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Perforação em roca blanda no pais da Bolivia
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Sergio Sánchez Rodríguez Geoconsult España Ingenieros Consultores s_sanchez@geoconsult.es
Ero Vinicius Silva Espiña Geoconsult España Ingenieros Consultores ev_silva@geoconsult.es
Luis Gil López Geoconsult España Ingenieros Consultores l_gil@geoconsult.es
Iván Bobes Trigal Geoconsult España Ingenieros Consultores i_bobes@geoconsult.es
Las rocas blandas constituyen un grupo de materiales con características de comportamiento propias, que influyen a la hora de afrontar tanto el diseño como la excavación en túneles. Entre otros aspectos, su baja resistencia, degradabilidad, comportamiento diferido marcan claramente su comportamiento ante las distintas situaciones de fracturación, humedad y estado tensional que pueden darse durante la excavación. Del mismo modo, la evaluación del comportamiento de estos materiales, tanto en fase de diseño como de obra exigen el empleo de técnicas y criterios específicos. En este artículo se presentan 2 experiencias recientes en ambientes andinos en las que se ha afrontado difíciles condiciones geotécnicas. A mayores se resumirá otra experiencia fuera de ambientes andinos que se considera representativa del tipo de materiales tratados.
Palabras claves : Túneles, Rocas blandas, Squezing, modos de fallo.
Aunque tradicionalmente las rocas blandas se definen como la transición entre el suelo y la roca dura, asignándole esta nomenclatura en función de los resultados de laboratorio, esta división es útil a nivel de descripción geológica.
Desde un punto de vista ingenieril, se puede considerar que las rocas blandas engloban todos aquellos tipos de roca que son susceptibles de sufrir grandes deformaciones plásticas ante las cargas existentes. Así la definición de las mismas se amplía no sólo desde un concepto de caracterización, sino también desde el punto de vista del estado tensional en el que se encuentra.
En este artículo se muestran algunas experiencias recientes de excavación en túneles en lo que se pueden definir como rocas blandas debido al comportamiento deformacional observado o debido al terreno excavado. Los casos expuestos ayudarán a exponer los diferentes problemas habituales en este tipo de materiales. Igualmente, se prestará especial atención al problema generalmente conocido como squeezing.
PROBLEMÁTICA GENERAL DE LOS TÚNELES EN ROCAS BLANDAS
A la hora de analizar la problemática de los túneles en rocas blandas, la primera cuestión que surge es qué se entiende por rocas blandas. En este sentido un buen análisis se recoge en la publicación de Kanji [1], donde se distingue entre roca blanda (soft rock) y roca débil (weak rock); haciendo alusión en el primer caso meramente a la resistencia a compresión uniaxial de la roca intacta, y en el segundo caso a un concepto más amplio que engloba al macizo rocoso, procesos de alteración, la presencia de zonas de debilidad, etc. Atendiendo únicamente a la primera definición, suele entenderse por rocas blandas cuando se habla de litologías que presentan resistencias de roca intacta inferiores, aproximadamente, a los 25 MPa (Figura 1).
Posteriormente Manchao [2] amplia esta definición y asigna a la anterior, una visión geológica de la problemática y modifica la definición a la hora de realizarla desde un punto de vista ingenieril. Así, pasa a considerar rocas blandas todos los tipos de roca que son susceptibles de sufrir grandes deformaciones plásticas ante las cargas existentes, ampliando la definición de las mismas no sólo desde un concepto de caracterización, sino también desde el punto de vista de las “cargas ingenieriles” a las que está sometido el macizo.
Para ello, define “cargas ingenieriles” como la suma de todos los tipos de cargas que actúan sobre el macizo rocoso tales como gravedad, tensiones residuales, hinchamiento y fuerzas debidas a la distorsión del terreno inducidas por las excavaciones. Complementariamente, define grandes deformaciones plásticas, como aquellas que están por encima del valor estimado de diseño y pueden afectar al uso previsto.
Esta nueva clasificación se encuentra, por tanto, más ligada al comportamiento del terreno en lugar de a las propias características del mismo.
