Parte II: Condicionantes Geotécnicos en cavernas emplazadas en macizos rocosos

*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 este trabajo se analiza la influencia de los macizos rocosos en el diseño y construcción de cavernas emplazadas dentro de ellos.
Se plantean distintos escenarios de obras y las respuestas que tiene la ingeniería ante los problemas que se presentan. En particular, se trata las grandes cavernas profundas que presentan desafíos crecientes en la ingeniería.
Se exponen las características geotécnicas que influyen en el diseño incluyendo las particularidades del macizo, el estado tensional y las condiciones ambientales. Se comenta el proceso de diseño tanto desde el punto de vista empírico como tecnológico.

3-El diseño en ingeniería de rocas

3.1. Características particulares de las cavernas

Figura 6: En ingeniería de rocas, el tetrahedro se asemeja al hidronio debido al alto uso del empirismo (derecha) (Rocca 2016).

3.1.1. Algunas diferencias entre túneles y cavernas

Si bien en apariencia una caverna es un espacio subterráneo de mayor sección que un túnel, la limitación de su desarrollo en planta le otorga flexibilidad a las cavernas. Implícitamente, es una ventaja con relación a los túneles.

3.1.2. Influencia del tamaño, a baja profundidad

Los macizos rocosos son mayormente discontinuos por lo que se generan bloques limitados por las discontinuidades. La estabilidad de los mismos depende de la libertad de movimiento (cinemática) y de las condiciones de las juntas entre ellas (dinámica). Estas últimas cobran importancia en profundidad porque las tensiones inducidas por la propia excavación ayudan al autosostenimiento, atenazando a los bloques.
Existe además una relación entre el tamaño de los bloques y el de la excavación. En ese sentido, las cavernas superficiales están claramente en desventaja con relación a los túneles, debido a la mayor sección (Hudson & Harrison, 1997).
En la mayoría de los macizos en rocas cristalinas ígneas y metamórficas, como doleritas, basaltos, granitos, gneiss y cuarcitas, la estabilidad de grandes cavernas con menos de 500 m de cobertura rocosa dependen de las cuñas y bloques generados al realizar la excavación.
En el caso de las rocas sedimentarias débiles la resistencia del macizo es menor y puede haber grandes deformaciones. La secuencia de excavación y soporte es importante para una rápida interacción (Hoek 2007).

3.1.3. Optimización de la sección en base al estado inicial de tensiones

Una de las características distintivas de los macizos rocosos es su capacidad de almacenamiento de tensiones. Esto hace imprescindible su medición in situ, ya que la historia tectónica condiciona al tensor de tensiones y es difícil de predecir.
Por ello, una de las condiciones requeridas para instalar cavernas es ayudar al macizo rocoso que se autosoporte. A tal fin, es necesario optimizaciones en formas y orientaciones. Esto también puede significar cambios en la forma final de la caverna de manera de optimizar la distribución de las tensiones inducidas alrededor de la excavación de manera de minimizar el sostenimiento (Engelstad 2016).

3.1.4. Optimización de la ubicación en función de la litología

Otra de las ventajas que tienen las cavernas es la facilidad de ubicación con relación a las condiciones litológicas del sitio. A veces, ligeros cambios permiten minimizar el
sostenimiento. En general, existe cierta libertad para correr un poco la disposición de la caverna en función a la litología encontrada una vez que se alcanza el sitio de emplazamiento (Halvorsen & Lu, 2016).

3.1.5. Optimización de ubicación en función del fracturamiento

La facturación de los macizos responde a tensiones tectónicas que son función de la historia geológica del sitio. A veces, existe la posibilidad de orientar la caverna en función del fracturamiento relevado. De hecho, existen programas de computación que optimizan la generación de bloques en base a la orientación de la excavación (Engelstad 2016).

3.2. El proceso de diseño

Figura 7: Evolución del tetraedro de Burland con el tiempo. Las flechas representan los paradigmas de la Teoría y de la Práctica. Los tetrahedros tienen distintos desarrollos e interacciones a lo largo de la historia (Rocca 2009)

3.2.1. El diseño en geotecnia

La mayoría de las ramas de la ingeniería, civil, mecánica, minera, metalúrgica y químicas, provienen de artes prácticos que se remontan al nacimiento de la civilización (Brown, 2012).
Para la interpretación del desarrollo de la ingeniería geotécnica, se puede seguir el esquema propuesto por Rocca (2009) basado en la aplicación de las ideas de Burland (2007) y Vick (2002). El Triángulo de Burland presenta actividades relacionadas con el terreno (G), el comportamiento (C), la modelación (M) y la experiencia previa (E). Aunque Burland presenta al relacionamiento de actividades como un triángulo, en realidad se trata de una proyección de un tetrahedro. En el caso de la ingeniería de rocas, el tetrahedro está muy desbalanceado asemejándose a la figura del ion Hidronio (H3O) debido a la gran influencia del empirismo (Ver Figura 6).
Por su parte Vick plantea la existencia de dos paradigmas:

Figura 8: Diseño en ingeniería de rocas (Feng ET al 2011): Esquema con ocho métodos para modelación en dos filas con cuatro columnas. Las filas son denominadas Nivel 1 (Mapeo 1:1) y Nivel 2 (Ningún Mapeo 1:1). Las columnas indican de A a D, la complejidad creciente de los métodos.

