Excavacion

UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C.INGENIERIA CIVIL

EXCAVACIONES

M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS1


EXCAVACIONES

GENERALIDADES

EXCAVACION

Es todo aquel tipo de trabajo que permite extraer material para construcción o bien para dar paso a una obra específica.

TIPOS DE SUELOS

Entre los diversos estudios tendientes a encontrar un sistema de clasificación de suelos, destacan los efectuados por el doctor A. Casagrande, en la Universidad de Harvard, los cuales cristalizaron en el conocido Sistema de Clasificación de Suelos para Aeropuertos el cual ha sido ligeramente modificado para constituir el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos usado ampliamente en la actualidad.

El sistema divide a los suelos en dos grandes fracciones: la gruesa formada por partículas mayores que la malla No 200 (0.074 mm)y menores que la malla de 3" (7.62 cm) y la fina formada por las partículas que pasan la malla No 200.

CLASIFICACION EN FUNCION DEL TIPO DE MATERIALES

MATERIAL CLASE I (Equivalencia MATERIAL CLASE “A”)

Es un material suave y flojo que puede ser atacado con pala y Como auxiliar pico.

MATERIAL CLASE II (Equivalencia MATERIAL CLASE “B”)

Es aquel material para cuya extracción es indispensable pico y pala.

MATERIAL CLASE II-A (Equivalencia entre MATERIAL CLASE “B” y “C”)

No es económico atacar este material con pico siendo indispensable aflojarlo con marro y cuña o bien con explosivo o equipo neumático.

MATERIAL CLASE III (Equivalencia MATERIAL CLASE “C”)

Roca fija; se requiere del uso de explosivos para su extracción. O equipo especial como el caso de las rompedoras.

CLASIFICACION POR ZONAS DE TRABAJO EN EXCAVACIONES.

ZONA (A)

Es aquella donde el trabajo se puede realizar a campo abierto o bien en zonas pobladas condicionadas a que no existan instalaciones que interfieran con los procedimientos constructivos a emplear.

ZONA (B)

Es aquella donde el trabajo se realiza en zonas urbanas, siempre que no existan instalaciones o servicios que interfieran con el proceso constructivo o que puedan ocasionar riesgo.

ZONA (C)

Es aquella donde el trabajo se realiza en zona urbana en la cual existen instalaciones o servicios que dificulten el proceso constructivo.



EXCAVACIONES

CLASIFICACION DEL MATERIAL EN SU ESTADO FISICO

1. Material en banco.- en su estado natural

2. Material suelto.- una vez extraído pero antes de ser colocado.

3. Material colocado.- donde va a permanecer indefinidamente.

CLASIFICACION DE LAS EXCAVACIONES

l) A CIELO ABIERTO2) EN CANALES3) EN TUNELES

Los dos primeros tipos de excavaciones permiten tener los grados de libertad que hacen posible la excavación.

En la excavación de túneles hay que proporcionar los grados de libertad que hagan posible la excavación de la misma

CONCEPTOS

PESO VOLUMETRICO

Peso volumétrico es la relación de peso y volumen de un material.

Pv = W/V W = Peso en kg o tn.V = Volumen en m3

Pv = Peso volumétrico en Tn/m3 o Kg./m3.

Para las operaciones de movimiento de tierras se utiliza: Peso volumétrico seco que es que es la relación del peso de sólidos sin contenido de humedad y el volumen masa.

Pv (seco) = Ws/Vm Ws = peso sólido sin contenido de agua

Vm = Volumen masa

PESO VOLUMETRICO SATURADO

Pv(saturado) = ( Ws + Ww )/Vm Siendo: Ww = peso del agua

PESO ESPECIFICO

El peso específico es un adimensional, resultado de la comparación de dos pesos, el cual se puede determinar dividiendo el peso del cuerpo en el aire entre el peso del agua desplazada al sumergir el cuerpo.

HUMEDAD

Se conoce como contenido de agua o humedad de un suelo la relación entre el peso del agua en el mismo y el peso de su fase sólida expresada como porcentaje.

w (%) =( Ww x 100)/Ws

CONCEPTO DE ABUNDAMIENTO

Abundamiento de un material es el incremento en volumen que sufre un material, conservando su peso, después de ser extraído. Se define como sigue:

A = Mat. Suelto / Mat. En Banco > 1.

siempre se expresará como un coeficiente denominadoCoeficiente de abundamiento.

VALORES DEL COEFICIENTE DE ABUNDAMIENTO...

A mín A max A promMaterial Clase I 1.25 1.35 1.30Material Clase II 1.30 1.40 1.35Material Clase IIa 1.35 1.45 1.40Material Clase III 1.45 1.65 1.50



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ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL

Cuando se realiza un excavación con cualquier método constructivo y se deposita el material suelto, se forman bancos de material los cuales adquieren un ángulo de reposo, él cual si no se considera una distancia lo suficientemente alejada de la excavación este material se puede deslizar a la zona de excavación.

En la tabla siguiente se indican algunos ángulos de reposo de materiales.

