anclajes en la mecánica de rocas con aplicación a túneles

Anclajes en la mecánica de rocas con aplicación a túneles

Daniel Enrique Cañas Vesga

Tesis o trabajo de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título

de:

Maestría en Geotecnia

Director:

Msc. Félix Hernández Rodríguez

Línea de Investigación:

Modelamiento de Excavaciones Subterráneas

Grupo de Investigación:

GIGUN

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola

Bogotá, Colombia

2013

2 Anclajes en la mecánica de rocas con aplicación a túneles

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 7

1 Anclajes ...................................................................................................................10

1.1 Definiciones ................................................................................................ 10

1.2 Tipos de anclajes ........................................................................................ 13

1.2.1 Sistema de Anclaje Mecánico (Anclaje Expansivo) 13

1.2.2 Sistema de Anclaje Mediante Resinas 14

1.2.3 Sistema de Anclajes Mediante Lechada 16

1.2.4 Sistema de Anclajes “Split Set” 16

1.2.5 Sistemas de Anclajes “Swellex” 18

1.2.6 Sistema de Cables y Lechada 19

1.2.7 Otros tipos de sistemas de anclajes 20

1.3 Mecanismos de falla de los sistemas de anclajes .................................... 20

1.3.1 Falla de la masa rocosa 21

1.3.2 Falla de la barra o cable de anclaje 22

1.3.3 Falla del contacto roca – lechada 27

1.3.4 Falla del contacto barra – lechada 29

2 Bloques de Roca Inestables ...................................................................................30

2.1 Vectores unitarios de las discontinuidades y líneas de intersección ..... 31

2.1.1 Vector Unitario del Rumbo 32

2.1.2 Vector Unitario del Buzamiento 34

2.1.3 Vector Unitario de Intersección 36

2.2 Geometría del Máximo Tamaño del Bloque Inestable .............................. 39

2.2.1 Definición de Bloque Inestable y Bloque Crítico 39

2.2.2 Técnica alternativa para la obtención de Bloques Críticos: Líneas principales y secundarias 41

2.2.3 Volumen del Bloque Crítico 58

2.2.4 Áreas de las paredes que conforman el Bloque Crítico 59

2.2.5 Perímetro de las intersecciones conforman el Bloque Crítico 60

2.2.6 Vectores unitarios normales internos y externos 60

2.2.7 Ejemplo 68

3 Diseño de Anclajes .................................................................................................74

3.1 Fuerzas Activas de la Cuña de Roca �� .................................................. 74

3.1.1 Peso propio de la cuña �� 75

3.1.2 Peso propio del concreto lanzado �� 75

3.1.3 Empuje del agua��, � 76

3.1.4 Empuje de la roca circundante �, � 79

3.1.5 Aceleración sísmica�� 80

3.1.6 Presión Interna Activa desde el interior del túnel �� 81

3.2 Resistencia del concreto lanzado .............................................................. 81

3.3 Resistencia de las discontinuidades ......................................................... 81

3.3.1 Resistencia básica de la discontinuidad 82

3.3.2 Resistencia pico de la discontinuidad 82

3.3.3 Resistencia residual de la discontinuidad 83

3.4 Dirección del movimiento .......................................................................... 83

Anclajes en la mecánica de rocas con aplicación a túneles 3

3.4.1 Dirección del movimiento inicial e inmediato 84

3.4.2 Dirección de la Cuña 92

3.5 Estado de Esfuerzos ................................................................................... 92

3.6 Sistema de anclaje ...................................................................................... 93

3.6.1 Longitud 93

3.6.2 Espaciamiento 97

3.6.3 Ángulo de repartición 98

3.6.4 Resistencia 99

3.6.5 Eficiencia del anclaje 102

3.7 Factor de seguridad .................................................................................. 103

3.8 Chequeos y Optimización ........................................................................ 103

3.9 Ejemplo ...................................................................................................... 104

3.9.1 Dirección del movimiento 105

3.9.2 Factor de seguridad sin soporte 109

3.9.3 Factor de seguridad con soporte 110

CONCLUSIONES ......................................................................................................... 115

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 117

NOMENCLATURA ........................................................................................................ 119

LISTADO DE FIGURAS

Figura 1-1. Esquema de longitud libre y longitud de empotramiento en un sistema de anclaje. ....................................................................................................... 12

Figura 1-2. Presentación esquemática de un sistema anclado mecánicamente. .......... 13

Figura 1-3. Presentación esquemática de un sistema de anclaje mediante resinas. ..... 15

Figura 1-4. Presentación esquemática de un sistema de anclaje mediante lechada. .... 16

Figura 1-5. Presentación esquemática de un sistema “Swellex”. Atlas Copco. ............. 18

Figura 1-6. Presentación esquemática de un sistema de anclajes compuesto por cables. ................................................................................................................... 19

Figura 1-7. Superficie de falla cónica de la masa rocosa. ............................................. 21

Figura 1-8. Mecanismo de falla de la barra o cable de anclaje según la cuña de roca .. 23

Figura 1-9. Mecanismo de falla de la barra o cable de anclaje según su ubicación. ..... 24

Figura 1-10. Resultados obtenidos por Stillborg para diversos anclajes. ................................................................................................................... 25

Figura 1-11. Curva general de fuerza deformación, obtenida por Stillborg para anclajes mecánicos. ................................................................................................. 27

Figura 1-12. Esquema de resistencia friccional en el contacto roca – lechada durante el proceso de pre-tensionamiento. ................................................................. 28

