Serviços customizados
Espanhol (pdf)
Artigo em XML
Referências do artigo
Enviar este artigo por email
Citado por SciELO 
Similares em
SciELO 
Permalink
INTRODUCCIÓN
En varios proyectos viales que se desarrollan en Colombia en los últimos años está presente la propagación de ondas durante las voladuras entre túneles. Las vías de doble calzada en el país, por lo general, contemplan túneles paralelos, los cuales se excavan con desfase entre frentes, a través de perforaciones y voladuras. En algunos casos uno de los túneles ya está en operación y es necesario optimizar los diseños de las voladuras y controlar los efectos desde el principio.
La compañía PetroBlast S.A.S. ha intervenido en estos proyectos realizando estudios de monitoreo. Las excavaciones de un túnel por el método convencional con el uso de explosivos generan ondas longitudinales, transversales y verticales que se propagan en diferentes direcciones, provocando grandes esfuerzos que producen deformaciones en las rocas y por consiguiente, el daño en estructuras cercanas; esto, debido a la carga dinámica que genera la detonación de un explosivo confinado dentro de un pozo (Figura 1).
La magnitud del daño causado depende de la cantidad máxima de carga del explosivo detonado instantáneamente en el mismo número de retardo, la distancia entre la voladura y las obras a evaluar, entre otros factores. La disipación y atenuación de las ondas está en función de las características físico-mecánicas de las rocas del entorno, donde cualquier alteración del macizo, ya sea por excavación mecánica (desconfinamiento del macizo) o por voladuras, afecta de alguna forma a las obras construidas (Chapot 1981; Pinto-Morales y Fuentes-Fuentes 2000, 2007, 2008, 2013, 2017, 2021).
METODOLOGÍA
En el monitoreo para la evaluación del daño de las vibraciones en las obras estructurales, inicialmente se recoge la información existente sobre la voladura a efectuar, rocas que componen el corte litológico, tipo y peso de la carga, la obra a monitorear, el sistema de excavación a emplear; y posteriormente, la incidencia en la formación de cuñas. Luego, se establecen los puntos de ubicación de los equipos para la recolección de los registros (Pinto-Morales y Fuentes-Fuentes 2000, 2007, 2013, 2017, 2021). Para seleccionar el sistema de excavación óptimo y de menor costo existen varias metodologías que se tuvieron en cuenta durante los estudios realizados por la empresa PetroBlast S.A.S. En la Figura 2 se muestra un ábaco diseñado por Franklin (1971) y ajustado por Pinto (2019) que permite determinar el sistema de excavación de una manera rápida y confiable.
La forma más rápida de excavar rocas resistentes y masivas es mediante la perforación y voladura (PyV) (Taylor & Francis Group. 2013). En este caso, se perfora horizontalmente la superficie del frente del túnel para el cargue de explosivos, que posteriormente son detonados en tiempos diferentes y, por lo general, se realizan en dos o tres secciones (Siskind 1980). En la Figura 3 se observan las fases de excavación de un túnel vial.
Figura 3 Sección típica de un túnel carretero (izq.) Sección del túnel en roca excavado con el método P&V -Norma ATM, PetroBlast 2019- (centro). Túnel vial con subterráneo de evacuación -Norma ATM, PetroBlast 2018-(der.)
Las cuñas son las fallas más comunes en túneles y obras subterráneas. Se presentan en los techos o hastiales; esto puede ser debido a que están influenciadas por el sistema estructural e intersección de diaclasas en cada dominio geotécnico, principalmente en el eje principal, ayudadas por la fuerza de gravedad (g), peso (W), resistencia al corte del relleno de diaclasas, etc., (Edwards y Northwood 1960; Langefors y Kihlstrom 1978). Dada esta situación, cuando se van a realizar las voladuras, se debe tener especial atención en el diseño planteado. Con el fin de prevenir las cuñas, se obtiene previamente el plano de diaclasamiento estructural por el eje del túnel. De esta manera, se pueden conocer las intersecciones entre fracturas para el proceso óptimo de las voladuras, por ejemplo: si se presenta una cuña de 4 m de lado hacia el frente y se realiza una voladura de 3,5 m, lo más probable es que falle el techo. En contraposición a lo anterior, en esta misma situación, si se conoce la longitud de la cuña en el frente se puede realizar una voladura de 2 m de avance, lo cual permite excavar y fortificar la mitad de la cuña para seguir con la siguiente voladura. Es importante realizar un análisis estático y dinámico de las cuñas a través de softwares o de otras herramientas que le den al ingeniero una visión más amplia de la estructura con probabilidad de falla (Figura 4). De esta forma se pueden tomar mejores decisiones en la etapa de excavación y fortificación ya sea empleando concreto, perno localizado o sistemático, mallas, entre otros (Siskind 1980).
