Anales Acad. Nac. de Ing. Buenos Aires, Tomo XIII (2017)

INCORPORACIÓN COMO ACADÉMICO CORRESPONDIENTE EN LA PROVINCIA DE CÓRDOBA DEL ING. RICARDO J. ROCCA

6 de octubre de 2017

I. Apertura del acto, entrega del diploma y medalla y palabras de recepción a cargo del señor Presidente de la Academia Nacional de Ingeniería, Ing. Oscar A. Vardé.

II. Conferencia del Ing. Ricardo J. Rocca sobre el tema: “Condicionantes geotécnicos en cavernas emplazadas en macizos rocosos”.

Apertura del acto y palabras de recepción a cargo del señor Presidente de la Academia Nacional de Ingeniería, Ing. Oscar A. Vardé.

1. Apertura

Académicos, Autoridades Universitarias, colegas y amigos, señoras y señores:

Hoy la Academia Nacional de Ingeniería celebra esta Sesión Extraordinaria con el grato objetivo de incorporar como Miembro Correspondiente en Córdoba al Ingeniero Ricardo José Rocca.

Es para mí un privilegio tener la misión de abrir esta sesión y presentar a ustedes al Ingeniero Rocca, a quien seguramente varios de los presentes conocen muy bien y saben de sus méritos indiscutibles para alcanzar esta distinción.

2. Presentación

2.1. Educación

El Ingeniero Rocca nació en octubre de 1952, aunque su apariencia no lo indique, es decir que está en la plenitud de su carrera, con sus 64 años, ya que tiene una larga experiencia adquirida y una promisoria vida por recorrer y seguir trabajando tenazmente como es su hábito indiscutible.

Rocca se graduó como Ingeniero Geólogo en la Universidad Nacional de Córdoba en 1979, recibiendo el Premio Universidad Mención de Honor, en 1978.

En 1986 obtuvo el título de Master in Civil Engineering, en la prestigiosa Universidad de Berkeley, California, con especialidad principal en Ingeniería Geotécnica y complementarias en Ingeniería Geológica y Sismológica.

Cabe destacar que el conocimiento profundo que Rocca tiene de estas especialidades le ha permitido desarrollar exitosamente su actividad como técnico, profesor, investigador aplicado y comunicador permanente en numerosas publicaciones técnicas, conferencias y participación en numerosos eventos y congresos locales e internacionales

2.2. Antecedentes Docentes

El Ingeniero Rocca ha desarrollado y desarrolla en la actualidad una intensa actividad docente en la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de la Universidad Nacional de Córdoba, es así que desempeña los cargos de:

Profesor Titular Plenario de Geotecnia I, desde Julio de 1990. Profesor Adjunto de Geotecnia II, desde abril de 1992. Profesor de Mecánica de Rocas de la Maestría en Estructuras y Geotecnia. Categorización Programa SPU de Incentivos a la Investigación: Categoría

B(1994), Categoría II (2012).

2.3. Antecedentes Profesionales

Sus comienzos en la actividad profesional se inician tempranamente, es así que actúa:

Jun/77-Feb 81. Representante de la firma BOLOGNESI MORETTO Ingenieros Consultores S.R.L. en las obras del Complejo Hidroeléctrico Río Grande No 1 (Córdoba).

Feb/81-Dic/81. Contratado por el Departamento de Estructuras U.N.C..

Feb/82-En/83. Contratado por la firma LAHMEYER HARZA Y ASOCIADOS para participar en estudios del aprovechamiento Corpus sobre el Paraná.

Jul/83-fecha. Socio de A.R.R.T. Ingenieros Consultores. Firma dedicada a la realización de estudios geotécnicos (más de 3000 proyectos).

Debo aquí mencionar que esta brevísima síntesis extraída de un resumen de sus antecedentes no reflejan en modo alguno sus actividades en grandes emprendimientos en los campos de la ingeniería geotécnica, la geología y la ingeniería sísmica que cubren un largo período de intervenciones en grandes obras civiles, presas, túneles y cavernas subterráneas.

La simple enumeración de proyectos en los cuales intervino excedería el tiempo disponible para esta presentación y le quitaría el brillo a esta jornada en la que deseamos escuchar al Ingeniero Rocca.

Se pueden mencionar a modo de ejemplo los grandes aprovechamientos hidroeléctricos de de Potrerillos, Piedra del Águila, Alicura, Los Caracoles, Punta Negra; los obras de defensa de Resistencia y otras en las etapas de factibilidad, diseño ejecutivo y pendientes de inicio, entre las que se incluyen las presas de Santa Cruz, Corpus, Portezuelo del Viento.

