Por: G. Von Rickenbach, R. Brändle, y Luis-Fonseca, Geobrugg AG; G. Fischer, Geobrugg Chile, y R. Romero, Geobrugg Perú.

Presentado en el 8° Simposio Peruano de Geoingeniería.

Resumen

En entornos de minas y túneles, el riesgo derivado del daño al macizo rocoso circundante en excavaciones subterráneas es significativo. La dilatación de la roca provoca deformación, demandando anticipación para prevenir daños a los equipos y salvaguardar a los trabajadores. En zonas mineras con actividad sísmica, los desprendimientos de rocas se consideran un riesgo principal en operaciones subterráneas profundas.

Aunque se pueden reducir los riesgos de desprendimientos mediante secuencias específicas de excavación, protocolos de reingreso o áreas de restricción, aún existen escenarios en los que desprendimientos inesperados y significativos pueden ocurrir. En estos casos, el soporte se convierte en una última medida de mitigación para preservar la seguridad y minimizar las pérdidas en la producción. 

En función de estos contextos, la implementación de un sólido apoyo geotécnico respaldado por una membrana de alta potencia desempeña un papel crucial. Esto se debe a su capacidad para confinar la roca fracturada o expulsada, ofreciendo al mismo tiempo un entorno laboral seguro para las operaciones subterráneas en curso.

Aunque se han logrado avances notables en el fortalecimiento de las mallas, alcanzando una disipación de energía superior a 26 kJ/m², aún se requiere más investigación sobre el mecanismo de solapamiento y la distribución de carga entre los elementos adyacentes de la malla, tema que es tratado en este trabajo, mostrando los resultados de la investigación realizada por Geobrugg en la mejora de los elementos de contención basada, en este caso, en la experimentación de la resistencia dinámica de mallas en la zona del traslape.

Palabras clave: Estallido de Roca, Fortificación Dinámica, Ensayos, Traslape.

Introducción

Las operaciones de minería y excavación están expandiéndose a mayores profundidades, enfrentando altas tensiones, lo que está directamente relacionado con las demandas resultantes de las cargas, especialmente en relación con las mallas, cruciales para la integridad del sistema de soporte. En este contexto, la interacción de la malla se vuelve más crítica en el área de solapamiento, donde la unión de paneles adyacentes debe ser sólida para funcionar como un sistema continuo. A pesar de su importancia, falta evidencia que aborde el comportamiento mecánico de esta zona de superposición y gran parte del diseño se basa en investigaciones desactualizadas. Este estudio se enfoca en la relevancia de los traslapes de las mallas en términos de capacidad de soporte y eficiencia económica de las excavaciones subterráneas

La estabilización de terrenos en cavidades subterráneas

Función del soporte superficial

La superficie de la excavación interactúa con los elementos de refuerzo con el propósito de formar un sistema integrado de soporte superficial (Potvin & Hadjigeorgiou, 2020). En este contexto, este revestimiento une los elementos de refuerzo para contrarrestar la deformación en la superficie y prevenir el desprendimiento o expulsión de bloques. Aunque el propósito original del revestimiento consistía en mantener fragmentos de roca suelta entre los pernos, en situaciones donde las condiciones geológicas son desafiantes y se caracterizan por altas tensiones, su función primordial es asegurar la estabilidad mediante la regulación de las deformaciones en las proximidades de los anclajes. 

En tales contextos, la malla y los elementos de refuerzo deben colaborar en conjunto para establecer un sistema con la capacidad de gestionar estas deformaciones (Figura 1). En definitiva, el propósito fundamental de la malla radica en reaccionar ante el importante desplazamiento hacia el interior del macizo rocoso circundante a una excavación y en transferir la carga al sistema de anclajes (Villaescusa et al., 2013).

Mallas electrosoldadas y romboidales

Las mallas más comunes empleadas como componente integral de los sistemas de soporte en entornos mineros son las de alambre electrosoldado y la malla de alambre tejida en forma de rombos (Figura 2). La electrosoldada se compone de alambres metálicos entrelazados ortogonalmente. En ciertas minas, esta variedad ha sido la preferida debido a su sencilla manipulación y manejo práctico (Potvin & Hadjigeorgiou, 2020).

