma simultánea desde un sistema de adquisición de datos y el personal con el equipo pueden estar a grandes distancias (mas de 1 Km) de la zona monitoreada mejorando la seguridad tal como lo menciona Kurashima (1997). En este sentido este tipo de sensores podrían ser de gran apoyo a actividades mineras. Este artículo muestra un nuevo sensor basado en el sistema BOTDR para medir las deformaciones que se generan en un perno de anclaje en roca. Este sistema de medición es validado en forma experimental y comparado con mediciones mediante strain gauges en puntos a lo largo de los pernos ensayados. PERNO INSTRUMENTADO CON FIBRA ÓPTICA Se instrumentaron pernos de acero helicoidales de 22mm de diámetro y largos entre 2 y 4m, los detalles de la instrumentación dependen del tipo de ensayo ejecutado, entre los cuales se encuentran ensayos a tracción pura en laboratorio, ensayos a tracción pura en terreno y ensayos de barras ancladas a la losa de hormigón con distintos materiales (Sandoval 2010). Los ensayos realizados modelan dos tipos de solicitación teóricamente esperados en caso de formación de un bloque de roca deslizante (ver modelos A y B en Fig. 2). El modelo A representa la zona anclada del perno en la roca. El modelo B representa una zona libre sin unión a la roca que se encuentra en tracción. En este artículo se muestran algunos resultados de los ensayos de pernos anclados en una losa de hormigón armado.

4 Fig. 2. Modelos de solicitación representados en ensayos de laboratorio y terreno La instrumentación en pernos contempló, en general, las siguientes etapas: - Instalación de strain gauges en la superficie lisa y debidamente acondicionada del perno (ver Fig. 3). - Fusión de distintos tipos de fibra para completar el circuito requerido por el sistema BOTDR (ver Fig. 4) - Tensado inicial de fibra sensora - Pegado de fibra sensora al perno, en superficies lisas de éste. - Comprobación de lectura inicial de fibra y strain gauges para verificar su buen funcionamiento antes de cada ensayo. El tensado inicial o pretensado de la fibra se realizó pegando un punto de la fibra a la barra con adhesivo instantáneo de alta resistencia, y luego estirando la fibra mediante un peso conocido de aproximadamente 2,0 Kgf, para finalmente pegar la fibra por tramos. El pretensado aplicado a la fibra que queda adherida al perno, se traduce en una deformación inicial de aproximadamente 0.2%. Fig 3 Instalación de strain gages en pernos de sostenimiento.

5 Fig. 4 Vista fusiones fibra ultraflexible con fibra embossing. La fibra óptica utilizada en estas mediciones permite continuar midiendo si se mantiene un radio de giro mínimo de 5 cm. Esto no es posible de efectuar en pernos de 22mm de diámetros (ver Fig. 5) por lo que se fusiona en este sector una fibra flexible que transmite la luz (sin medir deformación) permitiendo dar el giro necesario (ver Fig. 5). Adicionalmente, para evitar daños en la fibra óptica durante la instalación en terreno (en especial en la punta donde se encuentra el loop con fibra flexible), se fabricó un cartucho de resina de forma cilíndrica, que cubre toda la zona del loop y fusiones de fibra (ver Fig. 6), que en la práctica están ubicadas dentro de la roca. El procedimiento para construir esta protección consiste en la utilización de un tubo de PVC de un diámetro interior tal que permita insertar dentro de él, el perno con la zona del loop y que además sea menor que el diámetro de la perforación donde se instalará el perno. Este tubo actúa como molde sobre el perno para verter resina epóxica que cubrirá toda la zona del loop (ver Fig. 6). Fig. 5. Vista real zona de loop con fibra ultra-flexible recomendada

