Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles

Daniel Enrique Caas Vesga

Tesis o trabajo de investigacin presentada(o) como requisito parcial para optar al ttulo

de:

Maestra en Geotecnia

Director:

Msc. Flix Hernndez Rodrguez

Lnea de Investigacin:

Modelamiento de Excavaciones Subterrneas

Grupo de Investigacin:

GIGUN

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniera, Departamento de Ingeniera Civil y Agrcola

Bogot, Colombia

2013

2 Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles

CONTENIDO

INTRODUCCIN .............................................................................................................. 7

1 Anclajes ...................................................................................................................10 1.1 Definiciones ................................................................................................ 10 1.2 Tipos de anclajes ........................................................................................ 13

1.2.1 Sistema de Anclaje Mecnico (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 lneas de interseccin ..... 31

2.1.1 Vector Unitario del Rumbo 32 2.1.2 Vector Unitario del Buzamiento 34 2.1.3 Vector Unitario de Interseccin 36

2.2 Geometra del Mximo Tamao del Bloque Inestable .............................. 39 2.2.1 Definicin de Bloque Inestable y Bloque Crtico 39 2.2.2 Tcnica alternativa para la obtencin de Bloques Crticos: Lneas

principales y secundarias 41 2.2.3 Volumen del Bloque Crtico 58 2.2.4 reas de las paredes que conforman el Bloque Crtico 59 2.2.5 Permetro de las intersecciones conforman el Bloque Crtico 60 2.2.6 Vectores unitarios normales internos y externos 60 2.2.7 Ejemplo 68

3 Diseo de Anclajes .................................................................................................74 3.1 Fuerzas Activas de la Cua de Roca .................................................. 74

3.1.1 Peso propio de la cua 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 Aceleracin ssmica 80 3.1.6 Presin Interna Activa desde el interior del tnel 81

3.2 Resistencia del concreto lanzado .............................................................. 81 3.3 Resistencia de las discontinuidades ......................................................... 81

3.3.1 Resistencia bsica de la discontinuidad 82 3.3.2 Resistencia pico de la discontinuidad 82 3.3.3 Resistencia residual de la discontinuidad 83

3.4 Direccin del movimiento .......................................................................... 83

Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles 3

3.4.1 Direccin del movimiento inicial e inmediato 84 3.4.2 Direccin de la Cua 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 ngulo de reparticin 98 3.6.4 Resistencia 99 3.6.5 Eficiencia del anclaje 102

3.7 Factor de seguridad .................................................................................. 103 3.8 Chequeos y Optimizacin ........................................................................ 103 3.9 Ejemplo ...................................................................................................... 104

3.9.1 Direccin del movimiento 105 3.9.2 Factor de seguridad sin soporte 109 3.9.3 Factor de seguridad con soporte 110

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

BIBLIOGRAFA ............................................................................................................ 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. Presentacin esquemtica de un sistema anclado mecnicamente. .......... 13 Figura 1-3. Presentacin esquemtica de un sistema de anclaje mediante resinas. ..... 15 Figura 1-4. Presentacin esquemtica de un sistema de anclaje mediante lechada. .... 16 Figura 1-5. Presentacin esquemtica de un sistema Swellex. Atlas Copco. ............. 18 Figura 1-6. Presentacin esquemtica de un sistema de anclajes compuesto por cables.

................................................................................................................... 19 Figura 1-7. Superficie de falla cnica de la masa rocosa. ............................................. 21 Figura 1-8. Mecanismo de falla de la barra o cable de anclaje segn la cua de roca .. 23 Figura 1-9. Mecanismo de falla de la barra o cable de anclaje segn su ubicacin. ..... 24 Figura 1-10. Resultados obtenidos por Stillborg para diversos anclajes.

