XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú TEMA: ASPECTOS IMPORTANTES DE VOLADURA CONTROLADA EN OBRAS CIVILES Y EXPERIENCIAS DE DEMOLICIÓN. Ing. Anìbal Venero Mellado(1) – Ing. Marco A. Ichillumpa Vargas(2) RESUMEN Durante los últimos años las técnicas de voladura controlada se han generalizado en la minería y en las obras civiles. Esta práctica de excavaciones con explosivos juega un papel muy importante por que el objetivo principal es la producción a través de la detonación, fragmentando los macizos rocosos para la utilización en obras civiles o remoción en la excavación de túneles. La técnica mas utilizada es la conocida como técnica de precorte y recorte que tiene la finalidad de minimizar la sobre excavación provocado por la acción del explosivo en la roca remanente mas allá del perfil de diseño del mismo. En este tema presentamos las consideraciones generales sobre voladura controlada y el mecanismo de la formación de grietas y las particularidades que supone el uso de explosivos en esta técnica y algunas experiencias y pruebas de campo sobre demolición con la técnica de voladura controlada. INTRODUCCIÓN En la ingeniería de excavaciones subterráneas o cielo abierto, la voladura de rocas tiene mucha importancia por su relación directa con la producción. La fragmentación o desplazamiento adecuado de un macizo rocoso debe producir 02 efectos importantes que son los de romper o triturar la roca como para ser limpiada y transportada sin mucha dificultad y cuidar que la parte circundante a la excavación se dañe lo menos posible y mostrar una superficie de acuerdo al contorno de diseño. La necesidad de conseguir en la roca un contorno de excavación sin protuberancias, dejando prácticamente sana la roca residual en la superficie de excavación, origina la ejecución de voladuras de contorno adoptando nuevos métodos como los denominados voladuras de recorte, precorte o voladura suave Smooth Blasting. 1.0 VOLADURAS CONTROLADAS Los ingenieros inmiscuidos en las excavaciones de roca han buscado y ensayado muchas maneras para reducir el exceso de rompimiento o sobre excavación de las voladuras. Por razones de seguridad, el rompimiento excesivo no conviene cuando se trata de taludes, bancos, túneles, frentes o pendientes inestables y es también económicamente inconveniente cuando la excavación excede la línea de pago esto implica concreto extra, sostenimiento o tratamiento de taludes fracturados que Difundido por: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia (51 – 1) 421 - 7896 / www.construccion.org.pe / [email protected] 1 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú requieren un mantenimiento costoso. Por muchos años la perforación en línea fue el procedimiento utilizado para controlar el rompimiento excesivo. La perforación en línea consiste en una serie de perforaciones a lo largo de una línea misma de excavación vacíos y cargados a corta distancia formando así un plano de debilidad que la voladura puede romper con facilidad. Las voladuras controladas difieren del principio de perforación en línea, esencialmente, en que algunos o todos los barrenos se disparan con cargas explosivas relativamente pequeñas y debidamente distribuidas. La detonación de estas pequeñas cargas tiende a fracturar la roca entre los barrenos y permite mayores espaciamientos que en el caso de la perforación en línea. Por lo tanto, los costos de perforación se reducen y en muchos casos se logra un mejor control del exceso de rompimiento. 1.1 PERFORACION EN LINEA La perforación en línea involucra una sola hilera de barrenos de diámetro pequeño, poco espaciados, a lo largo de la línea misma de excavación. Esto provoca un plano de menor resistencia que la voladura primaria pueda romper con mayor facilidad. También origina que parte de las ondas de choque creadas por la voladura sean reflejadas, lo que reduce la fracturación y las tensiones en la pared terminada. Las perforaciones en línea generalmente son de 11/2” a 2” de diámetro y se separan de 2 a 4 veces su diámetro a lo largo de la línea de excavación. 