Asimismo tuvo intervención profesional en Centrales Nucleares, Atucha 2, Lineas de Transmisión, Obras Viales relevantes, Túneles y Obras Subterráneas.

2.4.- Premios y Distinciones

Sus méritos han sido reconocidos y por ello recibó varios premios y distinciones:

Premio Universidad Mención de Honor (1978) U.N.Cba Carta de Reconocimiento de la F.C.E.F.N. a la actuación académica (1983) Beca Fulbright (1984-1986) para cursar estudios en E.U.A. Regents Fellowship (1984) U. of California, Berkeley. Beca de la C.E.E. D.G.XII para realizar estudios geambientales en Italia

(1990). Premio Docente Anual 1993 (U.N.Cor. Resolución Rectoral 1928) Premio Eduardo Arenas de Ingeniería Geotécnica 2004. Academia Nacional

de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Buenos Aires.

2.5. Membresías – Asistencia a Congresos y Seminarios – Publicaciones.

Rocca desarrolla también actividades y es miembro de varias asociaciones profesionales locales y del exterior de Ingeniería Civil, Geotecnia, Geología Aplicada y Sismología:

American Society of Civil Engineers (E.U.A.) Asociación Argentina de Geología Aplicada a la Ingeniería Association of Engineering Geologists (E.U.A.) Berkeley Geotechnical Society (E.U.A.) International Society for Rock Mechanics International Society of Engineering Geology International Society of Soil Mechanics and Geotechnical Engineering Sociedad Argentina de Ingeniería Geotécnica Miembro del Technical Committee (ISSMFE (representante por el

continente) Collapsable soils (1986-1989) y Arid Soils (1989-1994)

Asimismo ha participado en eventos técnicos, seminarios, talleres y congresos locales e internacionales a los que asiste con singular frecuencia, desarrollando en varias oportunidades roles destacados de panelista, relator y presentando artículos y documentos de alto nivel.

Los documentos elaborados con la autoría o participación de Rocca superan los 85 en número y no tenemos duda que seguirá produciendo al mismo ritmo intenso que ha seguido hasta ahora.

3. Conclusión

No nos cabe duda alguna que hoy hemos logrado concretar un hecho positivo para la Academia Nacional de Ingeniería con la incorporación de Ricardo José Rocca.

Para nuestra institución contar con su aporte nos enriquecerá, no sólo por sus dotes profesionales, docentes y académicas, sino también por sus notorios atributos personales como hombre de bien.

Es un grato deber, como Presidente de esta Academia, colega y amigo, entregarle la medalla y el diploma que acredita su condición de por vida de Miembro Correspondiente.

Muchas gracias,

Condicionantes Geotécnicos en cavernas emplazadas en macizos rocosos

Ricardo J. Rocca

Profesor Titular Plenario

Universidad Nacional de Córdoba, Argentina

rjrocca@unc.edu.ar

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.

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.

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 (intacta) 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

Están Constituidas por cristales entrecruzados de silicatos, sulfatos y otras sales.

Cuando están inalteradas como los granitos, son frágiles y elásticas. Cuando están fisuradas, pueden sufrir deformaciones plásticas irreversibles.

Los carbonatos y rocas salinas, además de tener solubilidad variable, son plásticas, cuando existen altas presiones de confinamiento.

Los esquistos en sus variedades, son altamente anisótropos.

Las rocas volcánicas como los basaltos pueden tener vacíos que después pueden ser rellenados por otros minerales.

II. Textura Clástica

Deben sus propiedades al cementante que une los fragmentos o partículas que la constituyen. El nombre de la roca no es suficiente para inferir el comportamiento, a menos que se cuantifique al cementante.

Existe una variada gama de comportamiento dentro de cada roca, tal como areniscas, conglomerados, fangolitas, limolitas y arcilitas.

III. Granulares muy finas

Incluye las pizarras y esquistos que varían ampliamente en durabilidad, resistencia y deformabilidad. Algunas se comportan como los suelos compactos.

IV. Orgánicas

Incluye a los combustibles, como antracita.

Son las del tipo viscosas, plásticas y elásticas.

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.

Las distintas clases sido descriptas en detalle por Goodman (1993). Se remarca la importancia de los macizos de cada clase cuando se requiere hacer obras, tanto superficiales y como subterráneas.

Esta diferenciación entre las características de las rocas y de macizos rocosos tiene fundamental importancia en las excavaciones subterráneas. Por eso se refleja en las clasificaciones donde se desagrega los componentes, roca intacta, discontinuidades, macizos, como lo ha planteado Hoek y Marinos (2009).

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, según las definiciones:

Mecánica de rocas: es el estudio de la estática y dinámica de las masas rocosas.

Ingeniería de rocas: involucra ingeniería con rocas, especialmente la construcción de estructuras en o sobre macizos rocosos, y su proceso de diseño.