RESULTADOS
En las Figuras 5 y 6 se muestra una sección transversal de obras subterráneas, las isolíneas de velocidad (mm/s), propagación de vibraciones y redistribución de esfuerzos por desconfinamiento durante la excavación mecánica de un túnel. Los valores altos de velocidad se detectaron en las cercanías de las obras.
Figura 5 Sección transversal de obras subterráneas producidas por voladuras en una mina en superficie (izq). Isolíneas de vibración PPV (mm/s), por voladuras en superficie (der).
Figura 6 Propagación de vibraciones generadas en superficie PPV (mm/s), hacia túneles y obras subterráneas (izq). Redistribución de esfuerzos por desconfinamiento durante la excavación mecánica de un túnel (der).
La propagación de las ondas generadas por una voladura a cielo abierto y su incidencia hacia un túnel localizado a 80 m por debajo de una cantera se ilustra en la Figura 7.
Figura 7 A la izquierda, propagación de ondas generadas por una voladura en superficie PPV (mm/s). A la derecha, isolíneas de vibración PPV (mm/s), voladura en superficie, Carga operante: 45 Kg, PPV: 3,24 mm/s.
La voladura de prueba a cielo abierto empleó 86 barrenos, en areniscas, h: 8 m, diámetro: 4,5 pulgadas, carga máxima: 65 Kg Anfo, Nonel 25,42 ms. Se instaló un sismógrafo (Minimate Plus, Instantel) en el techo del túnel (dimensiones 5 m x 7 m, sin revestimiento primario), a través de un perno en roca, obteniendo una vibración máxima de 2,44 mm/s, que está dentro del rango permisible, lo que indica que no se presentaron daños en el techo del túnel (Figura 8).
Figura 8 Sismógrafo instalado en el techo del túnel. A la derecha, el registro de vibración obtenido a 80m de la voladura Vmáx: 2,44 mm/s.
A partir de la información obtenida en proyectos desarrollados en las cordilleras andinas de Colombia, se presentan tres casos de estudio correspondientes a túneles viales.
Túnel Pamplona
El proyecto se desarrolló en un túnel vial al norte de Colombia, localizado en el municipio de Pamplona, Departamento Norte de Santander, el cual se excavó paralelamente con una galería de evacuación. La excavación se realizó con voladuras desfasadas (20 m), entre frentes del túnel principal respecto a la galería. El túnel tiene una longitud de 1 360 m y una distancia horizontal entre tubos de 25 m a 35 m. Las mediciones se realizaron con voladuras de producción que fueron previamente diseñadas con el fin de controlar los daños entre túneles (agente de voladura Emulind 38 mm y 32 mm, accesorios de voladuras: Nonel MS y LP, 4 barrenos rimados dispuestos en rombo de 4”). Se excavó utilizando perforaciones y voladuras, con una galería de escape paralela, por lo que se generaron vibraciones de ambos frentes (tanto del túnel como de la galería). Por lo tanto, deben realizarse mediciones de control en las dos direcciones (Dowding; Murray y Amatzidis 1981). Los parámetros de diseño de las voladuras aparecen en la Tabla 1. Las Figuras 9 y 10 ilustran la entrada del túnel así como el diseño y la secuencia de la voladura monitoreada en la galería de evacuación.
Figura 9 Portales de entrada del túnel Pamplona y representación gráfica de la voladura en el túnel principal monitoreado en la galería.
Figura 10 Portal de entrada del túnel principal Pamplona (arriba izq), frente principal (arriba centro), y perforación del frente de voladura (arriba der). Las imágenes inferiores muestran, de izquierda a derecha, la distribución de la energía del explosivo en el frente; la secuencia de disparo de la voladura; y los registros en la galería (distancia de registro 35 m. PPV = 7,17 mm/s).
El diseño y la secuencia de la voladura realizada en la galería y monitoreada en el túnel Pamplona se muestran en las Figuras 11 y 12. Se observa la distribución del explosivo en el frente, la energía y la intensidad de las vibraciones que pueden generar las cargas aplicadas en las rocas y en túneles cercanos.
Túnel 8 - Ruta del Sol
El proyecto se desarrolló en la Ruta del Sol, sector 1, túnel 8, en el municipio de Guaduas, departamento de Cundinamarca; longitud 1 864 m, con dos tubos paralelos a 50 m uno del otro. Los parámetros de diseño de las voladuras y registros de vibraciones entre túneles se observan en la Tabla 2 y las Figuras 13 y 14 y 15.