Por otro lado, a la hora de la caracterización de los materiales que nos ocupan, deben tenerse en cuenta una serie de dificultades inherentes a sus condiciones. Así, los principales problemas se encuentran en este sentido, podrían resumirse en los siguientes [1]:
Se debe destacar la idoneidad en estos materiales de realizar ensayos de post-rotura o tal y como se hicieron para el Túnel de base de San Gotardo la posibilidad de modificar equipos de triaxiales en suelo para adaptar las cargas de trabajo a cargas más elevadas, lo que ha permitido el ensayo de rocas blandas y mejorado los resultados obtenidos [13].
En cualquier caso, quizá uno de los aspectos que ha supuesto grandes fracasos o, al menos, importantes retrasos en la ejecución de obras subterráneas, es el fenómeno que diversos autores llaman squeezing y que, en términos precisos, conlleva grandes deformaciones en el macizo de forma diferida en el tiempo; si bien el matiz de acción diferida en el tiempo (fluencia o creep) no siempre se cumple cuando los profesionales hablan de este fenómeno o, quizá, se entiende por tal cuando la estabilización se logra a una distancia alejada del frente. (superior a 3 diámetros); tal vez debiéndose restringir la identificación de squeezing con el largo plazo sólo para los casos más extremos.
Hoek [4], [5] y [6] cuenta con numerosas publicaciones que facilitan un acercamiento sencillo al problema, permitiendo de forma preliminar evaluar la susceptibilidad de los macizos a sufrir este tipo de problemas y apuntando soluciones para afrontar la excavación y sostenimiento.
En general, tal y como puede ver se la Figura 2 y Figura 3 , el mayor o menor grado de squeezing suele asociarse a lo que podríamos denominar „factor de competencia‟, y que no es sino el ratio cm/p 0 , es decir el cociente entre la resistencia a compresión uniaxial del macizo rocoso y la tensión de campo. Sin embargo, parece claro que existen muchos otros factores que, sin bien pudieran no tener la relevancia del anterior, en ocasiones pueden resultar críticos.
Se debe desatacar, tal y como indica Aydan [3], que uno de los prerrequisitos para el desarrollo del fenómeno de squeezing es un alto porcentaje de partículas microscópicas y submicroscópicas de minerales de mica y arcilla con una pequeña capacidad de hinchamiento. De igual modo, la presencia de una clara estratificación y de agua juega también un papel importante.
Es también interesante el hecho de que, en los estudios iniciales del fenómeno [3], se asumía que las deformaciones desarrolladas podían asociarse a 3 patrones diferenciados, tal y como se muestra la Figura 4. Algo a lo que recientemente se viene prestando menos atención, pero que la experiencia de los autores hace creer que cuando menos existirían mecanismos solapados (pandeo de estratos, deslizamiento de bloques).
A continuación, se analizan 2 casos prácticos recientes donde varios de los aspectos anteriormente citados se ponen de relieve, ilustrando cómo es posible afrontarlos e identificarlos. Se considera, igualmente, un último caso que ayuda a comprender la complejidad de ciertos fenómenos abordados.
Figura 2. Ejemplo de evaluación de la susceptibilidad a desarrollar squeezing para diferentes litologías y recubrimientos según Hoek [4]
Figura 3. Observaciones de Chern et al (1998) de túneles en Taiwan [4]
Figura 4. Clasificación de las formas de fallo en túneles con problemas de squeezing (plastificación general, pandeo, deslizamiento de bloques por estructura preexistente o aislados por cortante)
PROYECTO HIDROELÉCTRICO SAN JOSÉ. BOLIVIA
El Proyecto Hidroeléctrico San José (Región de Cochabamba, Bolivia) propiedad de ENDE y gestionado por la agencia pública CORANI, incluye 2 centrales hidroeléctricas (San José 1 y San Jose 2) con una potencia de 55 y 69 MW respectivamente. La Figura 5 muestra un esquema del proyecto. El proyecto presenta una longitud total de 15,7 km en subterráneo. La sección de los túneles en presión ha sido en herradura, con un ancho aproximado de 4,0 m.