Como ejemplo de la diferencia entre Mecánica de Rocas e Ingeniería de Rocas se pueden comparar el contenido de los libros “Fundamentals of Rock Mechanics” (1976) escrito por un matemático (J. Jaeger) y un geofísico (N. Cook) con los libros del Dr E. Hoek, tal como “Rock Slope Engineering” (1973), Underground Excavations in rocks (1980) y Practical rock engineering (2007).

Es interesante señalar que estas definiciones han tomado tal entidad como para que en 2017, se cambie el nombre de la Sociedad Internacional especializada en

este tema, desde el nombre actual ISRM: International Society for Rock Mechanics a International Society for Rock Mechanics and Rock Engineering.

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. Así por ejemplo, los países con gran actividad minera como Australia, Canadá, Sudáfrica, Chile, EUA tienen numerosos ejemplos.

Otros, como los países escandinavos, como Noruega, Suecia y Finlandia, tienen un buen número de cavernas debido a la aptitud de los macizos rocosos y condiciones climáticas.

Asimismo, las grandes potencias industriales poseen depósitos de combustibles líquidos y gaseosos que se localizan en cavernas.

2.2. Cavernas Naturales

En la naturaleza existen un gran número de cavernas de distinto tamaño 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 (Figura 1) donde existe uno de los mayores desarrollos karsticos en calizas del mundo (Waltham & Brook 1980). Si bien estas formaciones han sido reconocidas desde 1858, el Parque Nacional es de 1994 y ha sido elegido como World Heritage en 2001. Los espacios subterráneos de gran envergadura se comparan con los mayores del mundo, incluidos otros sitios similares de China y Vietnam. Por no encontrarse en superficie, no es posible afirmar fehacientemente que no se encontrarán en el futuro, otras formaciones de tamaño superior.

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. El nombre “gunung” es la denominación local de las montañas. La cámara de Sarawak es la caverna de mayor envergadura, con una luz máxima de 435 m. cubriendo unas 16 hectáreas (Figura 2). Su cobertura rocosa superior está en el orden de los 420 m.

Figura 1. Ubicación del P.N.Gunung Mulu. Los rasgos citados en el texto están circulados (Waltham et al 1980) La cámara fue descubierta en 1980 y se le atribuye una capacidad para almacenar uno 8 aviones jumbo en longitud y 5 en ancho (Figura 3). Se observa que su piso está inclinado con un rango de altitudes entre los puntos acotados de 412 m.

Figura 2. Cámara de Sarawak. Iluminados por personas ligeramente visibles a la distancia (www.mulucaves.org, 2015) La forma de la caverna ha sido relevada mediante scaneo laser en 2011 (Figura 3). 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).

Figura 3. Panta y Modelo tridimensional relevado por scaneo de la cámara de Sarawak (www.mulucaves.org 2011)

Un poco más al sur, se encuentra el túnel, “Deer Cave” (Figura 4) 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”.

Figura 4. Planta y corte del sistema Deer Cave-Green Cave, con la dolina Garden of Eden (www.mulucaves.org, 2015). 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 5). La razón por la cual la “Deer Cave” tiene una sección desproporcionada con su entorno, puede explicarse mediante el análisis geomorfológico desde su formación. Hace unos dos millones de años todo el flujo del anticlinal pasaba a través de ella (Figura 6) (Gillieson & Clar, 2010). 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. En una reconstrucción geométrica sencilla, si se cerrara el anfiteatro que forma la dolina (Figura 1) con un borde similar al existente al oeste, se podría estimar el espacio subterráneo máximo, que podría alcanzar hasta 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”.

Figura 5. Interior del túnel Deer Cave (con 9000 m2 de sección) con una senda para peatones, donde se aprecia la curvatura del anticlinal de rocas calcáreas .

Figura 6. Evolución de Gunung Mulu en los últimos 2 millones de años (arriba izquierda) hasta la actualidad (abajo derecha) (Gillieson et al, 2010). 2.3. Cavernas en Minería

La actividad minera subterránea está altamente desarrollada en algunos países productores. Existe además, una tendencia a incrementar su participación frente a las actividades superficiales, tanto por cuestiones ambientales como por profundización de las zonas mineralizadas. 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).

Una idea de la complejidad del empleo de cavernas en minería subterránea se presenta en la Figura 7 que corresponde a un proyecto moderno (Gomes et al, 2014).

Figura 7. Multiplicidad de cavernas en proyectos mineros (Gómez et al 2014)

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. Las soluciones son variadas y dependen del tipo de combustible y las condiciones geomecánicas de los terrenos disponibles.

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).