1.2 VOLADURAS DE CONTORNO En la construcción civil, es importante que la superficie restante después de la voladura sea de buena calidad. Para producir contornos de roca estables y parejos se usan métodos como la voladura de recorte y voladura de precorte 1.2.1 VOLADURA DE RECORTE Las voladuras de recorte sirven para recortar, lajear o desbastar. Al igual que la perforación en línea, la voladura recorte implica una sola fila de barrenos a lo largo de la línea del proyecto de excavación. En túneles la carga de las voladuras de recorte debe de ser pequeña, bien distribuidas, perfectamente retacadas y se harán explotar después de que la excavación principal ha sido despejada asignando a los barrenos de contorno el número mas alto de la serie del detonador. En voladura de bancos al ser volada la pata, el taco amortigua la vibración dirigida hacia la pared Difundido por: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia (51 – 1) 421 - 7896 / www.construccion.org.pe / [email protected] 2 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú terminada, reduciendo así al mínimo la fractura y las tensiones en esta pared. Disparando los barrenos de recorte a un pequeño intervalo, la detonación tiende a cortar la roca entre ellos dejando una superficie uniforme y con un mínimo de sobre excavación. 1.2.1 VOLADURA DE PRECORTE El Prefracturado, también llamado Precorte tiene la función de aislar el área de voladura del resto de la formación de rocas creando una partidura artificial a lo largo del plano de excavación teórico. Esto se logra perforando una hilera única de barrenos relativamente de poca separación a lo, largo del perímetro de la voladura. Los barrenos de precorte se disparan antes que el resto de la serie de disparos. Se puede realizar en conexión del disparo de la serie de tiros, luego usando el número mas bajo del periodo de la serie del detonador. También se puede realizar antes de la perforación de la serie de tiros principales. En la teoría del prepartido cuando las ondas de choque de las cargas de detonación simultanea en una hilera de barrenos de poca separación, el esfuerzo de tensión ocurre en la roca formando una grieta. Por dicha razón, es importante que todos los barrenos se disparen simultáneamente o lo más cercano posible. 1.3 FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA VOLADURA 1.3.1 TIPO DE ROCA Para la excavación de rocas en obras civiles se clasifica en tres tipos: Roca Tipo I .- Es la roca mas dura y sana con estructura uniforme, excavación en una sola fase, sin sostenimiento posterior. Roca Tipo II.- Este tipo de roca presenta fracturamiento o planos de debilidad, la excavación se realiza en una sola fase y con sostenimiento donde se requiera. Roca Tipo III.- Roca de mala calidad con planos de falla en varias direcciones, la excavación se realiza en varias fases y con sostenimiento sistemático en la bóveda. 1.3.2 EXPLOSIVOS La elección del explosivo adecuado para una operación esta basada en las características de la operación misma y de las características de la roca a volar, para dicha solución se tomara en cuenta las propiedades de los explosivos. Par el caso de excavación en rocas el explosivo que más se utiliza es la dinamita que de acuerdo a su consistencia se clasifican en dinamita gelatinosa, semigelatinosa y pulverulenta. La dinamita gelatinosa, tiene plasticidad, buena resistencia al agua y una adecuada dureza que Difundido por: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia (51 – 1) 421 - 7896 / www.construccion.org.pe / [email protected] 3 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú posibilita el relleno de la carga en los taladros (retaqueado) y aumenta la eficiencia de la explosión; asi mismo; tiene alta velocidad de detonación y alta densidad, por consiguiente mayor fuerza de explosión en comparación con otra clase de dinamita. La dinamita semigelatinosa y pulverulenta tiene menos resistencia al agua y solo se utilizan en frentes sin presencia de agua o corto plazo de explosión. 1.3.3 CARGA EXPLOSIVA Es necesario emplear explosivos especiales para voladura suave, estos se obtienen en cartuchos con diámetro entre 16 y 20 mm, los que se conecta a los acopladores. Como el diámetro del cartucho es relativamente pequeño, la masa explosiva tiene una composición adecuada para evitar la interrupción de la detonación. La concentración de carga aceptable para un buen recorte de periferie varia entre 0.25 a 0.70 kg/m en función del diámetro de taladro. 1.3.4 EXPLOSIVO DE CONTORNO Los explosivos de contorno también se presentan en tubos especiales semirìgidos de dimensiones establecidas, acoplables entre sí para formar una columna explosiva de acuerdo a la longitud del taladro. Adicionalmente llevan dispositivos especiales que sirven para centrar la columna y crea un anillo de aire a lo largo del taladro cuya función principal es la de amortiguar los efectos de la dinamita, evitando las sobre excavaciones. 