Importancia de los Estudios Geológico Geotécnicos en la Geológico-Geotécnicos Ingeniería de Obras S b Subterráneas á
Gustavo Arvizu Lara Julio 2010
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Antecedentes
Desde los primitivos túneles del hombre prehistórico que se excavaban con la intención de ampliar sus cavernas, hasta la compleja tecnología actual; los túneles han sido soluciones eficientes para p problemas p específicos de la ingeniería como irrigación, drenaje y comunicación entre otros.
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En las grandes ciudades de la actualidad con una alta l d d d d l ld d l concentración humana y un limitado espacio para ampliar la infraestructura los túneles se convierten en una solución confiable infraestructura, los túneles infraestructura, los se convierten en una solución confiable para atender la demanda de servicios a la comunidad.
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Sin embargo los túneles actuales tienen que cumplir mayores exigencias exigencias:: Longitudes extensas, profundidades mayores y diámetros más amplios Esta complejidad creciente ha obligado a que diversas disciplinas de la ingeniería trabajen coordinadamente. coordinadamente.
Ingeniería g Básica
Di ñ Diseño
Construcción
• Modelo geológico/geotécnico • Modelo geohidrológico • Instrumentación i del d l terreno • Diseño hidráulico • Diseño Di ñ estructural t t l • Diseño geotécnico
• Selección de equipo y procesos constructivos • Excavación • Recubrimiento, Recubrimiento dovelas 4
Proceso para ell Desarrollo ll de d las l Obras b Subterráneas b á
ESTUDIOS DE FACTIBILIDAD, INGENIERÍA BÁSICA Y DISEÑO
C O N S T R U C C I Ó N
Estudios Geológico-Geotécnicos
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Definición Los Estudios Geológico-Geotécnicos son el conjunto de estudios que se deben llevar a efecto en forma previa a la construcción de una obra subterránea, con la finalidad de seleccionar el sitio que reúna las mejores características para el proyecto, así como proporcionar los criterios óptimos en el diseño al tomar en cuenta las condiciones del macizo rocoso donde se excavará.
Costo Oscila entre el 3 y 7 % del costo de la obra
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OBJETIVO de los ESTUDIOS Detallar el modelo geológico-geotécnico del macizo Determinar el mejor j diseño g geotécnico p posible y si es el caso elaborar especificaciones de construcción (tratamientos, diámetro, forma y método de excavación) Diseñar la instrumentación necesaria para la etapa de construcción y la de operación definitiva
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Consideraciones Importantes • Un macizo rocoso a diferencia de otros materiales utilizados por el hombre, no es continuo, sino discontinuo, heterogéneo y anisotrópico constituido por una serie de discontinuidades y anisotrópico, zonas de debilidad como son las fallas, fracturas, diques, estratos,, entre otros. ((Dr. Rolando de la Llata R.)) • Las características del macizo rocoso se obtienen de la observación del sitio. En la mayoría de los casos, están ocultas en el subsuelo, sin acceso a observar al macizo rocoso involucrado, lo que implica grandes retos durante la investigación, interpretación y caracterización del mismo. 8
Consideraciones Importantes • Un mapa geológico-geotécnico en manos experimentadas es un instrumento muy valioso e importante que representa en dos dimensiones la distribución de las rocas, rocas las estructuras, estructuras la calidad de la roca, la interacción geología con las excavaciones,, etc. •
Con base en toda la información integrada g se ppresenta un modelo geológico-geotécnico idealizado del sitio. Este modelo no obstante nunca está completo, aun después de terminada la construcción de la obra.
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Ventajas de los Estudios en Obras Subterr谩neas
Certidumbre en el cumplimiento de programas Costos de construcci贸n con menores deviaciones Incremento de la seguridad durante la construcci贸n y operaci贸n
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Comentaremos algunos casos de la importancia de los estudios durante la construcci贸n de obras subterr谩neas y de la relevancia de los mismos durante los estudios pprevias a la construcci贸n.
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V Ventajas j dde los l Estudios E di en Obras Ob Subterráneas S b á
Un caso ilustrativo es el de los Túneles del Grijalva en donde derivado de los resultados de la exploración l ió directa di t se detectó d t tó la l presencia de una falla la cual pudo ser tratada oportunamente y evitando retrasos en la construcción
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V Ventajas j dde los l Estudios E di en Obras Ob Subterráneas S b á
Plano de Falla
Falla debidamente anticipada y tratada adecuadamente sin mayores implicaciones en costo y programas. Túnel 2 del Grijalva 15 de julio 2010 13
V t j de Ventajas d los l Estudios E t di en Obras Ob Subterráneas S bt á PH La Yesca Estudios realizados en la MI del proyecto. proyecto En Abril del año 2008, se advirtió en un corte realizado para construir una de las vialidades en esa margen, que la ladera se estaba deslizando a través de un plano de falla, movimiento que ponía en riesgo no solo la conclusión l i d los de l d dos túneles de desvió, también a la misma obra en su conjunto. 14
Ventajas de los Estudios en Obras Subterráneas PH La Yesca E di realizados Estudios li d en la MI del proyecto.
Z X Y
Los estudios que se realizaron en principio se enfocaron a conocer la magnitud del problema, para lo que se efectuaron trabajos de geología superficial, exploración directa (barrenación y excavación subterránea) y geofísica. En forma paralela, se colocaron instrumentos tanto en el interior de los túneles como en la superficie, para conocer la velocidad velocidad, magnitud y dirección del 15 deslizamiento.