................................................................................................................... 25 Figura 1-11. Curva general de fuerza deformacin, obtenida por Stillborg para anclajes

mecnicos. ................................................................................................. 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 cua. ...................................................................... 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 interseccin entre dos planos de discontinuidad. ........................ 30 Figura 2-2. Proyeccin 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 representacin estereogrfica. ........................................................... 32 Figura 2-4. Representacin del vector rumbo, en los cuadrantes de la red

estereogrfica. ............................................................................................ 33 Figura 2-5. Vector de Buzamiento en verdadera magnitud, sobre el plano del Azimut de

Buzamiento. ............................................................................................... 34 Figura 2-6. Representacin del vector unitario del Azimut de Buzamiento, en los

cuadrantes de la red estereogrfica............................................................ 35 Figura 2-7. Vista en perspectiva (a) y (b) de un Bloque Crtico ubicado en la bveda de

un tnel con seccin de excavacin circular. .............................................. 40 Figura 2-8. Vista frontal de un Bloque Crtico ubicado en la bveda de un tnel con

seccin de excavacin circular. .................................................................. 41 Figura 2-9. Rectas de una Interseccin proyectada, con dos puntos de referencia

tangentes a la seccin de excavacin. ....................................................... 42 Figura 2-10. Representacin grfica de las lneas principales y secundarias. ................ 45 Figura 2-11. Sistema coordenado transformado x y z. ................................................. 46

Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles 5

Figura 2-12. Vrtices tangentes principales y secundarios dada una interseccin proyectada i-j. .......................................................................................... 50

Figura 2-13. Esquema de Bloque Infinito. ...................................................................... 52 Figura 2-14. Ubicacin de los posibles pices al considerar tres intersecciones entre

planos de discontinuidad. ........................................................................... 54 Figura 2-15. pices de Bloque Crtico, al analizar el Vrtice Tangente y la Recta Principal

tangente de la interseccin i j. ............................................................ 56 Figura 2-16. (a) Puntos y (b) elementos triangulares en la base del Bloque Crtico, 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 pice genera tres

tringulos (, y ):(a) todos con el mismo sentido, (b) uno con sentido diferente al tringulo () y (c) dos con sentido diferente al tringulo (). ........................................................................................ 65

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

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

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

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

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

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

Figura 3-6. ngulo 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 pices entre las rectas proyectadas ( ), ( ) y ( )........ 53 Tabla 3-2. Matriz de identificacin de los pices que conforman el Bloque Crtico ...... 55 Tabla 3-3. Sentido de los vectores unitarios internos y externos, en funcin de la

asignacin de codificacin de planos. ......................................................... 61 Tabla 3-4. Tringulos conformados por las proyecciones ............................................ 63 Tabla 3-5. Relacin entre logaritmo de Kirkpatrick, posicin del pice y codificacin del

plano en la participacin del Bloque Crtico. ............................................... 67 Tabla 3-6. Ecuaciones de las rectas principales y secundarias en primer ejemplo. ..... 69 Tabla 3-7. Ubicacin de los posibles pices, y su distancia vertical hasta los puntos

tangentes.................................................................................................... 70 Tabla 3-8. Coordenadas de los pices que conforman el Bloque Crtico. .................... 71 Tabla 3-9. Coordenadas de los vrtices que conforman el Bloque Crtico. .................. 71 Tabla 3-10. Comparacin de los volmenes calculados con los reportados por

Unwedge. ................................................................................................... 71 Tabla 3-11. Comparacin de las reas calculadas con los reportados por Unwedge. ... 72 Tabla 3-12. Comparacin de los permetros calculados con los reportados por Unwedge.

................................................................................................................... 72 Tabla 3-13. Codificacin de planos para el entendimiento del Modo en que se presenta

el Bloque Crtico. ........................................................................................ 73 Tabla 3-14. Vectores normales unitarios internos de los planos de discontinuidad. ....... 73 Tabla 4-1. Recomendacin de la resistencia ltima al corte del contacto (PTI) ......... 101 Tabla 4-2. Vectores Unitarios Externos ..................................................................... 104 Tabla 4-3. Comparacin entre los factores de seguridad calculados y obtenidos en

Unwedge ............................................................................................... 109 Tabla 4-4. Coordenadas del pice y vrtice que conforma la cua crtica. ................ 110 Tabla 4-5. Longitud de interseccin entre el perno y los planos de discontinuidad (LN) y

coordenadas transformadas del punto de interseccin ............................. 111 Tabla 4-6. Longitudes del anclaje dentro, fuera y empotradas. .................................. 112 Tabla 4-7. Comparacin de resultados de factores de seguridad. ............................. 114