1. El paradigma de la Teoría, de tipo deductivo. Constituyen los primeros principios desde los cuales se obtienen conclusiones y se hacen predicciones.
2. El paradigma de la Práctica: que tiene inducción antes y después de la teoría. Es función del juicio o criterio ingenieril. No se enseña formalmente y se pasa de generación en generación con pocos rastros escritos.
Ambos se entrelazan en el Triángulo de Burland, cuando se lo visualiza en 3-D (Tetraedro) donde la evolución temporal ha sido propuesta por Rocca, 2009 (Ver Figura 7).
La ingeniería o espacio tecnológico se encuentra en el interior del Tetraedro. Se pueden relacionar los tres componentes con definiciones formales:

a) Ciencia: asociada al paradigma de la Teoría.
b) Técnica: asociado al paradigma de la Práctica.
c) Tecnología: asociado al Espacio Tecnológico o Ingeniería.

Hay razones históricas por las cuales en Ingeniería de Rocas ha predominado el empirismo.

3.2.2. El diseño en ingeniería de rocas

En la mecánica de rocas predominaron dos vertientes definidas, una relacionada con la minería y otra con las grandes obras civiles. Si bien el nombre de mecánica de rocas apareció en Sudáfrica en 1948, se popularizó en ingeniería civil a fines de 1950 (por el libro de Talobre, La Mécanique des Roches) y la institucionalización se realizó en 1962 cuando se fundó la International Society for Rock Mechanics (ISRM) (Brown 2012).
Entre los años 1960-1970, se propusieron métodos de clasificación con correlaciones empíricas tuvieron amplia aceptación que han sobrevivido hasta ahora como el RMR, (Bieniawski, 1973) y Q, (Barton et al, 1974).
Por otra parte, los métodos constructivos han evolucionado desde una base amplia empírica.
Barton (2012) ha planteado el empirismo como un paso para descubrir a posteriori relaciones teóricas que pueden llegar luego a ser consideradas constantes o variables con fundamentos físicos. El éxito del uso de métodos exclusivamente empíricos demanda un alto grado de habilidad intuitiva por parte de usuario.
La Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM) a través de uno de sus Comités Técnicos ha publicado un libro referido al Diseño en Rocas (Feng & Hudson, 2011). El esquema general muestra la existencia de dos procedimientos, cuyo diagrama de flujo se presenta en la Figura 8.

Figura 9: Variaciones en distribución de tensiones según se use una modelación continua o una discontinua (Barton 2013).

Se señala la existencia de ocho métodos para modelación en dos filas con cuatro columnas. Las filas son denominadas Nivel 1 (Mapeo 1:1) y Nivel 2 (Ningún Mapeo 1:1). Las columnas indican de A a D, la complejidad creciente de los métodos.
Los métodos del Nivel 1 son métodos directos en los cuales está explícita la representación de la geometría y de los mecanismos del problema. Incluye el uso de procedimientos estándar preexistentes, métodos analíticos y numéricos básicos y extendidos.
Los métodos del Nivel 2 son métodos indirectos en los cuales la geometría del problema y los mecanismos no son representados explícitamente. Estos incluyen los análisis de casos precedentes, el uso de esquemas de clasificación de macizos rocosos y sistemas básicos e integrados entre los que se destacan los que tienen base en Internet.
Es de destacar que algunos de los métodos de excavación han tenido aplicaciones en minería y luego se han aplicado en ingeniería civil. Esto convierte a la primera como una especie de banco de pruebas de la segunda, ya que al tener factores de seguridad inferiores, suele haber grandes fallas que pueden servir para realizar cálculos inversos.
Se puede observar que lo que se denomina Nivel 1 corresponde al paradigma de la Teoría, mientras que el Nivel 2 se asocia al paradigma de la Práctica, según el esquema planteado precedentemente en la Figura 7.

