Los pernos de roca supusieron un cambio en la seguridad de los sectores de la minería y la excavación. Estos anclajes, en los que se confía desde hace tiempo, han experimentado continuos avances, son sencillos de instalar, rentables y funcionan bien para mantener la roca en su sitio y la seguridad de las personas y los equipos.
La minería y la construcción de infraestructuras son temas fascinantes cuando se trata de la historia de Estados Unidos. Muchas personas se trasladaron a Estados Unidos en busca de fortuna. Una vez que llegaron aquí, se produjo un desplazamiento masivo hacia el oeste. Los hombres que acudían a las minas construyeron muchas partes de nuestro país, lo que permitió a algunos hacerse ricos, mientras que otros fueron enviados a la muerte.
La minería, la construcción de carreteras y la excavación de túneles son profesiones peligrosas. Antes de que se estabilizaran los macizos rocosos, los desprendimientos y derrumbes eran responsables de muchas muertes. Los primeros métodos de sostenimiento de las rocas incluían inicialmente el uso de madera y luego el revestimiento de la zona con ladrillos o mampostería, que presentaban altos índices de fracaso.
Los procesos actuales de minería y excavación de túneles se parecen poco a los de finales del siglo XIX. Una vez que se dispuso del acero, éste se convirtió en el principal medio de soporte. Ha habido muchas mejoras y avances para que la minería, la construcción de carreteras y la excavación de túneles sean más seguras. Una de estas mejoras ha sido el uso de pernos de roca.
Los bulones de roca ayudan a proteger la corrosión para estabilizar la roca de modo que no se fracture ni se derrumbe sobre los trabajadores, viajeros o aventureros. Hoy en día, hay muchas aplicaciones de los bulones para roca. Además de la minería y la excavación de túneles, estos pernos se utilizan en presas de hormigón, estribos de puentes, acantilados de roca, laderas empinadas y en la estabilización de cortes de carretera. Los escaladores también utilizan pernos de roca para mantenerse seguros mientras escalan.
¿Qué son los pernos de roca?
Los pernos de roca son barras roscadas de acero, que se insertan durante la excavación para estabilizar la roca que se mantendrá en su lugar para que los trabajadores y la maquinaria puedan estar protegidos. Se introduce un clavo o ancla perforada en la roca, se inyecta en su lugar y se postensan mediante compresión con placas frontales.
Esta tensión se utiliza para distribuir la carga uniformemente sobre la roca circundante. El proceso es similar al uso de anclajes de suelo o de un clavo de suelo, ya que estos pernos trabajan para mantener unidas las masas de roca fracturadas, articuladas o inestables. Esto proporciona una resistencia pasiva y crea una superficie de roca más estable, protegiendo a los que están en el suelo.
Cronología de los pernos de roca
Los primeros usos registrados de los pernos de roca datan de la década de 1890. Una documentación más exhaustiva de su uso comenzó en la década de 1920. En esta época, la mina de plomo de St. Joseph, situada en Missouri (Estados Unidos), tiene amplios registros del uso de pernos de roca. Con el tiempo, estos pernos siguieron utilizándose ampliamente en las minas, pero también en proyectos de construcción de túneles civiles tanto en Estados Unidos como en Australia en la década de 1940.
En 1947, los ingenieros de Australia empezaron a experimentar con pernos de roca de anclaje expansivos de cuatro metros de longitud. Los ingenieros estaban trabajando en un complejo para la hidroelectricidad y el riego en la zona sureste de Australia mientras experimentaban con los pernos de roca. Hoy en día, los pernos de roca se utilizan en una gran variedad de proyectos de excavación. Se sigue investigando y surgen nuevos materiales y prácticas para que estos bulones sean aún más eficaces.
¿Cómo se utilizan los bulones de roca?