La Figura 8 presenta un caso de un proyecto brasileño en la cuenca de Santos (Costa et al 2012).

Figura 8. Proyecto de cavernas en domo salino de Santos, Brasil (Costa et al 2012).

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.

Al principio, los depósitos eran tanques subterráneos, metálicos, donde se rellenaba el espacio remanente entre el tanque y el macizo rocoso.

Posteriormente, la tecnología evolucionó hacia cavernas sin revestimiento, confiando en el control de la impermeabilidad del macizo y al control hidrodinámico del combustible.

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 9) (Shimo et al 2014).

Figura 9. Esquema de un proyecto de almacenamiento de gas con cortinas de agua (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 (Figura 10) (Johanson 2003).

Figura 10. Esquema de un proyecto de LNR (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 y que actualmente serían consideradas inverosímiles, sobretodo desde el punto de vista ambiental. Por ej. en superficie, se plantearon la ejecución de excavaciones, como un segundo canal en Centroamérica o un puerto en Alaska. Estas iniciativas finalmente fracasaron.

Otro 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).

Al limitarse las explosiones nucleares a nivel atmosférico, se ejecutaron numerosas explosiones subterráneas, del orden de 2000 por cada una de las principales potencias. En USA, hay un sitio, Nevada Test Site, donde se observan numerosos cráteres de distinto tamaño, que corresponden al colapso de cavernas generadas por la explosión. De hecho hay una formula empírica que relaciona el tamaño de la caverna colapsada con la potencia de la explosión.

Como caso extremos está el de la isla Amchitca en Alaska, más precisamente en las islas Aleutianas, muy cerca de la costa rusa del Océano Pacifico. En esta isla se efectuaron explosiones entre 1965 y 1971, para calibrar el equipamiento de control de las explosiones rusas por medio de la red de sismógrafos.

Una de ellas, Cannikin, en 1971, generó un cráter de unos 3 kilómetros, quedando un lago superficial de 1700 m. Se presume que la explosión fue equivalente a unas 800 bombas como la de Hiroshima.

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.

En algunos de los casos ya construidos, como en Lucens (Suiza) ha habido incidentes graves sin que la radiación haya llegado a superficie.

En 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 (Figura 11) (Posiva 2011).

Esquema global Detalles de una caverna en construccion

Figura 11. Disposición del repositorio de residuos nucleares de Onkalo (Finlandia) (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 (Figura 12) (Duffaut & Vaskou 2014).

Figura 12. Esquema de un parque nuclear que combina centrales con repositorios de residuos nucleares, en excavaciones subterráneas (Duffaut et al 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 en la ciudad del mismo nombre cerca de Lillehammer, 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 13) (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.

Figura 13. Estadio olímpico en caverna de Gjovik de 62 m. de luz. (Barton et al 1994)

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 (Figura 14) (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).

Figura 14. Complejo Hidroeléctrico Río Grande, Córdoba. (Moretto et al 1993, Hammett et al 1981, 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 de la Figura 14, 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) (Figura 15).

Figura 15. Estación subterránea de trenes en Noruega (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

En su prognosis de desarrollos futuros Hudson (2012) pregunta “cuán grande puede ser una excavación, habida cuenta que la solución de Kirsch para distribución alrededor de un orificio circular es independiente del tamaño absoluto y de las propiedades elásticas de la roca. En un macizo libre de fracturas, como los que se observan en el escudo canadiense, a que tamaño se puede llegar?, a 100 m de luz, a 1000 m. de luz?.No duda que el record de la caverna de Gjovik será pronto superado”. Existen numerosos proyectos de construcciones subterráneas a alta profundidad destinadas a laboratorios de investigación de distintas ciencias. La demanda de este tipo de estructuras ha llevado a que establecer un Comité Técnico ad-hoc en la ISRM. 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 (Figura 16). En ella se contempló la ejecución de cavernas de distinto tamaño, siendo uno de los más profundos el que estaba relacionado con la visualización y estudios de neutrinos. Con el tiempo el proyecto original ha sido transformado debido a restricciones presupuestarias de la NSF, pasando a depender del patrocinio del U.S. Department of Energy.

Figura 16. Esquema propuesto para los laboratorios de DUSEL en South Dakota (www.dusel.org) 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 17).

Figura 17. Diferencias entre la experiencia previa con la caverna de DUSEL (línea vertical). (www.dusel.org) La línea empírica de la Figura 17, 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 (Figura 18) (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.

Figura 18. Disposición del proyecto de LAGUNA en Frejus (L.L Consortium 2014)

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 (Figura 19) a unos 650 m de profundidad (H.-K Design Report, 2016).

Figura 19. Excavaciones previstas para el HyperKamiokande (Hyper K Report 2016).