1.4 ACCESORIOS DE VOLADURA 1.4.1 Mecha de Seguridad Es una mecha que contiene pólvora negra en su núcleo y esta forrada con tejido de hilo, papel de aluminio, plástico, etc. Este forro tiene resistencia al agua y por eso, una vez encendida sigue su recorrido aun en caso de sumergirse en el agua. El corte de la mecha para conectarla con fulminantes debe ser vertical sobre su eje y nunca transversal, porque en este tipo de corte los fulminantes no llegan a iniciarse, la chispa de mecha no activa los explosivos iniciadores de fulminantes. 1.4.2 Fulminante o Detonadores Para detonar la dinamita en forma segura y precisa es necesario utilizar fulminantes o detonadores. Estos accesorios consisten en cápsulas de aluminio cilíndricas cerradas en un extremo en cuyo interior lleva una determinada cantidad de explosivo primario muy sensible a la chispa de la meca de seguridad. 1.4.3 Cordón Detonante Pentacord Difundido por: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia (51 – 1) 421 - 7896 / www.construccion.org.pe / [email protected] 4 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú La estructura es muy similar a la de la meca de seguridad con excepción de los explosivos de su núcleo, en este caso se utiliza exógeno, pentrita, etc. La velocidad de detonación es de aproximadamente 6000 m/s. La pentrita llega a iniciarse aunque contenga pequeñas cantidades de agua, por eso se puede considerar, que la mecha detonante tiene resistencia al agua en circunstancias normales. Para la conexión de la mecha detonante tiene que considerarse algunas condiciones básicas para evitar el no encendido o corte. 1.4.4 Fulminante de Retardo FANEL Es un sistema de iniciación para usos convencionales en voladuras ofrece una sincronización sin peligro y permite mejorar la maniobrabilidad en las operaciones de conjunto eliminando toda posibilidad de conexión errónea. Esta compuesto por la una manguera fanel que esta compuesta por una sustancia explosiva uniforme que activada inicia al detonador a través del elemento de retardo. El fulminante de retardo contiene un elemento retardador que permite detonarlo en diferentes intervalos de tiempo. La etiqueta indica él numero de serie y el tiempo de retardo de cada periodo. El conector simple que es un bloque de plástico para facilitar la conexión y el contacto apropiado entre el fanel y el cordón detonante. Existen dos series de faneles, la roja de periodo corto con intervalos de 25 milisegundos entre números consecutivos y la serie blanca de periodo largo con medio segundo entre números consecutivos. 1.4.5 Distribución de Carga Con la cantidad de carga que se usara en la voladura, él numera de taladros y espaciamientos pueden distribuir la carga de acuerdo a porcentajes usados en campo. A continuacion se muestra algunos factores usados en campo que pueden ser mejorados de acuerdo al tipo de roca encontrado y a las características encontradas en campo. Q = Carga por taladro (Obtener de la cantidad de explosivo entre numero de taladros) Arranque (1.5 x Q), Ayudas (1.0 x Q), Ensanches (0.8 x Q), Arrastres (1.1 x Q), Contorno (0.7 x Q 1.5 ENCENDIDO La dispersión del tiempo de encendido en la hilera de taladros periféricos debe ser instantánea, esto se garantiza con el empleo de detonadores de un mismo numero de secuencia unidos por un cordón detonante. Los esquemas de encendido para cualquier tipo de voladura se diseñan con el objeto de ir creando una superficie libre, alcanzar la sección de excavación, obteniendo la fragmentación necesaria y una disposición conveniente de la roca arrancada, al mismo tiempo que la superficie de la roca remanente que de con el menor daño posible y tan próxima al contorno teórico proyectado. Con la ayuda del Fanel nosotros podemos diseñar la secuencia de salida de los disparos, los disparos se iniciaran siguiendo el orden del numero de serie del fanel de periodo corto o largo. Los Difundido por: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia (51 – 1) 421 - 7896 / www.construccion.org.pe / [email protected] 5 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú que inician son los taladros de arranque y luego los de ayuda, ensanche, arrastre y finalmente los de contorno. La secuencia se realiza en milésimas de segundo por lo que la explosión es una sola. En la figura No 01 mostramos un ejemplo de diagrama de perforación. 2.0 PARÁMETROS PARA EL DISEÑO DE VOLADURAS El diagrama de perforación depende de ciertos parámetros siendo los más importantes el diámetro del barreno de voladura, el factor de carga, espaciamientos, numero de taladros, etc. El diseño de voladuras no es rígido esta basado en factores y formulas empíricas que se van mejorando por la experiencia o los tipos de material que se encuentran. En la practica las pruebas previas antes de empezar los trabajos programados nos darán una idea de los diagramas que estamos usando, del tipo de roca, de la disposición de carga, etc. y podremos al final sistematizar nuestros trabajos y sacar los resultados esperados. 