MATERIAL ANGULOArena seca 20 – 30Arena húmeda 30 – 45Tierra seca 20 – 45Tierra húmeda 25 – 45Tierra muy húmeda (lodo) 25 – 30Grava 20 - 50

FORMAS DE PAGO

Generalmente la excavación se paga medido en banco.La carga y acarreo se paga por volumen abundado

CONTROL DE EQUIPO

Cuando un equipo es adquirido, se le debe de dar al mismo una identificación, como un numero que será utilizado durante su vida útil. Junto al equipo, se debe de tener una bitácora de todos los arreglos y refacciones que ha tenido y sobretodo, los problemas que ha presentado. De

esta forma, se podrá obtener un indicador real del costo de la maquinaria y se podrá analizar la opción de rentar o comprar con todas las cartas sobre la mesa

EQUIPOS DE EXCAVACION

EQUIPO ESTATICO

Es aquel equipo que para realizar su trabajo no requiere de realizar un desplazamiento de la maquina, si no hasta que se termina el alcance de la excavación del mismo así se tienen los equipos como:

1. Pala Mecánica2. Draga3. Excavadoras y Retroexcavadoras

EQUIPO DINAMICO

Es aquel equipo que para realizar sus trabajos requiere de un desplazamiento del equipo y por lo tanto de la fuerza de tracción del mismo así se tiene los equipos como:

1. Cargador Frontal2. Zanjadora3. Tractor o Dozers

Estos ultimos se deberá de calcular si el equipo puede con el material que va ha desplazar, por lo que se debelara de calcular la Potencia real del equipo en función de:

Altitud Temperatura Resistencia al Rodamiento Pendiente

Para lo cual se utilizara el siguiente procedimiento.



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Al hablar de potencia, hay que hacer un distingo entre la del motor, la de la polea y la de la barra. Esta última es la más característica o principal , puesto que es la efectiva y de ella se puede disponer . Las diferencias entre ellas se derivan de las pérdidas por el accionamiento de los mecanismos intermedios; de ahí que la potencia real o efectiva en el trabajo de la máquina queda determinada por la siguiente formúla: . FV=75 PK .

. F = 75 PK V

donde:

F = Fuerza efectiva de trabajo (kg.)P = Potencia en el motor (cv o hp)V = Velocidad de operación (m/s)K = Constante o factor de eficiencia.

INFLUENCIAS SOBRE LA POTENCIA DEL MOTOR

ALTITUD Y TEMPERATURA , Estos factores influyen en el pesos específico del aire y, por consiguiente, en la potencia del equipo. En la Tabla, se listan los porcentajes, en función de la temperatura del lugar, que modifican la potencia del tractor.

*Altitud en m

Temperatura en ° C

42° 32° 21° 15° 10° 4° -7°0 95.40 97.10 99.10 100 100.8 101.8 103.9305 92.00 93.70 95.50 96.40 97.40 98.40 103.3915 85.50 87.20 88.80 89.60 90.5 91.40 93.301525 79.50 80.90 82.25 83.30 84.20 89.90 86.702136 73.80 75.20 86.70 77.50 78.20 79.00 80.602745 68.60 69.90 71.30 72.00 72.70 73.40 74.80

* Sobre el nivel medio del mar.

Ejemplo: Cuál será la potencia efectiva de un Tractor que trabaja a

2,135 m. de altura y a una temperatura de 21° C?

Solución: De acuerdo a la Tabla el factor de influencia correctora es de 76.70%, por lo tanto , la potencial real será:

P real = P x 76.70 = 0.76 P 100

Para determinar la potencial real, pueden seguirse o aplicarse las siguientes reglas prácticas:

1a. A partir de los 16° C y para elevaciones de cinco en cinco grados , deducir 1% de la potencia a nivel del mar.

2a. Para disminuciones de temperatura por cada 5° C menos, aumentar en 1% la potencia a nivel del mar.

3a. Por cada 100.00 m de altitud, a nivel del mar disminuir en 1% la potencia

Ejemplo : Supongamos el mismo caso anterior:

Solución con la regla primera:

21° - 16° = 5°, deberá descontarse 1% a la potencia

Según la regla tercera 2,135 m = 21.35 % deberá descontarsePor cada 100 m seria 21.35%

por tanto, la potencia real será:

(100%- 1% - 21.35%) P =0.777 P

Valor muy próximo al que aparece en la tabla.

Los descuentos anteriores se modifican si se usa turbo-generador, ya que con este mecanismo se inyecta aire a presión, con lo que compensa la influencia de la altitud.



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Por ejemplo, en el tractor Caterpillar D7G, con turbo-generador, el porcentaje de la potencia en el volante para diferentes elevaciones significa:

De 0 a 2300 m 100%De 2300 a 3000 m 92%De 300 a 3800 m 85%

Es decir que la reducción de potencia influye arriba de los 2,300 m. de altitud.

RESISTENCIA AL RODAMIENTO. Esta resistencia se define como la fuerza motriz necesaria para mover una máquina a velocidad pequeña y uniforme, sobre una superficie plana.

Se ha comprobado que, para mover una máquina sobre superficies de condición y naturaleza variable, más importante que el material del piso es su estado físico; es decir , su compacidad y la naturaleza y frecuencia de sus ondulaciones.

Como norma puede establecerse que la resistencia al rodamiento, expresada en kilogramos por tonelada de carga (kg/t), es como se lista en la siguiente tabla:

T A B L A Naturaleza del terreno

Resistencia al RodamientoOrugas kg/ton

LlantasKg/ton

1.- Camino duro, estabilizado, pavimentado, sin penetración bajo la acción de las cargas Humedecido y conservado

28 kg/t 20 kg/t

2.- Camino firme, uniforme, aplanado afectado ligeramente bajo la acción y regularización conservando

40 kg/t 33 kg/t

3.- Camino de tierra, ondulado, que flexiona bajo la acción de cargas ligeras, con poco mantenimiento, sin humedad

70 kg/t 50 kg/t

4.- Camino en tierra con surcos y rodadas mal conservado y sin ninguna estabilización

90 kg/t 75 kg/t

5.- Camino lodoso, blando, fangoso sin mantenimiento

110 kg/t 100 a 200 kg/t

Ejemplo: Supongamos un tractor Caterpillar D7, sobre orugas, equipado con cuchilla regulable, con peso de 18.50 toneladas que ha de trabajar sobre un suelo de tierra, ondulado, flexionable bajo la acción de cargas ligeras, con poco mantenimiento, sin humedad. Cuál será la fuerza tractiva necesaria para vencer la resistencia al rodamiento

Solución: La resistencia al rodamiento en

kg. por tonelada, según la tabla es 70 kg/t,

por tanto, la resistencia total a vencer,

será:

70 kg/t x 18.t = 1,295 kg.

