UNIVERSIDAD ALAS PERUANASESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS

DISEO Y CONSTRUCCIN DE TNELES

PERFORACION Y VOLADURA DE TUNELES

DOCENTE: ING. ROBERTO GONZALES YANA

PERFOTRACION Y VOLADURA

PERFORACIN Y TRONADURA (Procedimiento de excavacin de tneles utilizando explosivos)

Teora de la tronaduraExplosivos qumicosDispositivos de iniciacinDiagramas de perforacinClculo de la carga explosivaTronaduras controladas y secundariasEquipos para perforacin, carga de explosivos y carguo y transporte de la marina Actividades de apoyo: Drenaje, Aire Comprimido, Topografa, Ventilacin

Materias de la asignatura

EXCAVACIN MECNICA DE LA ROCA (Excavacin de tneles sin utilizar explosivos)

Forma de realizar el corte de la rocaClasificacin de las formaciones geolgicastiles de corteMquinas tuneleras (TBM)Mquinas de ataque puntual: RozadorasEscareadoras de chimeneas: Raise BorersActividades de apoyoComparacin con la perforacin y tronadura

Materias de la asignatura

SOSTENIMIENTO DE TNELES

Clasificacin de rocas por su calidadEl ndice Q de BartonModos de accin del sostenimientoAcuamiento Tipos de sostenimientoEstructuras de soportePernos de anclajeCablesHormign proyectadoNuevo Mtodo Austraco (NATM)

Materias de la asignatura

TRABAJOS PRELIMINARES Topografa Estudios Geotcnicos y de Mecnica de Rocas Sondajes

TRABAJOS POSTERIORES A LA EXCAVACIN Terminaciones e InstalacionesEnsayos y Mediciones Mantencin y Reparaciones

COSTOS Y PRESUPUESTOSEspecificaciones y PresupuestosComparacin econmica de los procedimientos

Definiciones

TNEL: Labor subterrnea casi horizontal que tiene una seccin transversal generalmente inferior a 130 m2. Esta seccin puede ser cuadrada, rectangular, circular, elptica, en forma de herradura, o como arco de medio punto. El tnel ms largo del mundo (Gothard Base), con 57 km de longitud, se est construyendo en Suiza.CAVERNA: tnel de corta longitud, del orden de 80 a 100 m, con una seccin transversal de aproximadamente 130 m2 o ms.PIQUE Y CHIMENEA: labores subterrneas cuyo eje es inclinado o aproximadamente vertical.

Definiciones

Aplicaciones

OBRAS VIALES: tneles carreteros, tneles ferroviarios. CENTRALES HIDROELCTRICAS: tneles de aduccin, desviacin y evacuacin, cavernas en salas de mquinas, piques en presin y chimeneas de equilibrio.OBRAS DE REGADO: acueductos, tneles de evacuacin y de desviacin de los ros para permitir la construccin de represas.MINERA: tneles de preparacin de yacimientos, tneles de transporte, chimeneas y piques en faenas de explotacin.INVESTIGACIN NUCLEAR: aceleradores y colisionadores de partculas (LHC).

Aplicaciones

Aplicaciones

Aplicaciones

Aplicaciones

Aplicaciones

TNELESPerforacin y tronadura

Perforacin y tronaduraProcedimiento de fragmentacin de la roca mediante un producto que generalmente es un explosivo qumico.Etapas del procedimiento:Se hace una perforacin o barreno en la rocaSe coloca el explosivo en el interior del barreno, totalmente confinado (sin ningn contacto con el exterior).Se produce una reaccin qumica que rompe la roca alrededor del barreno

Explosivos qumicosDefinicionesDEFLAGRACIN: accin de quemado, producto de una reaccin qumica que genera gases y altas presiones. Un explosivo con una velocidad de detonacin inferior a 2000 m/s es un explosivo deflagrante (solamente se quema).DETONACIN: la reaccin qumica se produce bajo condiciones de temperatura y presin muy superiores. Un explosivo con una velocidad de detonacin superior a 2000 m/s es un explosivo detonante.