3 EL DISEÑO EN INGENIERIA DE ROCAS

3.1. Características particulares de las cavernas

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 (Figura 20) (Hudson & Harrison, 1997).

Figura 20. Importancia del tamaño de la sección con relación al espaciamiento de las discontinuidades y la formación de bloques (Hudson et al 1997)

En la mayoría de los macizos en rocas cristalinas ígneas y metamófricas, 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.

Una de las condiciones requeridas para instalar cavernas es ayudar al macizo rocoso que se autosoporte. Por ello 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 (Figura 21) (Engelstad 2016).

Figura 21. Esquemas de secciones óptimas de acuerdo con el estado inicial de tensiones naturales (Engelstad 2016)

3.1.4. Optimización de la ubicación en función de la litología

Una 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 (Figura 22) (Halvorsen & Lu, 2016).

Figura 22. Cambio de posición de una centra hidroeléctrica debido a la litología encontrada (Halvorsen et al 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. Otra ventaja de las cavernas es a veces 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 (Figura 23) (Engelstad 2016).

Figura 23. Orientación más favorable de la caverna de acuerdo con las discontinuidades de la rosa de diaclasas (Engelstad 2016)

3.2. El Proceso de Diseño

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 ha sido, se puede seguir el esquema propuesto por Rocca (2009) basado en la aplicación de las ideas de Burland (2007) y Vick (2002). En la Figura 24 se puede observar la posición del Triangulo de Burland (Figura 25) dentro del esquema de desarrollo de un proyecto geoingenieril (Bock 2006)

Figura 24. Triangulo de Burland (círculo) dentro del esquema de desarrollo geotécnico (modificado de Bock 2006)

Figura 25. El triangulo geotécnico (Burland 2007)

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 en sus componentes, asemejándose a la Figura del ion Hidronio (H3O) debido a la gran influencia del empirismo (Figura 26).

Figura 26. En Ingeniería de rocas el tetrahedro, se asemeja al hidronio debido al alto uso del empirismo (derecha) (Rocca 2016) Por su parte Vick plantea la existencia de dos paradigmas: 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 Triangulo de Burland, cuando se lo visualiza en 3-D (Tetraedro) (Figura 27) donde la evolución temporal ha sido propuesta por Rocca, 2009.

Figura 27. 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)

La ingeniería o espacio tecnológico se encuentra en el interior del Tetraedro (Figura 26). 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 28. 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.

Figura 28. 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. 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 27.

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 (Figuras 29).

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 mas 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 austriaco (Goricki 2013), el suizo y el alemán que parten del paradigma de la teoría hacia el espacio tecnológico.

Presiones de soporte (Hendron 1999)

Longitud de anclajes (Hoek 2007)

Figura 29. Aplicación de antecedentes en la determinación de presiones de soporte y longitud de anclajes en función del ancho de la caverna.

Figura 30. Posición de distintos sistemas clasificatorios basados en empirismo y espacio tecnológico (Rocca 2015)

Un ejemplo claro de aplicación del Paradigma de la Práctica en el diseño de cavernas es la presentación de DUSEL en Kimbalton (Figura 31) (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 2).

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

Figura 31. Ejemplo de diseño de una caverna basado en antecedentes y en sistemas de clasificación empírico. Presentación DUSEL Kimballton (VT Kimballton Team 2005)

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 32. (Barton 2013).

Figura 32. Variaciones en distribución de tensiones según se use una modelación continua o una discontinua (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 (Figura 33).

Figura 33. Detalles de la modelación numérica de Hyperkamiokande realizada con FLAC. La plastificación que es variable de acuerdo con la orientación de las secciones (HK 2016)

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. (Figura 34).

Figura 34. Modelación de LAGUNA en Frejus con FLAC. La plastificación corresponde al caso de excavación sin sostenimiento. (Laguna LBNO Consortium 2014)

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 (Figura 35).

Figura 35. Disposición del laboratorio en Agua Negra (Bettini 2014, Roskovec 2017)

El proyecto ya ha definido una distribución de espacios para realizar las excavaciones. El costo de las mismas es de unos U$S 38.000.000, 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).

Figura 36. Corte longitudinal y esquema tectónico (Bofer et al 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 (Figura 36) (Martino et al 2015).

Figura 37. Estado de tensiones determinado en superficie (paleotensiones) y medidos en ensayos de hidrofracturación (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 tendrá 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 descascarmiento 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.

5 REFERENCIAS

Barton N. (1989) Cavern design for Hong Kong rocks, en Malone AW and

Whiteside PGD, ed. Proc. of the Seminar Rock Cavern-Hong Kong. Institution of Mining and Metallurgy.: 179-202.