Por otro lado, la malla romboidal de alta resistencia se caracteriza por su diseño de alambres entrelazados en forma de rombos, lo cual le confiere una mayor capacidad de adaptación a las deformaciones. A lo largo de numerosos años, la instalación de este tipo de malla ha presentado desafíos, en gran parte debido a su naturaleza flexible. Sin embargo, los procedimientos de instalación mecánica han experimentado notables mejoras gracias al desarrollo del equipo Mesha, un carrete manipulador que facilita la expansión automatizada de la malla en combinación con la aplicación de pernos de anclaje. Este equipo puede ser integrado en máquinas empernadoras de dos brazos o jumbos, permitiendo que la malla sea desenrollada a partir de uno de los brazos, mientras que la fijación con pernos en las paredes y el techo se lleva a cabo con el otro brazo (Coates 2009, Potvin y Hadjigeorgiou 2020). A pesar de que la malla electrosoldada ha experimentado cambios en la disposición de los alambres, incluyendo la incorporación de cordones de alambre en el sistema, como es el caso de la malla de absorción de alta energía (HEA) o la adición de dos o más correas de alambre adicionales en los extremos (Louchnikov et al., 2014), la malla romboidal ha experimentado mejoras notables en el material con el que se fabrican los alambres. Esto ha llevado a lograr una alta resistencia a la tracción y al punzonado, manteniendo un peso muy reducido, lo que a su vez optimiza el proceso de instalación.

Eriksson 2020, proporciona una descripción detallada de una serie de pruebas de carga realizadas en mallas electrosoldadas, llegando a la conclusión de que la capacidad de carga de esta malla está en su mayoría directamente proporcional a la capacidad de tracción del alambre, pero, sobre todo, está influenciada por la resistencia de los puntos de unión, es decir, las soldaduras.

Se llegó a la conclusión de que la capacidad de carga oscila entre 15 y 45 kN en un rango de desplazamiento de 100 a 250 mm. Un estudio realizado en la Escuela de Minas de Australia Occidental (WASM) por Morton (2007) se enfocó en los resultados de carga-deformación de la malla en diferentes configuraciones de restricción (fija o atada en los extremos) y en los resultados de desplazamiento de carga para mallas romboidales y electrosoldadas. Se observa que la capacidad de carga de la malla romboidal es significativamente mayor.

Ensayos en condiciones reales del traslape entre mallas

Malla electrosoldada de acero estándar 100 x 100 x 5.6 mm

Dado que las áreas de traslape pueden constituir zonas críticas en el marco del sistema de soporte del terreno, especialmente cuando se enfrenta a situaciones de desprendimiento de rocas, resulta fundamental comprender su comportamiento y la repercusión que tienen en el desempeño global. Con el fin de abordar esta cuestión, se han llevado a cabo dos tipos de pruebas en el campo, a escala natural, junto con diversas pruebas de laboratorio, como parte de los esfuerzos de investigación.

El 28 de febrero de 2020, se realizó un ensayo a escala 1:1 en el campo de pruebas de Walenstadt (Suiza), con el objetivo de evaluar el impacto sobre una representación simulada del sistema de soporte del terreno. El sistema de soporte consistió en una losa de hormigón de 100 mm de espesor reforzada con fibras estructurales sintéticas, junto con una malla de alambre electrosoldado de 5,6 mm de diámetro, que poseía una resistencia mínima a la tracción de 500 MPa y una abertura de 100 mm en ambas direcciones. La disposición consistió en la instalación de la malla en el exterior del hormigón, donde dos paneles de malla se solaparon en el centro, dejando tres aberturas. Este conjunto se sostuvo mediante nueve pernos del tipo Posimix, que fueron inyectados con resina dentro de tubos de acero. Dentro de esta configuración, se colocaron tres de los pernos Posimix en la zona de superposición de la malla, brindando soporte a ambos paneles. El perno central atravesó el bloque de hormigón del ensayo, asegurando una guía precisa hacia la región de estudio y permitiendo un impacto directo en su zona de influencia (Figura 4).

El procedimiento de prueba implica soltar un bloque de 6,280 kg sobre la réplica simulada del sistema de soporte del terreno, desde alturas de 0.90 m (ensayo 1) y 1.00 m (ensayo 2), con el propósito de generar niveles de energía de impacto que oscilen entre 55 y 62 kJ. En el ensayo 1, el bloque quedó retenido por el soporte simulado, sin embargo, la malla de acero se fracturó y el perno central experimentó un fallo (Figuras 5 y 6).

En el segundo ensayo, el bloque no fue soportado por parte del sistema y logró penetrar tanto el conjunto de malla como la losa de hormigón.

Malla romboidal de gran resistencia Minax 80/4.6

El 13 de marzo de 2020, se llevó a cabo un segundo ensayo de campo a escala natural en Walenstadt (Suiza), en el cual se utilizó la misma losa de hormigón de 100 mm de grosor reforzada con fibras estructurales sintéticas. En esta ocasión, la malla electrosoldada fue sustituida por una malla romboidal de tipo Minax 80/4.6, que poseía una resistencia mínima a la tracción de 1,770 MPa y una abertura del círculo interior de 80 mm.

