UNIVERSIDAD NACIONAL SAN CRISTOBAL DE HUAMANGA

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN CRISTOBAL DE HUAMANGA FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS, GEOLOGÍA Y CIVIL 9 o CONGRESO NACIONAL DE MINERÍA Comprometidos con el crecimiento sostenible del país TEMA: DISEÑO DE EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS MEDIANTE LA CORRELACION DE CONCENTRACION DE TENSIONES CRÍTICAS DELA MASA ROCOSA. AUTORES: ING. ROBERTO MEZA SALCEDO. Especialista Senior en Geomecánica/Geotecnia - Argentina. ING. INDALECIO QUISPE RODRIGUEZ. Profesor de la Facultad de Ingeniería Minas Geología. Y Civil UNSCH. Octubre 01

UBICACIÓN DE LOS PUNTOS DE LA INVESTIGACIÓN: Túnel Rampa 690 CMH (Prof. = 681m) Túnel Rampa Profundización MARSA (Prof. = 100m) Eplotación Flor de Loto RAURA (Prof. = 1030m 1030m)) Túnel Rampa P +3100 +3100 HUANSALA (Prof. = 550 550m) m)

OBJETIVOS: 1 Determinar en la práctica la relación de estabilidad de la ecavación en función de los criterios de rotura de Hoeck y Brown. Determinar la concentración de tensiones críticas y la relación de la forma de las ecavaciones, y sus incidencias como posibles astillamientos y/o estallidos de roca. δcc = Po St/Sv 10 9 : D AT O S E X P E RI ME NT A L E S o : D AT O S C AL C UL A DO 8 EL IP SE C OM P R ES IÓ N C R ÍTI C A S C ON C E NT R A C IÓ N D E T EN S ION E S D E s t/ s v 3 Demostrar la distribución de tensiones en el contorno de la ecavación que depende de su forma y no necesariamente de su tamaño. 7 6 RE CTÁNG ULO 5 4 3 o o ÓVAL O o o 1 0 m = 1/ 3 0.5 1 1. 5.5 3 3. 5 4 W o /H o

1.-- DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN DE ESTABILIDAD DE 1. LA EXCAVACIÓN DE ACUERDO A LOS CRITERIOS DE ROTURA DE HOECK BROW: Hoek menciona que el coeficiente (σcm/po) controla la estabilidad de la ecavación de acuerdo a las siguientes condiciones: Si σcm/po < 0.15 entonces se genera un campo de deformaciones, el cual se incrementa significativamente, y por ende el radio de la zona plástica. Igualmente para valores σcm/po 0.5 las deformaciones son insignificantes.

a.- Aplicación práctica de la relación de estabilidad de una ecavacion para la Rampa P +3100 - Huanzalá (Etractos de Informes Geomecánicos 007) 007): Se observa que el valor obtenido a través de dicha relación es mucho mayor de 0.15, lo que indica que la deformación a desarrollarse en la cavidad subterránea será muy inferior a la condición crítica, obteniéndose una deformación de 1.11mm/m de radio del túnel. En estas condiciones se requerirá de un soporte menos denso. Calculando parámetros de corte. mi = 17 (roca intacta) m = mi. e((gsi-100)/8) m =.8505 s = e((gsi-100)/9) s = 0.003866 ᶲ ᶲ1 ᶲ = 37.6385 = 66.89 = 7.0 C/ σc σc C σcm = 0.03953, como: = 105 MPa = 4.151MPa = 16.905MPa σcm / Po = 16.905/1.6 σcm / Po (σ3/ σc = 0) (σ3/ σc = 1/4) = 1.34 Sección Roca Profundidad Peso unitario Presión litostático Índice GSI Resistencia : 4.00m 3.50m : Caliza, con mi = 17. : H = 550mt : = ﻻ KN/M3 : Po = σv = ﻻ. H = KN/M3 550M /1000 = 1.6MPa : GSI = 50 : σc = 105 MPa.