PENDIENTE. La fuerza necesaria "N" (fig.) para vencer una pendiente tiene como valor , según la figura.

N = Q sen i

FIGURA

pero si N se expresa en kilogramos y Q en toneladas, entonces

N = 1000 Q sen i

donde:

N = Fuerza necesaria para vencer la pendiente (kg)



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Q = Peso de la máquina (kg) o (t).

i = Angulo en grados o porcentaje.

En la tabla se listan los valores de "N" para distintas pendientes.

T A B L A Pendiente

expresada en %Angulo

CorrespondienteFuerza

Necesaria en kg/ton

2 1° 08' 7'' 204 2° 17' 4'' 406 3° 26' 0'' 608 4° 34' 4'' 80

10 5° 42' 6'' 9915 8° 31' 8'' 14820 11° 18' 6'' 19625 14° 02' 2'' 242

Ejemplo se tienen un tractor con un peso de 18.50 ton, y una inclinación del camino del 15 %, cual es la resistencia por pendiente:

Solución.- de la tabla con 15 % se obtiene 148 kg/t

148 kg/t x 18.50 t. = 2,738 kg

EFICIENCIA A LA TRACCION

Es la eficiencia que tienen cada equipo a la traccion expresada en kg. La cual se obtienen utilizando la siguiente tabla, multiplicada por el peso del equipo.

TABLATipo de camino Neumáticos Oruga

Concreto 0.88 - 1.00 0.45Arcilla seca 0.50 - 0.58Arcilla Mojada 0.40 - 0.49Arena Disgregada 0.20 - 0.35 0.30Grava de cantera 0.60 - 0.70Tierra Suelta 0.30 - 0.40 0.60Tierra Compacta 0.50 - 0.60 0.90

Ejemplo se tienen un tractor de orugas con un peso de 18.50 ton, en un

camino de tierra suelta cual es la eficiencia a la tracción:

Solución.- de la tabla con tierra suelta se obtiene 0.60 kg/t

0.60 kg/t x 18.50 t. = 11,100 kg

ANALISIS, PLANEACION Y DETERMINACION DE METODO CONSTRUCTIVO DE UNA EXCAVACION

Para realizar cualquier trabajo de excavación podemos planear y determinar el método constructivo, utilizando dos procesos básicos:

Trabajo de oficinas donde se aplica el análisis de:

Análisis del proyecto a realizarAnálisis de especificaciones de obra.Revisión de los planos geológicos locales. Donde se determinara el tipo de roca y estratos.

Trabajo de CampoExcavaciones en el sitio sean existente o por sondeo, para determinar el tipo de material y su dureza.Método Manual con pico y pala, barrenosMétodo Mecánico la utilización de maquinara, tractor, taladroMétodo Instrumental solo se utilizan para pruebas geofísicas., (se utilizan ondas de choque que viajan a través de la roca a una velocidad proporcional a la dureza y así se determina si es roca sólida, intermperizada, semisólida

DETERMINACION DE COSTO DE PRODUCCION DE EXCAVACION

Existen dos tipos de autoresa-- La obtención de costo unitario de producción, a partir de un rendimiento real,



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donde prevalece la producción unitaria del equipo de construcción.

El procedimiento es:

1. Se obtienen el ciclo de trabajo en segundos

2. Se obtiene la cantidad de ciclos en una hora

3. Se obtiene la producción por hora multiplicando la capacidad del equipo por los ciclos por hora, lo que nos da un rendimiento teórico. m3/hr

4. Se aplican los factores estadísticos de producción y se obtienen el Rendimiento real m3/hr

5. Se divide el costo horario entre el rendimiento real y se obtiene él $/hr.

b.- La obtención del costo unitario de producción a partir del costo total de la actividad, donde se revisa en función de las actividades precedentes y subsecuentes al trabajo de producción del equipo.

Existen dos procedimientos, en el primero se analiza las actividades precedentes y las subsecuentes y se fijan las condiciones de productividad del equipo y así se obtiene un rendimiento teórico que nunca podrá ser mayor a la de la producción unitaria.

El segundo método se fija un costo mensual del equipo y sobre la base del programa de obra con todas las actividades se obtienen un rendimiento Teórico mensual y de ahí el unitario, el cual no será mayor a la de la producción unitaria.

RENDIMIENTO OPTIMO DE UN EQUIPO

Es la relación del costo horario mínimo posible, entre la productividad máxima posible por hora

EXCAVACION EN ROCA

Para poder excavar en roca, es necesario romperla o fraccionarla primero para que pueda ser manejada con los equipos de excavación. El fraccionado del material se lleva a cabo barrenando hasta cierta profundidad y colocando explosivos dentro de la perforación, para hacerlos detonar.

Las excavaciones en roca se pueden clasificar en:

Excavaciones a cielo abiertoExcavaciones en canalesExcavaciones en túneles

El ciclo en excavaciones en roca estará regido por los siguientes conceptos:

1. Barrenación2. Carga y tronada3. Ventilación (en túneles)4. Rezaga

Barrenación.

Por Barrenación se entiende la horadación del terreno practicada por medio de herramientas manuales y/o mecánicas, con la finalidad de hacer hoyos destinados a alojar explosivos para aflojar roca, pudiendo tener distintos diámetros y longitudes, dependiendo del tipo de herramienta yequipo que se utilice.

CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS PARA BARRENACION

I. Perforación por percusión:

a) Perforadoras de percusión por cable o de pulseta



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b) Perforadoras de percusión directa con pistón que puede ser accionada neumática o eléctronicamente.c) Perforadoras neumáticas de martillo o taladro de percusión que incluyen las rotatorias de percusión.