El primer paso para instalar pernos de acero para roca es trabajar con un profesional para determinar la mejor longitud, tipo y espaciado de los pernos para roca. Diferentes circunstancias y estratos de roca o roca tendrán diferentes requisitos de refuerzo. Una vez completada toda la planificación, el primer paso es perforar agujeros en las paredes y el techo de la roca según el patrón decidido.
A continuación, se pueden insertar los pernos de acero para roca en los agujeros, se inyectan en su lugar con resina o lechada de cemento si es necesario, se coloca la placa de apoyo y se tensan los pernos. La instalación es sencilla, rápida y relativamente barata. En muchos casos, cada perno puede instalarse en menos de un minuto.
El proceso puede incluso estar totalmente mecanizado. Una vez insertados los pernos, a veces se extienden eslabones de cadena, vigas de celosía u otro material de malla metálica sobre la superficie para reforzar aún más el son o para atrapar cualquier trozo de roca que caiga por el desplazamiento de cizalla. Esto no siempre es necesario.
¿Cuáles son los tipos de pernos de roca?
Perno de roca anclado a la lechada
Un perno de roca con lechada es una barra roscada de acero, o pernos de barra de refuerzo. Una vez realizada la perforación e insertado este perno de acero, se puede utilizar lechada de cemento o de resina como agente de inyección. Para el refuerzo, se coloca un perno de cable hecho de alambres de acero entrelazados como una cuerda de acero con la lechada en la perforación. Se utiliza una placa de apoyo sobre el perno de roca totalmente inyectado en la cara de la roca circundante para crear tensión y estabilizar la roca.
Pernos de cable
Los pernos de cable pueden utilizarse para el refuerzo temporal o permanente de la roca. Estos pernos permiten el tensado sin tensores. Tienen un anclaje de longitud libre o roscado, en lugar del sistema de barril y cuña que se suele encontrar. Esto permite un sistema más flexible, incluso cuando se utilizan longitudes de pernos de cable más largas. Los pernos de cable tienen un peso de perno bajo, pero una gran capacidad de carga. La instalación puede realizarse con cartuchos de cemento, cartuchos de resina, lechada de cemento o resina de inyección. Son ideales para condiciones de espacio limitado y funcionan bien para el refuerzo de calzadas y portales.
Pernos de roca hueca
Estos pernos de acero tienen un agujero en el centro y se fabricaron para garantizar un proceso de inyección fiable. El agujero se utiliza para la lechada, eliminando los tubos que se enredan. Este tipo de perno puede tener el mismo mecanismo de anclaje de cono y cuña. Cuando se utiliza el perno orientado hacia abajo, se aplica la lechada en el agujero y luego se introduce un tubo corto para eliminar el aire atrapado. Cuando se utiliza el perno orientado hacia arriba, se usa un tubo corto para la lechada y se deja el agujero central libre para un tubo de respiración.
Perno autoperforante para roca
Este tipo de pernos está formado por una barra hueca totalmente roscada. Puede utilizarse en el atornillado de tejados y paredes, en el suelo, para su instalación con lechada, y puede colocarse de forma temporal o permanente. Un perno autoperforante para rocas actúa como varilla de perforación (no es necesario preperforar un agujero), como varilla de anclaje y como tubo de rejuntado. Existe un sistema de empalme para crear una mayor longitud de tendón. Estos pernos pueden encontrarse con una T (trapezoidal) o una R (cuerda) para los perfiles de la banda de rodadura y tienen diámetros de 25 a 76.
Pernos de roca anclados mecánicamente
Este tipo de perno utiliza una cubierta de expansión en lugar de lechada. Es muy parecido al funcionamiento de un anclaje de pared seca. Al girar el perno, la cuña que está unida al vástago del perno es arrastrada a una forma cónica. El armazón se ancla tanto por fricción como por enclavamiento. El anclaje mecánico puede tensarse con una percha o una placa frontal. Esto distribuirá la carga de forma más uniforme a lo largo de la cara de la roca para proporcionar un refuerzo de la misma.