b.- Aplicación práctica de la relación de estabilidad de una ecavacion para la Rampa P 690 - CMH (Etractos de Informes Geomecánicos 009) 009): Se observa que el valor obtenido a través de dicha relación es mucho mayor de 0.15, lo que indica que la deformación a desarrollarse en la cavidad subterránea será muy inferior a la condición crítica, obteniéndose una deformación de 18.40mm/m de radio del túnel. En estas condiciones se requerirá de un soporte más denso y pesado. Calculando parámetros de corte. mi = 7 (roca intacta) m = mi. e((gsi-100)/8) m =.65 s = e((gsi-100)/9) s = 0.00073 ᶲ ᶲ1 ᶲ = 37.71 = 73.91 = 6.65 C/ σc σc C σcm = 0.03195, = 65 MPa =.077MPa = 5.811MPa σcm / Po = 5.811/17.71 σcm / Po (σ3/ σc = 0) (σ3/ σc = 1/4) como: = 0.33 Sección Roca Profundidad Peso unitario Presión litostático Índice GSI Resistencia : 4.50m 4.0m : Granodiorita, con mi = 7. : H = 681mt : = ﻻ 6 KN/M3 : Po = σv = ﻻ. H = 6KN/M3 681M /1000 = 17.71MPa : GSI = 35 : σc = 65 MPa.

c.- Aplicación práctica de la relación de estabilidad de una ecavacion para la Rampa Profundización - MARSA (Etractos de Informes Geomecánicos 010) 010): Se observa que el valor obtenido a través de dicha relación es mucho mayor de 0.15, lo que indica que la deformación a desarrollarse en la cavidad subterránea será muy inferior a la condición crítica, obteniéndose una deformación de 8.00mm/m de radio del túnel. En estas condiciones se requerirá de un soporte más denso y pesado. Calculando parámetros de corte. mi = 7 (roca intacta) m = mi. e((gsi-100)/8) m = 3.787 s = e((gsi-100)/9) s = 0.00 ᶲ ᶲ1 ᶲ = 40.5 = 7.35 = 9.53 C/ σc σc C σcm = 0.041, como: = 87.1 MPa = 3.585MPa = 15.56MPa σcm / Po = 15.56/31.0 σcm / Po (σ3/ σc = 0) (σ3/ σc = 1/4) = 0.50 Sección Roca Profundidad Peso unitario Presión litostático Índice GSI Resistencia : 4.00m 4.50m : Granodiorita, con mi = 7. : H = 100mt : = ﻻ 6 KN/M3 : Po = σv = ﻻ. H = 6KN/M3 100M /1000 = 31.0MPa : GSI = 45 : σc = 87.1MPa.

.- DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN EXISTENTE ENTRE LAS.CONCENTRACIONES DE TENSIONES CRÍTICAS Y LA FORMA DE LA CAVIDAD DE ACUERDO OBERT Y DUBALL, 1967 Y HOEK BROWN r r = 180 a = 70 = 0 r h = k v Esfuerzo Horizontal CONCENTRACIÓN DE TENSIONES DE COMPRESIÓN CRÍTICAS = 90 s t/ s v v = Esfuerzo Vertical 10 : DATOS EXPERIMENTALES +: DATOS EXPERIMENTALES o: DATOS CALCULADO 9 8 ELIPSE 7 RECTÁNGULO 6 5 4 o+ + + + 3 o o+ + ÓVALO o 1 0 m=1 0.5 1 1.5.5 3 3.5 4 Wo /Ho

.- DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN EXISTENTE ENTRE LAS.CONCENTRACIONES DE TENSIONES CRÍTICAS Y LA FORMA DE LA CAVIDAD DE ACUERDO OBERT Y DUBALL, 1967 Y HOEK BROWN H ﻻ δcc Po St/Sv Wo/Ho : Profundidad o altura litostático (m) : Peso unitario del macizo rocoso (KN/m3) : Esfuerzo compresivo crítico en el contorno de la ecavación (MPa) : Presión litostático o tensión natural vertical (MPa) : Concentración de tensión Compresivo crítico. (Figura) : Relación de Ancho / Altura de la ecavación. (Figura) De acuerdo a los estudios realizados por varios autores con respecto de la influencia de tensiones naturales a la estabilidad de la ecavación subterránea. Dieron la relación entre la resistencia a la compresión uniaial de especímenes de 50mm y las tensiones medidas en la ecavación (σc/σθ): *.- Hoek y Brown (1980), si σc/σθ > 7 la labor es estable, si σc/ 4 a 7 habrá poco astillamiento, si σc/ 1.5 a 3 astillamiento severo. *.- Russenes (1974), si σc/σθ > 4 la labor es estable y si σc/σθ 3 a 4 habrá poco astillamiento, si σc/σθ 1.5 a 3 habrá astillamiento moderado y necesita sostenimiento pesado. *.- Grimstard y Barton (1974), si σc/σθ > 3 nivel de tensión aceptable y si σc/σθ a 3 habrá poco astillamiento.