II. Perforación por rotación:

a) Perforadoras rotatorias con herramienta (broca) cortante b) Perforadoras rotatorias con herramientas (broca) abrasivasc) Perforadora rotatoria con herramienta (broca) trituradoras

III. Perforación por fusión:

a) Perforadoras de fusiónb) Perforadoras de chorro o flama

Equipo de Percusión.- En forma general estas máquinas realizan su trabajo en forma mecánica, golpeando la roca, siendo el impacto sobre la misma la que produce la perforación al fragmentarla y triturarla.

Equipo Rotatorio.- En vez de golpear la roca, la barrena gira, realizando la perforación de la roca por tres formas por cortante, en forma abrasiva y por trituración. Por el interior de la tubería de perforación se inyecta el aire que sirve como medio enfriador de la herramienta y como limpiador, expulsando al exterior del barreno las partículas obtenidas en el corte.

El equipo más utilizado en los trabajos de Barrenación es el de las perforadoras neumáticas de martillo o taladro de percusión, realizando su trabajo por medio de aire comprimido, en donde a la vez la broca golpea y gira produciendo la perforación. Los diámetros que existen son de 7/8"-30"

A la roca fragmentada se le llama detrito; la eliminación de este detrito se realiza por medio de aire comprimido o por medio de agua presión.

EXPLOSIVOS

El uso de explosivos se utiliza para romper rocas para que estas sean usadas como agregados o bien para poder excavarlas con maquinaria pesada.

Hay muchos tipos de explosivos y muchos métodos para usarlos. Para cada explosivo hay un calculo y un tratamiento y se debe elegir él mas adecuado para la operación que se desea realizar.

EXPLOSIVOS COMERCIALES

Hay cuatro categorías de explosivos, estos son: dinamita, slurries, ANFO y explosivos de dos componentes. Para que estos explosivos sean usados, deben reaccionar con tiempo y causar ondas en las rocas. Loas primeros tres tipos de explosivos son los mas usados en barrenos y las combinaciones no se consideran explosivos hasta ser combinados.

DINAMITA

Este se basa en nitroglicerina y no se usa solo en operaciones de explosivos por su gran sensibilidad, ya que podría haber regases de este material de operaciones anteriores que podrían poner en riesgo la operación.

La dinamita permite hacer barrenos pequeños por su gran poder de liberación de energía.

SLURRIES

Estos son explosivos contra agua de nitrato de amonio y combustible. La ventaja de este es que puede ser



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mezclado en obra y meterse en bolsas de plástico en los hoyos y al ser más denso que el agua, estas bolsas bajaran hasta el fondo.

ANFO

Este representa el 80% del uso de explosivos en Estados Unidos. Este es el método más económico y es mucho más seguro que la dinamita.

La mezcla de este es similar a la anterior con algunos agregados y para explotarla se usan los métodos de tiempo convencionales.

Este no es resistente al agua por lo que se recomienda hacer la operación inmediatamente después de instalar los explosivos cuando estos se colocan en ollos húmedos.

INICIADORES Y EQUIPOS DE RETRASO

Es practica común el explotar muchas filas al mismo tiempo, por lo que se usan iniciadores que dan la secuencia para que la fragmentación y la seguridad del proceso sean las adecuadas.

ROMPIMIENTO DE ROCA

El mecanismo que contribuye para que la roca se fragmente es la presión que se forma en los barrenos al llevarse a cavo la explosión. Primero la presión es radial y la trituración se da en las inmediaciones del barreno, pero al viajar las ondas en forma recta, la trituración se completa hasta el área en donde se encuentra el siguiente barreno.

DISEÑO DE EXPLOSIVOS

No hay una solución típica para todos los casos de explosivos puesto que las necesidades son diferentes en cada caso. Depende del tamaño de roca que queremos obtener, el tipo de material, las situaciones topográficas y por supuesto el presupuesto.

BURDEN

Se conoce como la distancia que hay entre la ultima o primera línea de explosivos y la parte libre del corte como podría ser el caso de un corte en una carretera. Si se calcula mal, las rocas pueden salir volando por distancias grandes y la fragmentación será mucho mayor a la deseada, por lo que hay que ser cuidadosos con ese calculo.

STEMMING

Se conoce como la distancia entre barrenos tanto en filas como en profundidad y debe ser calculada con cautela porque si es muy corta, las rocas quedaran muy grandes y si es mas corta de lo que debe, podría ser peligroso como en el caso anterior.

PROFUNDIDAD DE BARRENO

Se debe de dar un grado de holgura a la profundidad para evitar errores que podrían ser costosos, por lo tanto se calcula la pendiente que llevara el barreno y se hará un pie mas profundo en todos los casos.

DIÁMETRO DE BARRENO

Este depende de la distancia que hay entre barrenos y sobre todo de la clase de explosivo que se utiliza. También se considera el diámetro de las partículas que se desean obtener de la operación.



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FACTOR DE PÓLVORA

La cantidad de explosivo que se necesita para fracturar una yarda cúbica de roca es una medida de la economía del diseño. Esto se puede ver en tablas para ver si el diseño que se realizo es eficiente en cuanto a la cantidad de explosivos y los resultados obtenidos.

Consideraciones de manejo de materialEl manejo de la roca fracturada va de la mano con la operación de explosivos, ya que dependiendo del diámetro de la misma se tomaran las decisiones para elegir el método mas adecuado de acarreo.

EXCAVACIÓN EN ROCA EN ZANJAS

Cuando se usan explosivos para abrir zanjas, lo más importante a considerar es el ancho de la tubería o conducto que se instalara en la misma, es por este camino que se debe de realizar el diseño y hay que ser muy cuidadosos con el mismo.

