Condicionantes geotécnicos en cavernas emplazadas en macizos rocosos

PRIMERA PARTE

*Por el Ing. Ricardo J. Rocca, profesor titular plenario de la Universidad Nacional de Córdoba, Argentina.

RESUMEN

Las cavernas emplazadas en macizos rocosos abarcan una gran variedad de tipologías donde se combinan factores de tamaños, formas, y profundidades dentro de una gran combinación de ambientes geológicos.
En la naturaleza pueden alcanzar dimensiones significativas producto de la acción erosiva sobre todo en rocas sedimentarias, especialmente carbonáticas.
La actividad humana ha requerido emplazar cavernas con fines de explotación minera, almacenamiento de combustible, energía y distintas infraestructuras de uso militar y civil. Entre ellos se destacan las relacionadas con plantas de tratamientos, depósitos y fábricas, transporte, recreación y refugios y centrales hidroeléctricas.
También se han emplazado laboratorios científicos profundos solicitados por distintos campos de las ciencias como la física, la biología, la geofísica, la astrofísica y la ingeniería.

1-Rocas e ingeniería de rocas
1.1. Elementos significativos de los macizos rocosos

Los macizos rocosos que se observan en los primeros kilómetros de la corteza terrestre están constituidos por rocas (intactas) a la que se le superpone toda su evolución histórica de miles a millones de años, desde que se formaron. A consecuencia de este último proceso, en la mayoría de los casos, los macizos rocosos son menos competentes geomecánicamente que las rocas que los forman.
Las rocas son un conjunto de uno o más minerales que han sido generados por combinaciones de elementos químicos. La clasificación genética de las rocas señala la existencia de tres grandes grupos, las sedimentarias, metamórficas e ígneas que forman el ciclo litológico.
Desde el punto de vista ingenieril, son válidos los conceptos de división que ha planteado Goodman (1989). Se refiere esencialmente, a los distintos comportamientos que presentan, independientemente de su génesis. En ella se incluyen rocas de:

I. Textura Cristalina
II. Textura Clástica
III. Granulares muy finas
IV. Orgánicas

Cuando se presentan en los macizos, las rocas tienen distintos grados de meteorización, física y química. A esto se suma el fracturamiento debido a la acción tectónica.
Adicionalmente a estas combinaciones hay que agregarle la presencia del agua y los estados tensionales en el interior de los macizos producto de su historia tectónica. Muchas rocas tienen capacidad de almacenamiento de tensiones.
El estudio de la geomecánica de los macizos rocosos corresponde a la mecánica de rocas. El ámbito de la ingeniería de rocas es un campo un poco más amplio el de la mecánica de rocas.

2-Cavernas en macizos rocosos
2.1. Cavernas. Tipos y fines

Las cavernas son cavidades profundas o espacios subterráneos de gran tamaño, con limitaciones geométricas en planta.
Sus características son muy variadas, según sean originadas por fenómenos de erosión de corrientes de agua, retracción de coladas volcánicas, etc. o excavadas antrópicamente por medios diversos. Una clasificación general, incluye:

Cavernas naturales
Minería
Energía
Petróleo
Gas
Nuclear
Infraestructura civil
Centrales hidráulicas
Instalaciones deportivas, transporte, defensa (militar)
Depósitos industriales, comerciales
Laboratorios profundos

Las cavernas excavadas en macizos rocosos tienen una distribución que está relacionada con las condiciones geológicas y actividades de los países.

