1 TEMA: ASPECTOS IMPORTANTES DE

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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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