Figura 14 De izquierda a derecha y de arriba hacia abajo se pueden visualizar: Portal Guaduas; Malla de perforación; Cuña con 4 barrenos vacíos de 4”; Sismógrafo 1, ubicado a 22 m de la voladura; Sismógrafo 2, ubicado a 35 m de la voladura; Sismógrafo 3, ubicado a 55 m de la voladura.
Túnel Buenavista - Túnel 7
El proyecto está localizado en la doble calzada Bogotá-Villavicencio, sector Buenavista. El trabajo se desarrolló durante la excavación de túnel 7 el cual es paralelo al túnel Buenavista, con una longitud de 4 800 m. El sector presenta una geología compleja con rocas de calidad buena, regular y mala. Los monitoreos de voladuras se realizaron en el portal Bogotá en los primeros 700 m en rocas competentes del túnel 7. Los parámetros de diseño de las voladuras y registros de vibraciones entre túneles se observan en la Tabla 3 y las Figuras 16, 17 y 18.
Figura 16 Portal Bogotá, túneles Buenavista y Túnel 7. A la derecha, esquema de localización de sismógrafos 1, 2 y 3 en los túneles.
Figura 17 De izquierda a derecha y de arriba hacia abajo se distinguen: Diseño de voladura; Diseño de voladura con software 2D Face; Perforación del frente de excavación Túnel 7; Localización de los sismógrafos 1, 2 y 3.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Las vibraciones inducidas podrían poner en peligro la seguridad de los túneles o galerías que se excavan paralelamente, o los túneles en servicio, causando desprendimientos, fisuras, grietas, cuñas del techo y hastiales de túneles cercanos en construcción, inclusive, contribuirían al colapso de los revestimientos. Para reducir los costos de construcción y minimizar el daño al medio ambiente, la distancia entre túneles debe ser lo más corta posible. La velocidad pico de vibración de la partícula PPV, registrada entre túneles, es una variable decisiva para adelantar los análisis de daños en las rocas y en los concretos de revestimiento en las obras subterráneas. Por esta razón, la mayoría de las normas emplean umbrales de seguridad relacionados con el potencial de daños por estremecimientos generados por vibraciones utilizando la velocidad de vibración como variable básica.
Los registros se tomaron para voladuras con profundidades de perforación de 2m a 3,5 m y con diseños óptimos de cuñas que permitieron el desconfinamiento del frente, dando alivio a la salida secuenciada de la voladura.
En los resultados de los registros de vibración entre túneles se puede observar que la utilización de toda la numeración de retardos de los explosivos Nonel, es efectiva para controlar el daño entre tubos localizados a distancias mayores a 40 m. La utilización de accesorios NONEL (no eléctrico), con toda la numeración MS (22 retardos, máximo 1 400 ms) y LP (15 retardos, máximo 9 600 ms) es suficiente para mitigar los daños en el macizo rocoso y, en especial, sobre túneles y obras subterráneas adyacentes.
De acuerdo con lo anterior, los resultados de las voladuras realizadas, apoyados con estudios sismológicos de control, aportan que estos materiales son confiables y seguros, y que pueden ser empleados como un complemento necesario para optimizar las voladuras y controlar vibraciones (PPV) entre las obras subterráneas. El diseño de cuña recomendado consiste en emplear, como mínimo, cuatro taladros rimados de 4”, con diámetros de explosivos de 38 mm en la destroza y 26 mm en el contorno.
CONCLUSIONES
Monitorear las vibraciones por voladuras permite analizar la incidencia de la propagación de ondas en el macizo, siendo una herramienta útil para determinar y prevenir los posibles daños en techos o hastiales en túneles y demás obras subterráneas.
Los análisis empíricos a través de softwares, con parámetros y data geotécnica de rocas friables, permiten realizar simulaciones de propagación de ondas (isolíneas de velocidad), e intensidad de llegada de las ondas sobre la clave del túnel, donde precisamente se pueden presentar fallas por colapso de cuñas u otras estructuras.
Las velocidades de vibración y las tensiones dinámicas ejercen un efecto sobre diferentes posiciones del revestimiento del túnel, teniendo en cuenta que la velocidad máxima de partícula (PPV) influye directamente en el anverso del revestimiento y los esfuerzos de tensiones máximas, disminuyen con el aumento de la roca circundante.
El umbral de seguridad recomendado de PPV es de 100 mm/s para revestimiento intacto. Sin embargo, si el revestimiento presenta algún tipo de agrietamiento, los umbrales de seguridad recomendados de PPV estarán alrededor de los 25 mm/s - 50 mm/s.
