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• Erika Pino Huamaní

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TUNELADORAS La máquina perforadora de túnel (TBM) a una máquina para conducir túneles en roca dura con un cabezal de corte completamente cortado circular, en general, equipado con cortadores de disco. Son máquinas gigantes, con un peso de 4.366 toneladas, una potencia de 12.000 kilovatios, una longitud de 107 metros, un diámetro de 15,2 metros y una altura de unos 5 pisos, las tuneladoras son capaces de todo. Su precio aproximado es de más de 40 millones de euros. Una TBM utiliza una rotación, aplastando proceso aburrido para eliminar la roca de la superficie de una unidad de túnel. Esta es una alternativa al uso de explosivos cuando la excavación de un túnel. Para lograr esta gran fuerza tiene que ser aplicada a la cabeza de la tuneladora, también llamado cabezal de corte, mientras que gira. Para cada revolución de los discos circulares, o cuchillas, montadas en la cabeza de corte penetra más en la roca. Estos anillos de corte no son alimentados, pero rollo en círculos concéntricos contra la pared de roca. Un valor de penetración típica en condiciones de roca dura será de entre 1 mm y 15 mm por revolución. La definición de las condiciones de roca dura no está bien definido: 

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La taladrabilidad roca expresado mediante el índice de perforación Tasa DRI está en el rango de aproximadamente 20 a 80, que corresponde aproximadamente a una resistencia a la compresión σ do en el intervalo de aproximadamente 350 MPa a 25 Mpa. El tipo de roca tiene de media a baja porosidad, menos de aproximadamente 10% (volumétrico). El grado macizo rocoso de fracturar expresada por la separación media entre aviones debilidad es mayor que aproximadamente 50 mm. La roca se romperá como chips (por rotura frágil) entre los cortadores de disco. La masa de roca tiene una fuerza tal que el túnel excavado generalmente sólo es necesario apoyo la luz en forma de pernos de roca o concreto lanzado (a excepción de las zonas de debilidad y otros fenómenos singular).

Tipos de TBM Hay varios tipos diferentes de tuneladoras que se pueden utilizar cuando aburrido en roca dura condiciones. El principio básico de cómo la roca se rompe es el mismo para todos ellos, pero tener diferentes condiciones en las que son más adecuados, especialmente cuando se trata de qué tipo de roca se necesita apoyo en el túnel

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TUNELADORA ESCUDO DE PRESION DE TIERRAS (EPB)

Las tuneladoras EPB son máquinas escudadas diseñadas especialmente para su uso en terrenos blandos conteniendo agua bajo presión. Una tuneladora ordinaria vería muy dificultado su trabajo por terrenos sedimentarios sueltos con bolos de roca pero una EPB saldría airosa de esas condiciones. La EPB dispone de un escudo articulado que va sellado contra la presión de avenidas de agua de hasta 10 bar. La EPB controla la estabilidad del túnel y los asentamientos en superficie mediante el control y ajuste de

la presión en el interior de la cabeza de corte, hasta alcanzar el equilibrio con la presión a la que la cabeza está sometida, de ahí su identificación con el “Equilibrado de la presión del terreno”. La zona de trabajo en el interior de la tuneladora va completamente sellada contra la presión fluida del terreno en el exterior de la máquina. El escombro fluidizado se retira de la parte posterior de la cabeza y de la cámara presurizada mediante un transportador sinfín. El operario controla la velocidad del transportador así como su índice de descarga, controlando así la presión en el frente de excavación y adecuando la descarga de escombro al índice de producción de la tuneladora. La junta articulada entre el escudo frontal y el de cola va equipada con un sello resistente a altas presiones que permite el movimiento angular entre escudos y evita que el agua ingrese en la tuneladora. La EPB construye el revestimiento prefabricado del túnel secuencialmente después de cada avance. Los retenes especiales de alta presión del escudo de cola sellan con eficacia la máquina al exterior del revestimiento configurando una barrera contra la presión del terreno. Cuando se necesita acceder a la cámara de la cabeza para inspeccionar la misma o reemplazar herramientas de corte, los trabajadores utilizan una esclusa para operar con seguridad mientras que se utiliza aire comprimido para mantener la estabilidad del frente de excavación. Gracias a la articulación y al cortador prolongable montado en la cabeza, la EPB puede negociar curvas de radio increíblemente reducido. Los ingenieros de Robbins calculan la extensión correcta del cortador prolongable y el ángulo de articulación más adecuado para los requisitos de negociado de curvas del proyecto en particular.