Figura 1-13. Esquema de resistencia friccional en el contacto roca – lechada durante el mecanismo de falla en cuña. ...................................................................... 29

Figura 1-14. Esquema de resistencia friccional en el contacto barra – lechada durante el proceso de pre-tensionamiento. ................................................................. 29

Figura 2-1. Vector de intersección entre dos planos de discontinuidad. ........................ 30

Figura 2-2. Proyección de un vector en un plano, al definir un punto de origen o de referencia. .................................................................................................. 31

Figura 2-3. Vector de rumbo, buzamiento y azimut de buzamiento, en hemisferio inferior de la representación estereográfica. ........................................................... 32

Figura 2-4. Representación del vector rumbo, en los cuadrantes de la red estereográfica. ............................................................................................ 33

Figura 2-5. Vector de Buzamiento en verdadera magnitud, sobre el plano del Azimut de Buzamiento. ............................................................................................... 34

Figura 2-6. Representación del vector unitario del Azimut de Buzamiento, en los cuadrantes de la red estereográfica............................................................ 35

Figura 2-7. Vista en perspectiva (a) y (b) de un Bloque Crítico ubicado en la bóveda de un túnel con sección de excavación circular. .............................................. 40

Figura 2-8. Vista frontal de un Bloque Crítico ubicado en la bóveda de un túnel con sección de excavación circular. .................................................................. 41

Figura 2-9. Rectas de una Intersección proyectada, con dos puntos de referencia tangentes a la sección de excavación. ....................................................... 42

Figura 2-10. Representación gráfica de las líneas principales y secundarias. ................ 45

Figura 2-11. Sistema coordenado transformado x’ y’ z’. ................................................. 46


Figura 2-12. Vértices tangentes principales y secundarios dada una intersección proyectada “i-j”. .......................................................................................... 50

Figura 2-13. Esquema de Bloque Infinito. ...................................................................... 52

Figura 2-14. Ubicación de los posibles ápices al considerar tres intersecciones entre planos de discontinuidad. ........................................................................... 54

Figura 2-15. Ápices de Bloque Crítico, al analizar el Vértice Tangente y la Recta Principal tangente de la intersección “i” – “j”. ............................................................ 56

Figura 2-16. (a) Puntos y (b) elementos triangulares en la base del Bloque Crítico, para determinar el volumen................................................................................ 59

Figura 2-17. Esquema del algoritmo de Kirkpatrick (1986) ............................................. 62

Figura 2-18. Esquemas del algoritmo de Kirkpatrick cuando el ápice genera tres triángulos (∆��, ∆�� y ∆��):(a) todos con el mismo sentido, (b) uno con sentido diferente al triángulo (∆��) y (c) dos con sentido diferente al triángulo (∆��). ........................................................................................ 65

Figura 2-19. Esquema de rectas principales y secundarias en primer ejemplo. .................................................................................................................. 70

Figura 3-1. Esquema del empuje constante de la presión de poros sobre un plano de discontinuidad. ........................................................................................... 76

Figura 3-2. Esquema del empuje variable de la presión de poros sobre un plano de discontinuidad. ........................................................................................... 77

Figura 3-3. Esquema de las longitudes de un anclaje, fuera, dentro y empotrada en la cuña. .......................................................................................................... 94

Figura 3-4. Esquema del análisis de una discontinuidad que es intersecada por un anclaje. ...................................................................................................... 95

Figura 3-5. Análisis de un anclaje que (a) interseca y (b) no interseca una discontinuidad. ........................................................................................... 96

Figura 3-6. Ángulo para identificar el coeficiente de eficiencia del anclaje. .................102

Figura 3-7. Diagrama de resistencia del anclaje de tipo friccional pasivo. ...................113

LISTADO DE TABLAS

Tabla 3-1. Posibles ápices entre las rectas proyectadas (� − �), (� − �) y (� − �)........ 53

Tabla 3-2. Matriz de identificación de los ápices que conforman el Bloque Crítico ...... 55

Tabla 3-3. Sentido de los vectores unitarios internos y externos, en función de la asignación de codificación de planos. ......................................................... 61

Tabla 3-4. Triángulos conformados por las proyecciones ............................................ 63

Tabla 3-5. Relación entre logaritmo de Kirkpatrick, posición del ápice y codificación del plano en la participación del Bloque Crítico. ............................................... 67

Tabla 3-6. Ecuaciones de las rectas principales y secundarias en primer ejemplo. ..... 69

Tabla 3-7. Ubicación de los posibles ápices, y su distancia vertical hasta los puntos tangentes.................................................................................................... 70

Tabla 3-8. Coordenadas de los ápices que conforman el Bloque Crítico. .................... 71

Tabla 3-9. Coordenadas de los vértices que conforman el Bloque Crítico. .................. 71

Tabla 3-10. Comparación de los volúmenes calculados con los reportados por Unwedge. ................................................................................................... 71

Tabla 3-11. Comparación de las áreas calculadas con los reportados por Unwedge. ... 72

Tabla 3-12. Comparación de los perímetros calculados con los reportados por Unwedge. ................................................................................................................... 72

Tabla 3-13. Codificación de planos para el entendimiento del Modo en que se presenta el Bloque Crítico. ........................................................................................ 73

Tabla 3-14. Vectores normales unitarios internos de los planos de discontinuidad. ....... 73

Tabla 4-1. Recomendación de la resistencia última al corte del contacto (PTI) ......... 101

Tabla 4-2. Vectores Unitarios Externos ..................................................................... 104