6 a) b) Fig. 6. Protección zona de loop mediante cobertura de resina epóxica; a)vaciado de resina en molde de PVC,b) Después del llenado. ENSAYOS EN PERNOS INSTRUMENTADOS. Para determinar la factibilidad de utilizar la fibra óptica como sistema de medición se realizan distintos ensayos a la fibra óptica y a los pernos instrumentados con fibra óptica. Dentro de los ensayos realizados a pernos instrumentados se tienen ensayos de tracción simple en pernos, y ensayos que buscan representar los modelos de carga A y B mostrados en la figura 2. En la Figura 7 se muestran detalles de los ensayos del tipo bloque A (Fig. 7 a y los ensayos del tipo B (Fig. 7 b). En esta figura se puede observar la ubicación de los strain gauges que son utilizados para compararlos con la deformación deducida mediante la fibra óptica. Tal como se mencionó anteriormente con el sistema BOTDR deducen la deformación unitaria de la fibra mediante mediciones del cambio en el espectro de frecuencia de la luz reflejada que viaja por la fibra. Este sistema funciona muy bien cuando se tienen largos con deformación relativamente constante de aproximadamente 1m de largo, como mínimo. Sin embargo, cuando se tienen una o más deformaciones (o cambio continuo de deformación) en un tramo menor a 1m de longitud, el espectro de frecuencias comienza a mostrar mas de un peak de frecuencias tal como se muestra en la Figura 8 para dos posiciones a 20 cm de distancia. Es por esta razón que la utilización automática del peak de frecuencia demuestra no ser adecuada para mediciones de deformación en el perno instrumentado donde la deformación cambia en forma continua a lo largo de este. Para resolver este problema con las mediciones de cambio de frecuencia peak en el espectro de frecuencias (ver Fig. 8) se utilizan alternativas de deducción de frecuencia peak que buscan determinar adecuadamente las deformaciones a lo largo del perno instrumentado. Las siguientes son las alternativas analizadas. Alternativa 1: Se le suma 100dB a las mediciones del espectro de frecuencia medido en cada punto de la curva, permitiendo que la curva posea sólo valores positivos. Luego de esto se integra la curva modificada de modo de obtener las frecuencias promedio. Alternativa 2: Semejante a la alternativa 1 pero sin cambiar el espectro de frecuencias origina (el cual contiene valores negativos). Luego se calcula el valor Δfrecuencia como:

7 frecuencia 11,0 Frecuencia _ Promedio [GHz] Ec. 1 Alternativa 3: Similar a las Alternativas 1, pero se desplaza o suma a cada punto de la curva el valor mínimo del rango seleccionado. Este valor mínimo es el más negativo encontrado en el registro de espectro de frecuencia original. De esta manera, se desplaza la curva completa en dicho valor mínimo, haciendo positivos todos los puntos del rango. En la Fig. 9 se muestra un ejemplo de este desplazamiento, la que efectivamente queda con valores positivos. Fuera de los rangos analizados, esto ya no se cumple. Luego se calcula el promedio obtenido para esta alternativa. a) Fig.7 Instalación experimental; a) Ensayos Falla Tipo Bloque (B), b) Ensayos Zona Anclada b)

8 a) b) Fig.8. Ejemplo de dos peaks claramente distinguibles, carga kgf; a). Posición 9.48m, b) Posición 9.68m Setup (paso): 10 MHz Fig. 9. Curva de espectro de frecuencia trasladada según Alternativa 3. Alternativa 4 Transformar las curvas de espectro y devolverlas a su forma original en potencia, mediante la aplicación de la función inversa a la que define el decibel (ver Ec. 2). Luego, realizar el procedimiento de cálculo de frecuencias promedio con estas curvas (ver Figura 10). PS db 10 log( ) E.c1 P E