Los materiales en la zona del proyecto de San José 1 son principalmente areniscas de la formación San Benito (Osb; Ordovícico) y Lutitas (Sk) de la formación del Silúrico Kirusillas. En la zona de San José 2 se vuelve a encontrar la formación Kirusillas, en transición gradual con la formación Tarabuco (St), de la misma edad y conformada por Limolitas y Areniscas. Toda la zona se encuentra recubierta por materiales Cuaternarios coluviales o fluvio-glaciares que influyen principalmente en la zona de portales y obras superficiales, aunque incluso han tenido impacto en el trazado de los túneles, en particular de la conducción denominada como San José 1 „secundario‟.
Estas deformaciones máximas se corresponden con los sectores de mayor montera, donde según la revisión de proyecto era esperable fenómenos de “squeezing”, añadiéndose a este fenómeno de deformación la intersección de varias fallas en estos sectores.
Así, la mayor problemática de índole constructiva del túnel de San José fue debida a la combinación de fenómenos de Squeezing, pandeo de los estratos e intersección de fallas oblicuas a eje del túnel en el sector de mayor cobertera, con valores comprendidos entre 450 y 505 m de recubrimiento.
Debido a esto se tuvo que realizar modificaciones al diseño propuesto, reforzándose el sostenimiento requerido para dichas calidades, con pernos de 4 m y aumentando la densidad de los mismos; variándose por lo tanto la malla originalmente propuesta.
Por otra parte, se puede comprobar cómo los registros de convergencia no exhibieron estabilización clara hasta una distancia superior a los 100 m desde la excavación de la sección
Figura 8. Distancia al frente Vs desplazamiento de las cuerdas en pk 2+685.
LA OBRA DEL TÚNEL DE INCAHUASI
El túnel de Incahuasi se encuentra ubicado en la zona Sureste del estado plurinacional de Bolivia entre los departamentos de Chuquisaca y Santa Cruz, pertenecientes a las provincias de Luis Calvo y Santa Cruz respectivamente.
Se emplaza dentro de la carretera conocida como "Corredor de Integración Diagonal Jaime Mendoza” siendo parte de la Ruta RVF 006 „Machacamarquita – Sucre – Hito Villazón (Frontera Paraguay).
El túnel, con una longitud total de 1.260, se encuentra ubicado en la carretera existente actualmente entre las localidades de Monteagudo e Ipati, a unos 15 km al Este de la localidad de Muyupampa, cruzando bajo la cadena montañosa de la serranía del Incahuasi.
El túnel se ha ejecutado mediante la excavación simultánea desde las dos bocas o portales.
A nivel de detalle del túnel la estructura geológica está constituida por un anticlinal que se encuentra cortado por varias fallas geológicas. Las litologías principales son areniscas y lutitas de baja a media calidad geotécnica, y baja a media resistencia; de carácter evolutivo. Se trata de materiales de edad paleozoica, devónico y carbonífero.
Figura 9. Perfil geológico del túnel de Incahuasi
En cuanto a la hidrogeología del túnel, en el frente de ataque Este (lado Ipati), no ha habido grandes filtraciones, habiéndose producido únicamente goteos y humedades. En el frente Oeste (Lado Muyupampa), en cambio, ha existido una zona con importantes filtraciones, lluvia en el interior del túnel y zonas con flujo constante, esta filtración se produce por la propia porosidad de las areniscas y las diaclasas principales, así como en las zonas de falla.
Geotécnicamente hablando los materiales son de calidad geomecánica baja a media, lo cual no se reflejaba en el Proyecto con el que se licitó la obra. A continuación, se muestra una comparación entre las estimaciones realizadas en el proyecto y las medidas reales de calidad del terreno.
Figura 10. Comparación calidades del terreno estimadas (Proy.) y reales (Obra)
Los principales problemas que han surgido durante la construcción del túnel están provocados por la naturaleza y el comportamiento geomecánico de los terrenos atravesados.
