INTRODUCCIÓN
Las excavaciones subterráneas de uso civil y minero involucran riesgos de inestabilidad y ocasionan desprendimiento de rocas, estallidos, deformaciones, derrumbes y otros eventos, lo cual afecta a las personas e infraestructuras en general. La estabilidad de una excavación está relacionada al diseño del sostenimiento, y para este propósito hay en el mercado una variedad de elementos de sostenimiento, tales como: los pernos de anclaje, las cerchas y cimbras, el shotcrete y otros. El diseño del sistema de sostenimiento se basa en el desempeño de cada componente de los elementos en relación con el tipo de roca, los esfuerzos in situ del lugar y la evaluación de las rocas fracturadas entre la elipse de esfuerzos y la excavación.
- Esfuerzos in situ
Los elementos de soporte en excavaciones subterráneas y superficiales deben ser capaces de atenuar los esfuerzos in situ en condiciones homogéneas y heterogéneas del macizo rocoso. Por la condición homogénea, los esfuerzos tendrán orientación vertical y horizontal ortogonal y por condición heterogénea, los esfuerzos no serán necesariamente horizontales, ni verticales, ostentando valores en distintas posiciones. Entonces, un buen sistema de soporte será eficaz cuando todo el sistema de soporte se oriente en la dirección opuesta y paralela a los esfuerzos in situ, en magnitud y dirección. (Ver figura 1)
Figura Nº 1: Transmisión de esfuerzos en rocas homogéneas (a) y heterogéneas (b).
- Sostenimiento con pernos, cables y marcos metálicos
Al realizar una excavación subterránea se altera el estado de equilibrio de los esfuerzos. Para explicar la influencia de los esfuerzos recurrimos a la figura 2(a), donde los esfuerzos originan el campo y la elipse de esfuerzos en estado de equilibrio con la orientación del esfuerzo s1, definida por el eje mayor de la elipse, diferente a la proyección vertical por condición de roca heterogénea originando un nuevo campo y una elipse de esfuerzos. Asimismo, en la figura 2(b), observamos un sector ennegrecido, lo cual representa rocas fracturadas y demarcadas desde el contorno de la elipse de esfuerzos (*) hasta el contorno de la excavación. En este caso, el contorno de la elipse lo denominamos ‘línea de corte’, definida como la frontera entre la roca fracturada y la roca intacta.
Figura Nº 2: Campo de esfuerzos (a) y roca fracturada dentro de la elipse de esfuerzos (b)
(*) La geometría de la elipse de esfuerzos se obtiene mediante el Método de Detonación de Taladros (MDT).
- Influencia de la elipse de esfuerzos según los tipos de roca
Al realizar la excavación se origina un nuevo campo de esfuerzos y nuevas elipses de esfuerzos, cada una con su propia geometría generada por los esfuerzos in situ y calidad de roca circundante. En la figura 3 se observan diversas elipses separadas por tipos de roca (según la clasificación de Bieniawsky, 1989), donde la elipse de esfuerzos más cercana al contorno de la excavación coincide con las rocas fracturadas de tipo I, representando menor área y peso de roca fracturada. Asimismo, la elipse más alejada de la excavación representa a las rocas fracturadas de tipo V, de mayor área y peso. Nótese que el eje mayor de la elipse de esfuerzos coincide con el esfuerzo s1.
Figura Nº 3: Sectores de roca fracturada delimitados por la geometría de la elipse de esfuerzos, según la calidad de roca.
- Influencia de la elipse de esfuerzos con el sistema de sostenimiento
El dato importante para el diseño del sistema de sostenimiento es el conocimiento del peso de la carga o roca fracturada (potencialmente inestable) sobre la excavación, ubicada entre el contorno de la excavación y el limite interno de la elipse de esfuerzos.
- Influencia de la elipse de esfuerzos con sostenimiento de pernos y cables.
Conocido el peso de la roca fracturada en el área delimitada por la elipse de esfuerzos se procede a determinar la longitud, ubicación y cantidad de los pernos por instalar, para lo cual se tiene en cuenta que la longitud del perno de anclaje sobrepase el contorno de la elipse esfuerzos (línea de corte) y se ancle en el campo de roca intacta, tal como se aprecia en la figura 4. Es propicio resaltar que existen reportes de eventos por caída de roca en lugares con pernos de anclaje instalados, incluso se ha logrado observar remantes de pernos solos o ‘colgados’ en el contorno de la excavación; esta condición fue ocasionada porque el perno de anclaje no se ancló en la roca intacta o en los limites externos de la línea de corte. (Ver figura 4)
Fig. N.º 4: Evaluación de la longitud de pernos, alrededor de la elipse de esfuerzos.
Asimismo, al conocer la geometría de la elipse de esfuerzos es posible determinar la longitud aproximada de los cables de anclaje, medidas desde el contorno de la excavación hasta el campo de roca intacta del lugar no alterado.
- Influencia de la elipse de esfuerzos con sostenimiento del shotcrete
El shotcrete es un elemento muy versátil para el sostenimiento de cualquier excavación subterránea y de uso superficial, el cual otorga soporte inmediato una vez impregnado el concreto en la superficie excavada. La determinación de cantidad de m3 del shotcrete está en función del espesor (e), dependiendo de la carga de roca fracturada sobre la excavación. En este caso, la carga de roca fracturada se puede evaluar mediante la geometría de la elipse de esfuerzos (punto 1), y sobre esa base calcular el espesor adecuado del shotcrete, la resistencia a la flexión del shotcrete y los esfuerzos in situ del lugar.
Figura Nº 5: Evaluación del espesor (e) del shotcrete según la carga de roca fracturada dentro de la elipse de esfuerzos.
En resumen, para optimizar el sistema de sostenimiento se deben plantear las siguientes preguntas: ¿cuál es la fuerza resistente de los elementos de soporte? y ¿cuál es la fuerza actuante del macizo rocoso? Y, sobre esta base, adicionar el Factor de Seguridad (F.S.), optimizando, por ejemplo, la distancia o separación entre marcos metálicos, cintas de acero, tipo de mallas, etc.
CONCLUSIONES
- Para el diseño del sistema de sostenimiento es importante conocer previamente la geometría de la elipse de esfuerzos y estimar la carga o fuerza actuante.
- El diseño de soporte con pernos de anclaje debe reunir una condición fundamental: ‘anclarse’ en la roca intacta.
- La eficiencia y competitividad del sostenimiento con shotcrete pasa por considerar el espesor (e) del shotcrete y definir si es excesivo o deficiente en cantidad de m3, contrastando con el análisis de costos.