3.3. Aplicaciones del paradigma de la práctica

La observación de cavernas excavadas, ha generado antecedentes que se han sistematizado con cierto grado de elaboración. Se han establecido gráficos donde se puede apreciar las condiciones observadas en cavernas excavadas en función del diámetro.
A modo de ejemplo se pueden citar, presiones de contacto (Hendron 1990) y sostenimiento, ambos en función del ancho de la caverna (Barton 1989, Hoek 2007).
Un paso más avanzado es el empleo de sistemas clasificatorios que actúan como un de sistema experto en forma gráfica para definir el sostenimiento (Rocca et al 2015).
Los sistemas empíricos más empleados son el Q (Barton & Grimstad 2014), RMR (Bieniawski 1989, Celada et al 2014) y RMi (Palstrom 1995). Existen otros sistemas europeos como el austríaco (Goricki 2013), el suizo y el alemán que parten del paradigma de la teoría hacia el espacio tecnológico.
Un ejemplo claro de aplicación del Paradigma de la Práctica en el diseño de cavernas es la presentación de DUSEL en Kimbalton (VT Kimballton Team 2005).
Este documento para justificar la viabilidad del sitio, compara la excavación a realizar con otras excavaciones, incluyendo la Cámara de Sarawak en Malasia.

Figura 10: Disposición del laboratorio en Agua Negra (Bettini 2014, Roskovec 2017).

En cuanto al sostenimiento, presenta los métodos RMR y Q en forma totalmente empírica.

3.4. El paradigma de la teoría. Modelaciones continuas y discontinuas

La evolución teórica de la ingeniería de rocas comenzó aplicando la mecánica del continuo como una extensión de la mecánica de sólidos. Esto permitió realizar modelaciones numéricas con métodos similares a otras ramas de la ingeniería, como FEA, FDA, etc.
Con el mayor conocimiento de la resistencia de macizos discontinuos permitió evolucionar desde la representación del macizo como un continuo equivalente hasta la representación discontinua.
A bajas presiones, se observa mucha diferencia entre ambas modelaciones. Es clara que la resistencia al corte de un modelo discontinuo será dominada por las debilidades de las juntas o discontinuidades.
En el caso de los valores de resistencia de un continuo equivalente, como con Mohr-Coulomb o Hoek-Brown, la modelación muestra diferencias se muestra en la Figura 9. (Barton 2013).
En el caso de las cavernas para laboratorios profundos, en HyperKamiokande se ha empleado una modelación de diferencias finitas (FLAC), usando parámetros definidos por Hoek Brown. El macizo rocoso está constituido por rocas metamórficas de alto grado (gneiss migmatítico) con un Emas = 51 GPa. La clasificación del macizo rocoso sigue el criterio japonés para presas, resultando de mediana calidad).
Por su parte, en LAGUNA, también se ha empleado FLAC, pero los parámetros han sido obtenidos por medio de back-analysis del comportamiento del túnel de Frejus, por el cual se accederá al Laboratorio. El macizo rocoso está constituido por esquistos calcáreos con un Emas = 15 Gpa.