Tabla 4-3. Comparación entre los factores de seguridad calculados y obtenidos en Unwedge ®............................................................................................... 109

Tabla 4-4. Coordenadas del ápice y vértice que conforma la cuña crítica. ................ 110

Tabla 4-5. Longitud de intersección entre el perno y los planos de discontinuidad (LN) y coordenadas transformadas del punto de intersección ............................. 111

Tabla 4-6. Longitudes del anclaje dentro, fuera y empotradas. .................................. 112

Tabla 4-7. Comparación de resultados de factores de seguridad. ............................. 114

LISTADO DE FOTOGRAFÍAS

Fotografía 2-1. Fotografía de un Split Set Stabilizer. ....................................................... 17

RESUMEN

Palabras Calve: Cuñas, Túneles, Bloques, Pernos, Anclajes

Los anclajes se reconocen como uno de los sistemas de sostenimiento más eficientes en

la construcción de túneles, y es común su aplicación en la actualidad. Este trabajo de

investigación profundiza en el diseño de un sistema de anclajes para estabilizar cuñas

críticas en obras subterráneas. Un código en MatLab fue desarrollado para identificar la

cuñas cinemáticamente inestables, y se propone una metodología para estudiar la

interacción entre cuñas y los sistemas de anclajes. Las variables incluidas son los

sistemas de discontinuidades, resistencia a lo largo de los planos de discontinuidad, tipos

de anclajes, y casos de carga para túneles de sección circular. Los resultados de la

metodología propuesta presentan una mejor precisión y una menor incertidumbre

respecto a programas de uso comercial, facilitando el desarrollo de un software de diseño

y generando nuevas oportunidades de investigación.

SUMMARY

Key Words: Wedge, Tunnel, Block, Rockbolt, Anchor

Anchoring systems are widely used around the world as one of the most important

stabilization techniques during tunnel construction. This research focused on the design

of anchoring systems for stabilization of critical wedges in underground environments. A

MatLab code was developed to identify kinematically unstable wedges and a

methodology was postulated to study the interaction between such wedges and the

anchoring system. Study variables included jointing, strength along joint planes, several

anchor technologies, and a number of loading scenarios for a tunnel circular section. The

results showed higher precision and lower uncertainty when compared to available

commercial software programs. The outcomes of this work will facilitate future software

development for engineering design as well as new research opportunities.

INTRODUCCIÓN

Los anclajes se reconocen como uno de los sistemas de sostenimiento más eficientes en la construcción de túneles, y es común su aplicación en la actualidad. La actualización o innovación de los sistemas de anclajes se concentra en la resistencia de los materiales usados, principalmente el acero, ante solicitaciones mecánicas y ante el debilitamiento del material en ambientes agresivos y corrosivos, sin que sea usual el mejoramiento en los análisis del comportamiento de los anclajes.

En la actualidad el diseño se reduce a una rápida verificación mediante la aplicación de software donde no es común el análisis de optimización del sistema de anclajes. La optimización de un sistema de anclajes se consigue al revisar la longitud, el patrón de distribución y las separaciones tanto longitudinales como transversales a la sección de excavación.

Este trabajo investigativo tiene por objeto el establecimiento de una guía que permite analizar la optimización de los sistemas de anclaje en la excavación de obras subterráneas, y más específicamente en el sostenimiento de cuñas de roca inestables en secciones de excavación con geometría curva. La metodología presentada, permite la independencia en la utilización de programas de uso común en la actualidad.

Para entender el comportamiento de un sistema de anclaje en interacción con una cuña de roca potencialmente inestable, inicialmente se deben analizar de forma independiente: la identificación de cuñas inestables y la resistencia del sistema de anclaje, y posteriormente se analiza la interacción entre cuñas y anclajes mediante la cinemática del movimiento posible.

La cuña de roca consiste en un elemento geométrico definido como “bloque” y unas fuerzas actuantes como lo son el peso propio del bloque, la aceleración sísmica, entre otras. La metodología adoptada para la identificación de los bloques que conformarán cuñas críticas se denomina: “rectas principales y secundarias”, y consiste en la proyección de las intersecciones entre discontinuidades en un plano perpendicular al eje del túnel, donde se aprecia en verdadera magnitud la sección de excavación. El método presenta una formulación matemática y sistematizada para la identificación y dimensionamiento de los bloques con el fin de analizar la mejor orientación para los anclajes. Una vez el bloque está definido se adopta la magnitud y dirección de las fuerzas externas, lo que en conjunto representa una cuña de roca.


Para el entendimiento de los sistemas de anclajes inicialmente se aclaran los términos empleados para la clasificación del anclaje, como por ejemplo temporales, permanentes, activos, pasivos, entre otros. Posteriormente se presentan los diversos tipos de anclajes como por ejemplo Split set, cables, Swellex, entre otros. Para cada uno de los tipos de anclaje se presentan de forma resumida las ventajas y desventajas de su consideración como un sistema de sostenimiento en excavaciones subterráneas.

El análisis de la interacción entre la cuña de roca y el sistema de anclaje, se consigue luego de orientar la dirección del posible movimiento. El movimiento se diferencia entre inmediato o movilizado, dependiendo de las fuerzas actuantes consideradas en el análisis. La identificación del movimiento de la cuña de roca respecto a un anclaje que la atraviesa en un lugar definido, permite asociar la resistencia del anclaje al movimiento detectado, donde es posible la identificación del factor de seguridad a la falla del sistema de soporte.

