UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES GENERALIDADES Es aquel material para cuya extracción es indispensable pico y pala. EXCAVACION MATERIAL CLASE II-A (Equivalencia entre MATERIAL CLASE “B” y “C”) Es todo aquel tipo de trabajo que permite extraer material para construcción o bien para dar paso a una obra específica. No es económico atacar este material con pico siendo indispensable aflojarlo con marro y cuña o bien con explosivo o equipo neumático. 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 MATERIAL CLASE “A”) MATERIAL CLASE III MATERIAL CLASE “C”) (Equivalencia Roca fija; se requiere del uso de explosivos para su extracción. O equipo especial como el caso de las rompedoras. CLASIFICACION POR ZONAS TRABAJO EN EXCAVACIONES. DE 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. (Equivalencia Es un material suave y flojo que puede ser atacado con pala y Como auxiliar pico. ZONA (C) Es aquella donde el trabajo se realiza en zona urbana en la cual existen instalaciones o servicios que dificulten el proceso constructivo. MATERIAL CLASE II (Equivalencia MATERIAL CLASE “B”) M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 1 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES CLASIFICACION DEL MATERIAL EN SU ESTADO FISICO PESO VOLUMETRICO SATURADO Pv(saturado) = ( Ws + Ww )/Vm 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 EXCAVACIONES DE LAS l) A CIELO ABIERTO 2) EN CANALES 3) 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 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 denominado Coeficiente de abundamiento. VALORES DEL COEFICIENTE DE ABUNDAMIENTO ... A mín A max A prom Material Clase I 1.25 1.35 1.30 Material Clase II 1.30 1.40 1.35 Material Clase IIa 1.35 1.45 1.40 Material Clase III 1.45 1.65 1.50 M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 2 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES ANGULO MATERIAL DE REPOSO DEL 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. 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 Mecánica 2. Draga 3. Excavadoras y Retroexcavadoras En la tabla siguiente se indican algunos ángulos de reposo de materiales. MATERIAL Arena seca Arena húmeda Tierra seca Tierra húmeda Tierra muy húmeda (lodo) Grava ANGULO 20 – 30 30 – 45 20 – 45 25 – 45 25 – 30 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 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 Frontal 2. Zanjadora 3. 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. M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 3 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES 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 . 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. . F = 75 PK V donde: 2a. Para disminuciones de temperatura por cada 5° C menos, aumentar en 1% la potencia a nivel del mar. 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. 3a. Por cada 100.00 m de altitud, a nivel del mar disminuir en 1% la potencia INFLUENCIAS SOBRE LA POTENCIA DEL MOTOR Ejemplo : Supongamos el mismo caso anterior: 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. Solución con la regla primera: *Altitud en m 0 305 915 1525 2136 2745 21° - 16° = 5°, deberá descontarse 1% a la potencia Según la regla tercera 2,135 m = 21.35 % deberá descontarse Por cada 100 m seria 21.35% Temperatura en ° C 42° 95.40 92.00 85.50 79.50 73.80 68.60 32° 97.10 93.70 87.20 80.90 75.20 69.90 21° 99.10 95.50 88.80 82.25 86.70 71.30 15° 100 96.40 89.60 83.30 77.50 72.00 10° 100.8 97.40 90.5 84.20 78.20 72.70 4° 101.8 98.40 91.40 89.90 79.00 73.40 -7° 103.9 103.3 93.30 86.70 80.60 74.80 * Sobre el nivel medio del mar. Ejemplo: Cuál será la potencia efectiva de un Tractor que trabaja a 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. M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 4 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES 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 De 2300 a 3000 m De 300 a 3800 m 100% 92% 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. 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 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: TABLA Naturaleza del terreno Orugas Resistencia al Rodamiento kg/ton 1.- Camino duro, estabilizado, 28 kg/t pavimentado, sin penetración bajo la acción de las cargas Humedecido y conservado 2.Camino firme, uniforme, 40 kg/t aplanado afectado ligeramente bajo la acción y regularización conservando 3.- Camino de tierra, ondulado, que 70 kg/t flexiona bajo la acción de cargas ligeras, con poco mantenimiento, sin humedad Llantas Kg/ton 20 kg/t 4.- Camino en tierra con surcos y 90 kg/t rodadas mal conservado y sin ninguna estabilización 5.- Camino lodoso, blando, fangoso 110 kg/t sin mantenimiento 75 kg/t N = Fuerza necesaria para vencer la pendiente (kg) 100 a 200 kg/t Q = Peso de la máquina (kg) o (t). 33 kg/t FIGURA pero si N se expresa en kilogramos y Q en toneladas, entonces N = 1000 Q sen i 50 kg/t donde: M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 5 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES i = Angulo en grados o porcentaje. En la tabla se listan los valores de "N" para distintas pendientes. Solución.