SEPARAMIENTO DE ROCAS

Esta es una técnica que se usa en superficies planas y la forma de calcularse es más sencilla, usualmente se usan diámetros de barrenos de 2.5 a 3 pulgadas y separaciones entre los mismos de 18 a 36 pulgadas. Esto depende de la clase de material que se ataca y del tamaño de partículas que se desean obtener.

SEGURIDAD

Un accidente en explosivos podría fácilmente matar o herir a una buena cantidad de personas, por lo tanto se debe tomar la mayor cantidad de

medidas de seguridad. Dichas medidas las da el fabricante y como adicionales se debe evacuar totalmente el área desde que la fase eléctrica comienza.

FALSAS EXPLOSIONES

Es posible que una o más cargas no exploten en el momento adecuado, estas deben ser explotadas si es posible y en casa o de que esto sea imposible se deben retirar antes de instalar la siguiente operación.

EFECTOS A TERCEROS

Es posible que las cargas que se utilizan pudieran afectar las estructuras vecinas, por eso seria bueno fotografiar con anterioridad todas estas para no caer en problemas con terceros.

Antes de detonar los explosivos se debe poner dispositivos que midan las vibraciones que se producen en el suelo para poder hacer un análisis de mayor precesión y evitar daños costosos a otros.

CARGA Y TRONADA.

Se refiere a la colocación del explosivo dentro del barreno y el trabajo necesario para hacer la detonación de esta Carga.

REZAGA.

Es el trabajo necesario para retirar el material producto de la excavación.

EXPLOSIVO.

Es un producto químico que reacciona exotérmicamente en tiempos muy cortos, generando gran cantidad de gases que se transforman en trabajo mecánico que producen el resquebrajamiento de la roca.



EXCAVACIONES

VELOCIDAD DEL EXPLOSIVO.

Capacidad que tiene una mezcla para generar gases en la unidad de tiempo.

Rapidez con la que se propaga una onda de detonación a lo largo de una columna de explosivo cuyo diámetro sea de 1 a 1 1/4 de pulgada.

Entre más rapidez tenga un explosivo, mas potencia tendrá; los parámetros que la determinan son el tipo de explosivo y el material a detonar.

POTENCIA DEL EXPLOSIVO.

Está representada en función del contenido de nitroglicerina expresado con un % del volumen total de explosivo.

En México se pueden encontrar explosivos de 40 a 60 % de nitroglicerina y en casos especiales hasta de 75%

LOS EXPLOSIVOS SE DIVIDEN EN:

Si no está especificado en el cartuchoExplosivo pesado = 60% de potencia P.V.=1,550kg/3

Explosivo ligero = 40% de potencia P.V.= 900 kg/m3

Siendo la potencia directamente proporcional a la densidad

Entre las características de un explosivo se pueden enunciar:

a) Velocidadb) Impermeabilidadc) Inflamabilidadd) Emanación de gases.

Factores que definen el tiempo de explosivo.- Tipo de material.- Estado de sanidad.- Tamaño máximo de material. por obtener.- Sitio (a cielo abierto, túnel, etc.).- Forma (en tajo, ladera, túnel etc.)

Explosivos de fácil fabricación (caseros).

Estos explosivos son a base de Nitrato de Amonio combinado con otro agente (azúcar, almidón), de origen vegetal, ayudado por un iniciador (elemento oxidante) que puede ser aceite lubricante o diesel.

También podemos considerar la pólvora, fabricada con una sal de ácido nítrico y potasio, azufre y carbón vegetal, que da una potencia de 15% de nitroglicerina.

MONEO.

Es el retiro de obstáculos por medio de explosivos.

Todo explosivo requiere de un agente externo o accesorio. Entre las funciones que realizan se enumeran las siguientes 1.- Sirven para lo que se llama labor de cebado2.- Suministran o trasmiten una flama3.- Ondas detonadores o impulsos

LOS EXPLOSIVOS SE CLASIFICAN EN :

1.- Iniciadores2.- Detonadores3.- Mechas detonantes

1.- Iniciadores: Entre los iniciadores se pueden considerar:

a) Mecha para mina o cañuela.



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Cordón formado por varias capas de hilaza que contiene pólvora en su núcleo, teniendo características impermeables, la forma de propagación del fuego es por medio de braza, su objeto es detonar al fulminante y velocidaddad de ignición varía de 125-131 seg/m.

b) Ignitacord.- Tiene la apariencia de cable, normalmente más delgado que la cañuela, y la propiedad de encender mechas, se caracteriza porque genera flama. Se produce en tres velocidades de combustión:

A) De 26-35 seg/m,B) De 32-65 seg/m, C) De 13-16 seg/m.

c) Quaricord.- Tiene menos capacidad de combustión que el anterior, se utiliza en voladuras de 2o. orden (canteras), no es resistente al agua, puede substituir a las cañuelas y a su velocidad de ignición 32-65 seg/m.

2.- Detonadores.- Se clasifican en:

a) Fulminantes. Son tubos o casquillos que contienen un explosivo altamente sensible, de muy alta potencia y que se caracteriza por denotar por una chispa del tren. de fuego.

b) Estopines (espoletas). Son fulminantes con dispositivo activado por impulso eléctrico, pudiendo existir estopines instántaneos o Ms (milisegundos) que tienen la ventaja de permitir controlar los tiempos de expulsión en milésimas de segundo, constituyen un elemento primordial en voladura de 1o. orden (túneles).

3.- Mechas detonantes.

Primacord: Mecha detonante que contiene un núcleo de Tetranitrato de Pentacrititol (Niperita), que tiene propiedades explosivas de alta potencia, es impermeable y elástico (permite dobleces) tiene una velocidad de ignición de 6400 m/seg. La potencia de la Niperita es de 65 a 70%, se utiliza cuando se tienen barrenos de gran diámetro.