Como casos particulares en la excavación de este tipo de túneles en rocas blandas, se nos presentaron zonas con condiciones hidrogeológicas muy desfavorables, con grandes filtraciones y aportes importantes de agua al túnel, como ocurre en el frente Oeste, que
aplicar el shotcrete que constituye el sellado y el sostenimiento del túnel. La aparición de grietas por las que discurre el agua va provocando el lavado de las mismas al ser intersectadas por el frente de excavación, lo que provoca continuas afluencias e incluso el desprendimiento de bloques o pequeños derrumbes que complican los trabajos de avance.
Las medidas adoptadas para paliar estos inconvenientes han sido:
TÚNELES DE MANAJLE Y PREDEJANE
Los túneles de Manajle y Predejane se encuentran ubicados en la Autopista E-75 Belgrado - Niš – Frontera de Macedonia, en el sector Caričina Dolina – Vladičin Han. Ambos túneles presentan una configuración de túneles bitubo con galerías de conexión entre ambos. La anchura de la sección en ambos túneles es de 11,30 m.
Los tubos del túnel de Manajle presentan una longitud de entre 1.690 y 1.682 m de excavación en mina y 7 galerías de conexión, con un recubrimiento máximo de 200 m.
El macizo excavado fue un esquisto muy fracturado con una matriz micacítica moderadamente alterada con una resistencia débil/media. En la zona central del túnel se alcanzó una zona de intrusión dacítica en cuyo contorno se detectó una fuerte alteración hidrotermal.
La esquistosidad principal es continua y está bien desarrollada, debido al ligero metamorfismo sufrido. Las juntas son planas y lisas con frecuentes rellenos arcillosos blandos, en algunos casos rellenan las fracturas filitas arcillosas totalmente meteorizadas que realmente podrían en muchos casos constituir intercalaciones. Los frentes se encontraron húmedos y ocasionalmente mojados.
Los problemas de estabilidad en el túnel se vincularon fundamentalmente a la presencia de filitas arcillosas totalmente meteorizadas, cuando en el frente se encontraban en un porcentaje mayor del 15% y los citados niveles se encontraban en una posición desfavorable o en la clave de la sección.
La calidad del macizo encontrada a lo largo de la excavación muestra valores bajos (RMRc < 40), menos en la zona donde se alcanzó la dacita donde la calidad del frente mejoró considerablemente.
A lo largo de toda la excavación del túnel se encontraron muchos problemas resultando los principales:
progresivo que lleva a la generación de amplias sobrexcavaciones en la clave del túnel.
Así, debido a que el comportamiento del terreno estaba claramente marcado por la presencia de las capas de filitas arcillosas muy meteorizadas, el comportamiento de las secciones era totalmente anisotrópico, tal y como se puede observar en el seguimiento de las convergencias. Por otra, también se debe destacar que los comportamientos del terreno no se repetían en ambos tubos en las mismas secciones, lo que confirmaba el comportamiento indicado anteriormente.
Figura 11. Convergencia en el entorno de la progresiva 893+865.
Así que aunque en este caso los sostenimientos estaban acordes con las clasificaciones realizadas en el frente, la presencia de los capas de filitas arcillosas alteradas modifican el comportamiento de toda la sección por lo que los sostenimientos diseñados no eran suficientes para las secciones problemáticas.
Del mismo modo la evolución de las peores patologías se ha desarrollado a pesar de que el frente se alejaba, y hasta que tras las actuaciones de refuerzo o sustitución de los sostenimientos las secciones se estabilizaron.
Las soluciones constructivas aplicadas fueron las habituales en este tipo de macizos y, fundamentalmente, enfocadas al presoporte de los terrenos con la dificultad de respuesta que la gran variabilidad impuso; si bien quizá un mejor planeamiento previo hubiera paliado, al menos parcialmente, parte de los retrasos sufridos.
Por otro lado, si bien existen numerosas herramientas en la bibliografía de tipo empírico o semiempírico como la tan extendida propuesta de Hoek, éstas se centran en el factor de competencia (cm/p 0 ) o relación entre resistencia y estado tensional considerado de forma simplificada por la tensión de campo cuando, muy seguramente, existen otros factores influyentes que deberían analizarse con mayor detalle y entre los que principalmente debería estar la estructura del macizo y la mineralogía de la roca matriz y el relleno de las juntas.