La malla Minax 80/4.6 se dispuso en el exterior del hormigón, donde dos hojas de malla se superpusieron en el centro, presentando tres aberturas coincidentes. Para sostener este conjunto, se emplearon nueve pernos Posimix, que fueron inyectados con resina dentro de tubos de acero. En el proceso de instalación, se dispusieron tres de los pernos Posimix en el traslape de la malla, brindando soporte a ambos paños. El perno central atravesó el bloque de hormigón del ensayo, asegurando un guiado preciso hacia la región de estudio y permitiendo un impacto directo en su zona de influencia (Figuras 8 y 9).

En los ensayos 1 y 2, se soltó el bloque de 6,280 kg sobre el sistema de soporte desde alturas de 0.94 m y 0.93 m, respectivamente, logrando energías de impacto de 58 y 57 kJ. En ambas situaciones, el bloque fue contenido con éxito. En el ensayo 2, se observó la rotura de algunos alambres de la malla romboidal, sin embargo, se logró mantener el control del bloque (Figuras 10 y 11).

Comparación de los resultados obtenidos en los ensayos de campo

Los dos ensayos previamente descritos permiten evaluar el comportamiento del sistema que emplea la malla Minax 80/4.6 en comparación con la malla electrosoldada (5.6 mm 100 x 100) ante un evento en una zona de traslape. En este sentido, se observa que la malla electrosoldada falló después del segundo impacto de alrededor de 60 kJ. Por otro lado, la malla Minax 80/4.6 pudo sostener la carga, además de absorber y distribuir la energía generada en el impacto (Figura 13).

Los datos del acelerómetro revelaron un pico de corta duración en la señal para la configuración de la malla electrosoldada durante el impacto del bloque (Figura 12). Esto puede ser explicado por la geometría de la malla de soldadura, donde los alambres transcurren en línea recta y en disposición ortogonal, fijándose entre sí en todos los cruces. Consecuentemente, la tensión en los alambres de la malla electrosoldada alcanza valores de rotura a la tracción con una deformación limitada. Mientras tanto, los alambres de la malla Minax adoptan una disposición en forma de diamante, lo que permite cierta capacidad de estiramiento incluso cuando el alambre de alta tensión carece de ductilidad. Gracias a la flexibilidad inherente a las espiras de esta malla de alta resistencia, la Minax logra amortiguar y disipar la energía generada en el impacto.

Pruebas de laboratorio efectuadas en mallas romboidales de gran resistencia

Es de vital importancia que el sistema de soporte asegure la eficaz operación de las mallas, facilitando la adecuada distribución de las fuerzas a lo largo del patrón de pernos. Indudablemente, una de las propiedades más cruciales de estas membranas radica en su resistencia a la tracción. Las mallas referidas están constituidas por un tejido homogéneo de espirales de alambres de acero de alta resistencia (superior a 1,770 MPa). En otras palabras, están elaboradas a partir de un único material en toda su superficie.

Para asegurar la adecuada transferencia de fuerzas de un paño a otro en ambos sentidos, se recurre a elementos de conexión como cables, grapas de enlace o incluso las propias espiras de la malla.

A continuación, se procede a realizar un análisis de los resultados obtenidos de ensayos de laboratorio sobre la resistencia a la tracción, siguiendo el procedimiento delineado en el anexo B de la norma EAD 230025-00-0106. Estas pruebas se efectuaron en mallas romboidales de alta resistencia con dos aperturas, en diversas condiciones de conexión. El objetivo es comprender la función que se presume cumple el traslape.

La afección del macizo rocoso que rodea las excavaciones subterráneas ha presentado un riesgo significativo en el contexto de minas y túneles

La malla romboidal enlazada opera con dos direcciones claramente definidas. La primera es la dirección longitudinal, que es perpendicular al eje del rollo de malla y coincide con el avance del túnel. La segunda es la dirección transversal, que es paralela tanto al eje del rollo como al avance de la excavación del túnel.

Análisis en la dirección longitudinal

El primer análisis se lleva a cabo en la dirección longitudinal, donde se determina la resistencia a la tracción z_l [kN/m]. Este ensayo se realiza en dos tipos de muestras:

ν Una malla continua o dos segmentos unidos mediante una sola espiral de malla romboidal.

ν Dos secciones de mallas conectadas mediante un cable de acero.

