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6.5CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA

Teniendo en cuenta la geología del lugar, se tiene una zona bastante activa y con un sistema de fallas complejo, las cuales repercuten en la alteración y fracturamiento de las rocas presentes; dicha actividad se ha manifestado en la región mediante gran cantidad de zonas inestables y gran susceptibilidad a los deslizamientos, por lo tanto una obra subterránea puede llegar a ser una alternativa para evitar los altos costos presentados en la estabilización de estas zonas y sus mantenimientos.


Las rocas presentes en la formación Grupo Olini corresponden en su mayoría a unidades litológicas de composición arenosa de edades cretácea y terciaria, se puede encontrar la presencia de suelos residuales y numerosos depósitos coluviales en donde se pueden observar proceso erosivos de tipo deslizamientos, reptaciones y estructuralmente está controlada por sistema de fallas de Bituima y la falla del Alto del Trigo, estructuras plegadas de anticlinales y sinclinales apretados en dirección preferencial sur norte y la estructura más regional conocida como el sinclinal de guaduas.
La litología en este sector está conformada por rocas de dureza blanda del grupo OliniKsli, sucesión de lutita negra y gris, con intercalaciones de limolita silícea negra, en capas delgadas a medias, plano paralelas y laminación interna ondulosa continua, físil, con partición en rombos e intercalaciones esporádicas de chert. Ksl, sucesión de limolita calcárea, negra, en capas delgadas a medias, plano paralelas y, ocasionalmente, con bases ondulosas no paralelas, e intercalaciones de lutita calcárea, con concreciones de caliza; hacia la base del segmento se presentan capas delgadas de areniscas de cuarzo y color gris.Ksls sucesión de limolita calcárea, negra, intercalada con chert, en capas delgadas a medias, plano paralelas, con partición en rombos; dentro de esta secuencia se observa delgadas intercalaciones de lutitas negras. Rocas de dureza blanda a intermedia de la Formación Gaguaqui (Kgg) secuencia de lutitas silíceas y calcáreas de color negro, físiles con estratificación plano paralela e intercalaciones de limolita silícea y calcárea negra con estratificación delgada plano paralela, físil y muy dura con presencia de láminas de yeso como relleno de fracturas y planos de estratificación. Rocas blandas de la Formación seca Kpgs, sucesión de arenisca fina de cuarzo, en capas gruesas, que alternan con lutitas y limolitas de cuarzo. Esa parte de la unidad infrayace una secuencia monótona de lutita y limolita, roja a gris clara, con capas delgadas de carbón e intercalaciones de arenisca fina, sublítica y subarcósica, en capas gruesas, tabulares y cuneiformes.
Las rocas de las Formaciones que se encuentran en este tramo (lutitas principalmente) se caracterizan por su baja resistencia y alta degradabilidad y expansión ante procesos de humedad y secado; los cambios de temperatura y el régimen de lluvias del área del proyecto hacen que los materiales se degraden en corto tiempo con cambios en su estructura principalmente en los minerales arcillosos.
En la siguiente tabla se muestran diferentes clasificaciones de rocas sugeridas por sociedades y autores en donde se pueden identificar las rocas lodosas dentro del grupo de rocas blandas con valores de resistencia a la compresión variables entre 1 y 25 MPa.
Tabla 6.Clasificación de las rocas para diferentes autores y sociedades de la mecánica de rocas.

Fuente: Gonzales ed Vallejo, 2002.


Particularmente para las rocas lodosas, dentro de su condición de rocas sedimentarias, se pueden esperar comportamientos elástico-mecánicos bajos (módulos relativos menores a 200) según sugiere Deere y Miller, 1996 en la clasificación de las rocas basada en el módulo relativo E mostrada a continuación.

Fuente: Gonzales de Vallejo, 2002.