- de la tabla con tierra suelta se obtiene 0.60 kg/t 0.60 kg/t x 18.50 t. = 11,100 kg TABLA Pendiente Angulo expresada en % Correspondiente 2 4 6 8 10 15 20 25 Fuerza Necesaria en kg/ton 1° 08' 7'' 2° 17' 4'' 3° 26' 0'' 4° 34' 4'' 5° 42' 6'' 8° 31' 8'' 11° 18' 6'' 14° 02' 2'' 20 40 60 80 99 148 196 242 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 obtiene 148 kg/t tabla con 15 % se 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. TABLA Tipo de camino Concreto Arcilla seca Arcilla Mojada Arena Disgregada Grava de cantera Tierra Suelta Tierra Compacta Neumáticos 0.88 - 1.00 0.50 - 0.58 0.40 - 0.49 0.20 - 0.35 0.60 - 0.70 0.30 - 0.40 0.50 - 0.60 Oruga 0.45 0.30 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: 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 análisis de: donde se aplica el Análisis del proyecto a realizar Análisis de especificaciones de obra. Revisión de los planos geológicos locales. Donde se determinara el tipo de roca y estratos. Trabajo de Campo Excavaciones en el sitio sean existente o por sondeo, para determinar el tipo de material y su dureza. Método Manual con pico y pala, barrenos Método Mecánico la utilización de maquinara, tractor, taladro Método 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 PRODUCCION DE EXCAVACION DE Existen dos tipos de autores a-- La obtención de costo unitario de producción, a partir de un rendimiento real, donde prevalece la producción unitaria del equipo de construcción. M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 6 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES El procedimiento es: EXCAVACION EN ROCA 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. 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. 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. Las excavaciones en roca se pueden clasificar en: Excavaciones a cielo abierto Excavaciones en canales Excavaciones en túneles El ciclo en excavaciones en roca estará regido por los siguientes conceptos: 1. 2. 3. 4. Barrenación Carga y tronada Ventilación (en túneles) 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 y equipo que se utilice. CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS PARA BARRENACION I. Perforación por percusión: RENDIMIENTO EQUIPO OPTIMO DE UN Es la relación del costo horario mínimo posible, entre la productividad máxima posible por hora a) Perforadoras de percusión por cable o de pulseta b) Perforadoras de percusión directa con pistón que puede ser accionada neumática o eléctronicamente. M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 7 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES c) Perforadoras neumáticas de martillo o taladro de percusión que incluyen las rotatorias de percusión. realiza por medio de aire comprimido o por medio de agua presión. EXPLOSIVOS II. Perforación por rotación: a) Perforadoras rotatorias herramienta (broca) cortante b) Perforadoras rotatorias con herramientas (broca) abrasivas c) Perforadora rotatoria con herramienta (broca) trituradoras con III. Perforación por fusión: a) Perforadoras de fusión b) 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 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 mezclado en obra y meterse en bolsas de plástico en los hoyos y al ser más denso M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 8 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES 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. 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 INICIADORES RETRASO Y EQUIPOS DE 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 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. M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 9 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES 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 material El 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. 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. SEPARAMIENTO DE ROCAS CARGA Y TRONADA. 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. 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. 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 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. M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 10 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL 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. Factores que definen el tiempo 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.) de Explosivos de fácil fabricación (caseros). 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. 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. Está representada en función del contenido de nitroglicerina expresado con un % del volumen total de explosivo. 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. En México se pueden encontrar explosivos de 40 a 60 % de nitroglicerina y en casos especiales hasta de 75% MONEO. LOS EXPLOSIVOS SE DIVIDEN EN: Todo explosivo requiere de un agente externo o accesorio. Entre las funciones que realizan se enumeran las siguientes Si no está especificado en el cartucho Explosivo pesado = 60% de potencia P.V.=1,550kg/3 Explosivo ligero P.V.= 900 kg/m3 = 40% de potencia Siendo la potencia directamente proporcional a la densidad Entre las características de explosivo se pueden enunciar: a) Velocidad b) Impermeabilidad c) Inflamabilidad d) Emanación de gases. un Es el retiro de obstáculos por medio de explosivos. 1.- Sirven para lo que se llama labor de cebado 2.- Suministran o trasmiten una flama 3.- Ondas detonadores o impulsos LOS EXPLOSIVOS SE CLASIFICAN EN : 1.- Iniciadores 2.- Detonadores 3.- Mechas detonantes 1.