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TUNELADORA ABIERTA O DE ESCUDO SIMPLE

Siendo su concepto es relativamente simple, la tuneladora abierta puede resultar muy compleja en su diseño. La parte delantera de la máquina la conforma la cabeza de corte giratoria, del diámetro nominal del túnel a excavar. La cabeza de corte aloja a los cortadores de disco que, en diámetros desde 11 a 20”, se sitúan en posiciones concretas para optimizar el corte de la roca propia del proyecto. Mientras gira la cabeza, un sistema de cilindros de empuje presiona a los cortadores contra la roca. La transferencia de estos altos empujes a la roca a través de los cortadores hace que aquella se fracture, creándose lajas de roca que se desprenden del frente de perforación. El sistema exclusivo de codales flotantes de anclaje reacciona contra los hastiales del túnel permaneciendo estacionario mientras los cilindros de empuje se extienden, permitiendo que la viga principal avance a la tuneladora. La máquina puede guiarse de modo continuo mientras que se produce el anclaje a las paredes del túnel, que reacciona al empuje de perforación descrito. Los cangilones instalados en la cabeza voltean y depositan el escombro en una cinta transportadora alojada en la viga principal. El escombro viaja hacia la parte trasera de la máquina para su evacuación del túnel. Al final de la carrera de perforación se extienden las patas traseras de la tuneladora hasta el suelo y se retraen los cilindros de empuje y anclaje. La retracción de los cilindros de empuje provoca que el sistema de anclaje se sitúe en posición para el siguiente ciclo de perforación. Se vuelven a anclar los codales a los hastiales, se levantan las patas traseras y le perforación comienza de nuevo. El diseño abierto de una tuneladora de viga principal permite el acceso rápido a la parte trasera de la cabeza de corte para la instalación de medidas de sostenimiento del terreno (bulones, mallazo, cerchas y hormigón proyectado) lo que hace que esta máquina sea ideal para túneles no revestidos. El diseño fiable de máquina abierta reduce los tiempos de mantenimiento y maximiza los períodos de perforación. Las tuneladoras de tipo abierto pueden trabajar en terrenos desde competentes a ligeramente fracturados. Diseños de la máquina en función de los requisitos del túnel en diámetros desde 3 hasta 15 m (10 a 50 ft) aunque este rango varía constantemente ante la aparición de nuevas aplicaciones.

TUNELADORA DOBLE ESCUDO

Una tuneladora de Doble Escudo consta de una cabeza de corte rotativa unida a su soporte y seguida de tres escudos: un escudo telescópico (escudo interno de menor diámetro que se desliza al interior de los escudos exteriores), un escudo de anclaje, o “gripper” y un escudo de cola. En el modo de funcionamiento normal (“modo Doble Escudo), las zapatas de anclaje empujan sobre los hastiales del túnel para reaccionar contra los empujes de perforación. Los cilindros de empuje principal se extienden para empujar a la cabeza de corte hacia delante. La cabeza de corte rotativa corta la roca. El movimiento del escudo telescópico mantiene la máquina a cubierto y protegida del terreno durante su avance de perforación. El escudo de anclaje queda estacionario durante el avance. Sobre él va montado un colocador de dovelas que permite la instalación del revestimiento prefabricado al mismo tiempo que la máquina avanza. Las dovelas se instalan bajo la seguridad que proporciona el escudo de cola. Esta es la característica principal de la tuneladora de Doble Escudo: la posibilidad de erigir el revestimiento del túnel contemporáneamente a la perforación del mismo, lo que le confiere la oportunidad de alcanzar rendimientos de avance muy altos. Además, el diseño de máquina completamente escudada proporciona un medio seguro en el que desarrollar los trabajos. Si el terreno resultase demasiado débil para soportar el empuje de las zapatas de anclaje, se puede reaccionar al empuje de perforación de la máquina de otra manera. En situaciones de este tipo, la máquina puede trabajar en “modo de escudo simple”. Mediante el uso de cilindros de empuje auxiliares situados en el escudo de anclaje, se transfiere el empuje al anillo de dovelas de revestimiento. En este modo de trabajo no es posible construir el anillo de dovelas simultáneamente al avance de la máquina, por lo que dichas dos operaciones deben llevarse a cabo secuencialmente. Independientemente del modo de funcionamiento, el personal de túnel está siempre protegido dentro de los escudos. Los Dobles Escudos pueden excavar bajo condiciones de seguridad un rango muy amplio de condiciones geológicas en un proyecto dado. Los dobles escudos se fabrican de acuerdo a los requisitos de su proyecto en diámetros desde 1,6 a 15 m (5 a 50 ft).