Pernos de roca anclados por fricción
El perno de roca anclado por fricción es uno de los avances más recientes en las técnicas de pernos de roca. Se utiliza una fuerza radial contra la pared de la perforación a lo largo de toda la longitud del perno. Esto crea una resistencia al deslizamiento por fricción tras la instalación del perno.
Perno MDX
Si trabajas en una zona con condiciones sísmicas en la roca, el bulón MDX proporcionará más estabilidad al terreno. Los eventos sísmicos hacen que sea aún más peligroso trabajar bajo el suelo y es muy importante utilizar un bulón de roca que pueda soportar el terreno que se aprieta.
El bulón MDX puede instalarse de forma sencilla en una sola pasada y tiene una enorme capacidad de expansión y carga. Su diseño permite que el perno soporte cargas importantes con un pequeño desplazamiento. Estos pernos tienen una cuña espacial que puede expandirse hasta 60 mm. Esto proporciona un anclaje sólido en la pared sin necesidad de lechada o resina.
Pernos de roca de polímero reforzado con fibra
Cuando se trabaja en lugares con condiciones ambientales duras, como en las minas de carbón, los pernos de acero se deterioran rápidamente. A veces pueden fallar en cuestión de días. En estas duras condiciones, los pernos de roca de polímero reforzado con fibra (FRP) pueden funcionar mejor por su resistencia a la corrosión.
Esto hace que sean más adecuados para condiciones con entornos químicos y alcalinos duros. Estos pernos no son conductores, son ligeros, fáciles de instalar, duraderos, son dimensionalmente estables bajo carga térmica, tienen una clasificación antiestática y también se pueden cortar sin crear chispas.
Taco
Un pasador es simplemente una varilla de acero no tensada que se coloca en el pozo tras la perforación del macizo rocoso y se inyecta en su lugar. No está roscado, no tiene cabeza de anclaje y necesita el desplazamiento del terreno para activarse. Cuando las juntas se someten a desplazamientos, los tacos soportan esfuerzos de cizallamiento y de tracción. La relación entre los esfuerzos de cizallamiento y de tracción dependerá del material de la lechada y de la composición del soporte del suelo cercano.
Otros refuerzos utilizados con pernos de roca
Hormigón proyectado
Este material de endurecimiento rápido se rocía sobre un túnel una vez que se han instalado los pernos de roca para proporcionar más estabilización. Existe en dos formas, la gunita, que es una mezcla seca, y el hormigón proyectado, que es una mezcla húmeda. Es más eficaz utilizar el hormigón proyectado, ya que tiene un índice de rebote menor. La gunita sólo se utiliza normalmente cuando se necesita una gran resistencia en zonas pequeñas.
La gunita se deja seca hasta que llega a la boquilla, momento en el que se añade agua a la mezcla justo antes de aplicarla al sustrato a gran velocidad. El hormigón proyectado se utiliza en áreas más grandes y requiere una boquilla mecanizada, ya que la mezcla es pesada y no puede ser transportada por un trabajador. Este material está premezclado y se compone de cemento, áridos y agua. Cuando se pulveriza, el hormigón proyectado se mezcla con aire y aceleradores justo antes de la aplicación. En algunos casos, se añaden fibras al hormigón proyectado para hacerlo más fuerte y duradero.
Vigas de celosía
Las vigas de celosía, que proporcionan un apoyo inmediato, son marcos de acero triangulares y ligeros. Se pueden utilizar además del hormigón proyectado y son las más comunes en las excavaciones de cabecera. Este producto puede utilizarse junto con pernos de estrato insertados a través de las vigas de celosía para proporcionar un apoyo adicional hacia delante.
Vigas en I
Las vigas en I son pesados armazones de acero. Pueden utilizarse en un arco, abarcando toda la anchura del túnel. Se utilizan cuando las formaciones rocosas son débiles, pero degradarán la calidad del hormigón proyectado debido a su forma.
¿En qué aplicaciones se utilizan los pernos de roca?