2.1 Numero de Taladros para una Sección de Túnel Son propuestas practicas para determinar él numero de taladros. Para Túneles de Sección Mayores a 10 m2 NT = 10 x V (A) + 10 NT = Numero de Taladros A = Área de la sección del Túnel. Para Túneles de Sección Menores a 10 m2 NT = P/E + K x S NT = P = E = K = S = Numero de taladros Perímetro de la sección ( m ) Espaciamiento entre taladros (m) Factor de Roca Área de la sección Tipo de Roca K I 2.0 II 1.5 III 1.0 2.2 Cantidad de Explosivo por m3 en Túnel de Sección Pequeña ( kg/m3) Tipo de Roca I II III Sección 1 a 5 m2 3.0 – 2.5 2.2 – 1.8 1.5 – 1.0 Sección 5 a 10 m2 2.5 – 2.0 1.8 – 1.4 1.0 – 0.8 2.3. Distancia entre taladros ( Voladuras de contorno ) Diámetro del Taladro (mm) 30 34 37 44 Espaciamiento (e) entre taladros (m) 0.5 0.6 0.8 0.9 Línea de Resistencia (v) en metros (m) 0.7 0.9 1.1 1.3 Difundido por: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia (51 – 1) 421 - 7896 / www.construccion.org.pe / [email protected] 6 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú Se debe conservar el siguiente estándar ( e/v = ò < 0.8 ) 2.4 Espaciamiento y Carga explosiva en Tajo Abierto Voladura de Recorte Diámetro Barreno ( pulg. ) Espaciamiento (m) Línea de resistencia (m) Carga Explosiva en Kg/m 1 – 1 ¾” 0.6 0.9 0.1 – 0.30 2 – 2 ½” 0.9 1.2 0.12 – 0.40 3 – 3 ½” 1.2 1.5 0.20 – 0.75 4 – 4 ½” 1.5 1.8 0.40 – 1.00 5 – 5 ½” 1.8 2.0 1.00 – 1.50 6 – 6 ½” 2.0 2.5 1.50 – 2.20 Depende de la naturaleza de la roca y el cartucho deben de ser menor que el diámetro del taladro. 2.5 Espaciamiento y Carga Explosiva en Túneles Voladura Recorte Diámetro Barreno Espaciamiento Línea de resistencia Carga Explosiva ( pulg. ) (m) (m) en Kg/m 1 – 1 ¾” 0.6 0.9 0.20 – 0.40 2“ 0.9 1.2 0.20 – 0.40 Depende de la naturaleza de la roca y el cartucho deben de ser menor que el diámetro del taladro. 2.6 Cantidad de Explosivos en una Sección de Túnel Esta dado por la relación: CC1 = 10,442 x Area ( -0,5147 ) CC2 = 10,209 x Area ( - 0,527 ) Longitud de Perforación Diámetro de Perforación Arranque Cantidad de Carga CC1 Cantidad de Carga CC2 = 2,40 m = 34 mm = Paralelo = Mal efecto detona torio = Buen efecto detonatorio 3.0 EXPERIENCIAS DE DEMOLICIÓN Dentro de este tema queremos mencionar algunas experiencias en lo que es demolición parcial o corte de rocas de gran tamaño que algunas veces son impedimentos en las obras que se proyectan, las demoliciones de obras concreto armado que fallaron y que en su lugar tenemos que fundar otra o como también la demolición de edificios pequeños con explosivos convencionales, son trabajos que se le presentan al Ingeniero Civil y que por algún método conocido debe librarse del problema para seguir con su programa de trabajo. ¾ Voladura de Rocas de gran tamaño Generalmente en la apertura de carreteras o canales es donde uno encuentra con obstáculos para seguir con el trazo y la construcción de la obra proyectada. En carreteras o canteras se nos presenta rocas fracturadas y necesitamos removerlas usamos Difundido por: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia (51 – 1) 421 - 7896 / www.construccion.org.pe / [email protected] 7 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú generalmente la plasta o explosivo preparado con pólvora negra, nitrato de amonio o dinamita que es colocado en las grietas de la roca para que el efecto de la explosión aumente el fracturamiento y poder mover todo un volumen de roca cuando encontramos macizos rocosos sin agrietamiento estamos casi obligados a usar perforadoras para volar parte del macizo que nos permita avanzar. Existen muchas formulas o relaciones empíricas que nos pueden ayudar a empezar con las voladuras hasta lograr optimizar las distancias entre taladros, volúmenes de remoción y el consumo mínimo de explosivos. Presentamos las siguientes relaciones que nos ayudara en las voladuras de rocas en función a la Figura No 02 D = 40 x diámetro del barreno = mm ( Distancia al borde libre o línea de resistencia) d = 1.20 x D = m ( Distancia entre barrenos ) a = 0.3 x D = m ( Sobre Excavación ) & = Angulo recomendado de perforación 70ª h = Altura de banco H = 1.05 x ( K+ a ) ( altura efectiva de perforación ) La cantidad de carga que podemos utilizar esta entre ( 0.3 - 0.5 ) Kg/m3, solamente calculando el volumen que pretendemos volar podremos distribuir nuestra carga en los taladros y usando el fanel del mismo numero de serie y pentacord tendremos un solo disparo para la remoción de la roca. La mayoría de las veces se