CONCLUSIONES
En este artículo se ha buscado ahondar en la definición de lo que se suele conocer como „rocas blandas‟, mostrando que la misma no sólo se encuentra asociada a su resistencia, sino que debe ser más amplia y vinculada a factores como la fracturación, degradabilidad, etc… La consideración de las cargas a que estarán sometidos los macizos y que juegan, por supuesto, un papel fundamental en su comportamiento, debe formar parte igualmente de dicha definición.
A pesar de las dificultades inherentes a la toma de muestras y caracterización de estos materiales, sigue resultando crítica una investigación y planificación previa robustas, de cara a minimizar las incertidumbres asociadas a estos macizos.
Como sea mostrado, la problemática geotécnica usual en estos terrenos es amplia y abarca situaciones de desmoronamientos, chimeneas, estabilidad del frente, etc.. Problemas que, usualmente, se ven agravados en estos materiales por la presencia de agua y potencial degradabilidad de los mismos.
Finalmente, se buscado prestar cierta atención al fenómeno habitualmente conocido como squeezing; cada vez más estudiado y anticipado con diferente éxito en las fases de planificación. Este comportamiento conjuga los fenómenos de grandes deformaciones con el de fluencia o creep. No obstante, se han dado argumentos para resaltar que aún se conoce poco de los parámetros realmente intervinientes, resaltando que el factor de competencia (cm/ p 0 ) en sí mismo, resulta insuficiente para efectuar pronósticos acertados. En cualquier caso, una adecuada caracterización geotécnica y el empleo de las herramientas numéricas adecuadas permitirá una aproximación razonable al problema.
AGRADECIMIENTOS
Se quiere resaltar la aportación de los técnicos del equipo de gabinete y seguimiento de obras, implicados en estos proyectos, sin cuya implicación no hubiera sido posible elaborar este documento.
[1] KANJI, M. A. Critical issues in soft rocks. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2014, vol. 6, no 3, p. 186-195. [2] HE, M., & SUN, X. Latest Progress on Soft Rock Engineering Geomechanics in China. In ISRM 2nd International Specialized Conference on Soft Rocks. International Society for Rock Mechanics. 2016, January. [3] AYDAN, Ö., AKAGI, T., & KAWAMOTO, T. (1993). The squeezing potential of rocks around tunnels; theory and prediction. Rock mechanics and rock engineering, 26(2), 137-163. [4] HOEK, E. Big Tunnels in Bad Rock: 2000 Terzaghi Lecture. ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001, vol. 127, p. 726-740. [5] HOEK, E. Tunnels in weak rock. En www.rocscience.com, 2006, p. 1-21. [6] HOEK, E. Tunnel support in weak rock. En Proc. Reg. Keynote address, Symposium of Sedimentary Rock Engineering, Taipei, Taiwan, November 1998, p. 20-22. [7] KAVVADAS, M. J. Session 5: General Report Tunnelling in Hard Soils – Weak Rocks Tunnelling in Hard Soils – Weak Rocks. En 15th ECSMGE, Atenas, 2011. [8] CANTIENI L. Spatial effects in tunnelling through squeezing ground. Phd. Thesis. 2011. [9] SÁNCHEZ, S., LÓPEZ, J. D., LAINA, C. Correlaciones entre clasificaciones geomecánicas en ambientes andinos. En ISRM 2nd International Specialized Conference on Soft Rocks. International Society for Rock Mechanics, 2016.
[10] S. Sánchez Rodríguez, J.D. López Valero, C. Laina Gómez. Correlations of geomechanical indices for Andean environments. EUROCK 2018. San Petersburgo.
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[12] MARINOS V. Tunnel behaviour and support associated with the weak rock masses of flysch. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 6 (2014) 227 e 239.
[13] PIMENTEL E. El túnel base de San Gotardo: aspectos geotécnicos notables. XVI Jornada Técnica Anual: Casos singulares en mecánica de rocas. Sociedad Española de Mecánica de Rocas Madrid, 25 de abril de 2018