Figura 6.Clasificación de las rocas basada en el módulo relativo E con tres categorías en función del módulo relativo: elevado, medio (entre 200 y 500) y bajo.
A continuación se hace una descripción de las características geológico – geotécnicas presentes en el sector de acuerdo con la información obtenida hasta el momento.
De acuerdo con la geología de campo realizada por el grupo de Geología, se ha realizado el levantamiento de 4 datos de estratificación y 8 datos de diaclasas sobre afloramientos del macizo rocoso en zonas cercanas al túnel 7 (Tabla 6.). De las estructuras geológicas próximas al Túnel 7 que fueron levantadas; se obtuvieron coordenadas, datos de buzamiento y dirección de buzamiento (dip, dipdirection) para cada una de las diaclasas y planos de estratificación observados en la zona.
Se debe tener en cuenta que las orientaciones y rasgos de las estructuras geológicas corresponden a las condiciones observadas en superficie, y eventualmente pueden ser diferentes a las que se presentan al interior de túnel. Por lo tanto, durante la excavación subterránea se deberá realizar mapeos geológicos en cada avance de excavación con el fin de verificar y ajustar el diseño presentado en este documento.
La geología estructural, la metodología de análisis y los resultados obtenidos son presentados a continuación.

Tabla 6.Datos estructurales túnel 7.



TÚNEL

ID

Estación campo

Dato Estratificación

Diaclasas

Estratificación

ESTE

NORTE

Az_Buzamiento

Buzamiento

7

29

OL56

56/10 74/12

85/84 172/86 260/72 242/80 350/84

65

10

947027,3959

1057412,616

7

34

OL64

140/42 115/43

284/64 355/57 325/75

128

42

946959,2159

1057509,328

Según el patrón de discontinuidades en la zona de estudio, se ha realizado un análisis de las discontinuidades a través del programa Dips del paquete RocScience, con el fin de individuar el número de familias de discontinuidades por unidades geológicas. Para el túnel en estudio se tienen la formación Grupo Olini en sus niveles Superior (Ksls) de litología limolita calcárea, y Nivel de lutitas y areniscas(Ksl), limolitas silíceas y lodolitas calcáreas. A continuación se presenta el análisis de familias de discontinuidades para la formación geológica.


La Figura 6. muestra el análisis realizado y la individuación una familia de discontinuidades con sus características de buzamiento y dirección de buzamiento.


Fuente:Concol

Figura 6.Familias de discontinuidades presentes en el túnel 7.




Orientación de familias de discontinuidades

Familia de discontinuidades

Buzamiento (º)

Dirección del buzamiento (º)

1

89

351

Fuente:Concol

Los valores adoptados para la caracterización del macizo rocoso en la zona de estudio se tomaron de información de referencia para el caso de las lutitas calcáreas de la formación Lidita Inferior (Ksli). La sísmica de reflexión en el túnel 7 no se pudo completar hacia el portal de salida, donde se encuentran las rocas de la formación Lidita Inferior (Ksli) por lo que no se puede tomar valores de RMR a partir de correlaciones con las velocidades de onda de compresión (Vp), mientras que el valor del RMR de las lutitas calcáreas de la formación Nivel de Lutitas y Areniscas (Ksl) se tomó de correlaciones a partir de la velocidad de onda de compresión (Vp). La campaña de exploración realizada por HMV en el estudio de geotecnia para el túnel el Trigo comparte las formaciones geológicas por las que pasa el túnel 7 en estudio (Grupo OliniKsl y Ksls), por lo que para el caso de la formación Kslse tomó de esta información de referencia (Tabla 6.):


Tabla 6.Valores de RMR de referencia para túnel 7.

TIPO DE MATERIAL

RMR

Lutitas calcáreas - Ksli

50

Lutitas calcáreas - Ksl

59

Fuente:Concol
El criterio tenido en cuenta para la clasificación de los tipos de terrenos se basa en los valores obtenidos de RMR para cada tipo de roca que corresponde a las unidades geológicas anteriormente expuestas. En este sentido las rocas con un RMR menores a 20 se relacionan con un terreno tipo V, valores de RMR entre 21 y 40 corresponden a un tipo de terreno IV, valores de RMR entre 41 y 60 corresponden a un tipo de terreno III, valores de RMR entre 61 y 80 corresponden a un terreno tipo II y finalmente los valores de RMR mayores a 81 serán terreno tipo I. Para efectos de diseño se ha tenido en cuenta el valor RMR ajustado, el cual considera todos los valores de las características de las discontinuidades observadas y medidas en campo.
Con la sísmica de reflexión realizada en el túnel 7, es posible realizar correlaciones de la velocidad de onda de compresión (Vp) con el Índice de Calidad de la Roca Q (Barton, 1996). Este factor de calidad Qpuede ser calculado a partir de las mediciones de calidad de roca (RQD) realizadas en sondeos, o a partir de mediciones de velocidad de onda P con la siguiente expresión:

Vp = log Q + 3.5 (km/s)


La Figura 6.muestra la relación entre la velocidad de ondas de compresión (Vp) y el índice Q de Barton en función de la profundidad aproximada H y de la porosidad n. El diagrama permite estimar también el módulo de deformación del macizo rocoso Ed.