- Iniciadores: Entre los iniciadores se pueden considerar: a) Mecha para mina o cañuela. M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 11 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES 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 velocidad dad 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: 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) 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). 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" M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 12 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL 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. TABLA 1 TIPO DE ROCA T EN KG/CM2 Granito Basalto,Riolitas y Andesitas Pizarras y Dolomitas Calizas Conglomerados Areniscas Tepetate 65 55 48 40 35 28 20 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. Entre los elementos que cantidades de explosivos en resistencia de la roca a la tamaño máximo de material a estado de sanidad de la roca. varían las m3 está la tensión, el obtener y el 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* H 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 Máximo de 0.76 Máximo de ½ Máximo de ¼ Máximo de 1/8 FACTOR DE TAMAÑO f 1 1.1 - 1.2 1.3 – 1.5 2 M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 13 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES TABLA 3 ESTADO DE LA ROCA FACTOR DE SANIDAD Sana Semicontaminada Contaminada 30 35 40 Coeficiente de Barrenación = Longitud del barreno / Volumen tronado por barreno DIAGRAMA DE BARRENACION. 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. 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: 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: Segundo caso: la plantilla es < 6 m y la altura < 9 m - Geometría de la sección depende del tipo de libramiento o uso - Tamaño de la sección - Longitud del túnel - Topografía - Geología - Ventilación 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 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 Primer caso: la plantilla del canal tiene 6.0 m o más la altura > 9 m M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 14 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL 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 Banqueo 2. 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. 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. 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. Cuña en V y Cuña doble V utilizable en calizas * rocas duras conglomerados etc. granito, basalto 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. Cuña en circulares. En cada túnel deberá diseñarse una plataforma de perforación que se Cuña Pata de Gallo ángulo Cuña Piramidal para secciones 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. M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 15 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES Secciones rectangulares cuadradas y/o 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. 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. 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 Los elementos de expulsión de gases nunca deben cruzar la posición de la caseta. M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 16 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL 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. 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 No deben metálicas. emplearse herramientas 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). 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 Q f *T / j * H 1.4x55 / 40x 12 = 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 : 1 12 : x . x = 3 m Sería la distancia D si se colocará el barreno pegado a la parte inferior del frente M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 17 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES Peso explosivo ligero Wel = 900 (0.0779) = 70.02 kg. La D mínima sería 3.5. m Por tanteos se considera: D = 4 m W total 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 Volumen por extraer Si Wt = 95.91 kg Q = 0.55 kg/ m3 Vol =95.91 / 0.55 =174.38 m3 de material por cada barreno Area de Influencia Ai = Vol / H = 174.38 / 12 = 14.53 m2 Estimación del diámetro del barreno Diam. = 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 barreno cargado 11.33(1.03) = 11.67 m = 95.91 kg. del 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 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 Determinación del peso de explosivos Peso explosivo pesado Wep= 1550 (0.0167) = 25.89 kg. M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 18 UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA A.C. INGENIERIA CIVIL EXCAVACIONES PROBLEMA -2 No b = 6.97/1.18 = 5.9 = 6 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.. 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 H = 3.56 m f = 1.4 j = 30 T = 55 kg/cm2 Diam b= 1.5" vol. por extraer = 4.00 m3 W ep= 4.005 m3 * 1.36 kg./m3 We p = 5.447 kg. Q f *T / j * H 1.4 x55 / 30 x 3.56 = 1.36 Kg/m3 Wep/r = 5.44/1550 = 0.00351 m3 Que es vol. por barreno. En túneles la medida mínima de taco es de 12" y la separación mínima entre barrenos es 25 diam. b .0035 = (1.5 x 0.025) 2/4 H st H sin taco = 3.08 m 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. Taco = 3.56 - 3.08 = 48 cm. H taco = 48 cm. 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 M. EN I. EDUARDO MEDINA WIECHERS 19