El trabajo investigativo realizado permite profundizar en el conocimiento sobre los sistemas de anclajes en la mecánica de rocas con aplicación a túneles, siendo una guía para el diseño ante el efecto de cuñas, a través de métodos alternativos e innovadores de fácil programación.

1 Anclajes

De acuerdo a la Real Academia Española, la definición general de un anclaje se establece como “un conjunto de elementos destinados a fijar algo firmemente a un suelo”. Adaptando esta definición al trabajo investigativo adelantado; un anclaje es un conjunto de elementos destinados a fijar una cuña de roca firmemente al terreno circundante estable, en una excavación subterránea.

Para el análisis de la interacción entre el sistema de anclaje y la cuña de roca, inicialmente se analizan de forma independiente el bloque de roca con posibilidad cinemática de deslizarse hacia el interior del túnel y el comportamiento de los distintos tipos de anclaje. En el análisis de los sistemas de anclajes es necesario comenzar con la definición de algunos términos que condicionan el funcionamiento del sistema del anclaje. Posteriormente se presentan los tipos de anclaje comúnmente utilizados en la práctica de las excavaciones subterráneas, seguido de la presentación de algunas consideraciones generales y la definición de los diferentes mecanismos de falla.

1.1 Definiciones

Los sistemas de anclajes constan de: (1) un elemento metálico usualmente de acero en forma de barra o compuesto por fibra de vidrio, cable o alambre; (2) material de relleno o aglutinante, usualmente lechada o resina, el cual es inyectado; (3) tubos o mangueras utilizados para la alineación del elemento metálico en su instalación y para la inyección del material de relleno; (4) sistemas metálicos en el cabezal del anclaje, los cuales distribuyen la carga en la cara libre de la roca, tales como platinas metálicas, tuercas y arandelas; y en algunas ocasiones se utilizan (5) cuñas expansivas, propias de anclajes expansivos. Se consideran elementos adicionales, como los fijadores o centradores, recubrimientos lisos o vaina lisa, y elementos de traslapo.

En general los sistemas de anclajes se dividen en dos grupos: activos y pasivos. El anclaje activo es un elemento pre-tensionado poco tiempo después de su instalación a un porcentaje entre el 50% y 90% de la carga de trabajo considerada en el diseño, permitiendo que el anclaje aporte gran resistencia rápidamente. El anclaje pasivo no se tensiona luego de su instalación, permitiendo movimientos en el material circundante inestable hasta lograr el tensionamiento previsto durante el diseño. Adicionalmente existe un grupo que se denomina como anclaje mixto debido a que son pre-tensionados a un bajo porcentaje, permitiendo deformaciones hasta lograr el tensionamiento de diseño.


Otra distinción común entre los sistemas de anclajes son los pernos y los anclajes; los pernos son utilizados para transmitir los esfuerzos a la roca en toda la longitud del elemento metálico, y los anclajes presentan un mejor comportamiento en altos requerimientos a tensión, transmitiendo los esfuerzos a la roca en la parte final del elemento metálico [8], en un tramo denominado como longitud de empotramiento o bulbo de anclaje. En este documento no se hará una distinción entre pernos y anclajes, debido a que es común denominar indistintamente un sistema de anclajes y un sistema de

pernos.

Según el tiempo de vida útil de los anclajes, suelen diferenciarse entre temporales,

semi-permanentes y permanentes; los anclajes temporales tendrían una vida útil menor a 6 meses, donde no es requerido el monitoreo debido a que se asume que no ha iniciado un serio proceso corrosivo; los anclajes semi-permanentes, tendrían vida útil entre 6 y 18 meses, requiriendo de monitoreo; y los anclajes permanentes con tiempos mayores a 18 meses requieren de protección ante la corrosión y de monitoreo [7]. En la práctica el calificativo del tiempo de vida útil de los anclajes queda a criterio del diseñador, siendo temporal el sistema utilizado en obras que facilitarán el proceso constructivo.

Los sistemas de anclaje transfieren el esfuerzo de tensionamiento a través del bulbo de

anclaje, conocido también como la longitud de empotramiento, o a lo largo de toda su longitud cuando no presenta un bulbo de anclaje claramente definido. En la longitud de empotramiento se inyecta un material que se acomoda a la perforación realizada, que fragua y endurece en el tiempo hasta alcanzar el confinamiento requerido. En macizos rocosos porosos o intensamente fracturados se re-inyecta luego de dejar endurecer una primera capa, para garantizar el confinamiento requerido en la zona de empotramiento al no permitir que fluya el material por las fracturas. Usualmente el material de relleno lechada, compuesta por cemento y agua, o resinas poliméricas que endurecen mediante una reacción química. Las resinas tienen la ventaja de endurecer más rápidamente gracias a una sustancia catalizadora. La resistencia friccional en el

contacto roca-lechada es la resistencia en el contacto entre el material de relleno y la roca circundante a la perforación, y su valor se encuentra en función de la longitud de empotramiento y del diámetro de la perforación. Se recomienda una distancia mínima de 5 mm y 10 mm [2] entre el elemento metálico y el hueco de la perforación para que se presente una adecuada transmisión de esfuerzos, y para que la lechada fluya con facilidad en esta zona.

La transferencia de cargas entre el anclaje y el material de relleno se produce mediante el esfuerzo de adhesión entre el elemento metálico y el relleno. Para una mejor transmisión de esfuerzos se deben usar elementos de acero corrugados o rugosos, evitando el uso de elementos lisos.