LISTADO DE FOTOGRAFAS

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

RESUMEN

Palabras Calve: Cuas, Tneles, Bloques, Pernos, Anclajes

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

la construccin de tneles, y es comn su aplicacin en la actualidad. Este trabajo de

investigacin profundiza en el diseo de un sistema de anclajes para estabilizar cuas

crticas en obras subterrneas. Un cdigo en MatLab fue desarrollado para identificar la

cuas cinemticamente inestables, y se propone una metodologa para estudiar la

interaccin entre cuas 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 tneles de seccin circular. Los resultados de la

metodologa propuesta presentan una mejor precisin y una menor incertidumbre

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

y generando nuevas oportunidades de investigacin.

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.

INTRODUCCIN

Los anclajes se reconocen como uno de los sistemas de sostenimiento ms eficientes en la construccin de tneles, y es comn su aplicacin en la actualidad. La actualizacin o innovacin de los sistemas de anclajes se concentra en la resistencia de los materiales usados, principalmente el acero, ante solicitaciones mecnicas y ante el debilitamiento del material en ambientes agresivos y corrosivos, sin que sea usual el mejoramiento en los anlisis del comportamiento de los anclajes.

En la actualidad el diseo se reduce a una rpida verificacin mediante la aplicacin de software donde no es comn el anlisis de optimizacin del sistema de anclajes. La optimizacin de un sistema de anclajes se consigue al revisar la longitud, el patrn de distribucin y las separaciones tanto longitudinales como transversales a la seccin de excavacin.

Este trabajo investigativo tiene por objeto el establecimiento de una gua que permite analizar la optimizacin de los sistemas de anclaje en la excavacin de obras subterrneas, y ms especficamente en el sostenimiento de cuas de roca inestables en secciones de excavacin con geometra curva. La metodologa presentada, permite la independencia en la utilizacin de programas de uso comn en la actualidad.

Para entender el comportamiento de un sistema de anclaje en interaccin con una cua de roca potencialmente inestable, inicialmente se deben analizar de forma independiente: la identificacin de cuas inestables y la resistencia del sistema de anclaje, y posteriormente se analiza la interaccin entre cuas y anclajes mediante la cinemtica del movimiento posible.

La cua de roca consiste en un elemento geomtrico definido como bloque y unas fuerzas actuantes como lo son el peso propio del bloque, la aceleracin ssmica, entre otras. La metodologa adoptada para la identificacin de los bloques que conformarn cuas crticas se denomina: rectas principales y secundarias, y consiste en la proyeccin de las intersecciones entre discontinuidades en un plano perpendicular al eje del tnel, donde se aprecia en verdadera magnitud la seccin de excavacin. El mtodo presenta una formulacin matemtica y sistematizada para la identificacin y dimensionamiento de los bloques con el fin de analizar la mejor orientacin para los anclajes. Una vez el bloque est definido se adopta la magnitud y direccin de las fuerzas externas, lo que en conjunto representa una cua de roca.

Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles 9

Para el entendimiento de los sistemas de anclajes inicialmente se aclaran los trminos empleados para la clasificacin 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 consideracin como un sistema de sostenimiento en excavaciones subterrneas.

El anlisis de la interaccin entre la cua de roca y el sistema de anclaje, se consigue luego de orientar la direccin del posible movimiento. El movimiento se diferencia entre inmediato o movilizado, dependiendo de las fuerzas actuantes consideradas en el anlisis. La identificacin del movimiento de la cua 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 identificacin 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 mecnica de rocas con aplicacin a tneles, siendo una gua para el diseo ante el efecto de cuas, a travs de mtodos alternativos e innovadores de fcil programacin.

1 Anclajes

De acuerdo a la Real Academia Espaola, la definicin general de un anclaje se establece como un conjunto de elementos destinados a fijar algo firmemente a un suelo. Adaptando esta definicin al trabajo investigativo adelantado; un anclaje es un conjunto de elementos destinados a fijar una cua de roca firmemente al terreno circundante estable, en una excavacin subterrnea.