Los pernos de roca se han utilizado durante la excavación subterránea en la industria minera y de túneles durante más de 100 años. Proporcionan un soporte temporal para el techo y también mantienen seguras las paredes. Hoy en día, los pernos de roca se utilizan en muchas otras aplicaciones.
Entre ellas se encuentran el refuerzo de presas de hormigón, los estribos de los puentes, los acantilados de roca, las pendientes pronunciadas y la estabilización de cortes de carretera. Cuando se conduce por carreteras de montaña sinuosas con paredes de roca escarpadas a ambos lados de la carretera, a menudo se pueden encontrar pernos de roca. Estos pernos protegen a los coches y a los pasajeros mientras viajan por la zona.
Planificación del apoyo en las rocas
Al preparar la construcción de un túnel, hay que tener en cuenta muchas variables. Hay cuatro grandes grupos para los túneles, según el material que atraviesen. Son el suelo, la roca débil, la roca blanda y la roca dura. Cada uno de ellos requiere diferentes métodos de excavación y apoyo en el suelo.
Los que planifican el proyecto también deben tener en cuenta si el túnel se utilizará temporalmente para un fin como la extracción de mineral, o durante un largo periodo de tiempo en un lugar donde habrá gente regularmente. Un ejemplo de esto sería un nuevo túnel de metro.
Cuando llega el momento del sostenimiento del terreno, los ingenieros deben conocer la composición geológica de la zona, tener en cuenta la finalidad del proyecto y planificar su sistema en función del tipo de sostenimiento que se necesita, la resistencia que debe tener y la rapidez con que se instalará tras la excavación.
Con esta información, el ingeniero decidirá cuál es el mejor diámetro, longitud y tipo de perno de roca que debe utilizarse. También calculará la separación óptima y decidirá si se utilizarán refuerzos adicionales, como hormigón proyectado, vigas de celosía o vigas I. Una vez que el ingeniero compone cuidadosamente el plan, pueden comenzar los trabajos de instalación del sistema de soporte del suelo.
Pernos de escalada
Los pernos de escalada pertenecen a una categoría muy diferente a la de los pernos de roca utilizados para estabilizar la roca. Estos pernos y perchas se colocan en la roca y sólo se utilizan para mantener la seguridad de los escaladores. Estos pernos y perchas se insertan en la roca en destinos de escalada populares y se dejan para que otros escaladores los utilicen posteriormente.
Un escalador utilizará cintas rápidas para sujetarse a las perchas, de modo que tenga más seguridad al escalar. Los pernos de escalada vienen en diámetros que van de 3/8 de pulgada a 1/2 pulgada y en longitudes que van de 2 pulgadas y 3 1/2 pulgadas. Es importante entender el tipo de roca en la que se colocan los pernos, ya que esto afecta al tipo de perno necesario. Por ejemplo, la roca más blanda necesita pernos más largos y gruesos.
Cuando utilices pernos y perchas al escalar, es importante que te asegures de que están en buen estado antes de confiar en ellos para sostener todo tu peso. Algunos materiales duran más que otros. El acero es el material más utilizado en los pernos de escalada.
Sin embargo, hay varios tipos de acero, como el acero al carbono y el acero inoxidable. El titanio es otro material habitual. Es muy resistente, pero también es un material nuevo para estos pernos y perchas.
El acero al carbono es el más débil y se oxidará con el tiempo; si ves óxido, es probable que el perno ya no sea seguro de usar. A veces, el acero al carbono está recubierto de zinc, que protegerá contra el óxido durante un tiempo, pero no para siempre. El acero inoxidable es más resistente, pero es difícil saber si el tornillo sigue siendo bueno. Puede estar podrido y oxidado por dentro, pero no mostrar signos de este problema por fuera.