Barton N. (1994) A Q-system case record of cavern design in fauted rock. Politecnico Di Torino. Quinto ciclo di Conferenze di meccanica e ingegneria delle rocce. pp 14.

Barton N. (2012) From empiricism, through theory, to problem solving in rock engineering, en Qian & Zhou (eds) Harmonising Rock Engineering and the Environment –Muller lecture. Taylor & Francis, London, Vol 1: 3-14.

Barton N. (2013) Shear strength criteria for rock, rock joints, rockfill and rock masses: Problems and some solutions. J. Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, Vol.5: 249-261.

Barton N., Lien R. and Lunde J. (1974) Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support, Rock Mech., Vol. 6: 189-236.

Barton N, By TL., Chryssanthakis P., Tunbridge L., Kristiansen J., Loset F., Bhasin RK, Westerdahl H, and Vik G. (1994) Predicted and measured performance of the 62 m. span Norwegian Olympic Ice Hockey Cavern at Gjovik. Int. J. Rock Mech. Min. Sci & Geomech Abst. Vol. 31: 617-641.

Barton N. and Grimstad E. (2014) Forty years with the Q system in Norway and abroad, Fjellsprengningsteknikk, NFF, Oslo, pp 25.

Barton N. and Chen B. (2017) Risk of shear failure and extensional failure around over-stressed excavations in brittle rock. J. Rock Mech. and Geotech. Eng. Vol. 9: 210-225.

Bertou X (2017) The ANDES Deep Underground Laboratory in South America: status and prospect. Am. Physical Soc. Vol. 62. No 1. Washington, DC.

Bettini A (2014) New underground laboratories: Europe, Asia and the Americas. Physics of the Dark Universe Vol. 4: 36-40.

Bieniawski Z.T., Engineering rock mass classifications. Wiley. New York, 1989.

Bock H. (2006) Common ground in engineering geology, soil mechanics and rock mechanics: past, present and future. Bull. Eng. Geol. Env. Vol. 65: 209-216. Springer-Verlag.

Bofer M. y Hofer Ollinger G. (2012) Tunel trasandino sobre paso de agua negra. Congreso Latinoamericano Tuneles. SAT 2012. Sao Pablo. Pal. 012.

Brown E.T. (2012) Fifty years of the ISRM and associated progress in rock mechanics, en Qian & Zhou (eds) Harmonising Rock Engineering and the Environment, Taylor & Francis, London: 29-45.

Burland J. (2007) Terzaghi: back to the future, Bull. Eng. Geol. Environment, Vol.66: 29-33.

Celada B., Tardaguilla, I. Varona, P. Rodríguez A. and Bieniawski Z.T. (2014), Innovating tunnel design by an improved experience -based RMR System. Proc. World Tunnel Conference. Tunnel for a better life. Foz do Iguaçu, Brazil.

Costa A.M, Costa PVM, Amaral CS, Roehl D and Gattass M (2012) Underground storage of natural gas in salt caverns. Sao Paulo Symposium.

Dib C. (2013) ANDES Agua Negra deep experiment site, 13th TAUP, Asilomar, CA, USA, 13 September, 2013.

Dib C. (2017) Proposal for a Deep Underground Laboratory in the Southern Hemisphere. 5° ANDES Workshop en UNSAM, Buenos Aires, June 2017.

Duffaut P. and Vaskou P. (2014) Geological and Geographical Criteria for Underground Siting of Nuclear Reactors. ARMS8. 8th Asian Rock Mechanics Symposium. Sapporo

Egaña M., Engelstad T., Villegas F. and Nilsen B. (2017) Challenges on the design of Mining Caverns. Proc. WTC 2017. Bergen. Norway: 1- 10.

Elsworth D. and Fairhurst C. (2006) Geo-Science and Geo-Engineering Reseach at DUSEL. NSF. Technical Report. 52 p.

Engelstad O. (2016) Planning, design and construction of large rock caverns. en Norwegian Rock Caverns. Pub 25: 27-35. Norwegian Tunnelling Society. Oslo.

Feng X.T. and Hudson J.A. (2011) Rock Engineering Design, CRC Press, 468 p. Gillieson D. and Clark B. (2010) Mulu: The World´s Most Spectacular Tropical

Karst, en P. Migon, (ed.) Geomorphological Landscapes of the World: 311-320. Goodman R (1989) Introduction to Rock Mechanics. 2nd Ed. Wiley New York. p

562.

Goodman R (1993) Engineering Geology : Rock in engineering construction. John Wiley & Sons, NY, 412 p.

Gomes A. and Ulloa J, (2014) Geotechnical Design of Large Openings for Mining Operations in Chile. Proceedings of the World Tunnel Congress 2014. F.Iguazu

Goricki, A. (2013), Engineering aspects of geotechnical tunnel design, Rock Mechanics for Resources, Energy and Environment. Taylor and Francis, London.