La Figura 14 y la Tabla 1 proporcionan un resumen de los datos y resultados obtenidos para las mallas Minax 65/4 y Minax 80/4 con dos tipos de conexiones estándar: mediante la costura de una espiral de la propia malla o utilizando un cable de acero.

En ambas representaciones gráficas (Figura 15), se pueden identificar dos grupos de resultados bien definidos. Los valores en la parte derecha, donde las deformaciones a la rotura son inferiores a 130 mm (65/4) y 140 mm (80/4), corresponden a las muestras conectadas utilizando un cable de 6 mm. Por otro lado, los valores de la malla conectada mediante una espiral alcanzan el punto de rotura con deformaciones en torno a 50 mm (65/4) y 55 mm (80/4), logrando un grado de deformación cercano al 3.1 – 3.9% (para el 80% de la carga de rotura), respectivamente.

Los valores máximos de resistencia media (284 kN/m y 218 kN/m) se logran conseguir cuando se utiliza una espiral de alambre de alta resistencia como medio de conexión. Cuando la conexión se realiza utilizando un cable, los valores de resistencia se mantienen en un rango del 91% al 94% (260 kN/m – 205 kN/m). Como conclusión, se establece que el uso de una espiral de alambre asegura la transmisión óptima de los esfuerzos y minimiza la deformación. Por otro lado, el cable, aunque resulta efectivo en la distribución de la carga, introduce una deformación indeseada.

Análisis en la dirección transversal

El segundo análisis se lleva a cabo en la dirección transversal, donde se considera la unión entre rollos de malla adyacentes en la dirección de avance, típicamente conocida como traslape. En el entorno de laboratorio, se determina la resistencia a la tracción directa z_q [kN/m]. El ensayo se realiza para dos tipos de muestras, como se describe en la Figura 16 y la Tabla 2:

ν Dos secciones de malla conectadas mediante clips tipo T3, utilizando dos clips por diamante (Figura 15 arriba).

ν Dos secciones de mallas unidas por una costura de cuerda de acero (Figura 15 abajo).

La Figura 17 presenta los resultados de las dos series de ensayos para la malla Minax 65/4, con las dos opciones de conexión: mediante clips T3 y a través de una costura de cable.

Como era de prever, la conexión con los clips T3 permite un mayor control de la deformación, logrando 290 mm en comparación con el valor alcanzado con la conexión por medio de un cable de 6 mm, que es de 330 mm, alrededor del 88% en relación con la conexión de clips. No obstante, los valores de resistencia a la tracción permanecen en un nivel similar en ambos casos, registrando 125 kN/m.

A partir de estos resultados, se puede concluir que, con ambos tipos de unión, se asegura la máxima transmisión de esfuerzos. Por lo tanto, el traslape tradicional carece de sentido.

Consecuencias financieras del traslape

Los procesos de perforación, voladura y las aplicaciones de TBM se vuelven cada vez más eficientes, lo que ha conducido a una reducción en los costos de construcción de túneles. En la Figura 18, el análisis realizado por S. Zare y A. Bruland sobre los costos de construcción de túneles en Noruega, entre los años 1975 y 2005, para túneles de 60 m² muestra una conclusión interesante. En dicho análisis, se encontró que los costos de excavación de túneles disminuyeron en un 36%, pasando de 2,582 euros/m en 1979 a 1,572 euros en 2005.

Estudios realizados (Benardos et al., 2013) han demostrado que la tendencia a la reducción de costos ha alcanzado una asíntota, y en los últimos años ha descendido muy ligeramente por debajo de los 1,000 euros.

Sin embargo, los costos enfrentan amenazas debido al aumento de la profundidad de los embalses y a la creciente dificultad para extraer minerales. Es por esta razón que la eficiencia está adquiriendo una importancia cada vez mayor como factor clave para la rentabilidad de los proyectos de túneles. Por consiguiente, los elementos individuales destinados al soporte del suelo, como los pernos, las placas y la malla, han captado la atención como resultado de esta situación.

Dado este contexto de evolución de los costos, llevar a cabo un análisis exhaustivo de la viabilidad técnica de los traslapes de malla, junto con un análisis de costos apropiado, resultará en una solución optimizada y en la disminución del consumo de malla.

Sin duda, la cantidad de malla empleada en la fortificación de los túneles es un factor que impacta en el costo total de la excavación. En consecuencia, tener una comprensión técnica clara de la cantidad de traslape necesaria para asegurar un adecuado soporte del terreno permite optimizar la utilización de la malla. Aunque el costo de la malla como componente del paramento es una parte relativamente pequeña, pero esencial en el costo total por metro lineal de túnel, se introduce una tasa de uso de malla con relación al ancho de rollo y al traslape. Esta medida busca garantizar los más altos estándares de seguridad en conjunto con la solución más rentable, sin descuidar la importancia del soporte del terreno para la seguridad de los trabajadores mineros.