Ecord: Contenido menor de Niperita con una potencia de 40 a 45% y velocidad de ignición de 5400 m/seg.

Las herramientas que se utilizan son:

a) Pinzas corrugadas que permiten hacer la liga de las mezclas con los fulminantes.

b) Máquinas explosoras que dan la energía necesaria para trasmitir impulso eléctrico al circuito de voladura.

Cebo: El elemento cebador es un cartucho al cual se le realiza una ranura (con un objeto de madera) y se le introduce un fulminante o un estopón, cuya finalidad es iniciar la explosión dentro del barreno.

Posiciones de los cebos:

c1 Posición del cebo cuando es activado por estopín y existe húmedad en el barreno.

c2 Cuando es activado por estopín, no existiendo húmedad.

c3 Cuando es denotado por fulminante o mecha explosiva.

La holgura máxima entre cartucho y barreno es de 1/8"



EXCAVACIONES

Taco: Tapón que se le coloca al barreno para evitar la fuga de gases (pudiendo ser cualquier material inerte, cementado que produzca buen sello como: arcilla, concreto, pero es muy costoso).

Atacador o Fainero: Elemento para compactar la dinamita, es un cilindro de madera dura cortado de tal forma que el hilo de la madera sea longitudinal.

DISEÑO DE EXPLOSIVOS:

El diseño de explosivos, se hace con el auxilio del Método Americano para voladura de rocas (método empírico)

Al realizar un diseño de voladura se consideran las interrogantes siguientes:

1.- Que cantidad de explosivos por m3 se necesita?2.- De qué diámetro se va a realizar el barreno?3.- De qué potencia va a ser el explosivo?4.- En donde se van a colocar los barrenos?

El Método Americano para voladura de rocas, es un método iterativo, en el cual para un determinado diseño se puede "jugar" con diferentes parámetros entre ellos él O del barreno, la distancia D, del frente al barreno, así como también la carga de explosivo pesado a utilizar que se puede variar de D a D/2, hasta llegar a una separación entre barrenos comprendida entre

D< s < 1.3D

La separación comprendida entre estos valores da la distribución óptima, para una voladura eficiente.

TABLA 1

TIPO DE ROCA T EN KG/CM2

Granito 65Basalto,Riolitas y Andesitas 55Pizarras y Dolomitas 48Calizas 40Conglomerados 35Areniscas 28Tepetate 20

Entre los elementos que varían las cantidades de explosivos en m3 está la resistencia de la roca a la tensión, el tamaño máximo de material a obtener y el estado de sanidad de la roca.

Consumo específico de explosivo Q es la cantidad necesaria de explosivo para obtener un m3 de material de tamaño máximo de una yarda cúbica.

Se calcula con la fórmula:

Q = f * T / j *

En la cual: Q = Consumo específico f = Factor de tamaño j = Factor de sanidad T= Resistencia a la tensión en kg/cm2 H = Altura del frente en m

TABLA 2

TAMAÑO DE MATERIAL EN

M3

FACTOR DE TAMAÑO

f

Máximo de 0.76 1Máximo de ½ 1.1 - 1.2Máximo de ¼ 1.3 – 1.5Máximo de 1/8 2



EXCAVACIONES

TABLA 3

ESTADO DE LA ROCA

FACTOR DE SANIDAD

Sana 30Semicontaminada 35Contaminada 40 Coeficiente de Barrenación = Longitud del barreno / Volumen tronado por barreno

DIAGRAMA DE BARRENACION.

Debe contener los datos siguientes:

1.- Distribución de barreno y diam. 2.- Carga de los mismos 3.- Tiempo de detonación

Para el diagrama de Barrenación se va a utilizar la disposición a tresbolillo, utilizando una distribución de tiempos que permitan refrenar la expulsión del material, teniendo el material más cerca del frente y facilitando la rezaga del mismo.

EXCAVACION EN CANALES ( con explosivos)

Existen dos casos para este tipo de excavaciones: Primer caso: la plantilla del canal tiene 6.0 m o más la altura > 9 m

Segundo caso: la plantilla es < 6 m y la altura < 9 m

En el primer caso la explotación se realiza como si fuera a cielo abierto, los barrenos deberán seguir una confrontación de ese tipo o bien una confrontación inclinada en los extremos, dependiendo de la altura y el ángulo de talud.

En el segundo caso es necesario realizar la explotación auxiliándose de barrenos de cuña, para permitir un grado de libertad hacia donde se dirijan las ondas explosoras, por lo tanto, la voladura se realiza hacia el centro de la sección.

Estos barrenos de cuña ocupan más de la mitad de la sección transversal del canal y siempre serán cargados con explosivo pesado, sin determinar el diseno de los mismos, pero si la cantidad para fines estimativos y de P. U.

EXCAVACIONES DE TUNELES (con explosivo)

Los túneles se construyen con diversas finalidades entre las cuales se pueden mencionar las siguientes:

- Pasajes para ferrocarriles y vehículos automotrices

- Accesos a minas- Canales para conducción de agua- Conducción de hidrocarburos o

líneas de transmisión, etc.