Grøv E (2012) Underground storage with particular focus on hydrocarbon caverns. SAT 2012. Sao Paulo Symposium.

Guerci E, (2012) El Túnel de Agua Negra. Obra estratégica de integración del

Mercosur. Seminario Internacional PIARC. Túneles de gran longitud. Sesión III. Santiago. Chile. 17,18 y 19 de octubre.

Halvorsen A and Lu H. (2016) Neelum Jhelum Hydropower Projet, en Norwegian Rock Caverns. Pub 25: 123-129. Norwegian Tunnelling Society. Oslo.

Hammett, R.D. and Hoek, E. 1981. Design of large underground caverns for hydroelectric projects, with reference to structurally controlled failure mechanisms. Proc. American Soc. Civil Engrs. Int. Conf. on recent developments in geotechnical engineering for hydro projects. : 192-206. New York: ASCE

Hatzor Y.H., Wainshtein I. and Mazor D.B. (2010) Stability of shallow karstic caverns in blocky rock masses. International J of Rock Mech. & Mining Sciences. Vol 47: 1289-1303.

Hendron A.J. (1990) The rol of Precedent, Soil Mechanics and Rock Mechanics in Geotechnical Practice. in Duncan JM. HB Seed Memorial Volume 2: 83-110.

Hoek E. (2007) Rock Engineering. Rocscience. Toronto. Canada.

Hoek E (2010) Excavations in overstressed rock. Keynote address, 7th South American Conference on Rock Mechanics, Lima, Peru.

Hoek E and Marinos P.G. (2009) Tunnelling in overstressed rock. En Vrkljan I (ed) Rock Engineering in Difficult Ground Conditions - Soft Rocks and Karst. London: Taylor and Francis Group: 49-60.

Hoek E. and Martin C.D.,(2014) Fracture initiation and propagation in intact rock – a review. J. Rock Mech. and Geotechnical Engineering, Vol. 4: 1-14.

Hudson J.A. (2012) The next 50 years of the ISRM and anticipated future progress in rock mechanics, en Qian & Zhou (eds) Harmonising Rock Engineering and the Environment, Taylor & Francis, London: 47-55.

Hudson J.A. and Harrison J.R (1997) Engineering Rock Mechanics. An Introduction to the Principles. Pergamon. pp 444.

Hudyma M (2004) Mining-induced seismicity in underground, mechanized hardrock mines. Results of a World Wide Survey. Australian Centre for Geomechanics. The University of Western Australia. 136 pp.

Hyper-Kamiokande (2016) Design Report. pp 286.

Johansson J. (2003). High Pressure Storage of Gas in Lined Rock Caverns. Cavern Wall Design Pinciples. Thesis Royal Institute of Technology. Sweden.

Jongpradist P, Tunsakul J., Kongkitkul W., Fadsiri N., Arangelovski G. and

Youwai S. (2015) High internal pressure induced fracture patterns in rock masses surrounding caverns: Experimental study using physical model tests. Engineering Geology, Vol.197: 158–171.

Jorda-Bordehore L., Martın-Garcıa R., Alonso-Zarza A.M., Jorda-Bordehore R.,

Romero-Crespo P.L. (2016) Stability assessment of shallow limestone caves through an empirical approach: application of the stability graph method to the Castañar Cave study site (Spain). Bull Eng Geol Environ. Vol. 75: 1469–1483.

Kabwe, E. and Wang, Y. (2015) Review on Rockburst Theory and Types of Rock

Support in Rockburst Prone Mines. Open Journal of Safety Science and Technology, Vol. 5 :104-121.

Kaiser P.K and Cai M. (2012) Design of rock support system under rockburst

condition. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. Vol. 4 (3): 215–227. Laughton C. (2007) Rock engineering aspects of designing large-span caverns at

depth in the deep underground science and engineering laboratory. Proc. Rapid Excavation and Tunneling Conference. pp 694-702.

Laughton C. (2012) Challenges and progress designing deep shafts and wide-span

caverns, en Qian & Zhou (eds) Harmonising Rock Engineering and the Environment. 12 ISRM Congress. Taylor & Francis, London, Vol. 1: 1723-1727.

Li T, Ma C., Zhu M, Meng L and Chen G. (2017) Geomechanical types and

mechanical analyses of rockbursts. Engineering Geology. Vol. 222: 72–83. Ma TH., Tang C.A., Tang L.X., Zhang W.D., Wang L. (2015) Rockburst

characteristics and microseismic monitoring of deep-buried tunnels for Jinping II Hydropower Station. Tunnelling and Underground Space Technology. Vol 49: 345–368.