2.2. Cavernas Naturales
En la naturaleza existen un gran número de cavernas de distintos tamaños que pueden ser analizadas técnicamente con criterios similares a los de las obras de ingeniería. (Hatzor et al 2010, Jorda-Bordehore et al 2016).
Las grandes cavernas tienen dimensiones muy superiores a las realizadas por el hombre. Uno de los grupos más significativos se encuentra en el Parque Nacional Gunung Mulu en Borneo (1994) donde existe uno de los mayores desarrollos karsticos en calizas del mundo (Waltham & Brook 1980).
Se destacan en Gunung Mulu, la caverna de mayor superficie libre (Cámara de Sarawak), la mayor dolina (Garden of Eden) y un túnel de grandes dimensiones (Deer Cave). Estos desarrollos están relacionados con la disolución interna de un anticlinal con dirección NE-SW que constituye una serranía, en los últimos dos millones de años.
La cámara de Sarawak (descubierta en 1980) es la caverna de mayor envergadura, con una luz máxima de 435 m. cubriendo unas 16 hectáreas (Figura 1). La cobertura rocosa superior está en el orden de los 420 m. Su piso está inclinado con un rango de altitudes entre los puntos acotados de 412 m.
La forma de la caverna ha sido relevada mediante scaneo laser en 2011. Su estabilidad está controlada por la combinación del anticlinal con un pliegue menor, lo que le da una forma de cúpula con doble curvatura (www.mulucaves.org).
Un poco más al sur, se encuentra el túnel, “Deer Cave” con secciones de gran tamaño. Este túnel es considerado un relicto más antiguo, de un sistema mayor que se continúa con la “Green Cave”. Entre ambos se encuentra la maxi-dolina “Garden of Eden”.
La “Deer Cave” a lo largo de un km. de longitud, tiene una sección mínima promedio de unos 90 m x 100 m (aproximadamente unos 9000 m2) con un máximo de 174 m de ancho y 122 m de alto. Es tan grande que la luz natural alcanza iluminar gran parte del recorrido. A partir de allí, se conecta con la dolina “Garden of Eden” que tiene una superficie de 1 km x 1 km, aproximadamente.
En su interior se puede observar el resultado de la disolución del núcleo del anticlinal generando un cilindro donde los estratos curvados tienden a formar un gran arco (Figura 2).
Se ha especulado sobre la antigua caverna que por colapso habría dado origen a la dolina “Garden of Eden” teniendo en cuenta la dimensión alcanzada por la “Deer Cave”. Se considera que antes del colapso, la caverna que unía la “Deer Cave” con la “Green Cave”, debió ser superior a la cámara de Sarawak con unas 53 hectáreas.
En este caso, se trataría de un arco simple desarrollado dentro del anticlinal que habría alcanzado entre 600 y 700 m de luz antes de colapsar. Sin dudas, sería el extremo máximo de la naturaleza ya que no se ha encontrado aún una dolina mayor al “Garden of Eden”.

2.3. Cavernas en minería

La actividad minera subterránea está altamente desarrollada. A modo de ejemplo, en la mina de Chuquicamata (Chile) actualmente a cielo abierto, se ha previsto la prosecución en forma subterránea y se han planteado unas 160 cavernas para la molienda primaria (Egaña et al 2017).

2.4. Cavernas relacionadas con energía

2.4.1. Depósitos de combustibles

Los principales países desarrollados han creado reservas de combustibles para cubrir demanda en caso de escenarios disruptivos, como fenómenos naturales, guerras, etc. Algunos de ellos se emplazan en macizos rocosos deformables, de tipo salino, mientras que también existen cavernas excavadas en rocas rígidas.

Depósitos en cavernas generadas por disolución.
Existen unas 1600 cavernas generadas por disolución en América del Norte y otro tanto en Europa. Una localización importante está en el Golfo de México (“Strategic Petroleum Reserve”). Es un conjunto de unas 60 cavernas abiertas por disolución, de unos 600 m de alto y 60 m de diámetro. La capacidad del depósito está en el orden de 1000 millones de barriles (Costa et al 2012).
Las cavernas en depósitos salinos tienden a ser cilíndricas, y se las genera mediante disolución. Entre los principales minerales evaporíticos se encuentran halita (NaCl), taquihidrita (CaCl2•2MgCl2•12H2O) y carnalita (KCl•MgCl2•6H2O). En general, se trata de evitar la presencia de capas de rocas como las lutitas y minerales no solubles como la anhidrita.
La principal característica de estos reservorios es la estanqueidad, debido a la baja porosidad de las rocas salinas. Adicionalmente, se le suma la auto-reparación debido al comportamiento viscoplástico lo que asegura alcanzar un equilibrio con la presión del gas sin dañar el esqueleto mineral (Wang et al, 2016). El desarrollo de estas cavernas por medio de disolución sigue procedimientos basados en inyecciones de agua y el bombeo de la salmuera resultante que se reemplaza por un gas (CH4) a alta presión.

Depósitos en cavernas excavadas
En los países con formaciones rocosas cristalinas, como en Escandinavia, predominan las cavernas excavadas en macizos rocosos. Uno de los principales requerimientos es la presencia de un adecuado campo tensional que contribuya al autosostenimiento o a la minimización del sostenimiento requerido (Grøv, 2012).
El almacenamiento hace uso de algunas características de los macizos rocosos, tales como su naturaleza impermeable, el confinamiento inducido y el autosostenimiento y la capacidad térmica.
Se puede seleccionar un sitio con baja permeabilidad al que se le suplementan medidas para reducir la fuga a través de discontinuidades, tales como el sellado por inyecciones o congelamiento. El control hidrodinámico se alcanza mediante presión de agua en la discontinuidades superiores a la del combustible (del orden de 0.2 MPa superior a la presión interna).
Cuando se almacena gas a alta presión y baja temperatura, el congelamiento periférico reduce la permeabilidad del macizo.
Existen sistemas para asegurar que no se produzcan fugas, por ej. a través de cortinas de agua (Figura 3) (Shimo et al 2014).
Otra alternativa son las LNR (Lined Rock Cavern), cavidades revestidas donde se almacena gas a alta presión (20 a 35 MPa). El revestimiento incluye una capa de acero, hormigón y sistema de drenaje (Jongpradist et al 2015). Esto permite colocarlas más superficialmente, desde 200 a 400 m. de profundidad. Estas cavernas requieren de macizos rocosos muy rígidos que colaboran en la baja deformación del sistema de revestimiento. Por eso se han desarrollado particularmente en Escandinavia en los últimos 30 años (Johanson 2003).

