Metodología de la mecánica de rocas para obras de ingeniería

Resumen 
La Mecánica de Rocas es una disciplina que tiene sus fundamentos en dos ciencias básicas: la Geología y la Física (mecánica). Se debe aplicar a toda obra en donde se tenga la necesidad de modificar las condiciones naturales del terreno, lo que generalmente ocurre en grandes proyectos de construcción, por ejemplo, en importantes obras de infraestructura tales como carreteras, presas, etc., o bien en minas a cielo abierto y subterráneas. El objetivo básico de todo estudio de Mecánica de Rocas es la caracterización de los macizos rocosos existentes en el área de influencia de un proyecto para definir la viabilidad técnica del mismo en función de la evaluación de los diferentes factores del riesgo. La metodología para un estudio completo relacionado con su aplicación se define y comenta en este artículo.

Palabras clave: Macizo Rocoso, Caracterización Geomecánica.

Introducción
A lo largo del desarrollo de la humanidad, inclusive antes de la invención de la escritura, el ser humano ha demostrado su habilidad para modificar las condiciones naturales del terreno para edificar diversos tipos de obras, muchas veces justificadamente, para atender alguna necesidad específica (como la construcción de acueductos, canales y obras de facilitar el transporte terrestre), otras veces, por el simple hecho de demostrar poder (los grandiosos monumentos construidos en la antigüedad), como ejemplos, las grandes pirámides construidas en diversas partes del mundo por las antiguas civilizaciones, como la Egipcia (la más antigua data de hace más de 4,600 años, cronología de Jürgen von Beckerath, descrita en Vidal Manzanares, 1998) o la Teotihuacana hace más de 1,400 años (Millon, 1966). Los romanos se destacaron como grandes constructores de magníficas obras de ingeniería entre las que destacan los acueductos construidos hace más de 2,300 años. (Da Feo, G. and Napoli, R. M. A, 2007).  

Es evidente que para construir tales obras se modificaron las condiciones naturales de los terrenos respectivos, fue necesario extraer los materiales para construcción de canteras o minas y fue necesario aplicar diversas técnicas y conocimientos que si bien hoy podríamos calificar como empíricos, lo cierto es que ya se estaban forjando los cimientos de diversas ciencias y disciplinas relacionadas con la ingeniería, como la física (mecánica, hidráulica), la geología, la petrología, la topografía y la mecánica de rocas.  

Hoy en día, los seres humanos tenemos aún más necesidades que implican la modificación de las condiciones naturales del terreno, como grandes túneles ferroviarios, enormes presas, largas carreteras que incluyen túneles, puentes y excavaciones en roca; requerimos también de muchos minerales como materias primas primordiales y esto implica el desarrollo de grandes minas. Es un hecho que para atender todas estas necesidades, se requiera de ingenieros, ya no con conocimientos empíricos -como en la antigüedad-, sino formados o educados con base a las ciencias respectivas, que tengan los conocimientos y habilidades necesarias para destacarse en la construcción de grandes obras y operar grandes minas, de tal forma que todas las actividades relacionadas con la ejecución de excavaciones se realicen con técnicas fundamentadas en la ingeniería, de manera segura, a costos razonables y además que garanticen la vida útil esperada de las obras con un mínimo de mantenimiento y sobre todo, con “cero” accidentes que puedan perjudicar a los usuarios.  De acuerdo a lo anterior, hay ciencias y disciplinas fundamentales en la formación de todo ingeniero relacionado con los temas comentados, la Mecánica de Rocas es una de estas disciplinas. 

En función de la fuente que se consulte, podemos encontrar diversas definiciones de Mecánica de Rocas, desde aquellas que la consideran una ciencia, hasta aquellas que la consideran como una rama de la mecánica de suelos. Para evitar controversias y con fundamento en años de experiencia sobre el tema, aplicando sus principios a múltiples proyectos de ingeniería y minería, definiremos a la Mecánica de Rocas, como la Disciplina que integra conocimientos de dos ciencias básicas, la Geología y la Física (mecánica) para el estudio y clasificación de los diversos tipos de macizos rocosos (MR) en términos de su resistencia mecánica (Resistencia del Macizo Rocoso o Rock Mass Strength) y de las estructuras geológicas que los afectan (como fallas, fracturas, etc.) así como del estudio de los esfuerzos naturales y/o inducidos que interactúan con éstos.