Para el anlisis de la interaccin entre el sistema de anclaje y la cua de roca, inicialmente se analizan de forma independiente el bloque de roca con posibilidad cinemtica de deslizarse hacia el interior del tnel y el comportamiento de los distintos tipos de anclaje. En el anlisis de los sistemas de anclajes es necesario comenzar con la definicin de algunos trminos que condicionan el funcionamiento del sistema del anclaje. Posteriormente se presentan los tipos de anclaje comnmente utilizados en la prctica de las excavaciones subterrneas, seguido de la presentacin de algunas consideraciones generales y la definicin de los diferentes mecanismos de falla.

1.1 Definiciones

Los sistemas de anclajes constan de: (1) un elemento metlico 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 alineacin del elemento metlico en su instalacin y para la inyeccin del material de relleno; (4) sistemas metlicos en el cabezal del anclaje, los cuales distribuyen la carga en la cara libre de la roca, tales como platinas metlicas, tuercas y arandelas; y en algunas ocasiones se utilizan (5) cuas 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 despus de su instalacin a un porcentaje entre el 50% y 90% de la carga de trabajo considerada en el diseo, permitiendo que el anclaje aporte gran resistencia rpidamente. El anclaje pasivo no se tensiona luego de su instalacin, permitiendo movimientos en el material circundante inestable hasta lograr el tensionamiento previsto durante el diseo. 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 diseo.

Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles 11

Otra distincin comn 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 metlico, y los anclajes presentan un mejor comportamiento en altos requerimientos a tensin, transmitiendo los esfuerzos a la roca en la parte final del elemento metlico [8], en un tramo denominado como longitud de empotramiento o bulbo de anclaje. En este documento no se har una distincin entre pernos y anclajes, debido a que es comn denominar indistintamente un sistema de anclajes y un sistema de pernos.

Segn el tiempo de vida til de los anclajes, suelen diferenciarse entre temporales, semi-permanentes y permanentes; los anclajes temporales tendran una vida til 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, tendran vida til entre 6 y 18 meses, requiriendo de monitoreo; y los anclajes permanentes con tiempos mayores a 18 meses requieren de proteccin ante la corrosin y de monitoreo [7]. En la prctica el calificativo del tiempo de vida til de los anclajes queda a criterio del diseador, siendo temporal el sistema utilizado en obras que facilitarn el proceso constructivo.

Los sistemas de anclaje transfieren el esfuerzo de tensionamiento a travs del bulbo de anclaje, conocido tambin 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 perforacin 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 polimricas que endurecen mediante una reaccin qumica. Las resinas tienen la ventaja de endurecer ms rpidamente 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 perforacin, y su valor se encuentra en funcin de la longitud de empotramiento y del dimetro de la perforacin. Se recomienda una distancia mnima de 5 mm y 10 mm [2] entre el elemento metlico y el hueco de la perforacin para que se presente una adecuada transmisin 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 adhesin entre el elemento metlico y el relleno. Para una mejor transmisin 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

12 Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles

forma similar a la instalacin de un tornillo o cuando se implementa un anclaje expansivo. Los sistemas metlicos expansivos cuentan con un dispositivo que se adhiere a las paredes de la perforacin 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 presin.

En los anclajes activos se debe dejar una longitud libre que no transfiera el tensionamiento a la roca, es decir, una longitud del elemento metlico 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 metlico y el material de relleno, o se puede inyectar parcialmente la perforacin dejando libre el extremo ubicado hacia la pared de la excavacin. 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 proteccin simple.

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

Fuente: Adaptado del sistema DIWYDAG de proteccin 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 separacin entre el hueco de la perforacin y el sistema de anclaje, esencial para una mayor proteccin ante la corrosin y para la efectiva transmisin de esfuerzos a la roca circundante.

Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles 13

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

1.2 Tipos de anclajes

La seleccin del tipo de anclaje a utilizar se encuentra en funcin de la tcnica de excavacin, del tipo de roca, del ambiente al cual estar sometido, de las caractersticas pretendidas por el sistema de anclaje y de las cargas requeridas para el sostenimiento, entre otros. A continuacin se presentan los tipos de anclajes comnmente utilizados en el sostenimiento de excavaciones subterrneas.

1.2.1 Sistema de Anclaje Mecnico (Anclaje Expansivo)

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

Figura 1-2. Presentacin esquemtica de un sistema anclado mecnicamente.

Fuente: Adaptado de Hoek [1].

En la Figura 1-2 se observan dos mangueras para inyeccin, una para la entrada del relleno y otra para la expulsin de aire generando vaci. El relleno se utiliza para la proteccin ante la corrosin, y sirve adems para confinar la zona del anclaje. Esta tcnica facilita el ingreso del relleno hasta la profundidad de la perforacin, donde se ancla mecnicamente el sistema.

Platina perforada para inyeccin

Manguera de entrada para inyeccin

Escudo

Elemento fijo

Cono de expansin

Cinta para adherir mangueras

Manguera de expulsin para inyeccin

14 Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles

El anclaje mecnico se consigue luego de rotar la barra metlica; el escudo transmite la rotacin al cono, expandindose a medida que se acerca ms al elemento fijo. Debido a que el empotramiento se limita a la longitud del cono de expansin, 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 diseo [1].

Las principales fallas de estos sistemas se deben a la corrosin u oxidacin, lo que se ve contrarrestado por un relleno (grouting) que reduce el contacto directo con la roca. El anclaje mecnico 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 inyeccin y otro para garantizar la expulsin de aire. En la insercin del perno el sistema de mangueras puede verse afectado, por lo que se recomienda la utilizacin de pernos huecos, pero son ms costosos. La resistencia del relleno no es importante para estos anclajes porque slo se requieren para disminuir el impacto de la corrosin y para la disminucin del efecto de las vibraciones.

Los sistemas de anclajes mecnicos alcanzan altas resistencias, y requieren de personal calificado para evitar daos en las mangueras de inyeccin 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 minera [3]. Estos anclajes se caracterizan por ser de fcil recuperacin e instalacin.

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 plsticos dentro de la perforacin. Cuando el perno se encuentra instalado se induce la rotura de los empaques mediante la rotacin 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 ms resistente ante agentes corrosivos. Para realizar el pre-tensionamiento de anclajes que utilizan resinas se usa una mezcla rpida en la longitud de empotramiento y otra lenta en la longitud libre del anclaje, una insertada despus de la otra. La mezcla rpida 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 rpido y otro lento. El anclaje es pre-tensionado cuando la mezcla rpida se encuentra lista, entre 2 y 3

Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles 15

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 distribucin de las cargas trasmitidas sobre pared de excavacin del tnel.

Figura 1-3. Presentacin esquemtica de un sistema de anclaje mediante resinas.

Fuente: Adaptado de Hoek [1].

Un problema que presentan las resinas es su costo, y se encuentra en funcin de la velocidad con que se endurecen, es decir, la resina con endurecimiento rpido es ms costosa respecto la de endurecimiento lento. Las resinas deben ser almacenadas bajo condiciones especiales de temperatura. La prolongacin de las rotaciones requeridas para romper el plstico 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 vacos importantes, donde no es aconsejable su aplicacin, siendo ms eficiente la lechada. En cuanto a la resistencia friccional en el contacto con la roca, la resina se considera entre 2 y 3 veces ms resistente que la lechada [2], pero la lechada presenta una vida til mayor debido a que la lechada permite un mayor control sobre los vacos que se generan en el relleno, incidiendo en la proteccin ante la corrosin. Cuando se utiliza lechada se pueden revisar las presiones de inyeccin para controlar la generacin de espacios dentro del relleno. Este sistema tiene un tiempo de vida til limitado particularmente en ambientes clidos [3]

La aplicacin de las resinas incluye ambientes donde la mezcla debe actuar rpidamente para impedir el cierre de la perforacin, lo que sucede en rocas de baja capacidad mecnica. Es simple de usar y desarrolla grandes presiones de anclaje en rocas de poca calidad geotecnia. Se usan en excavaciones subterrneas donde la velocidad de construccin compensa los costos del proyecto.