2.4.2. Cavernas relacionadas con energía nuclear
La energía nuclear ha sido empleada en armas ofensivas y en forma controlada para generar energía eléctrica, entre otras aplicaciones.
Es interesante analizar la estabilidad en ambos casos. Luego de la segunda guerra mundial, la energía nuclear tuvo un gran desarrollo.
El uso de bombas nucleares para fines pacíficos fue motivo de ideas que no prosperaron. Un caso destacado, fue la explosión nuclear subterránea pequeña para generar vapor turbinable que fue un rotundo fracaso (Gnomo Project). Sin embargo, se generó una caverna en el sitio que se mantuvo hasta el momento de su relevamiento, a los seis meses. Tenía un diámetro de unos 50 m y una altura de 22 m (Rawson et al 1961).
En el caso del uso pacífico de la energía nuclear, existen ideas que propician las ventajas de enterrar los reactores en cavernas, como las propuestas de Teller (USA) o Shakharov (URSS) (Duffaut & Vaskou 2014). De hecho, hay varios casos ya ejecutados y en algunos países como Japón, es una de las únicas soluciones aceptables luego del sismo de Tohuko de 2011 que afecto a la NPP de Fukushima (Varum et al 2014, Sakurai, com. pers.).
Por razones de simplicidad, los distintos esquemas tienden a colocar el reactor en profundidad y los generadores en superficie.
Otro tema vinculado, es la deposición de residuos en repositorios nucleares subterráneos. En la actualidad existen más de 440 reactores nucleares en más de 30 países (PRIS – Power Reactor Information System). El combustible ya usado debe ser almacenado a largo plazo en repositorios controlados geológicamente. De esa manera se asegura el aislamiento, la prevención de intrusiones, disrupción por causas meteorológicas o tectónicas (Mourao et al 2012).
Existe una docena de depósitos subterráneos, la mitad de los cuales están en operación comercial, mientras que otros están en construcción. Se encuentran emplazados en la Republica Checa, Hungria, Francia, Suiza, Suecia, Finlandia, Bélgica, USA, Canada, Rusia, China y Alemania.
Uno de los que está construcción es el de Finlandia, en Onkalo (Posiva 2011).
Si se propician centrales subterráneas y los repositorios también lo son, ya se han planteados ideas de combinar ambas en predios unidos por túneles, formando un parque nuclear (Duffaut & Vaskou 2014).

2.5. Cavernas para Infraestructura civil 
2.5.1. Cavernas para instalaciones de uso múltiple
El espacio subterráneo más amplio excavado por la ingeniería, es la Caverna Olímpica de Gjovik, situada al norte de Oslo. Aloja un complejo deportivo donde sobresale la cancha de hockey sobre hielo. Fue realizada en Noruega en la década de 1990 y tiene una luz máxima de 62 m., 30 m de alto y 95 m de longitud, un volumen de 140.000 m3 y una capacidad para 5800 espectadores (Figura 4) (Barton et al. 1994).
El macizo rocoso es un gneiss precámbrico, donde se ha desarrollado una red de microfracturas, muchas veces rellenas de calcita o epidoto. Esta masa rocosa resulta muy compacta, con un RQD de alrededor de 70. La rugosidad de las discontinuidades es marcada lo que es favorable para la estabilidad. El valor promedio de Q es de 12, con máximos de 30 y mínimos de 1.
Durante la etapa de proyecto, las mediciones de tensiones indicaron predominancias de tensiones horizontales en el rango de 3 a 5 MPa, mientras que la tensión vertical alcanzaba sólo a 1 MPa con 50 m de cobertura rocosa. Esto implica la presencia de importantes tensiones de origen tectónico.
Durante la excavación se midieron deformaciones del orden de 8 mm lo que estuvo dentro del orden de lo obtenido en modelaciones previas con un Emas = 51.5 Gpa.
Si bien la bóveda está esencialmente autosoportada, se colocaron anclajes de 6 m en patrones de 2.5 x 2.5 m, reforzados por cables de 12 m. de longitud cada 4 anclajes. Asimismo se añadió 10 cm de shotcrete.
Esta caverna es parte de un sistema que incluye una pileta de natación de 25 m e instalaciones de defensa civil porque puede ser transformada en refugio para la población en caso de guerra nuclear o química.