a.- Determinación de la concentración de esfuerzos critico criticos s (Astillamientos Astillamientos,, Potencial estallido de rocas rocas) ) para las ecavaciones que se determinó en la parte 1: a.- Acápite 3.: Rampa P +3100, σc Po W o/ho St/Sv Δcc = 105 Mpa: = 1.6 Mpa = 4/3.5 = 1.14 (ancho/altura) =.5 (Figura) =.5 1.6 = 8.35 Mpa σc/δcc = 105/8.35 = 4.0, Labor estable, con poca actividad de astillamiento. b.- Acápite 3.3: Rampa 690, σc Po W o/ho St/Sv Δcc = 65 Mpa: = 17.71 Mpa = 4.5/4. = 1.0 (ancho/altura) =.0 (Figura A.7) =.0 17.71 = 35.4 Mpa σc/δcc = 65/35.4 = 1.8, Labor estable, pero con sostenimiento más pesado. c.- Acápite 3.4: Rampa a 100 mt de prof, σc Po W o/ho St/Sv Δcc = 87.1 Mpa: = 31.0 Mpa = 4.0/4.5 = 0.88 (ancho/altura) = 1.85 (Figura A.7) = 1.85 31.0 = 57.7 Mpa σc/δcc = 87.1/57.7 = 1.51, Labor con potencial de estallidos. Necesita sostenimiento más pesado. K = 0.4 + 850/z

b.- Casos prácticos de esfuerzos critico criticos s (Astillamientos Astillamientos,, Potencial estallido de rocas rocas) ) para las ecavaciones que se determinó en la parte a: v = Esfuerzo Vertical = 90 = 180 a = 70 =0 h = k v Esfuerzo Horizontal

b.casos prácticos de esfuerzos critico criticos s (Astillamientos Astillamientos,, Potencial estallido de rocas rocas) ) para las ecavaciones que se determinó en la parte a (Caso Raura 01) 01): DATOS: Altura litostática Z = 1030mt, σv = 10Mpa Densidad de la roca ﻻ =.75 Ton/m3 Esfuerzo vertical σv =,83.50 Ton/m (8.35Mpa) Esfuerzo vertical σh = 3,540.63 Ton/m (35.406Mpa) Para el techo, hastial y piso de la ecavación σθ = 3 σh σv σθ = 77.89Mpa Y la relación de σc/σθ = 10/77.89 = 1.54. El valor de σc/ 1.54, es indicativo de que eiste alta actividad de estillamiento, con probabilidad de estallidos de roca. Por lo que necesitará de sostenimiento con capacidad de admitir altas deformaciones

b.- Casos prácticos de esfuerzos critico criticos s (Astillamientos Astillamientos,, Potencial estallido de rocas rocas) ) para las ecavaciones que se determinó en la parte a (Caso Raura 01) 01): Con la relación de σc/ 10/77.89 = 1.54. El valor de σc/ 1.54, es indicativo de que eiste alta actividad de estillamiento, con probabilidad de estallidos de roca. Por lo que necesitará de sostenimiento con capacidad de admitir altas deformaciones

b.- Casos prácticos de esfuerzos critico criticos s (Astillamientos Astillamientos,, Potencial estallido de rocas rocas) ) para las ecavaciones que se determinó en la parte a (Caso Raura 01) 01): 1 1 1 (σh + σv ) 1 + (σh + σv ) 1 + (σh + σv ) a r a a - - - 1 1 1 (σh + σv) - (σh - σv) Cos θ (σh - σv ) 1 + (σh - σv ) 1 + (σh - σv ) 4 3a 4 r 4 3a Cos θ (σh + σv ) - (σh - σv ) Cos θ (σh + σv ) - (σh + σv ) - (σh - σv ) Cos 0 (σh + σv ) - (σh - σv ) Cos 180 (σh - σv ) Cos θ 4 Cos θ (σh + σv ) - (σh - σv ) (σh + σv ) + (σh - σv ) 4 Cos θ (σh + σv ) - σh + σv (σh + σv ) 3σv - σh 3σh - σv a En Hastiales + σh - σv En techo y piso