vuela la roca por etapas dependiendo si queremos destrozar o fragmentar. Lo que se practica para volar una roca y dejar una superficie aceptable es la perforación en línea cargando intercaladamente los taladros formando un plano de falla débil por donde se fracture la roca, también es necesario observar la formación de la roca y atacar por el plano más débil y facilitar la fragmentación. ¾ Demolición de edificios Se tuvo una experiencia de demolición de dos edificios de tres pisos construidos en un Área de 240 m2 de material concreto armado. Entre las particularidades que se tuvo es adyacentemente se estaba construyendo una loza tapón de un pique y una torre que estaba en la etapa vaciado de primera fase y armado de acero por la cual se separó el bloque con un corte transversal para evitar que parte de la estructura antigua monolítica golpee la estructura nueva. Para efectos de carguìo y calculo del factor se realizaron pruebas con columnas similares afinado el factor de carga para destrozar la columna y para fracturar la columna y pueda fallar el edificio. Lo que se definió fue destrozar las columnas para que las lozas de techos caigan paralelamente y se pueda hacer un relleno en la zona por razones de seguridad. La metodología de disparo fue la siguiente: Primero.- La demolición no debía afectar la construcción nueva por lo el vuelco y los disparos Difundido por: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia (51 – 1) 421 - 7896 / www.construccion.org.pe / [email protected] 8 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú fueron dirigidos hacia otro sentido. Se colocaron las cargas en los extremos de la columna y en la parte central como ayuda, como retaqueado se coloco una mezcla de cemento y yeso. El factor de carga utilizado fue entre 0.70 a 0.76 Kg/m3. Segundo.- Se trabajo con faneles de color rojo con numero de series 01, 03, 05, 09, conectadas al pentacord y luego a una mecha de seguridad. Tercero.- Los disparos iniciales se dieron en el primer piso en la columna mas alejada a la estructura nueva y luego las del contorno de esta columna y finalmente las columnas pegadas a la estructura nueva. La disposición de carga se puede apreciar en la figura No 03 y las fotografías antes y después de la detonación. El edificio era de concreto armado, tres niveles, área de 120 m2 c/u, altura de columna 2.50 m, sección 0.40 x 0.50 m, 12 columnas por piso, losa llena en techo, vigas de 0.40 x 0.40 m. Una de las particularidades de la voladura del edificio fue el de tener un solo frente que cuidar de la explosión y del derrumbamiento por lo que las columnas no fueron protegidas, simplemente fueron dirigidas para que la patada del disparo se vaya a la dirección determinada. En casos de que existan edificaciones laterales el principio es cubrir las columnas con mallas o geotextiles resistentes para que las esquirlas de la explosión no afecten a las construcciones aledañas. 4.0 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los explosivos son una fuente de energía que con el ingenio del hombre puede permitir aprovecharlos de diferentes maneras para su propio beneficio. En excavaciones en roca los explosivos es el medio más económico para realizar trabajos con rapidez. Para el éxito de la voladura es necesario seleccionar correctamente el explosivo y los factores que influyen en la voladura Antes de usar un explosivo se debe hacer pruebas por que pueden estar afectados por factores externos La base teórica para él calculo de la carga en el diseño de voladuras se fundamenta en valores empíricos proporcionados por las pruebas de campo y los resultados. En cada disparo se debe analizar el tamaño de las rocas obtenidas, las proyecciones, etc. a fin de mejorar en cada disparo. Existen varias técnicas de voladura controlada, todas ellas tienen la finalidad de reducir el rompimiento y fracturacion de la roca residual o sea atrás de la línea de proyecto establecidas. Cuando no existen parámetros de algunos materiales se deben de hacer pruebas hasta optimizar Difundido por: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia (51 – 1) 421 - 7896 / www.construccion.org.pe / [email protected] 9 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú el ciclo de voladura. De las experiencias expuestas esperamos que se sigan haciendo pruebas a fin de tener parámetros más seguros sobre todo en lo que se refiere a demoliciones de concreto armado que muy poco conocemos Difundido por: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia (51 – 1) 421 - 7896 / www.construccion.org.pe / [email protected] 10
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