Fuente:Concol

Figura 6.Diagrama de correlación entre Vp y Q. (Barton 1996).
El perfil con la clasificación de calidad de la roca con el índice Q levantado en campo se muestra en laFigura 6..

Fuente:Concol

Figura 6.Perfil de clasificación de la calidad de la roca a partir de ondas de compresión medidas en campo, túnel 7.
A partir de los valores de Q obtenidos de la sísmica de reflexión, se presentan a continuación algunas correlaciones entre el índice Q de Barton y el RMR de Bieniawski. Algunas de estas correlaciones empíricas se presentan a continuación:


  • Bieniawski y Orr (1976):

A partir del análisis realizado en 117 casos de diseños de túneles en todo el mundo, Bieniawski y Orr han sugerido una relación empírica que correlaciona los dos índices de clasificación RMR y Q mediante la siguiente expresión:



  • Rutledge y Preston (1978):

Sucesivamente a Bieniawski y Orr, estos dos autores propusieron correlaciones teniendo en cuenta no sólo RMR y Q sino la clasificación RSR de Wickham (1972). La relación entre RMR Y Q es la siguiente:




  • Barton (1995)

La relación sugerida por Bienwiaski y Orr (1976) proporciona valores de RMR poco realistas (a veces negativos) para valores bajos de Q, por lo que Barton (1995) ha sugerido la siguiente expresión con el fin de superar tales limitaciones:



La Tabla 6.resume los valores obtenidos de la sísmica a reflexión realizada en el túnel 7 para las litologías presentes y su correspondiente correlación de RMR a partir de Q según las expresiones mencionadas anteriormente:
Tabla 6.Correlaciones de RMR a partir de Q.



















CORRELACIONES DE RMR A PARTIR DE Q

Litología

Clase de Roca

Descripción

Vp (m/s)

Q

Q escogido

Bieniawski y Orr (1976)

Rutledge y Preston (1978)

Barton (1995)

Limolitas Silíceas / Calcáreas

C/D

Pobre / Razonable

2000-3000

01-10

4

56

51

59

Con los valores calculados de RMR para cada tipo de terreno es posible realizar la caracterización del macizo rocoso mediante el método GSI (Geological StrengthIndex) a través del valor de RMR mediante la siguiente fórmula sugerida por Hoek et al, 1995:


GSI = RMR89 – 5
Válida para macizos rocosos con valores de GSI>25. A continuación se presenta la tabla del método GSI que permite conocer cualitativamente la calidad del macizo rocoso en función de su grado de fracturación y las condiciones de meteorización en las discontinuidades de la roca.
Tabla 6.Geological Strength Index (GSI).


En cuanto a la caracterización geomecánica del túnel 7, en el lugar se presenta la formación del Grupo Olini; con los subniveles Lidita Inferior (Ksli) y Nivel de Lutitas y Areniscas (Ksl). Las Tabla 6.y Tabla 6.muestran que la excavación tendrá lugar en mayor proporción en terreno tipo III (92% calzada izquierda y derecha).En menor proporción se tiene un terreno Tipo V asociado a portales,8% calzada izquierda y 8% calzada derecha.
Las siguientes tablas resumen los tipos de terreno esperados a lo largo de la excavación del túnel en calzada derecha e izquierda.
Tabla 6.Tipos de terreno presentes en el túnel 7, calzada izquierda.

TÚNEL 7

TIPOS DE TERRENO CALZADA IZQUIERDA

ABSCISA INICIAL

ABSCISA FINAL

ESPESOR

TIPO DE ROCA

TIPO DE TERRENO

% TIPO DE TERRENO

K16+320

K16+340

20

Portal de entrada. Limolita silícea y lutita calcárea con intercalaciones de arenita de cuarzo

V

4

K16+340

K16+710

370

Grupo OliniKsl. Limolita silícea y lutita calcárea con intercalaciones de arenita de cuarzo

III

77

K16+710

K16+780

70

Grupo OliniKsl. Limolita silícea y lutita calcárea con intercalaciones de arenita de cuarzo

III

15

K16+780

K16+800

20

Portal de salida. Capas delgadas de chert y limolita silícea

V

4

L (m)

480






















100

Fuente:Concol
Tabla 6.Tipos de terreno presentes en el túnel 7, calzada derecha.