Con el tiempo, cualquier material se corroe al estar expuesto al oxígeno. La mayoría de los pernos y colgadores duran entre 10 y 15 años; sin embargo, en condiciones extremas, pueden fallar en tan sólo unos meses. Es extremadamente importante comprobar todas las rocas y perchas a lo largo de una ruta de escalada antes de asumir que están bien para usarlas.
Cómo instalar pernos de escalada en roca
El primer paso es planificar la ruta, busca zonas con buenos agarres que no estén demasiado separadas. A continuación, encuentra roca sólida martilleando y escuchando si hay zonas que no se astillen ni suenen huecas. Una vez que encuentres un buen lugar, busca un sitio bueno y plano donde el perno o la percha se asienten bien, y taladra el agujero. Una vez taladrado el agujero, límpialo con aire para asegurarte de que está limpio. Después de esto, clava el perno en el agujero y apriétalo con una llave dinamométrica.
Preguntas frecuentes
¿Cómo funcionan los pernos de roca?
Una vez insertados los pernos de roca, «tejen» una masa de roca. Esto evita que la roca se mueva y se afloje lo suficiente como para que pueda fallar y desmoronarse. A veces, se utilizan mallas metálicas, vigas u hormigón proyectado junto con los pernos de roca para mantener la roca estable.
¿Cómo se instalan los pernos de roca?
Normalmente se tarda menos de un minuto en instalar un perno de roca. El primer paso es perforar un agujero. Para ello se puede utilizar un tapón, un taladro de gato, un jumbo para pernos de techo u otro tipo de taladro adecuado para el trabajo. Una vez taladrado el agujero, se sustituye el acero de perforación por una herramienta de atornillado.
Si se utiliza una placa, ésta se coloca ahora sobre el tubo, que se introduce entonces con el taladro o la perforadora. Si se utiliza un perno de roca anclado con lechada, la lechada se coloca en el agujero antes de introducir el anclaje de roca.
¿Cómo se ancla una roca?
El primer paso para anclar la roca es perforar un agujero del tamaño adecuado para el anclaje de roca que se va a utilizar. Una vez perforado el agujero, se inyecta lechada en el agujero si se utiliza lechada. Una vez colocada la lechada, se inserta el anclaje de roca con revestimiento roscado, utilizando una placa de apoyo si procede. Por último, hay que tensar el anclaje adecuadamente.
¿Para qué se utilizan los anclajes de roca?
Los anclajes de roca se utilizan para diversos fines. Se utilizan durante la excavación y la construcción de túneles para estabilizar la roca bajo el suelo. Los anclajes de roca también se utilizan para la escalada o para estabilizar las paredes de los acantilados.
También pueden utilizarse para reforzar presas de hormigón y estribos de puentes, así como para estabilizar cortes de carretera y pendientes pronunciadas. Los anclajes para rocas también pueden utilizarse en proyectos de construcción para estabilizar una excavación, así como una parte de los muros de contención, para resistir el movimiento de unos cimientos o para anclar una estructura a la roca.
¿Cuáles son las diferencias entre los tacos de roca y los pernos de roca?
Los pasadores de roca se insertan en agujeros previamente perforados, al igual que los pernos de roca. Sin embargo, estas varillas de acero no pueden tensarse. Las espigas se inyectan en su lugar y son elementos de refuerzo pasivos. Necesitan un cierto desplazamiento en el suelo para activarse.
Cuando estos desplazamientos se producen a lo largo de las juntas, las espigas quedan sometidas a esfuerzos de cizallamiento y tracción. Los pernos de roca pueden tensarse y distribuir uniformemente la carga a la roca circundante de forma inmediata.
¿Cuál es la diferencia entre un perno de roca y un anclaje de roca?
Los anclajes para rocas, o tiebacks, utilizan una fuerza de compresión o elevación para estabilizar una masa rocosa sobre el suelo o bajo tierra. Los anclajes de roca están hechos de barras de alta resistencia a la tracción y se dejan sin tensar o se pretensan anclándolos al final de la perforación. Si se dejan sin tensar, se convierten en un refuerzo de roca de tipo pasivo y sólo desarrollan tensión cuando hay deformaciones.