Martin C.D , Kaiser P.K, Christiansson R. (2003) Stress, instability and design of underground excavations. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. Vol. 40: 1027–1047.

Moretto O. 1982. Mecánica de rocas en el complejo hidroeléectrico Río Grande No.

1. Proc. Primer. Cong. Sudamericano de Mecánica de Rocas, Bogotá, Colombia. Moretto O., Sarra Pistone R.E. and Del Rio J.C. 1993. A case history in Argentina –

Rock mechanics for underground works in the pumping storage development of Rio Grande No 1. in Ed. Hudson, J.A.. In Comprehensive Rock Engineering. Vol 5: 159-192. Oxford: Pergamon.

Mourão R. and Alves J.V. (2012) Underground storage of radioactive wastes. 3. Congreso Bras. De Tuneis e estruturas. SAT 2012. São Paulo, Brazil.

LAGUNA-LBNO Consortium (2014) Design Study. Water Detector.500 Tn Project.

pp 338. Palmstrom, A. (1995) RMi-a rock mass characterization system for rock

engineering purposes. Ph.D. Thesis University of Oslo.

Posiva (2011) Olkilouto Site Description. Posiva Report 2011-02. ISBN 978-951-652- 179-7. pp1029.

Rawson D., Boardman C. and Jaffe –Chazan N. (1964) Project Gnome. The environment created by a nuclear explosion in salt. PNE-107F. Nuclear Explosions-Peaceful applications.

Riemer K.L. and Durrheim R.J. (2012) Mining seismicity in the Witwatersrand Basin: monitoring, mechanisms and mitigation strategies in perspective. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 4 (3): 228–249.

Rocca R.J. (2009), La evolución a largo plazo en Ingeniería Geotécnica, Rev. Intl. de Desastres Naturales, Accidentes e Infraestructura Civil, Vol. 9: 56-78.

Rocca R.J. (2015) Fundamentals of rock mass classification systems used in engineering design, en Integrating Innovation of Rock Mechanics, IOS Press: 365-372.

Rocca R.J. (2016) Límites del empirismo en Ingeniería de Rocas. Conferencia XXIII Camsig. Santa Fe.

Roskovec B. (2017) Geoneutrinos at ANDES 3kt Liquid Scintellator Detector. 5° Andes Workshop en UNSAM, Buenos Aires, June 2017.

Ruiz Perez J.A. y Pacheco de Assis A. (2016) . Análise ROC para a Avaliação do Desempenho dos Critérios Empíricos que Predizem o Potencial de Rockburst. Simpósio Brasileiro de Mecânica das Rochas – SBMR 2016 Mecânica das Rochas e Engenharia de Rochas para Inovação e Desenvolvimento. Conferência Especializada ISRM. Belo Horizonte, Brasil.

Shimo M, Shimaya S, Kurose H, OkazakiY and T. Maejima T. (2014) Borehole and

Chamber Tests for Evaluation of Gas-tightness of a Cavern in a Fractured Rock Mass. 8th Asian Rock Mechanics Symposium. Sapporo. Japon.

Varun MP and Fairhurst C. (2014) Underground Nuclear Power Plants: The Seismic Advantage. 8th Asian Rock Mechanics Symposium. Sapporo. Japon.

Vick S.G. (2002) Degrees of Belief. Subjective Probability and Engineering Judgement, ASCE Press, New York, pp.455.

Virginia Tech Team (2005) Dusel at Kimballton. Appendix C. Geotechnical Evaluation. pp 48.

Waltham A.C. and Brook D.B. (1980) Cave development in the Melinau Limestone of the Gunung Mulu National Park, The Geographical Journal, Vol. 146, No2, pp: 258-266.

Wang J.S.Y (2014). Progress in Underground Studies of Rock Mechanics and Multidisciplinary Interactions. 8th Asian Rock Mechanics Symposium. ARMS8. Sapporo, Japan.

Wang T., Yang C, Maa H, Li Y, Shi X, Li J, and Daemen JJK (2016) Safety

evaluation of salt cavern gas storage close to an old cavern. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. Vol. 83: 95–106.

Wiig Sagen, H. (2016) Holmestrand underground railway station – site

investigations, excavation and rock Support. en Norwegian Rock Caverns. Pub 25: 85-93. Norwegian Tunnelling Society. Oslo.

Yu Y, Chen B., Xu C., Diao X, Tong L. and Shi Y. (2017) Analysis for Microseismic

Energy of Immediate Rockbursts in Deep Tunnels with Different Excavation Methods. International Journal of Geomechanics, ASCE, Vol 17(5).

Zeng Z. (2015) Status of CJPL-II, Final Symposium of the Sino-German GDT Cooperation, Ringberg, 2015.