Para asegurar la viabilidad técnica, económica y sobre todo la seguridad de las obras durante su construcción y a lo largo de su vida útil, debemos de seguir procedimientos específicos. En este sentido, el seguimiento y aplicación de los principios de la Mecánica de Rocas es fundamental, ya que de no hacerlo nos exponemos a altos riesgos relacionados con accidentes que pueden tener consecuencias muy graves.   Las actividades y secuencia básicas de esta disciplina se describirán a continuación.

Metodología
Toda disciplina con bases científicas debe de aplicarse en base a cierta metodología, en el caso de la Mecánica de Rocas, hay varios procesos y actividades que son fundamentales y que pueden realizarse a través de diversas técnicas, por ejemplo, la caracterización de los macizos rocosos es primordial y, para el logro de este objetivo, hay muchos métodos disponibles; algunos de ellos se describirán brevemente en párrafos posteriores. El Ingeniero encargado del proyecto es el responsable de seleccionar el método de caracterización más adecuado. En el diagrama (Figura 1) siguiente se presentan las diversas tareas o actividades que integran la Metodología para Caracterización de Macizos Rocosos a fin de  aplicarla a la construcción de un proyecto.

En el inicio de la secuencia mostrada, podemos notar que se ha definido visita de reconocimiento del área. Resulta lógico y hasta cierto punto muy obvio, que no podemos realizar una tarea de caracterización de macizos rocosos sin antes visitar el sitio donde se pretende ejecutar el proyecto. La visita o inclusive visitas iniciales al sitio son muy importantes pues lo que se observe durante éstas, servirá de base para la planeación subsecuente, misma que deberá integrar todas las actividades necesarias para cumplir con el objetivo.

Es importante aclarar que un proyecto en superficie es muy diferente a un proyecto subterráneo y que en el diagrama se muestran actividades generales, que no necesariamente aplican en ambos casos, por ejemplo, para una obra en superficie, los esfuerzos in situ tienen menor influencia.

El mapeo geológico a detalle es de gran relevancia en el proceso de caracterización de un MR, ya que de éste se desprende el estudio estructural. En esta actividad se precisan los diferentes tipos de rocas (litologías) en el área de influencia del proyecto; se deben definir claramente las estructuras geológicas tales como zonas de contacto, plegamientos y en lo general, las juntas (fallas, fracturas, planos de estratificación, diaclasas, etc). El estudio estructural implica la caracterización de todas las juntas, definiendo entre otras cosas, geometría (rumbo, echado), el tipo, la continuidad, si son juntas abiertas o cerradas, el tipo de relleno si es que lo hay, la rugosidad, la presencia de agua, direcciones dominantes, etc. El proceso de caracterización de juntas en sí, es muy complejo y en consecuencia tiene su propia metodología.

En muchos de los proyectos se requiere obtener muestras de rocas del subsuelo, sobre todo en aquellos donde la magnitud de la excavación sea a gran escala, a profundidad considerable o bien donde no existan afloramientos de roca expuestos en superficie.  Una actividad común para obtener tales muestras es lo que conocemos como barrenación de diamante (Fotografías en Figura 2). Esta actividad implica la perforación de barrenos con recuperación de núcleos de roca (muestras) que posteriormente se envían a un laboratorio especializado para determinar sus características mecánicas, tales como resistencia a compresión simple, resistencia a cizallamiento, módulo de deformación, cohesión, ángulos de fricción, etc. 