En algunos casos no se utiliza material de relleno, como sucede en los sistemas autoperforantes en que el perno se adhiere directamente a la roca cuando tiene una


forma similar a la instalación de un tornillo o cuando se implementa un anclaje expansivo. Los sistemas metálicos expansivos cuentan con un dispositivo que se adhiere a las paredes de la perforación al rotar la barra de acero. Otro tipo de anclaje expansivo es el “Split set”, el cual se expande a lo largo de toda su longitud luego de inyectarse agua o aire a presión.

En los anclajes activos se debe dejar una longitud libre que no transfiera el tensionamiento a la roca, es decir, una longitud del elemento metálico que se pueda deformar libremente. Para esto se debe usar un recubrimiento liso o vaina lisa, usualmente un tubo de pvc que impida el contacto entre el elemento metálico y el material de relleno, o se puede inyectar parcialmente la perforación dejando libre el extremo ubicado hacia la pared de la excavación. La Figura 1-1, presenta un esquema de la longitud libre y longitud de empotramiento en un sistema de anclaje, tomado del sistema DYWIDAG o GEWI ® de protección simple.

Figura 1-1. Esquema de longitud libre y longitud de empotramiento en un sistema de anclaje.

Fuente: Adaptado del sistema DIWYDAG de protección simple.

En la Figura 1-1, se observa los distintos componentes de un sistema de anclaje junto con el recubrimiento liso y elemento distanciador o fijador. El elemento distanciador garantiza la separación entre el hueco de la perforación y el sistema de anclaje, esencial para una mayor protección ante la corrosión y para la efectiva transmisión de esfuerzos a la roca circundante.


Luego de aclarar los términos utilizados para caracterizar los anclajes, se presentan los tipos de anclajes considerados para el sostenimiento en excavaciones subterráneas.

1.2 Tipos de anclajes

La selección del tipo de anclaje a utilizar se encuentra en función de la técnica de excavación, del tipo de roca, del ambiente al cual estará sometido, de las características pretendidas por el sistema de anclaje y de las cargas requeridas para el sostenimiento, entre otros. A continuación se presentan los tipos de anclajes comúnmente utilizados en el sostenimiento de excavaciones subterráneas.

1.2.1 Sistema de Anclaje Mecánico (Anclaje Expansivo)

Este sistema considera un dispositivo expansivo que lo ancla mecánicamente a la roca, permitiendo la transmisión de esfuerzos a la roca circundante. Los elementos que componen este sistema de anclaje son: Platina, Arandela, Mangueras para inyección, cintas de adherencia, cono de expansión, escudo y elemento fijo. La platina en la pared de excavación se usa para distribuir la carga en la parte expuesta de la roca y la arandela compensa el ángulo que se genera entre la platina y la roca expuesta. La Figura 1-2, presenta un esquema del sistema anclado mecánicamente, donde se incluye los elementos que lo componen.

Figura 1-2. Presentación esquemática de un sistema anclado mecánicamente.

Fuente: Adaptado de Hoek [1].

En la Figura 1-2 se observan dos mangueras para inyección, una para la entrada del relleno y otra para la expulsión de aire generando vació. El relleno se utiliza para la protección ante la corrosión, y sirve además para confinar la zona del anclaje. Esta técnica facilita el ingreso del relleno hasta la profundidad de la perforación, donde se ancla mecánicamente el sistema.

Platina perforada para inyección

Manguera de entrada para inyección

Escudo

Elemento fijo

Cono de expansión

Cinta para adherir mangueras

Manguera de expulsión para inyección


El anclaje mecánico se consigue luego de rotar la barra metálica; el escudo transmite la rotación al cono, expandiéndose a medida que se acerca más al elemento fijo. Debido a que el empotramiento se limita a la longitud del cono de expansión, este sistema de anclajes trabaja bien en rocas duras y de forma deficiente en rocas blandas o en macizos bastante fracturado. Dada la incertidumbre de la efectividad del anclaje y para considerar grandes cargas, el funcionamiento del sistema debe ser de tipo “Activo”, pre-tensionado cerca del 70% de la carga total de diseño [1].

Las principales fallas de estos sistemas se deben a la corrosión u oxidación, lo que se ve contrarrestado por un relleno (grouting) que reduce el contacto directo con la roca. El anclaje mecánico es un sistema que pierde resistencia con el tiempo, en ocasiones atribuido al efecto de las vibraciones originadas por las voladuras, para lo cual se recomienda el uso del relleno [2]. El relleno se inyecta desde el final del perno, por medio de tubos delgados o mangueras, uno de inyección y otro para garantizar la expulsión de aire. En la inserción del perno el sistema de mangueras puede verse afectado, por lo que se recomienda la utilización de pernos huecos, pero son más costosos. La resistencia del relleno no es importante para estos anclajes porque sólo se requieren para disminuir el impacto de la corrosión y para la disminución del efecto de las vibraciones.

Los sistemas de anclajes mecánicos alcanzan altas resistencias, y requieren de personal calificado para evitar daños en las mangueras de inyección del relleno. Se consideran sistemas de anclajes permanentes cuando se inyecta el relleno, y sin relleno se considera como anclaje temporal de gran frecuencia en la minería [3]. Estos anclajes se caracterizan por ser de fácil recuperación e instalación.

1.2.2 Sistema de Anclaje Mediante Resinas

Los sistemas anclados con resinas son un buen sistema en rocas blandas o altamente meteorizadas, o cuando se presenta gran incidencia de las vibraciones por voladuras. Este sistema de anclaje utiliza como material de relleno una resina y un catalizador, ubicados en distintos empaques plásticos dentro de la perforación. Cuando el perno se encuentra instalado se induce la rotura de los empaques mediante la rotación del anclaje, para producir la mezcla y endurecer el material de relleno.