9 Setup (paso): 10 MHz Fig. 10: Curva de espectro de frecuencia modificada según Alternativa 4. Luego en la Figura 11 se muestra la deducción de deformaciones para un ensayo tipo A y se compara con la deformación obtenida mediante strain gauge en el mismo punto analizado con la fibra óptica. Fig. 11 Correlaciones entre frecuencias promedio y deformación medida con Strain Gauges 1. Se puede observar de la figura 11 que es posible encontrar una buena correlación entre la frecuencia promedio (medida con el BOTDR) de la curvas de frecuencia medidas (de acuerdo a alternativas 1, 2 y 4) y mediciones de deformación realizadas con strain gauges. Por lo tanto dependiendo de la ubicación en el perno donde se desea medir la deformación unitaria y de la alternativa de análisis elegida es posible determinar la deformación unitaria mediante el uso de la fibra óptica como sensor. En particular la alternativa 4 muestra tener más de un 90% de correlación con la deformación medida mediante strain gauges. Mayores detalles de esta alternativa y otros ensayos se pueden encontrar en Sandoval (2010).

10 Por lo tanto en este artículo se muestra que es posible instalar fibra óptica en las caras de un perno de sostenimiento y medir las deformaciones que se generan en distintos puntos de este. Esto permitiría instrumentar pernos de sostenimiento en túneles mineros con fibra óptica y determinar la deformación a la que se encuentran sometidos. Una vez determinada esta deformación se podrá determinar el modo más común de trabajo (bloque suelto, arco, etc.) de modo de definir el diseño en forma adecuada según las condiciones del túnel en roca analizado. CONCLUSIONES De acuerdo a lo mostrado en este artículo se puede concluir lo siguiente respecto de la instrumentación de pernos de sostenimiento instrumentados con fibra óptica para túneles en roca. - Es posible instalar fibra óptica como sensor en un perno de sostenimiento de 22mm de diámetro y largos entre 2 a 4m y mayores. Para esto se recomienda utilizar en la punta del perno una fibra flexible y proteger esta zona con resina epóxica para instalación en terreno. - Debido al cambio constante de deformación a lo largo del perno no es posible deducir la deformación axial a lo largo del perno utilizando la medición directa de los peaks de frecuencia que entrega el equipo BOTDR. - Se determina que existen alternativas de deducción de deformaciones mediante el uso de frecuencias promedio de modo de determinar la deformación que sufre en forma particular un punto del perno instrumentado. - La alternativa 4 muestra ser la mas apropiada debido a buenas correlaciones entre las mediciones de strain gauge y la deformación unitaria deducida mediante mediciones de fibra óptica. - La instrumentación de pernos de sostenimiento mediante fibra óptica muestra ser promisoria para su instalación en terreno y determinación de deformaciones que sufre el perno de sostenimiento en túneles en roca. Futuras mediciones pueden demostrar como trabajan los pernos y por lo tanto revisar la metodología de diseño actual de este tipo de sostenimiento. REFERENCIAS E.T. Brown, (1999). The evolution of support and reinforcement philosophy and practice for underground mining excavations. Rock support and Reinf. In Mining, Villaescusa., p , Hoek, E., P.K. Kaiser, and Bawden, W.F., (1995). Support of underground excavations in hard rock. 232 p. S. Kim, J. Lee, and I. Kwon, (2002). Structural monitoring of a bending beam using Brillouin distributed optical fiber sensors, Smart Mater. Struct, vol. 11, pp T. Kurashima, T. Usu, K. Tanaka & A. Nobiki, (1997). Application of fiber optic distributed sensor for strain measurement in civil engineering, SPIE T. Lang, (1961). Theory and practice of rock bolting. Trans Soc Min Eng, AIME, 220, pp Pells, P.J.N, (2008). What happened to the mechnaicas in rock mechanics and the geology in engineering geology?. 6 th Int. Sym. on Ground Support in Mining and Civil Eng. Constr. Sandoval, J., (2010). Resolución especial en la aplicación de fibra óptica (BOTDR) en pernos de anclaje de soporte de túneles. Tesis para MSc Ingeniería Geotécnica. Universidad de Chile.

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