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Excavacin Mecanica
Chapter 6
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Para este tercer milenio el ingeniero de minas debe estarpreparado para planificar, disear y ejecutar cualquier
excavacin subterrnea, ya sea utilizando MEC o las TBM,
teniendo en cuenta el costo-beneficio.
Para el diseo de excavaciones subterrneas, como por
ejemplo un Tnel primero se debe realizar un estudio
Geolgico Geotcnico del sector donde se proyecta
construirlo, en esto la mecnica de rocas juega un papel
fundamental en la clasificacin del macizo rocoso e inclusoestableciendo un pre-diseo con los elementos necesarios
para el sostenimiento del tnel en funcin al uso y las
dimensiones, tipo de roca, etc.
Generalidades
Excavacin Mecnica
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Con estos datos ya se podra estimar el costo de la
excavacin subterrnea, lo cual resulta muy til para poderver su viabilidad de esta alternativa.
En los Tneles y Taludes rocosos, los mecanismos de
inestabilidad son controlados por el grado de alteracin y
por las anisotropas existentes en el macizo, tales como la
estratificacin, contactos, fallas, cuya relacin con losmecanismos de inestabilizacin se rege por los siguientes
factores:
Distribucin espacial de las discontinuidades, relacinentre su posicin (rumbo y buzamiento) con la direccin
del tnel. Siendo este l ms importante a considerarse en
el diseo de entrada y salida del tnel
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Presencia y naturaleza de los materiales de relleno de las
discontinuidades.
Irregularidades en las superficies de las discontinuidades.Fallamiento y movimientos anteriores, etc.
Existen muchos mtodos tiles para poder clasificar un
macizo rocoso, entre ellos se puede escoger algunos
mtodos elaborados por autores conocidos mundialmenteen el campo de la mecnica de rocas que realiza anlisis
especficos para el diseo de tneles entre los cuales se
puede mencionar: Deere, Bieniawski, Barton y otros.
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Por otro lado, como se mostr en el diagrama conceptual al
iniciar el curso, que para obtener buenos resultados en el
diseo y construccin de obras subterrneas, uno de los
componentes de dicho diagrama era ingeniera de diseo.
La ingeniera de diseo trata de los diversos modelos
matemticos postulados por varios investigadores a nivel
mundial para el diseo de las diversas excavaciones
subterrneas que deben planificarse, disearse, construirse ysostenerse tanto en rocas como en suelos.
Para este capitulo se enfatizaran los modelos matemticos de
Langerfors y Holmberg para llevar a cabo el diseo de las
diversas excavaciones subterrneas que se estudiara masadelante; as como tambin para llevar a cabo el diseo de las
mallas de perforacin y voladura para construir las
excavaciones subterrneas.
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Tambin se enfatizo al iniciar este curso que para ejecutar
las excavaciones subterrneas, existen varias maneras de
atacar a la roca, teniendo en cuenta la caracterizacin del
macizo rocoso, entre las mas usadas a nivel mundial, son:
1. Perforacin y voladura: Ingeniera de explosivos (MEC)2. Excavacin mecnica: TBM
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Historia de la excavacin mecnica
1847-1851: primer prueba de excavacin mecanizada
en Sardea (0,25m/da)1870: primera mquina excavadora (frente completo),
en Inglaterra (1.25m/da).
1881: Cruce del canal de la mancha con maquina
tuneladora de Beamount (25m/da)
Gran desarrollo despus de la primera guerra mundial
con aumento de dimetros de excavacin y consumo de
energa (motores elctricos)
1906: TBM de Price con cabezal Cortante.1958: TBM de Wohlmeyer con 5 fresadoras.
1970: mquinas de excavacin puntual (rozadoras).
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Primera mquina de excavacin mecanizada.
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Este mtodo se da a travs de maquinas tuneladoras o
topos (TBM) y las maquinas de ataque puntual, rozadoraso martillos de impacto.
En la excavacin mecnica la energa utilizada se
concentra en los accesorios y/o dispositivos denominados:
Picas, cortadores de disco, cortadores de botones, etc.;
los cuales impactan directamente con el macizo rocoso o
suelos, de modo que esta resistencia que ofrecen las
maquinas tuneladoras debe ser mayor que la resistencia
de la roca para lograr fracturarla en forma de lajas.
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Rozadoras
Tuneladoras (en rocas blandas)
Rocas con resistencia a compresin menor a 800 Kp/cm2
Menor dimetro se usan en rocas blandas
De mayor dimetro en rocas duras
Picas
Cortadora de
botones
Tuneladoras o topos
Rocas con resistencia a compresin mayor a 800 a 2200
Kp/cm2
Rocas con resistencia a compresin mayor a 2200 Kp/cm2
Nota: Cuando la resistencia es mayor a la que se indica es
mejor usar MEC.
Dispositivos que usan las maquinas tuneladoras
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1. Tuneladoras o topos (TBM)
Los sistemas de excavacin mecnica, son los siguientes:
Generalmente perfora tneles circulares, actualmente se
fabrican topos con varias cabezas para excavar secciones
ovalados (uso vial) en rocas blandas, pero su costo es muy
elevado.
Las TBM excavan la roca en fragmentos de forma de laja, los
cuales son evacuados a travs de la laja transportadora.
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Grippers
Gatos de empuje
Cortadores
GuiadoManual
Automtico
Arranque
Rock drilling
tools
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Escudo excavador
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2. Rozadora
Es una maquina excavadora que mediante una cabeza
rotatoria provistas de picas de friccin que incide sobre la
roca, extrae pequeos fragmentos de esta en forma de laja.Esta maquina de ataque puntual; consta de un brazo
desplazable y lleva en su extremo un cabezal provisto de las
herramientas de corte picas, solo se usa en rocas blandas o
en roca de mala calidad (20 < RMR < 30) aunque puederesultar ms econmico el uso de mtodos ms simples.
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Existen dos sistemas distintos de corte en las rozadoras
actuales:
Ripping de cabezal frontal: Gira en torno al un eje que esperpendicular al eje del tnel, tratndose en realidad de dos
cabezas simtricas, las picas golpean frontalmente a la
roca, es mas eficiente en rendimiento con un 30% mas que
el sistema de cabeza radial.
Milling de cabeza radial: Gira en torno a un eje longitudinal
paralelo al eje del tnel, las picas van dispuestas en forma
helicoidal y golpean a la roca en forma lateral.
En general las rozadoras de clasifican por su peso, a mayorpeso mayor ser la capacidad de la rozadora para excavar
rocas mas resistentes.
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Cabeza frontal
Cabeza radial
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Excavacin con rozadora
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3. Martillo hidrulico
Es una maquina de ataque puntual, se usa mayormente en
rocas blandas o figuradas, tiene ventajas como mayor
produccin, movilidad y flexibilidad, emplea pocos operarios,bajo costo del equipo
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Los pequeos detalles establecen una gran
diferencia en los resultados
Dr. Carlos Agreda TProfesor.
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