Para anclajes permanentes se utiliza un mayor volumen ocupado por la mezcla dentro del anclaje, con la finalidad de generar un mayor confinamiento del relleno y hacerlo más resistente ante agentes corrosivos. Para realizar el pre-tensionamiento de anclajes que utilizan resinas se usa una mezcla rápida en la longitud de empotramiento y otra lenta en la longitud libre del anclaje, una insertada después de la otra. La mezcla rápida se consigue mediante un agente catalizador que acelera el fraguado de la resina.

La Figura 1-3, presenta un esquema de un sistema anclado con resinas, donde se observa un empaque o cartucho de resinas con endurecimiento rápido y otro lento. El anclaje es pre-tensionado cuando la mezcla rápida se encuentra lista, entre 2 y 3


minutos, y posteriormente queda lista la mezcla lenta en un tiempo mayor a 30 minutos [1]. El cabezal del sistema de anclaje es similar a otros tipos de anclajes, conformado por una platina y una arandela para la correcta distribución de las cargas trasmitidas sobre pared de excavación del túnel.

Figura 1-3. Presentación esquemática de un sistema de anclaje mediante resinas.


Un problema que presentan las resinas es su costo, y se encuentra en función de la velocidad con que se endurecen, es decir, la resina con endurecimiento rápido es más costosa respecto la de endurecimiento lento. Las resinas deben ser almacenadas bajo condiciones especiales de temperatura. La prolongación de las rotaciones requeridas para romper el plástico que contiene las resinas puede llegar a ser un factor que afecte la resistencia y el confinamiento esperado del material de relleno.

En rocas arcillosas y medios altamente fracturados, las resinas se pueden desplazar y dejar vacíos importantes, donde no es aconsejable su aplicación, siendo más eficiente la lechada. En cuanto a la resistencia friccional en el contacto con la roca, la resina se considera entre 2 y 3 veces más resistente que la lechada [2], pero la lechada presenta una vida útil mayor debido a que la lechada permite un mayor control sobre los vacíos que se generan en el relleno, incidiendo en la protección ante la corrosión. Cuando se utiliza lechada se pueden revisar las presiones de inyección para controlar la generación de espacios dentro del relleno. Este sistema tiene un tiempo de vida útil limitado particularmente en ambientes cálidos [3]

La aplicación de las resinas incluye ambientes donde la mezcla debe actuar rápidamente para impedir el cierre de la perforación, lo que sucede en rocas de baja capacidad mecánica. Es simple de usar y desarrolla grandes presiones de anclaje en rocas de poca calidad geotecnia. Se usan en excavaciones subterráneas donde la velocidad de construcción compensa los costos del proyecto.

Tramo de cartuchos de resina de rápido fraguado

Tramo de cartuchos de resina de lento fraguado

Tuerca

Platina

Barra de refuerzo


1.2.3 Sistema de Anclajes Mediante Lechada

A diferencia de del sistema de anclaje mecánico, el sistema de anclaje mediante lechada utiliza el relleno como el principal elemento para la transferencia de esfuerzos a la roca. El relleno de este sistema de anclajes se denomina Lechada, que es una mezcla de agua y cemento. Este sistema se considera de tipo pasivo, debido a que la lechada tiene un proceso de fraguado lento, lo que permite el movimiento de la masa circundante durante un periodo de tiempo. Por lo anterior, el relleno mediante lechada se hace a lo largo de toda la longitud del sistema, donde no es necesaria la consideración de una longitud libre en el anclaje.

La Figura 1-4, presenta un esquema de un sistema de anclajes con lechada, compuesta por una barra de anclaje, lechada como material de relleno y un cabezal compuesto por platina, tuerca y arandelas.

Figura 1-4. Presentación esquemática de un sistema de anclaje mediante lechada.


En la construcción de túneles el sistema de anclaje mediante lechada es usado cerca al frente de avance, en anticipación al cambio de los estados de esfuerzos antes de que la roca presente un porcentaje avanzado de deformación [3], debido a su rápida y fácil instalación. La barra rígida se puede reemplazar por cables para flexibilizar el anclaje.

El sistema de anclaje mediante lechada económico y sencillo, según se observa en la Figura 1-4, y es comúnmente utilizado en la construcción de túneles.

1.2.4 Sistema de Anclajes “Split Set”

El anclaje tipo Split Set es desarrollado por Scott (1976, 1983), manufacturado y distribuido por Ingersoll-Rand. A diferencia de otros sistemas de anclaje, el anclaje tipo Split Set presenta un elemento metálico con diámetro mayor al hueco de la perforación. El sistema consiste en un tubo ranurado que se inserta en una perforación de menor

Barra de refuerzo

Platina

Lechada


tamaño, generando un esfuerzo radial en el contacto con la roca, lo que incide en la resistencia friccional del anclaje. Para diferenciar un anclaje temporal de uno permanente, se escoge la calidad del acero respecto a su resistencia a la corrosión.

La Fotografía 1-1, presenta un sistema de anclaje de tipo Split Set Stabilizer que trabaja a fricción en toda su longitud.

Fotografía 1-1. Fotografía de un Split Set Stabilizer.

Fuente: Fotografía de Ingersoll-Rand.