Explosivos qumicosPor lo tanto, los explosivos qumicos utilizados en el procedimiento de perforacin y tronadura, o sea los EXPLOSIVOS INDUSTRIALES, pueden clasificarse en dos grandes grupos:Explosivos deflagrantes, o lentos PlvoraExplosivos detonantes:Explosivos de alto poder: dinamita, PETN, TNTAgentes explosivos: ANFO, acuagel, emulsin, ANFO pesado.

Teora de la tronaduraEl objetivo de la tronadura es convertir roca, a partir de una masa slida de material geolgico, en trozos ms pequeos, que puedan ser removidos por los equipos disponibles.Para cumplir con esto, hay que considerar dos factores principales:Fragmentacin: tamaos de los trozos de roca resultantes de la tronadura (marina).Proyeccin: movimiento de estos trozos.Estos factores deben satisfacer los requerimientos del tipo de faena o proyecto especfico.

Teora de la tronaduraUna faena subterrnea, por ejemplo, requiere mayor fragmentacin que una de superficie, por el tamao de los equipos que pueden usarse para la extraccin de la marina y las dificultades de acceso.Si la fragmentacin produce trozos de gran tamao los equipos no podrn cargarlos.Si se producen trozos muy pequeos, esto significa que se ha gastado explosivo en exceso.La proyeccin, si es pequea, dificulta la extraccin de la marina. Si es intensa, puede poner en peligro al personal y daar la propiedad circundante.

Teora de la tronaduraSe analiza la tronadura en una obra de superficie o subterrnea llamada banco. El banco se conoce tambin como cantera, open pit, o tajo abierto.Banco es un macizo rocoso que presenta por lo menos dos caras libres, a diferencia de un tnel, que presenta solamente una cara libre, que se conoce como frente del tnel.En un banco la tronadura afecta a la roca en tres etapas: Ondas de choque, Reflexin de las ondas de choque, y Produccin de gases a alta presin y temperatura.

Teora de la tronadura

Teora de la tronaduraEn la primera etapa una onda de choque liberada por la reaccin qumica del explosivo (detonacin), viaja a travs de la masa rocosa a una velocidad entre 3000 y 6000 m/s, dependiendo fundamentalmente de la clasificacin geolgica de la roca y su densidad. A mayor densidad, mayor velocidad. Si llamamos burden (V) a la distancia del barreno a la cara libre, esta velocidad corresponde a valores entre 0,15 y 0,30 milisegundos por metro de burden. La onda de choque no rompe la roca, solamente produce grietas microscpicas en las paredes del barreno, que ayudan a la fractura que se produce en la segunda etapa.

Teora de la tronaduraSegunda etapa: La onda de choque al llegar a la cara libre se refleja para volver al barreno, produciendo tracciones en la roca.La roca tiene una resistencia a la compresin del orden de 1800 kgf/cm2, mientras que a la traccin es aproximadamente un 10% de este valor.Debido a la traccin se generan grietas en la roca.La reflexin de la onda de choque tambin puede producirse parcialmente antes de llegar a la cara libre si cambia la clase de roca o su densidad, o bien si atraviesa una falla geolgica.

Teora de la tronaduraSi solamente parte de las ondas de choque contina su viaje hacia la verdadera cara libre, estas ondas estn ahora debilitadas y adems viajan a distinta velocidad debido, por ejemplo, a un cambio de densidad de la roca.Experimentos han demostrado que la velocidad de la onda de choque despus de su reflexin es de 500 a 2000 m/s, o bien de 0,5 a 2,0 milisegundos por metro de burden.Las fuerzas de traccin producen un aumento de las grietas radiales que ya se haban formado en la primera etapa.

Teora de la tronaduraTercera etapa: Cuando se produce la tronadura, la explosin genera gases a alta temperatura y presin. La alta temperatura se debe a que la reaccin qumica es exotrmica.La alta presin de los gases sobre las paredes del barreno, al estar el explosivo confinado, se debe a la rpida expansin de los gases al cambiar el estado fsico del explosivo. Los gases necesitan ocupar un volumen mucho mayor que el que tenan en su estado inicial.

Teora de la tronaduraEsta alta presin acta sobre la pared circular de los barrenos en forma anloga a la forma en que acta una carga uniformemente repartida sobre una viga en voladizo. El burden corresponde a la altura de la viga, y la profundidad del barreno a la longitud de sta.Debido a la baja resistencia a traccin de la roca, se generan grietas a lo largo de toda la zona del burden, producindose la fractura de la roca por flexin.La velocidad de las ondas hacia la cara libre es de 10 a 30 m/s en esta tercera etapa.