2.5.2. Cavernas para centrales hidroeléctricas

Una buena parte de las centrales hidroeléctricas están emplazadas en cavernas. Algunos complejos tienen dos o más cavernas.
Entre las condiciones que hacen posible este tipo de excavaciones se encuentran las propiedades geomecánicas de los macizos, el estado inicial de tensiones y las condiciones hidrogeológicas.
Como ejemplos de las cavernas en distintos tipos de macizos, se pueden tomar la Central Hidroeléctrica Río Grande de Córdoba, emplazado en un macizo rígido, gneiss migmatítico (Hammett et al 1981, Moretto et al 1993) y el complejo de Mingtan en Taiwán, emplazado en areniscas y limolitas, con Emas=4 GPa en promedio (Barton 1994, Hoek 2007).
La caverna de Río Grande tiene 27 m de ancho, 50 m de alto y 110 m de longitud, totalizando unos 100.000 m3 de excavación. Con la combinación de fracturas de la bóveda, se generaron las cuñas, que fueron sostenidas con anclajes y hormigón proyectado. La deformación de la bóveda fue de 1 mm aproximadamente, lo que se asemeja a la modelación numérica con Emas = 45 GPa.
En Argentina, hay proyectos por ejecutar que pueden tener central en caverna, como Los Blancos (río Tunuyán) o La Elena (río Carrenleufú). Otros proyectos como El Tambolar o El Baqueano, han desechado la idea.
Existen otros proyectos en La Brava (Sierra de Tandil), Potrero del Clavillo (Tucumán y Catamarca) y en el Cordón del Plata (Mendoza) con distinto grado de evolución.

2.5.3. Cavernas en transporte subterráneo y otras infraestructuras

El transporte subterráneo está en auge en todo el mundo, ya sea para uso carretero o ferroviario. Dentro de este último, existen cavernas para las estaciones de metros y para mantenimiento del parque rodante. En general, alcanzan secciones de unos 500 m2, muy superior a las de los túneles ferroviarios que están en el orden de los 100 m2.
En los países con rocas próximas a la superficie, como los escandinavos, se han desarrollado considerablemente (Wigg Sagen 2016).
También es posible la utilización de cavernas para depósitos, fábricas, plantas de tratamiento de efluentes y esparcimiento.

2.5.4. Laboratorios de investigación profundos

Existen numerosos proyectos de construcciones subterráneas a alta profundidad destinadas a laboratorios de investigación de distintas ciencias. La mayoría de los proyectos se encuentran en el hemisferio norte, salvo un par que se localizan en el hemisferio sur (Laughton 2012, Wang 2014).
Un ejemplo que fue luego superado, fue el concurso que organizó la NSF de USA. Se lo denominaba DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory. El concurso fue adjudicado a Homestake, una antigua mina de oro de South Dakota, USA, luego de ser desafectada de la producción.
En el caso del laboratorio astrofísico, la caverna no está dentro del rango geométrico de los emprendimientos ya construidos si se la compara con otras excavaciones a la misma profundidad. Esto constituye un desafío tecnológico significativo aunque alcanzable con el actual desarrollo de la ingeniería (Elsworth & Fairhust 2006, Laughton 2007) (Figura 5). La línea empírica sigue algunos puntos significativos como la Caverna Olímpica de Gjovik, el cilindro de SuperKamiokande en Japón y el Laboratorio SNO en Canadá. Esta línea es algo arbitraria porque no tiene en cuenta otros factores del macizo rocoso, como la rigidez del tipo de roca, la anisotropía, estado tectónico y el fracturamiento.
En Europa, se ha previsto la construcción de laboratorios adyacente al túnel de Frejus y en Finlandia (LAGUNA-LBO, 2014). Esencialmente se trata de dos cavernas cilíndricas de 65 m de diámetro y 128 m de altura que alojan tanques con un volumen conjunto de 960.000 m3, emplazados en esquistos calcáreos. La cobertura rocosa es aproximadamente 1700 m.
En Japón, existen ya cavernas en las proximidades de la mina de Kamioka como el Kamiokande y gran tanque SuperKamiokande. Este tiene 40 m de diámetro a 1000 m de profundidad en rocas cristalinas, y es la referencia de los observatorios de neutrinos basados en la medición de la radiación de Cherencov. No obstante ello, se ha planeado la ejecución de laboratorios con un incremento volumétrico de 20 veces (HyperKamiokande) lo que requiere de cavernas de 76 m de diámetro y 78 m de alto a unos 650 m de profundidad (H.-K Design Report, 2016).