En la Fotografía 1-1 se observa que el sistema Split Set es sencillo y consta de dos componentes básicas: un tubo hueco y ranurado, y una platina. La platina en conjunto con el concreto lanzado y malla, aportan la resistencia en el cabezal del anclaje. La ranura y el hueco en el tubo permiten la disminución de su diámetro con el ingreso a la perforación.

El principal problema de los anclajes tipo Split Set es la corrosión, debido a que no se utiliza material de relleno que separa el elemento metálico de la perforación. Para la protección ante la corrosión se usan tubos galvanizados que no se recomiendan como permanentes en ambientes agresivos [1]. La longitud de este tipo de anclajes es otro inconveniente, luego que a mayores profundidades se dificulta su inserción y adicionalmente se pierde la efectividad de la resistencia a fricción. En la actualidad los catálogos de anclajes tipo Split Set presentan longitudes de hasta 3,2 m. en este sistema de anclajes la selección del diámetro y longitud inicial es importante, debido a que si son angostos o largos pueden no funcionar correctamente.

Los anclajes tipo Split Set presentan un buen comportamiento en rocas frágiles, en macizos susceptibles a estallido de roca (rockburst) [3], debido a su rápida instalación y a su capacidad de absorción de energía. Este sistema es fácil y rápido de instalar, siendo más económico que los sistemas de anclaje mediante lechada. Debido a que no presenta una longitud libre, no debe ser pre-tensionado, lo cual lo convierte en un anclaje pasivo.

Actualmente es de muy poca aplicación en la ingeniería de túneles, pero se ha implementado como anclaje temporal en proyectos mineros [3].


1.2.5 Sistemas de Anclajes “Swellex”

El sistema de anclaje tipo Swellex es desarrollado y comercializado por Atlas Copco. Consiste en un tubo deformado sobre sí y sellado en un extremo, con un diámetro menor al diámetro de la perforación, que posterior a su instalación se expande. La expansión aumenta su sección transversal, y se consigue mediante una presión de agua igual a 30 MPa, hasta que se logra el contacto con la perforación realizada. Al igual que el Split Set, este sistema de anclaje resiste a fricción luego de su instalación, y no se pre-tensiona porque no presenta una longitud libre, lo que lo caracteriza como un anclaje de tipo pasivo.

La Figura 1-5, presenta el esquema del sistema “Swellex” antes y después de su instalación.

Figura 1-5. Presentación esquemática de un sistema “Swellex”. Atlas Copco.


Es anclaje tipo Swellex es un sistema de instalación rápida y simple, que requiere de una bomba. En algunas ocasiones es revestido por un material que aumenta la adherencia en el contacto con la roca y puede presentar una resistencia adicional ante la corrosión.

En cuanto a la aplicabilidad del sistema de anclajes tipo Swellex, es similar al anclaje tipo Split Set, siendo el anclaje tipo Swellex de mayor costo.

Para la resistencia a la corrosión, Atlas Copco ha considerado dos versiones: Swellex revestido en Bitumen y Swellex revestido en plástico [12]. Así mismo, son dos las líneas que presenta Atlas Copco: Premium y Manganese, para condiciones de altas solicitaciones mecánicas y de alta deformabilidad respectivamente.

Ø 25 a 28 mm de tubo doblado

Tubo expandido

Ø 33 a 29 mm de perforación


1.2.6 Sistema de Cables y Lechada

El sistema de anclaje mediante cables tiene ventajas sobre otros sistemas en su instalación porque no necesitan grandes espacios para maniobras, contrario a lo que sucede con las barras rígidas. Es competente, durable y económico. Proporciona altas resistencias en varias condiciones de rocas, incluyendo alta resistencia a la corrosión en instalaciones permanentes.

El anclaje mediante cables y lechada puede ser de tipo activo, teniendo un procedimiento especial de instalación, debido a que el uso de lechada requiere tiempo para que sea pre-tensionado.

La Figura 1-6, presenta un esquema de un sistema de anclajes conformado por cables y lechada.

Figura 1-6. Presentación esquemática de un sistema de anclajes compuesto por cables.


La resistencia a la tracción del sistema de anclaje compuesto por cables y lechada se consigue mediante combinaciones de cables a calibres determinados, donde se pueden lograr altas resistencias. Cuando estos sistemas de anclajes se utilizan para elevadas capacidades de carga, en su instalación requieren vigas cabezal o estructuras adicionales a una platina de acero en el cabezal para realizar una correcta distribución de esfuerzos en la pared de la excavación. Cuando se consideran grandes capacidades de cargas y se utilizan estructuras especiales de redistribución de esfuerzos, el sistema de anclajes de cable y lechada se denominan como torones o tendones de anclaje.

Lechada

Cable


1.2.7 Otros tipos de sistemas de anclajes

Adicionalmente a los sistemas de anclajes presentados, se encuentran aquellos sistemas que no tienen como finalidad sostener cuñas de roca inestables, entre los cuales se encuentran los denominados anclajes tipo “Spiling”, que son utilizados para garantizar la estabilidad del frente de excavación en roca de baja calidad geotécnica o en sectores donde no se desarrolla de forma considerable el efecto de “arqueo”.