3.5. Proyecto de laboratorio profundo en Agua Negra

El túnel de Agua Negra (Guerci 2012), actualmente en proceso de licitación, atraviesa la Cordillera de los Andes y constituye un acceso a coberturas rocosas significativas que pueden ser empleadas para un laboratorio profundo.
Esto ha permitido la constitución de un consorcio latinoamericano de físicos de partículas (CLES), que están proyectando un laboratorio profundo (ANDES: Agua Negra Deep Experimental Site) (Bettini 2014, Dib 2017, Bertou 2017).
Los ensayos planeados incluyen detección de neutrinos, materia oscura, sismología, astrofísica y biología.
Como una de las principales ventajas se destaca la ausencia de otros laboratorios en el hemisferio sur, en especial en zonas de convergencia. Es considerado como el tercer laboratorio más profundo. Se han previsto unos 112000 m3 de volúmenes en cavernas y túneles auxiliares a partir del Túnel de Agua Negra (Ver Figura 10).
El proyecto ya ha definido una distribución de espacios para realizar las excavaciones. El costo de las mismas es de unos 38 millones de dólares, y el equipamiento tiene un rango de valores similar. Como el túnel estará transitable en 10 años, se espera que se implemente algún tiempo después (Bertou 2017).
El macizo rocoso está constituido por rocas volcánicas rígidas, riolitas y andesitas, salvo en zonas alteradas hidrotermalmente, que podrán ser eludidas luego de la construcción del túnel (Bofer & Hofer 2012).
La carga hidráulica es importante, ya que tiene 800 m de columna de agua, aunque la transmisibilidad es muy baja, según lo que se ha observado en una perforación de 900 metros.
El estado inicial de tensiones señala la importancia de la subducción de la placa de Nazca por debajo de Sudamérica, en esa zona de la cordillera. La orientación de las tensión principal, esencialmente W-E coincide con la tendencia regional (Martino et al 2015).
Esta situación, alta rigidez y altos valores de tensiones lleva a pensar en muy probable descaramiento (spalling) y estallido de rocas (rockburst) (Martin et (2003), Hoek & Martin 2014, Barton & Shen 2017).
Estos fenómenos pueden analizarse empíricamente (Ruiz Perez & Assis, 2016) y con teorías como la mecánica de fracturas (Barton & Shen 2017).
La generación de estallido ha sido observada en el proyecto hidroeléctrico Jinping II (Ma et al 2015) y en el laboratorio profundo CJLP instalado en el mismo (Zeng 2015).
El caso similar de comportamiento de macizo rígido en el mismo tipo de roca volcánico es el túnel del trasvase del Olmos en Perú con tapada de 2000 m en rocas andesititas (Hoek 2010) o el túnel de Nibashan (China), con 1650 m de cobertura, desarrollado en riolitas y andesitas (Li et al 2017).
En estos casos, la energía liberada depende del tipo de excavación, mecánica o por explosivos. En la excavación con perforación y explosivos, la relajación tiende a ser violenta. Es posible tomar previsiones para proteger la integridad física del personal con observaciones de microsismos (Hudyma 2004, Riemer et al. 2012, Yu et al. 2017).
No obstante el peligro que implica la excavación, la experiencia de más de 100 años en minas profundas de Sudáfrica, Canadá, Australia y otros países mineros, permite disponer de tecnología suficiente como para mitigar el estallido (Kaiser & Cai, 2012).
Asimismo, se dispone de una variada oferta de sistemas de sostenimiento destinados a problemas dinámicos (Kabwe & Wang, 2015).
A modo de predicción basada en antecedentes, una vez que se pueda alcanzar el sitio de máxima cobertura, unos 1750 m, se podrá elegir la mejor posición de las excavaciones para laboratorio. Si se observaran zonas con alteraciones hidrotermales significativas o fallamiento que provocaran la disminución de las características geomecánicas del lugar preelegido, se podrá modificar la disposición de los componentes de los laboratorios.
Si la roca se comporta rígidamente, habrá que controlar los estallidos (rockburst). Se podrá evitar grandes deformaciones, eludiendo las fallas y zonas muy alteradas hidrotermalmente. En este caso, se produciría extrusión y cerramiento de la apertura.
La presencia de agua, si bien tiene alta presión, se espera que tenga poco caudal y podría ser drenado por el túnel que se excavará previamente.
Todo indica que si bien no se trata de un proyecto técnicamente sencillo, existen las herramientas tecnológicas como para afrontarlo.
4 conclusiones
La ingeniería de rocas, es relativamente reciente comparada con otras ramas de la geotecnia. No obstante ello, existen variados antecedentes de uso de cavernas localizadas en macizos rocosos para minera, energía e infraestructura civil.
En algunos casos, existen condiciones que aconsejan el uso de cavernas como climáticas, de defensa, de aprovechamiento del terreno y por razones científicas.
Una parte de ellas han sido diseñadas y construidas por métodos empíricos, en especial en minería, donde los criterios de seguridad son diferentes a los de las obras de ingeniería civil.
La naturaleza brinda ejemplos de grandes excavaciones subterráneas, que pueden ser analizadas y servir de marco comparativo, aun cuando no tengan sistemas de sostenimiento. En general, las obras de ingeniería son aun pequeñas en dimensiones.
Es posible estudiar distintas formas de diseño según el esquema propuesto por Vick y Burland. El empirismo se puede asimilar al paradigma de la Práctica, mientras que se observa que en los últimos 50 años ha habido un incremento del paradigma de la Teoría, con lo cual, existe una vía intermedia entre ambos, denominada Espacio Tecnológico. Ambos casos están cubiertos formalmente con el esquema de diseño propuesto por el comité técnico de la ISRM.
Los planteos empleados en cavernas tienen ventajas con relación a otras obras subterráneas, debido a la flexibilidad que generalmente tienen las primeras por ser limitadas en planta. Esto permite optimizar secciones y orientaciones a las condiciones litológicas, geoestructurales y tensionales.
En el caso de los sistemas de sostenimiento de cavernas, la primera aproximación generalmente está basada en el empirismo que tiene en cuenta antecedentes previos. Los resultados se pueden emplear posteriormente para realizar las verificaciones teóricas.
Existen diferencias entre las modelaciones realizadas de los macizos considerándolos como medios continuos o discontinuos. Esta diferencia es más notable a baja profundidad, donde el límite puede estar en la zona de 500 a 600 m. dependiendo del tipo de macizos rocosos.
A alta profundidad, el comportamiento difiere según se trate de macizos rígidos o blandos. En algunos casos extremos puede haber descascaramiento y estallido de rocas (rockburst) mientras que en otros hay extrusión.
En el diseño, mientras que los nuevos proyectos estén en el rango de extrapolación de casos precedentes, el grado de confianza será grande. Al cambiar de escala con relación a los antecedentes, el paradigma de la teoría se vuelve imprescindible. Lo más importante, en ambos casos, es conocer los fundamentos para tomar conciencia de las limitaciones.