Teora de la tronadura

Recomendaciones

Para obtener una buena fragmentacin se ha demostrado por experiencias que una buena relacin entre la profundidad del barreno y el burden es del orden de 3:1.Para confinar el explosivo dentro del barreno se utiliza un taco, que es un material no explosivo que se coloca como relleno en la parte del barreno ms cercana a la superficie. Como taco puede utilizarse arena, finos de la perforacin del barreno, gravilla de grano anguloso, o el taco expansible PLUG-TEC.

Recomendaciones

La relacin recomendable entre el dimetro del barreno y el tamao mximo de las partculas del taco es 17:1.Para la formacin de las grietas radiales es recomendable un explosivo que tenga una alta velocidad de detonacin (velocidad a la cual se propaga la explosin a travs del explosivo).La inclinacin recomendable de los barrenos en un banco es 3:1 (vertical : horizontal).La longitud del barreno H debe ser superior a la altura del banco K (sobreperforacin U).

Explosivos qumicosLos explosivos qumicos se usan para romper un volumen de roca en bancos y tneles.La fractura de la roca alrededor del barreno se debe a una reaccin qumica altamente exotrmica en la cual primero se descomponen los productos que forman el explosivo en su estado inicial y luego los gases producto de esta reaccin se expanden, o sea necesitan ocupar un volumen mucho mayor que el que tenan antes de la reaccin. Como el explosivo est confinado en el barreno, los gases ejercen una alta presin sobre las paredes de ste, fracturndose la roca circundante.

Explosivos qumicosEstos explosivos contienen diversos elementos qumicos, entre los cuales los ms importantes son los siguientes:

Nitrgeno (N)Oxgeno (O)Elementos reductores (C), (H), (S) Metales (Hg) (Pb)

Explosivos qumicosNITRGENO (N)Es muy estable como gas en el aireEs muy inestable cuando se combina con otros elementos, lo que lo hace qumicamente muy activo.Los dbiles enlaces del nitrgeno se rompen fcilmente, generalmente con violencia sbita, liberando gran cantidad de energa.En esta reaccin qumica el nitrgeno busca reagruparse consigo mismo y vuelve a ser estable.

Explosivos qumicosOXGENO (O)Se presenta combinado con nitratos, fulminatos, etc. (grupos explosforos), que tienen baja estabilidad termodinmica.Durante la reaccin qumica se separa el oxgeno de estos grupos con facilidad para combinarse con otros elementos, tales como carbono (C), hidrgeno (H), azufre (S), o bien consigo mismo, logrando as una unin mucho ms estable.

Explosivos qumicosELEMENTOS REDUCTORESEstos elementos, entre los cuales los ms importantes son el carbono (C), el azufre (S), y el hidrgeno (H), se combinan fcilmente con el oxgeno.

METALESGeneralmente mercurio (Hg), plomo (Pb) y aluminio (Al). Ayudan a aumentar la densidad, la potencia y la sensibilidad de un explosivo

Propiedades de los explosivosDENSIDAD () Se mide generalmente en gramos por centmetro cbico (gr/cm3). Por aumento brusco de la densidad, an el mejor iniciador es incapaz de producir la detonacin debido a la prdida de la sensibilidad a la iniciacin.

Propiedades de los explosivosVELOCIDAD DE DETONACIN (D) (VOD)Es la velocidad a la cual se propaga la onda de choque a travs del explosivo durante la reaccin qumica. Se expresa en metros por segundo (m/s). Depende de varios factores, entre los cuales est el dimetro del barreno, el grado de confinamiento del explosivo dentro del barrreno, la temperatura, la iniciacin.