3.-- DEMOSTRACIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES EN 3. EL CONTORNO DE LA EXCAVACIÓN QUE DEPENDE DE SU FORMA Y NO DEL TAMAÑO Y Y = 1/f [a 1 - /a 1 ] ZONA FRACTURADA P b qv ENCRIBADO Ø5" X ENCRIBADO Ø5" SOMBRERO Ø8" 10' SOM BRERO Ø8" 10' 10' 10' Ø 8" H P O S T E Ø8" S T E P O 10' Ø 8" P O S T E Ø8" S T E Rb P O qb 10' Tope Ø 8'' Y (90 +? )/ Eiste la teoría de PROTODYANOKOV, muy similar al te TERZAGHI 1946, que si el macizo rocoso en la que se realiza la ecavación no es capaz de resistir las presiones tangenciales, la roca abandonará el dominio elástico y se plastificará llegando a producirse fracturas visibles en el perímetro de la ecavación. Que serían los casos de los tajos de CMH - 008. Por lo tanto, la zona fracturada tiene una configuración parabólica tal como se ilustra en la figura. La altura máima de la parábola viene epresada por la relación: b = a1 / f = (Hc) máima Pv = [b (γ (c/b)) /.Tang Ø] [1-e (.H.Tang Ø /b)]

3.- DEMOSTRACIÓN DE LA 3.DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES EN EL CONTORNO DE LA EXCAVACIÓN QUE DEPENDE DE SU FORMA Y NO DEL TAMAÑO Pernos Pernos Tramo del tj 66 rellenado sin poliyute y malla TAJO 66N Etremo de tj 66 rellenado con poliyute y malla (embolsado)

3.-- DEMOSTRACIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES EN 3. EL CONTORNO DE LA EXCAVACIÓN QUE DEPENDE DE SU FORMA Y NO DEL TAMAÑO Tubería de releno 3 BS. Cámara Transf. BS. armado CX614N 4 BS. 3 Tapón Relleno Ciego 1 BS. 1 Tapon de concreto 3 BS. 6 3 Tapón Tapón Cámara Transf. CX614N 4 BS. Tapón Gl747N BP746N 1 BS. 1 BS. Tapon de concreto armado Gl747N BP746N

3.- DEMOSTRACIÓN 3.DE LA DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES EN EL CONTORNO DE LA EXCAVACIÓN QUE DEPENDE DE SU FORMA Y NO DEL TAMAÑO

3.- DEMOSTRACIÓN DE ESTAS 3.TEORIAS EN EXCAVACIONES GRANDES CAVERNAS TÚNEL COVEYOR DEFORMACIÓN ELÁSTICA : Condición estable de la caverna Sin ningún tipo de acción de sostenimiento. DEFORMACIÓN PLÁSTICA : Condición estable de la caverna, pero con acción de sostenimiento (Pernos + shotcrete + cables pre tensados). ROTURA: Condición inestable y colapso de la caverna.

CONCLUSIONES: El dimensionamiento de sostenimiento en las ecavaciones depende fundamentalmente de la calidad del macizo rocoso, de las dimensiones de las ecavaciones y del estado tensional eistente en el terreno. Las condiciones geomecánicas del macizo rocoso determinan el tamaño de las ecavaciones subterráneas, eigir mayores dimensiones de su capacidad de soporte de la roca, requiere adicionar un tipo de sostenimiento que garantice su estabilidad. De acuerdo a los ejemplos y teorías analizados en esta investigación, los esfuerzos tangenciales o la concentración de esfuerzos en el contorno de la ecavación depende de la forma y no necesariamente del tamaño de la ecavación. Tal es así que Hoek y Brown en sus investigaciones determina los esfuerzos tangenciales en los enclaves y hastiales para túneles de diferentes geometrías.

CONCLUSIONES: En esta investigación se da un alcance, de una forma de cuantificación de los fenómenos de astillamiento hasta estallidos de roca en una ecavación, que está en función a la relación de la resistencia compresiva uniaial de la roca y el esfuerzo tangencial o esfuerzo compresivo crítico que se da en el contorno En Perú se tiene avances en la determinación de la ley tectónica in situ del Batolito de Pataz (Perú). A la cual se tiene el coeficiente de reparto de tensiones promedio (K = 0.4 + 850/z), donde z es la profundidad desde la superficie hasta la ecavación subterránea.

GRACIAS