Tramo de cartuchos de resina de rpido fraguado

Tramo de cartuchos de resina de lento fraguado

Tuerca

Platina

Barra de refuerzo

16 Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles

1.2.3 Sistema de Anclajes Mediante Lechada

A diferencia de del sistema de anclaje mecnico, 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 consideracin 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. Presentacin esquemtica de un sistema de anclaje mediante lechada.

Fuente: Adaptado de Hoek [1].

En la construccin de tneles el sistema de anclaje mediante lechada es usado cerca al frente de avance, en anticipacin al cambio de los estados de esfuerzos antes de que la roca presente un porcentaje avanzado de deformacin [3], debido a su rpida y fcil instalacin. La barra rgida se puede reemplazar por cables para flexibilizar el anclaje.

El sistema de anclaje mediante lechada econmico y sencillo, segn se observa en la Figura 1-4, y es comnmente utilizado en la construccin de tneles.

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 metlico con dimetro mayor al hueco de la perforacin. El sistema consiste en un tubo ranurado que se inserta en una perforacin de menor

Barra de refuerzo

Platina

Lechada

Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles 17

tamao, 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 corrosin.

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

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

Fuente: Fotografa de Ingersoll-Rand.

En la Fotografa 1-1 se observa que el sistema Split Set es sencillo y consta de dos componentes bsicas: 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 disminucin de su dimetro con el ingreso a la perforacin.

El principal problema de los anclajes tipo Split Set es la corrosin, debido a que no se utiliza material de relleno que separa el elemento metlico de la perforacin. Para la proteccin ante la corrosin 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 insercin y adicionalmente se pierde la efectividad de la resistencia a friccin. En la actualidad los catlogos de anclajes tipo Split Set presentan longitudes de hasta 3,2 m. en este sistema de anclajes la seleccin del dimetro 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 frgiles, en macizos susceptibles a estallido de roca (rockburst) [3], debido a su rpida instalacin y a su capacidad de absorcin de energa. Este sistema es fcil y rpido de instalar, siendo ms econmico 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 aplicacin en la ingeniera de tneles, pero se ha implementado como anclaje temporal en proyectos mineros [3].

18 Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles

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 s y sellado en un extremo, con un dimetro menor al dimetro de la perforacin, que posterior a su instalacin se expande. La expansin aumenta su seccin transversal, y se consigue mediante una presin de agua igual a 30 MPa, hasta que se logra el contacto con la perforacin realizada. Al igual que el Split Set, este sistema de anclaje resiste a friccin luego de su instalacin, 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 despus de su instalacin.

Figura 1-5. Presentacin esquemtica de un sistema Swellex. Atlas Copco.

Fuente: Adaptado de Hoek [1].

Es anclaje tipo Swellex es un sistema de instalacin rpida 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 corrosin.

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 corrosin, Atlas Copco ha considerado dos versiones: Swellex revestido en Bitumen y Swellex revestido en plstico [12]. As mismo, son dos las lneas que presenta Atlas Copco: Premium y Manganese, para condiciones de altas solicitaciones mecnicas y de alta deformabilidad respectivamente.

25 a 28 mm de tubo doblado

Tubo expandido

33 a 29 mm de perforacin

Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles 19

1.2.6 Sistema de Cables y Lechada

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

El anclaje mediante cables y lechada puede ser de tipo activo, teniendo un procedimiento especial de instalacin, 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. Presentacin esquemtica de un sistema de anclajes compuesto por cables.

Fuente: Adaptado de Hoek [1].

La resistencia a la traccin 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 instalacin requieren vigas cabezal o estructuras adicionales a una platina de acero en el cabezal para realizar una correcta distribucin de esfuerzos en la pared de la excavacin. Cuando se consideran grandes capacidades de cargas y se utilizan estructuras especiales de redistribucin de esfuerzos, el sistema de anclajes de cable y lechada se denominan como torones o tendones de anclaje.