DISCOS DE CORTE

Los discos de corte son aros de metal duro que giran libremente sobre su eje y cuyas carcasas se fijan sobre la rueda de corte. Los discos se fabrican en acero de alta aleación y están sellados con metal para asegurar la estanqueidad absoluta en el rodamiento. fotografía de disco simple fotografía de disco doble Diseño de la rueda de corte: Los cortadores se colocan de forma que al girar la rueda de corte describan círculos concéntricos equidistantes. Esta disposición de los discos, más una ligera conicidad de la rueda de corte, facilita el proceso de identación. Se colocan mayor número de discos en el centro de la rueda de corte para forzar la rotura de la roca en esa zona a modo de cuele.

El proceso de corte:

El proceso de corte mecánico se produce inicialmente mediante un proceso de rotura frontal originado por la presión que el cortador ejerce sobre la roca. Este proceso se divide en las siguientes fases:

1. Presión inicial sobre la roca. 2. Penetración por punzamiento. 3. Aparición de fisuras. 4. Aumento de la fisuración. 5. Rotura de la roca

A este proceso de rotura puntual que se produce en cada uno de las superficies de contacto de los discos, se añade el efecto de identación que se produce entre dos discos próximos y que crea un escombro lajoso típico de este tipo de excavación.

Revestimiento por dovelas

Las dovelas son elementos prefabricados de hormigón armado que se atornillan entre si formando un anillo troncocónico. La construcción del túnel con revestimiento por anillos prefabricados permite el trazado de curvas, tanto en planta como en alzado. Esto es debido a que los anillos son troncos de conos, y colocando las caras convergentes contiguas se consigue obtener una alineación curva.

El erector de dovelas: Es un elemento de la tuneladora que se encarga de situar hasta su posición las dovelas. Un erector ha de ser rápido, preciso, sencillo de maniobrar, robusto y seguro. Un buen erector proporcionará mayor rendimiento a la tuneladora, puesto que la mitad del tiempo en la construcción de un túnel se invierte en la colocación del revestimiento. Dovela superior en clave o pieza llave:

En todos los diseños de anillos (anillo universal, anillo convencional) se diseña una dovela de menor tamaño, denominada clave o llave, que es la última pieza a colocar durante la construcción del anillo con el erector.

Relleno del trasdós: El trasdós es el espacio de sobrecorte que realiza la tuneladora con relación al diámetro exterior del anillo. Para evitar desplazamientos, roturas de las dovelas y asentamientos, este espacio es rellenado con mortero inyectado.

Sistema de avance de un topo

La sección de anclaje de un topo comprende: Un carro estructural o back up, un conjunto de zapatas de anclajes denominados codales o grippers, y los cilindros de empuje de la máquina.

Los codales o grippers: Son las zapatas que apoyan la máquina contra la roca durante el avance. Deben de soportar la fuerza de empuje necesaria para el avance del topo, proporcionada por los cilindros de empuje y transmitirla a las paredes del túnel. Método de avance: El funcionamiento de un topo se compone de 5 ciclos bien diferenciados: 1. La máquina es acodalada en el túnel. Comienza la excavación. 2. Los cilindros de empuje del cabezal de corte llegan al final de su carrera. Se para la excavación.

3. Los soportes delanteros y traseros se extienden y se retraen los codales. EL cuerpo principal de la máquina o Kelly exterior se desliza suavemente hacia delante. 4. La máquina se alinea usando el soporte trasero. 5. Los codales son extendidos y los soportes recogidos. La máquina está lista para iniciar un nuevo ciclo

AVANCE Las características técnicas, resumidamente, son:

Peso: 4.364 toneladas Longitud: 100 m (aprox.) Diámetro exterior: 15,20 m Capacidad de empuje: 316.000 kN Rendimiento máximo: 36 m/día Longitud túnel excavado: 3.526 m Potencia instalada: 22.000 kW