Si se tensa, el dispositivo soportará la roca inmediatamente. En cambio, los pernos de roca son varillas de acero que se inyectan en la roca o utilizan la fricción para la tensión. Una vez instalado el perno de anclaje, se tensa y se aplica la fuerza de compresión al terreno circundante. La fuerza axial inducida hace que aumente la capacidad de corte del macizo.
¿Cómo funciona el refuerzo de la roca?
Los refuerzos de roca se colocan en las estructuras rocosas para mejorar la estabilidad y aumentar la capacidad de carga. Este refuerzo utiliza las propiedades inherentes de la roca para mejorar el soporte. La roca sufre regularmente una fracturación generalizada. Como resultado, las rocas individuales se desprenden y esto acaba provocando el fallo del talud.
Cuando se utiliza el refuerzo de la roca, se pueden conectar estas discontinuidades, lo que ayuda a que la roca actúe como una sola unidad. El atornillado conecta la masa y altera las tensiones que se sienten en toda la roca.
¿Para qué sirve la lechada de cemento en la instalación de pernos en la roca?
La lechada de cemento se utiliza en el proceso de colocación de bulones para unir eficazmente la roca al bulón. De este modo, se unen de forma segura todas las zonas de roca situadas en las proximidades del bulón. La selección de la lechada adecuada para tus necesidades es importante para garantizar una unión firme.
¿Cómo se atornilla en la piedra?
En primer lugar, necesitas un taladro adecuado para el trabajo. Un taladro de percusión para un trabajo más pequeño, o un taladro de percusión, un taladro de percusión para tejados para trabajos más grandes deberían servir. Elige una broca con un diámetro ligeramente inferior al del tornillo que vayas a utilizar. Si el agujero es demasiado grande, el perno no se anclará adecuadamente en la piedra.
Una vez elegido el equipo correcto, perfora el agujero. Asegúrate de llevar equipo de protección, especialmente gafas, cuando taladres en la piedra. Una vez perforado el orificio piloto, sopla aire en el orificio para asegurarte de que está libre de residuos. Por último, introduce el perno, el ancla, el tornillo o la varilla en el agujero piloto con la tensión correcta.
¿Cómo se transmiten las fuerzas de corte a través de una grieta de hormigón armado?
Cuando se produce una grieta en el hormigón o la roca, la grieta se ensancha cuando se produce un desplazamiento por cizallamiento. Esto puede hacer que la roca o el hormigón se desmoronen y se rompan. Reforzando la grieta con pernos de roca, anclajes de roca o espigas, se evitará que la grieta se ensanche y el refuerzo elegido asumirá la tensión axial en lugar de la grieta.
¿Puedes hacer un agujero en la roca?
Sí, con el equipo adecuado, se puede hacer un agujero en la roca. Un taladro normal no funcionará, pero un taladro de martillo, un tapón, un taladro de gato, un jumbo para atornillar el techo, perforarán un agujero en la roca.
¿Cuánto peso puede soportar un tornillo de escalada?
La respuesta a esta pregunta no es sencilla, ya que un tornillo de escalada no sólo tiene que aguantar tu peso mientras cuelga, sino que tiene que ser capaz de soportar la fuerza de una caída. Para ello, el material de escalada se suele clasificar por kN. Para simplificar, 1kN es la carga estática que se encontraría al colgar 224 libras en él.
Ten en cuenta que no sólo depende de la carga que pueda soportar el tornillo, sino también del resto de tu equipo, incluidos los mosquetones y las cintas, así como de la resistencia de la roca y del estado del tornillo. Dicho esto, siempre que todo esté en buen estado, la mayoría de los pernos de escalada son buenos para un mínimo de 15kN a 20kN. Incluso con una caída, la mayoría de los escaladores no deberían infligir una fuerza de más de 8kN en un tornillo de escalada.