Propiedades de los explosivosPRESIN DE DETONACIN (P)Se mide en kbar (1 kbar = 1020 kgf/cm2) y puede expresarse aproximadamente por la frmula siguiente:P = 2 x x D2 x 10-6 (kbar) En esta frmula se expresa en gr/cm3 y D en m/s. Si D < 2000 m/s no se produce detonacin, slo deflagracin.Otra frmula:P = 432 x 10-6 x x [D2 / (1+0,8 )] (MPa)1 MPa = 10,1972 kgf/cm2

Propiedades de los explosivosRESISTENCIA AL AGUA Nmero de horas que un explosivo es capaz de estar sumergido en agua esttica sin perder su condicin de ser detonado.

TOXICIDADEn la explosin se producen gases que pueden ser txicos, como el monxido de carbono (CO) y los xidos de nitrgeno, o no txicos, como el dixido de carbono (CO2),el nitrgeno y el vapor. Los gases txicos pueden producirse porque el explosivo tiene poca resistencia al agua, falta de confinamiento, y por reaccin del explosivo con la roca.

Propiedades de los explosivosPOTENCIA EN PESO, O RELATIVA (S)Se elige un explosivo de referencia, al cual se le asigna el valor S = 1. La frmula general es: 5 Q 1 VS = ----- ----- + ----- ----- en que: 6 Qo 6 Vo Q = calor desarrollado por el explosivo utilizadoQo= calor desarrollado por el explosivo de referencia V = volumen de gases del explosivo utilizado Vo = volumen de gases del explosivo de referencia Q, Qo se expresan en (KCal / kg)V, Vo se expresan en (lts / kg)

Propiedades de los explosivos

Propiedades de los explosivosSENSIBILIDAD (SENSIBILITY)Esta caracterstica depende del tipo de accin externa que acta sobre el explosivo. Esta accin puede ser de dos tipos:Accin controlada: la producida por un iniciador, que es otro explosivo de mayor potencia.Accin no controlada: la producida por impacto o friccin , y la producida por calor.De acuerdo con esto, existen las siguientes sensibilidades:Sensibilidad a la iniciacin (sensitivity)Sensibilidad al impacto y a la friccinSensibilidad al calor

Propiedades de los explosivosSENSIBILIDAD A LA INICIACINLos explosivos deben ser suficientemente sensibles para ser detonados por un iniciador adecuado. La dinamita se inicia con detonadores a mecha o elctricos. Los agentes explosivos, con iniciadores APD, o en algunos casos tambin con detonadores a mecha o elctricos.

Propiedades de los explosivosSENSIBILIDAD AL CHOQUE Y A LA FRICCINAlgunos explosivos pueden detonar por efecto de estmulos subsnicos como impactos (choques) o friccin. Por seguridad es importante conocer su grado de sensibilidad frente a estas acciones, especialmente durante su manipulacin y transporte.Las dinamitas son ms sensibles al choque y a la friccin que los agentes explosivos.

Propiedades de los explosivosSENSIBILIDAD AL CALORLos explosivos al ser calentados en forma gradual alcanzan una temperatura en que se descomponen repentinamente con desprendimientos de gases, aumentando poco a poco hasta que al final se produce una deflagracin o bien una pequea explosin. A esa temperatura se la denomina punto de ignicin. En la plvora vara entre 300 y 350C, en las dinamitas entre 180 y 230C.

Propiedades de los explosivosSENSIBILIDAD AL FUEGO (INFLAMABILIDAD) Facilidad que tiene un explosivo de inflamarse por la aplicacin de una llama. Esta caracterstica es diferente a la sensibilidad al calor: la plvora, por ejemplo, a pesar de su buen grado de sensibilidad al calor, es muy inflamable, producindose la explosin hasta con una chispa. Las gelatinas convierten rpidamente la ignicin en detonacin. Los agentes explosivos prcticamente no se queman (requieren de una llama aplicada en forma permanente).

Propiedades de los explosivosAPTITUD A LA PROPAGACIN (SENSITIVENESS) Es la transmisin de la detonacin por simpata, que se produce cuando un cartucho al detonar induce en otro prximo su explosin. Una buena transmisin dentro de los barrenos es garanta que se producir la completa detonacin de todos los cartuchos de explosivo dentro del barreno, evitndose lo que se conoce como tiro quedado. Tambin la detonacin puede propagarse desde un barreno a otro barreno vecino. Depende de los siguientes factores: tipo de roca que va a ser fracturada, magnitud de la carga explosiva, distancia entre barrenos, y existencia de agua entre ellos.