En la Tabla 3, se realiza el cálculo de la tasa de utilización de la malla tomando como base el uso de malla romboidal en rollos de alta resistencia. Esta variante de distribución de carga contribuye a mejorar la rentabilidad al requerir menos traslape en comparación con los paneles de malla electrosoldada.

El índice se determina considerando tanto el ancho del rollo como el traslape previsto. Se emplea como punto de referencia el rollo más pequeño de 1 metro de ancho, aunque también se muestran anchos de rollo de hasta 4.5 metros para destacar la posibilidad evidente de incrementar la tasa de utilización con rollos de mayor amplitud. Los tamaños comunes de rollo, según la experiencia, suelen variar entre 2 y 3.5 metros.

Si comparamos la tasa de utilización de malla para un rollo de 2.5 metros de ancho con un traslape de 0 metros, donde la conexión se realiza mediante clips (Figura 19), y un rollo de 2.5 metros de ancho con un traslape de 0.5 metros, el ahorro obtenido al reducir el traslape será del 20%. Incluso si se lograra reducir el traslape de 0.5 metros a tan solo 0.1 metros, se podría aumentar la tasa de utilización de malla del 80% al 96%.

En resumen, cuanto más ancho sea el rollo de malla, menor será el ahorro real, debido a la superposición de mallas. Sin embargo, en general, los beneficios en términos de eficiencia podrían compensar el material adicional utilizado en el área de traslape.

Si se considera un avance de 3.8 metros durante el proceso de perforación y voladura, y en lugar de usar dos rollos de malla de 2.3 metros cada uno se opta por un solo rollo de 3.9 metros con un traslape de 10 cm, el ahorro de tiempo en el proceso de túnel podría compensar el costo adicional del traslape de mallas. Además, utilizar un rollo de 3.9 metros en lugar de dos rollos más cortos como 2.3 metros o incluso 2.0 metros podría eliminar la necesidad de traslape, lo que resultaría en un avance más seguro del túnel.

La optimización en un túnel de 1,000 metros de longitud con una sección transversal de 60 m² podría resumirse de la siguiente manera, tal como se describe en la Tabla 4.

En un túnel con una sección transversal de 60 m² y suficiente espacio para maniobrar los rollos, aumentar el ancho del rollo de 2.0 m a 4.5 m, llevaría a una reducción del traslape de 500 a 222, lo que resultaría en un aumento significativo de la seguridad. Si además se puede reducir el traslape de 0.5 m a 0.1 m, se lograría un ahorro total de malla de 4,924 m². En un escenario ideal, la reducción del traslape sería de 0.0 m y la conexión se realizaría mediante clips. Sin embargo, debido a la sobre excavación en el proceso de perforación y voladura, esta situación puede no ser factible en la práctica.

Conclusiones

1. El traslape de mallas ha sido señalado por varios autores en diferentes minas como uno de los puntos críticos en el sistema de soporte superficial del terreno. La falta de ensayos previos sobre la transmisión de cargas en la zona de traslape ha generado incertidumbre en cuanto al comportamiento de esta interfaz. Los ensayos realizados en Walenstadt no mostraron una disminución significativa en el soporte ni en la transmisión de cargas en la malla Minax 80/4.6 cuando se aplicó carga sobre un área con traslape. 

2. Por otra parte, del ensayo con malla electrosoldada se obtuvo como resultado una disminución en la capacidad de soporte en la zona de traslape. Esto se debe a que las soldaduras alrededor del área de traslape fallan y el traslape se abre. Para comprender mejor cuánto se reduce la capacidad en el área de traslape, se requerirían más ensayos. 

3. La investigación indica que el uso de clips para unir paños de malla contiguos resulta altamente eficiente en términos de resistencia y economía en los proyectos. Los ensayos de laboratorio llevados a cabo por Geobrugg han demostrado que, en el sentido longitudinal, la mejor opción para la conexión es el uso de una espiral fabricada con el mismo alambre de alta resistencia y el mismo paso que la malla. Los cables de conexión son adecuados para transmitir cargas, pero no son ideales desde una perspectiva deformacional.

4. Ahora bien, en el sentido de avance (transversal), se ha determinado que el uso de grapas de unión tipo T3 es la mejor solución. Estas garantizan la transmisión de cargas sin afectar la deformación. Además, los resultados de la investigación indican que la distancia de traslape en este tipo de membranas de alta resistencia se considera despreciable.

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