Lechada

Cable

20 Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles

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 cuas de roca inestables, entre los cuales se encuentran los denominados anclajes tipo Spiling, que son utilizados para garantizar la estabilidad del frente de excavacin en roca de baja calidad geotcnica 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 subterrneas ante distintos mecanismos de falla, debido a diferentes factores como lo son la densificacin que realiza sobre el material inestable circundante a la seccin de excavacin, la modificacin de la superficie de falla inducida por la redistribucin de esfuerzos luego de realizada la excavacin subterrnea, pero el factor de inters 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 cinemtica de ingresar al tnel

El mecanismo de falla que representa los bloques de roca inestables se denomina cua de roca. La cua de roca es un mecanismo que combina la figura geomtrica 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 ssmicas. Para que se requiera del anlisis de cuas de roca se deben identificar sectores del tnel donde el comportamiento del macizo rocoso se ve influenciado por las discontinuidades y no por la baja competencia mecnica de la roca.

Para rocas donde el mecanismo de falla identificado se ve influenciado predominantemente por las caractersticas mecnicas de la roca, es decir, en rocas blandas de baja coherencia, los anclajes debern sobrepasar la zona de plastificacin del macizo rocoso, debido a que es un mecanismo distinto al de cuas de roca. Por otra parte en rocas de alta capacidad mecnica, 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 cuas 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

Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles 21

A continuacin 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 ingls como Uplift. El Uplift tiene una variedad de teoras que coinciden en asumir una superficie de falla cnica que atraviesa la roca.

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

Figura 1-7. Superficie de falla cnica 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 ngulo definido como , de donde se obtiene el ngulo central . Las propuestas que adoptan una superficie de falla cnica difieren en el ngulo central del cono 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 funcin del esfuerzo normal N. Se observa que a mayor valor de H mayor es el permetro donde acta la resistencia a cortante

22 Anclajes en la mecnica de rocas con aplicacin a tneles

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 tracin del anclaje se denomina con la letra F.

Se han propuesto mtodos con superficies de falla diferentes y mtodos variacionales que han concluido en aceptar la superficie de falla cnica. Se ha demostrado que en los planos de falla actan esfuerzos tensionantes, lo cual lleva a plantear ecuaciones de la carga de falla en funcin de su esfuerzo de traccin [2]. Algunas de las formulaciones sugeridas son: propuesta de Ucar, mtodo variacional y propuesta de Coats.

El mtodo variacional y el mtodo propuesto por Ucar coinciden en la definicin de factores de seguridad para una resistencia a la traccin dada, a diferencia que el mtodo de Ucar define lmites para la adopcin del parmetro H. Los parmetros que utilizan estos mtodos son los parmetros de la envolvente de falla Mohr-Coulomb del macizo (roca segn su estado de alteracin) y de las discontinuidades, coeficiente de presin lateral de tierras y peso unitario de la roca.

El mtodo propuesto por Coats presenta un factor de seguridad en funcin de la fuerza al corte del anclaje y la carga aplicada por el anclaje. No es fcil la comparacin respecto a los modelos analticos planteados por Coats, Ucar y mtodo variacional, debido a que los parmetros escogidos para cada macizo rocoso en particular definirn cul mtodo es ms conservador.

Respecto al parmetro 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 anlisis de cuas se ve limitada por una discontinuidad, que a su vez se presenta como una superficie potencial de falla, el valor H estar delimitado por la geometra del bloque inestable.

Otras formas en que puede fallar la masa rocosa son la falla mediante punzonamiento y falla mediante capacidad portante. La revisin 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 distribucin de esfuerzos en la pared de la excavacin subterrnea.

La falla de la masa rocosa definidas como Uplift, punzonamiento y capacidad portante se contrarresta con la consideracin de sistemas de anclaje friccionantes, que transmiten las cargas del anclaje a lo largo de todo el contacto con la perforacin, al disminuir la fuerza de traccin 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 anlisis de las cuas de roca se debe al movimiento del bloque. Para encontrar los esfuerzos de trabajo y la eficiencia del anclaje