Para el caso de obras que impliquen excavaciones subterráneas o grandes obras en superficie, es muy importante la determinación del estado de esfuerzos in-situ.  En definitiva, esta tarea no es fácil y se requiere de un proyecto o estudio especial que implica la instalación de equipos o instrumentos costosos (Figura 3) en obras hechas “ad hoc” como socavones y túneles para instrumentar y obtener información geomecánica. Aunque son obras comunes, implican altos niveles de costo y tiempo.  El objetivo de esta actividad es definir la magnitud y dirección de los esfuerzos principales y secundarios que pueden tener influencia en la deformación y estabilidad de las excavaciones y en consecuencia, de la seguridad y operatividad de las obras concluidas. 

A lo largo de más de 20 años de experiencia participando en proyectos relacionados con la Mecánica de Rocas, se ha podido constatar que debido a lo laborioso, al tiempo y costo de estos de estudios, es raro encontrar proyectos (en México) que integren la información respectiva, por lo tanto, podemos decir que en nuestro país, los estudios para determinar esfuerzos in-situ, tanto en grandes proyectos de construcción, como en minería a cielo abierto y subterránea, son un campo que presenta una gran área de oportunidad. 

Toda vez que se tengan disponibles los datos relacionados con las actividades y/o estudios comentados, se procede a su integración, apoyándonos regularmente en un Sistema o Método para Caracterización de Macizos Rocosos. En esta etapa el objetivo es tener una evaluación, generalmente cuantitativa de los diversos MR presentes en el área del proyecto.

Uno de los primeros sistemas correlacionados con la calidad mecánica de los macizos rocosos fue el Rock Load Theory, desarrollado por el Ingeniero austriaco Karl von Therzagui quien lo propuso en 1946 para aplicarlo en la definición de la carga o presión aplicada al diseño de marcos de acero en la excavación de túneles (B.M. Das, 2010). En su propuesta inicial, El Rock Load Theory, fue un sistema cualitativo, en el cual se hacía la clasificación del MR en base a la comparación de la condición observada contra las descripciones o modelos de las diferentes clases propuestas y básicamente tomaba en cuenta la densidad de fracturas del macizo rocoso. Este sistema para caracterización de MR, marcó la pauta para el desarrollo de muchos otros;  entre los más difundidos y de mejor aceptación a nivel mundial, están el RQD (Rock Quality Designation) propuesto por Deere en 1966, el RMR (Rock Mass Rating) de Bieniawsky (1973), el Q (Rock Mass Quality) de Barton (1974) y más recientemente el GSI (Geological Strength Index) propuesto por Ever Hoek en 1995 y el RMi (Rock Mass Index) de Arild Palmstrom (1995). 

Los métodos para caracterización de MR más completos y aceptados coinciden en la integración de los parámetros siguientes:  densidad de juntas (fallas, fracturas, etc.), condición de juntas (continuidad, rugosidad, tipo de relleno, etc.), presencia de agua y resistencia a compresión simple o en su caso, estado de esfuerzos in situ. Como se comentó previamente, el objetivo de la caracterización es tener una evaluación, preferentemente numérica de los diversos tipos de MR que puedan estar presentes en el área de estudio. Al tener la definición clara de lo anterior, se pueden establecer las medidas de control para minimizar los riesgos durante la excavación o construcción de las obras y a lo largo de su vida útil. 

Independientemente del método seleccionado para un proyecto específico, debemos comentar que el trabajo es complejo, se requiere de una buena planeación (previamente comentada) en la que se definan tanto el tiempo necesario para la ejecución, como los costos asociados. Muchas obras importantes han presentado problemas de estabilidad, durante su construcción o lo que es peor, durante su operación, debido principalmente a que no se realizaron los estudios de mecánica de rocas pertinentes (Figura 4). 

Resultados
Después de la ejecución de todas las actividades que integran un estudio completo de Mecánica de Rocas, los resultados se resumen de manera significativa y se expresan generalmente con valores numéricos que “califican” a los MR y definen su tipo o clase. Por ejemplo, el Sistema RQD, que es uno de los métodos más simples, define cinco clases de MR en función de una calificación porcentual que va de 0 a 100 (Tabla 1), mientras que el Sistema Q, define 9 tipos de MR, con calificaciones que están en una escala logarítmica que va de 0 a >400 (Tabla 2); el RMR integra 5 clases de MR, en rangos cuyos valores están entre 0 a 100. La realidad es que hay muchos otros métodos o sistemas para clasificación de MR que se aplican en diversas partes del mundo, los mencionados, solamente son ejemplos y representan los más conocidos en la región de Norteamérica; si bien, cada sistema tiene su propia metodología, lo cierto es que, como se mencionó previamente, también tienen muchas similitudes pues se fundamentan en parámetros similares.