Ventajas de los Estudios en Obras Subterráneas PH La Yesca E t di realizados Estudios li d en la l MI del d l proyecto. Como resultado se pudieron p definir las fronteras del movimiento, es decir el tamaño del bloque, las causas que originaron el deslizamiento, deslizamiento así como las características del mismo. Con esta información se realizaron las recomendaciones geotécnicas necesarias para detener el movimiento. Dichas recomendaciones consistieron de manera general, general en descopetar parte del cerro, drenar el plano de falla, colocar un monolito y construir seis lumbreras de cortante, actualmente en ejecución. 16
Ventajas de los Estudios en Obras Subterráneas
Otro ejemplo de la utilidad de los estudios en la reubicación de las obras, es la excavación en la MD de la bóveda de la casa de máquinas del mismo proyecto, en donde conforme se efectuaban los trabajos se presentaron complicaciones en la geología estructural, principalmente lo que se refiere a la geometría de las fallas, ya que por su tipo, resultaba
problemático
proyectar t su trayectoria t t i en ell subsuelo. b l
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Ventajas de los Estudios en Obras Subterr谩neas
Cambio de ubicaci贸n de playa de montaje PH La Yesca por Sistema de Falla Pilar Enero 2009
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Ventajas de los Estudios en Obras Subterráneas Un ejemplo de cómo se pueden anticipar problemas, se puede ilustrar en el PH Jiliapan, Hgo. en donde se realizaron estudios de geología superficial, geofísica de reflexión y perforación a lo largo del trazo de un túnel de conducción de 25 Km aproximadamente, a lo largo del cual afloran calizas de la Formación El Abra que presentan diferentes características las cuales están en función del ambiente geológico en fueron depositadas.
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Ventajas de los Estudios en Obras Subterráneas Los estudios L t di geológicos ló i d de superficie los cuales se apoyaron en la fotogeología y en imágenes de satélite, satélite se enfocaron a delimitar la zona en donde afloran las calizas que se caracterizan por tener estratos gruesos o masivos y ser rocas que por su pureza (ausencia de materiales arcillosos) son susceptibles de disolverse con la presencia del agua de gu y a formar o dolinass y do cavernas, de las calizas más delgadas, menos puras y por tanto menos ppropensas p a disolverse y formar cavernas. 20
V Ventajas j dde los l Estudios E di en Obras Ob Subterráneas S b á
Por su parte los estudios de geofísica de reflexión fl ió profunda f d y la l exploración directa, confirmaron que la zona por donde la trayectoria del túnel encontraría mas mayor y presencia de disolución y por tanto más cavernas y carsticidad es en la zona de las calizas de plataforma. 21
Clasificación y Propiedades Mecánicas e Hidráulicas de los Macizos Rocosos RESISTENCIA
•Compresión Uniaxial •Esfuerzo cortante en discontinuidades
DEFORMABILIDAD
•Pruebas estáticas: placa rígida y flexible, gato plano, pruebas en barrenos (dilatómetro, presiómetro , Gato Goodman), Goodman) galería presurizada •Pruebas dinámicas: geofísica sísmica
ESTADO DE ESFUERZOS
•Roseta de deformaciones y gato g plano p •Fracturamiento hidráulico •Overcoring
PERMEABILIDAD
•Pruebas P b en zanjas j •Ensaye Lugeon •Ensaye Lefranc
INYECTABILIDAD
Pruebas de agua (presión crítica) Pruebas de inyección de mezclas de cemento
Resistencia al esfuerzo cortante en discontinuidades (ensaye de corte directo)
Etapa preliminar de diseño para un Túnel de Conducción de 20 km en zonas con carsticidad y topografía accidentada
Medición del estado de esfuerzos Metodología Overcoring
Ensayes y de Deformabilidad - Pruebas de placa flexible en socavones -
PRUEBA DE PLACA (Socavón 2, posición vertical, Micrómetro 4, prof. 80 cm)
Presión de conttacto en kg/cm²² P
40 35
C-1 D-1
30
C-2
25
D-2
20
D-3
C-3
C-4
15
D-44 D C-5
10
M-1 D-5
5
C-6 M-2
0 0.00
D-6
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
Desplazamiento en mm
0.70
0.80
0.90
M-3
Pruebas de permeabilidad e inyecci贸n en macizos rocosos
1B
2D
1A
2A
Modelo geotécnico 1A
Con el modelo ggeológico g – ggeotécnico es posible p realizar el diseño geotécnico de la obras.
Métodos para el análisis y diseño de excavaciones Subterráneas
MÉTODOS: O OS 1.Semi-empíricos (clasificaciones geomecánicas) á i )
RESULTADO Recomendación para excavación (proceso constructivo) Diseño de tratamientos de soporte y drenaje para asegurar la estabilidad t bilid d de d las l excavaciones
2. Revisión de la estabilidad de bloques de roca (cuñas) 3 Revisión por esfuerzos 3.
Conclusiones
1.
Los estudios reducen la incertidumbre durante el proceso de construcción de las obras.
2.
El nivel de reducción en la incertidumbre está relacionado con el tiempo, la inversión que se destine a los estudios y las características geológicas de la zona.
3.
No obstante lo anterior, siempre habrá imprevistos durante la construcción , por lo que se recomiendan estudios paralelos (barrenos piloto)
4.
Lo que no se debe hacer, es empalmar los estudios con la etapa de diseño de las obras. 29