TÚNEL 7

TIPOS DE TERRENO CALZADA DERECHA

ABSCISA INICIAL

ABSCISA FINAL

ESPESOR

TIPO DE ROCA

TIPO DE TERRENO

% TIPO DE TERRENO

K16+290

K16+310

20

Portal de entrada. Limolita silícea y lutita calcárea con intercalaciones de arenita de cuarzo

V

4

K16+310

K16+680

370

Grupo OliniKsl. Limolita silícea y lutita calcárea con intercalaciones de arenita de cuarzo

III

79

K16+680

K16+740

60

Grupo OliniKsli. Capas delgadas de chert y limolita silícea

III

13

K16+740

K16+760

20

Portal de salida. Capas delgadas de chert y limolita silícea

V

4

L (m)

470






















100

Fuente:Concol
A continuación se presenta una breve descripción de los tipos de terrenos en estudio.
Terreno Tipo I
Esta clasificación corresponde a roca sana, poco fracturada, dura y estable, donde se puede realizar la excavación sin necesidad de colocar soporte en el frente de excavación. En este tipo de terreno las infiltraciones en el frente pueden llegar a presentarse en forma de goteos y/o chorros concentrados a lo largo de discontinuidades abiertas, sin llegar a presentar problemas de estabilidad. Este tipo de terreno no está presente en el túnel 7.
Terreno Tipo II
Se caracteriza porque la roca presenta una dureza media, y el macizo rocoso se encuentra moderadamente fracturado a ligeramente fracturado. Pueden presentarse trazas de meteorización y/o alteración de la roca o en algunos planos de discontinuidades. El agua subterránea se presentará en forma de goteos y/o chorros, sin generar grandes problemas de estabilidad a la excavación subterránea, limitándose a generar minúsculos desprendimientos locales. Este tipo de terreno no está presente en el túnel 7.
Terreno Tipo III
Esta clasificación corresponde a un macizo rocoso estratificado, fracturado a muy fracturado, donde los planos de discontinuidad se presentan alterados o meteorizados, y se podrán encontrar zonas débiles sueltas. Se presentan desprendimientos de rocas en sitios específicos durante la excavación subterránea (techo y paredes). Las filtraciones que se llegarán a presentar serán moderadas, pero de magnitud suficiente para producir desprendimientos.


Terreno Tipo IV
Esta clasificación hace referencia a rocas blandas de dureza media a baja, el macizo rocoso se presenta muy fracturado, con estratificación delgada, y los planos de estratificación se presentan muy alterados. Debido a la baja resistencia del material a esfuerzos cortantes con relación a los esfuerzos actuantes se requerirá ejecutar la excavación en por lo menos dos etapas. Las infiltraciones de agua subterránea podrán presentarse en forma moderada. En este tipo de terreno se recomienda evitar deformaciones del macizo rocoso justo después de su excavación, por lo que el soporte debe instalarse inmediatamente. Este soporte está compuesto por pernos radiales cuya longitud y separación dependen de la zona plástica generada por la excavación. Se deben instalar cerchas metálicas y un recubrimiento en concreto lanzado sobre toda la sección del túnel.
Terreno Tipo V
Este tipo de terreno indica condiciones de roca muy pobre, asociados a avances en los portales y zonas de falla. Los avances de excavación se recomiendan entre 0.5 m y 1 m y en sección parcializada, instalando el soporte inmediatamente se va excavando evitando que el macizo se deforme. Dicho sostenimiento está compuesto por pernos radiales cuya longitud y separación dependen de la zona plástica generada por la excavación. Se deben instalar cerchas metálicas y un recubrimiento en concreto lanzado sobre toda la sección del túnel. Se sugiere soportar la clave mediante enfilajesy el frente mediante pernos en fibra de vidrio o similares para evitar desprendimientos en el frente de excavación.


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