En todo túnel deben de considerarse distintos aspectos, los principales son:

- Geometría de la sección depende del tipo de libramiento o uso

- Tamaño de la sección - Longitud del túnel- Topografía- Geología- Ventilación

En este tipo de excavaciones los explosivos deben tener ciertas características; debiéndose emplear explosivos pesados con una potencia mayor del 60% que no produzcan gases tóxicos y que sean impermeables, de fácil manejo durante las operaciones de



EXCAVACIONES

transporte y colocación, permitiendo una carga continua a lo largo del barreno (cohesivo) y deben tener como iniciadores Estopines de milésimas de seg. (Ms)

La dimensión mínima en túneles será de 4 ft a 5 ft y en general no depende de la magnitud sino de la sección. Los diámetros de Barrenación varían entre 1" y 2" para satisfacer estas condiciones existen varios métodos constructivos :

1. Método de Sección y Banqueo2. Método de la Cuña o Frente

Completo 3. Método del Agujero Quemado

La operación repetitiva de colocación se realiza con: plataformas de perforacion (yumbos) Un yumbo deberá cubrir los siguientes requisitos mínimos:

a) Ser lo más ligero posible a fin de facilitar las maniobras empleadas en su trabajo.

b) Adaptarse a las necesidades del frente de trabajo, sirviendo tanto, para los propósitos de Barrenación, como de la carga y poblado de explosivos en los barrenos del frente.

c) En caso de ser muy grande, a fin de evitar la necesidad de largos transportes, debe ser construido de forma, de que al ser retirada a una prudente distancia del frente de trabajo, pueda replegarse en alguna de sus partes, para dejar espacio suficiente que permita el paso del equipo de rezagado y acarreo.

En cada túnel deberá diseñarse una plataforma de perforación que se

adapte a las necesidades específicas del mismo.

TIPOS DE CUÑAS.

Fundamentalmente existen tres tipos de cuñas:

- Cuña de Angulo.- Los barrenos que la conforma son inclinados.

- Cuña Fragmentadora.- Se caracteriza porque los barrenos que la conforman son perpendiculares a la sección.

- Cuñas Especiales.- Tipo de cuna destinada a la apertura de secciones específicas.

Cuñas de Angulo .- Se conocen como cuña en V, se recomiendan para secciones cuadradas o rectangulares; la dimensión de la cuña varía del 10 al 15 % de la dimensión del frente; en rectangulares depende de la sección. El ángulo que se considera eficiente es de 200.

Cuña en V y Cuña doble V utilizable en calizas * rocas duras conglomerados etc. granito, basalto

Cuña Pata de Gallo Cuña Piramidal

Cuña en ángulo para secciones circulares.

Cuñas Fragmentadas.- Su característica principal es que va a contener barrenos cargados y otros no; la función de los barrenos cargados es dar energía Fragmentadora y la función de los barrenos sin carga es orientar esa energía a un determinado sector, dimensión 10 - 15 % tamaño máximo.



EXCAVACIONES

Secciones cuadradas y/o rectangulares Secciones Circulares

TIPOS DE BARRENOS:

1.- Barrenos de Cuña - Siguen especificaciones anteriores.

2.- Barrenos Auxiliares - Contenido en número en la masa a

explotar.3.- Barrenos tabla o Corte -

Definir la sección.

MÉTODO DE LA CUÑA O ATAQUE A SECCIÓN COMPLETA.

Generalmente el ataque de túneles con este método se practica en aquellos de dimensiones tales que resulta económico el empleo de (yumbos) plataformas de perforación. Con el método de ataque a sección completa se excava un túnel a toda su sección transversal en cada cuele, este método se emplea en túneles hasta de 160 m2.

La cuña está localizada aproximadamente al C.G. de la sección proporcionando un grado de libertad concéntrico.

En materiales duros, la cuña debe llegar a la misma distancia que los barrenos de tabla, en materiales más suaves el barreno de tabla se puede profundizar H/3 más y se considera que la cuña aunque llega a 2/3 H llega a abrir hasta H.

MÉTODOS DE SECCIÓN Y BANQUEO.

La utilización de este método resulta económica, utilizándose en secciones grandes, básicamente consiste en excavar una sección transversal en la parte superior; por ejemplo, con el método de la cuña en la 1a. etapa y

después explotar en la 2a. etapa a ciclo abierto o banco.

MÉTODO DEL AGUJERO QUEMADO.

Este método consiste en abrir un barreno al centro de la sección de 6", con lo cual se proporciona el grado de libertad requerido para la explotación, procediéndose a denotar igual que con el método de la cuña, haciendo la distribución de barrenos correspondiente. Este método no se aplica en México.

Para la distribución de los barrenos existen dos métodos:

1.- Desarrollo de la Sección.2.- Por compensación de Areas de

Influencia.

RECOMENDACIONES GENERALES PARA TRANSPORTE Y MANEJO DE EXPLOSIVOS.

Vehículos.- Los pisos de las casetas donde se alojan los explosivos para su transporte deben ser de madera.

La caseta debe ser cerrada y recubierta de algún material incombustible e impermeable.

-Cuando el camión vaya cargado debe llevar banderas rojas e identificado con rótulos (PELIGRO EXPLOSIVOS)

Nunca se debe transportar juntos; Estopines, fulminantes y explosivos, sino siempre por separado.

Los elementos de expulsión de gases nunca deben cruzar la posición de la caseta.



EXCAVACIONES

MANEJO DE EXPLOSIVOS

Los paquetes o cajas de explosivos no deben aventarse o dejar caer al estarlos cargando, descargando o acarreando, debiéndose depositar cuidadosamente.

Los paquetes o cajas de explosivos no deben abrirse dentro de un almacén de explosivos, ni a un radio de 15 m del almacén.

Deben emplearse herramientas de madera o material no metálico para abrir cajas o paquetes.

No deben emplearse herramientas metálicas.

Los explosivos y detonantes que se les den a los obreros deben colocarse en receptáculos aislados, independientes y seguros.

No se debe cargar barrenos durante una tormenta.

REZAGADO DE LA ROCA.

Tiene gran importancia en los costos y tiempos de realización de los trabajos el equipo empleado para rezagar y transportar la roca fragmentada, cuya capacidad deberá ser determinada en función de obtener ciclos en que el conjunto de operaciones se encuentre balanceado.