La Caracterización de Macizos Rocosos es la base para el desarrollo de los Diseños de las Excavaciones. La definición de las clases o tipos de MR en el área de influencia de un proyecto, sirve para definir entre otras cosas, el claro máximo, las pendientes y alturas de las obras, así como los métodos de soporte o refuerzo e inclusive los sistemas y procedimientos más adecuados para realizar las excavaciones. 

La preparación de modelos geomecánicos o simulaciones de los proyectos con programas de cómputo que permiten predecir la interacción entre las obras proyectadas contra los esfuerzos y deformaciones del terreno y su influencia en la estabilidad de aquellas es algo común hoy en día, tanto para excavaciones subterráneas, como para excavaciones en superficie (Figuras 5 y 6) y esto no sería posible sin los datos generados durante la ejecución de todos los trabajos y estudios previamente descritos. Estos modelos sirven para definir las condiciones geométricas y constructivas que representen la mejor alternativa de diseño, para asegurar la viabilidad técnica y económica del proyecto, pero sobre todo, que permitan maximizar los factores de seguridad durante las diversas etapas de construcción y más aún durante toda la vida útil de la obra.

Conclusiones

La Mecánica de Rocas es una disciplina que integra diversos métodos para caracterización de macizos rocosos con el objetivo de entender las interacciones entre éstos y diversos proyectos de construcción en donde se requiera modificar las condiciones naturales del terreno, ya sea que se trate de obras en superficie o bien de obras subterráneas. Los principales objetivos de su aplicación se pueden resumir en los puntos siguientes:

1. Asegurar la integridad física de personal, equipo e infraestructuras en el entorno del proyecto durante las diferentes etapas de excavación-construcción.
2. Minimizar los riesgos de accidentes durante la vida operativa de las obras.
3. Minimizar tiempos perdidos y costos originados por incidentes y accidentes durante la excavación-construcción.
4. Maximizar el aprovechamiento de los insumos utilizados durante la excavación y acabado de las obras.
5. Obtener el diseño óptimo de las excavaciones y obras de tal forma que se maximicen los factores de seguridad.
6. Minimizar los costos de excavación y construcción.
7. Minimizar los costos para mantenimiento de las obras durante toda su vida útil.
8. Asegurar la operatividad de las obras durante su vida útil.

Como podemos apreciar, son muchos los beneficios que se pueden obtener al seguir una metodología adecuada para conocer y/o determinar las características de los macizos rocosos ya que en muchos de los grandes proyectos de infraestructura que se realizan día con día alrededor del mundo, es necesario realizar excavaciones. Mas aún, en todas las operaciones mineras del mundo (grandes o pequeñas) de donde se extraen las principales materias primas que la sociedad actual necesita, su aplicación es indispensable si no es que vital.

Bibliografía

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• Millon, René (1966). Extensión y población de la ciudad de Teotihuacán. Un cálculo provisional. En XI Mesa Redonda Teotihuacán: 57-78. Ciudad de México: Sociedad Mexicana de Antropología.
• Da Feo, G., and Napoli, R. M. A. (2007), “Historical development of the Augustan Aqueduct in Southern Italy: twenty centuries of works from Serino to Naples”, Water Science & Technology Water Supply, marzo de 2007.
• Terzaghi K. (1946): Introduction to tunnel geology. Rock tunnelling with steel supports. Proctor and White, pp. 5-153.
• B. M. Das (2010), Principles of Geotechnical Engineering, Cengage Learning, 2010, p 7 ISBN 978-0-495-41132-1
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1. Depto. de Ing. en Minas, Met. y Geol., Universidad de Guanajuato, San Matías S/N, Guanajuato, Gto,36000, r_marin@ugto.mx