1.3 Mecanismos de falla de los sistemas de anclajes

Los anclajes presentan gran favorabilidad en el sostenimiento de las excavaciones subterráneas ante distintos mecanismos de falla, debido a diferentes factores como lo son la densificación que realiza sobre el material inestable circundante a la sección de excavación, la modificación de la superficie de falla inducida por la redistribución de esfuerzos luego de realizada la excavación subterránea, pero el factor de interés en el presente trabajo es el sostenimiento que brinda un anclaje sobre un bloque de roca inestable. Un bloque de roca inestable es aquel con posibilidad cinemática de ingresar al túnel

El mecanismo de falla que representa los bloques de roca inestables se denomina cuña

de roca. La cuña de roca es un mecanismo que combina la figura geométrica de un bloque de roca que es delimitado por las discontinuidades del macizo y las fuerzas externas que inciden en el movimiento como lo son por ejemplo el peso propio y las aceleraciones sísmicas. Para que se requiera del análisis de cuñas de roca se deben identificar sectores del túnel donde el comportamiento del macizo rocoso se ve influenciado por las discontinuidades y no por la baja competencia mecánica de la roca.

Para rocas donde el mecanismo de falla identificado se ve influenciado predominantemente por las características mecánicas de la roca, es decir, en rocas blandas de baja coherencia, los anclajes deberán sobrepasar la zona de plastificación del macizo rocoso, debido a que es un mecanismo distinto al de cuñas de roca. Por otra parte en rocas de alta capacidad mecánica, que por su rigidez y grado de desconfinamiento generan lo denominado como estallido (rock burst), se debe garantizar que el sistema de anclaje exceda la zona potencial de este mecanismo.

Para soportar las cuñas de roca, se deben contrarrestar las cargas de desprendimiento de los bloques. Las cargas de desprendimiento pueden generar la falla del anclaje, debido a los siguientes factores:

� Falla de la masa rocosa

� Falla de la barra o cable de anclaje

� Falla del contacto roca – lechada

� Falla del contacto barra – lechada


A continuación se describen cada una de los tipos de falla de los sistemas de anclaje:

1.3.1 Falla de la masa rocosa

La falla de la roca se debe a las cargas transmitidas por el sistema de anclaje que generan grietas de corte en el material rocoso. La falla de la masa de roca se asocia a lo que se denomina en inglés como Uplift. El Uplift tiene una variedad de teorías que coinciden en asumir una superficie de falla cónica que atraviesa la roca.

La Figura 1-7, presenta la superficie de falla cónica en el plano xy, adoptado por diversos autores como Ucar y Coats para la explicación del Uplift.

Figura 1-7. Superficie de falla cónica de la masa rocosa.

Fuente: Manual de anclajes, Ucar Navarro (2004) [2].

En la Figura 1-7 se observan un cono recto de altura “H”, radio “R”, que conforman un ángulo definido como “θ”, de donde se obtiene el ángulo central “β”. Las propuestas que adoptan una superficie de falla cónica difieren en el ángulo central del cono “β” y en la altura escogida “H”. Las flechas indican la resistencia del cono ante la falla, como una resistencia al corte ∆T, que se encuentra en función del esfuerzo normal ∆N. Se observa que a mayor valor de “H” mayor es el perímetro donde actúa la resistencia a cortante


presentado en la figura como ∆T, lo cual representa que a mayor altura del cono de falla mayor es el valor de la resistencia de la masa de roca a fallar. La fuerza de tración del anclaje se denomina con la letra “F”.

Se han propuesto métodos con superficies de falla diferentes y métodos variacionales que han concluido en aceptar la superficie de falla cónica. Se ha demostrado que en los planos de falla actúan esfuerzos tensionantes, lo cual lleva a plantear ecuaciones de la carga de falla en función de su esfuerzo de tracción [2]. Algunas de las formulaciones sugeridas son: propuesta de Ucar, método variacional y propuesta de Coats.

El método variacional y el método propuesto por Ucar coinciden en la definición de factores de seguridad para una resistencia a la tracción dada, a diferencia que el método de Ucar define límites para la adopción del parámetro “H”. Los parámetros que utilizan estos métodos son los parámetros de la envolvente de falla Mohr-Coulomb del macizo (roca según su estado de alteración) y de las discontinuidades, coeficiente de presión lateral de tierras y peso unitario de la roca.

El método propuesto por Coats presenta un factor de seguridad en función de la fuerza al corte del anclaje y la carga aplicada por el anclaje. No es fácil la comparación respecto a los modelos analíticos planteados por Coats, Ucar y método variacional, debido a que los parámetros escogidos para cada macizo rocoso en particular definirán cuál método es más conservador.

Respecto al parámetro “H” de la Figura 1-7, existen diferentes formulaciones, todas para macizos rocosos donde se asume continuidad del medio. Debido a que la roca en el análisis de cuñas se ve limitada por una discontinuidad, que a su vez se presenta como una superficie potencial de falla, el valor “H” estará delimitado por la geometría del bloque inestable.

Otras formas en que puede fallar la masa rocosa son la falla mediante punzonamiento y falla mediante capacidad portante. La revisión de la capacidad portante y de la resistencia al punzonamiento se debe realizar para garantizar la resistencia del cabezal del sistema de anclaje y la correcta distribución de esfuerzos en la pared de la excavación subterránea.

La falla de la masa rocosa definidas como Uplift, punzonamiento y capacidad portante se contrarresta con la consideración de sistemas de anclaje friccionantes, que transmiten las cargas del anclaje a lo largo de todo el contacto con la perforación, al disminuir la fuerza de tracción ejercida por el anclaje “F”.

1.3.2 Falla de la barra o cable de anclaje

La falla de la barra o cable de anclaje en el análisis de las cuñas de roca se debe al movimiento del bloque. Para encontrar los esfuerzos de trabajo y la eficiencia del anclaje

anclajes en la mecánica de rocas con aplicación a túneles

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