En excavaciones a cielo abierto no se presentan problemas para determinar el equipo adecuado, pero en excavaciones subterráneas la limitación de espacio, suele ser uno de los factores que determinan la selección del equipo de rezagado (excavadoras y vehículos de transporte).

En túneles de dimensiones reducidas en donde no hay cupo para el empleo de equipo mecanizado, o no es económico su uso la rezaga se carga a mano, transportándola, bien sea en camiones pequeños o en carretillas de mano hasta fuera de la excavación.

Según las dimensiones de la excavación, será la capacidad de la máquina rezagadora; la capacidad de los vehículos de transporte está también fijada por las dimensiones de la excavación. por la capacidad de la rezagadora y por el ritmo de trabajo programado

EJEMPLOS DE APLICACION

PROBLEMA 1 Se desea explotar una cantera de basalto que tiene una altura de 12 m. Se necesita obtener piedras de 1/4 m3, considerando que la roca se encuentra contaminada.

Datos: H = 12 m f = 1.4 j = 40 T = 55 Kg/cm2 (basalto) P. Explosivo ligero = 0.9 tn/m3 40 % Explosivo pesado = 1.55 tn/m3 60%

Determinación del consumo específico

= 0.55 Kg/m3

Si d = distancia mínima del barreno al frente = 0.5 m. en la parte inferior del frente, se tiene la proporción:

4 : 112 : x . x = 3 m Sería la distancia D si se colocará el barreno pegado a la parte inferior del frente



EXCAVACIONES

La D mínima sería 3.5. m

Por tanteos se considera: D = 4 m

La altura del explosivo pesado va de D a D/2. El tanteo se comienza con D/2, lo cual redunda en economía

Si D = 4 m He p = D/2 = 2 m Ht = 2 M H e = D/3 = 4/3 = 1.33 m H e l = 12 + 1.33-2-2 = 9.33 m

Estimación del diámetro del barrenoDiam. = H en donde: H en m y Diam. en pulgadas diam. = 12 = 3.46"

Para el primer tanteo se considera Diámetro de 4"

Determinación de la longitud del barreno cargado 11.33(1.03) = 11.67 m

Determinación de la longitud del explosivo pesado = 2 x 1.03 = 2.06 m

Determinación de la longitud del explosivo ligero = = 9.33 x 1.03 = 9.61 m - Sí el área del barreno b = (1.019)2 / 4 = 0.0081 m2 El volumen de explosivo pesado Ve p = 206 (0.0081) = 0.0167 m3

El volumen de explosivo ligero Vel = 9.61 (0.0081) = 0.0770 m3

Determinación del peso de explosivos

Peso explosivo pesado Wep= 1550 (0.0167) = 25.89 kg.

Peso explosivo ligero Wel = 900 (0.0779) = 70.02 kg.

W total = 95.91 kg.

Volumen por extraer SiWt = 95.91 kg Q = 0.55 kg/ m3Vol =95.91 / 0.55 =174.38 m3 de material por cada barreno Area de Influencia Ai = Vol / H = 174.38 / 12 = 14.53 m2 Separación entre barrenos S = Ai / D = 14.53 / 4 = 3.64 mts. Aprox. 4 m .Si D < 1.3 D . . no cumple.

Para el segundo tanteo se utilizará D para explosivo pesado, utilizando D máx. para explosivo pesado.

W e p = L p x b x p = 4(1.031) (0.0081) (1550) =51.78 kg. Hel = 12 + 1.33 –2 –4 = 7.33 m W e l = 7.33 x 1.031(0.0081) 900 = 55.04 kg. W total =106.87 kg.

S = Wt/ QHD en m

S = 106.87 / 0.55(12) 4 = 4.05 m . 4 < 4.05 < 4.9 cumple con lo especificado

Con frentes menores de 9 no hace falta la sobrebarrenación de D/3 solo para frentes de H> 9 m.

Para frentes < 6 m solo utilizar explosivo pesado



EXCAVACIONES

PROBLEMA -2

Se desea abrir un túnel en basalto sano, sabiendo que la herramienta disponible es de Diam. b = 1.5" y 12 ft. = 3.60 m. de long. El explosivo a utilizar será de una Potencia del 60% necesitándose obtener material de tamaño máximo de 1/4 m3..

H = 3.56 mf = 1.4j = 30T = 55 kg/cm2Diam b= 1.5"

= 1.36 Kg/m3

En túneles la medida mínima de taco es de 12" y la separación mínima entre barrenos es 25 diam. b

Vol. Expl. P. = (1.5 x 0.025)2 /4 (3.56-.30) = 0.0037 m3

Wep = 0.0037 m3 x 1550 kg./m3= 5.74 kg.

Vol. por extraer = 5.74 kg./1.36 kg./m3 = 4.22 m3

Area de influencia = 4.22 m3/3.56 m = 1.18 m2/barreno

No de barrenos = No b Area = A

t 2; A= 3.36 (1.25) = 4.20 m2

No b = 4.20 m2 = 3.28 = 4 1.18 m2

t 3; A= 3.4 (1.106) = 3.87 m2

No b = 3.87/1.18 = 3.3 = 4

t 4; A= 5.57 (1.25) = 6.97 m2

No b = 6.97/1.18 = 5.9 = 6

t5 = t6; A = 6 (1.106) = 6.64 m2

No b = 6.64/ 1.18 = 5.6 = 6

Estandarización de distancias

1.125 m2 * 3.56 m= vol. por extraer vol. por extraer = 4.00 m3

W ep= 4.005 m3 * 1.36 kg./m3

We p = 5.447 kg.

Wep/r = 5.44/1550 = 0.00351 m3

Que es vol. por barreno.

.0035 = (1.5 x 0.025) 2/4 H st

H sin taco = 3.08 m

Taco = 3.56 - 3.08 = 48 cm.

H taco = 48 cm.


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