Construcción en túneles: Diseño racional para tuneladoras de última generación


La ejecución de un túnel reviste una gran complejidad técnica, tanto por el tipo de maquinaria utilizada como por el medio en que se trabaja. El principal objetivo de los constructores es ejecutar las obras evitando el daño a estructuras y servicios que se encuentran en la superficie, afrontando, además, complejas incertidumbres geológicas.

El diseño y construcción de un túnel puede presentar diversos obstáculos. El primero de ellos lo representa el tipo de terreno a excavar, que puede ser blando (suelo) o rocoso (duro o semiduro). Dependiendo de sus características se escoge el método a utilizar para su excavación, ya sea con máquinas o explosivos.

En términos generales, el uso de tuneladoras conlleva una mejora de la seguridad frente a los sistemas convencionales de excavación de túneles.

Estas máquinas horadan la roca a plena sección, generalmente de forma circular. La energía mecánica es generada mediante motores eléctricos y transmitida a la cabeza giratoria del artefacto en forma de un par de rotación, a través de circuitos hidráulicos.

Este par de rotación, junto con el empuje proporcionado por unos cilindros hidráulicos a la cabeza de la máquina contra el frente de excavación, aporta la energía mecánica a las herramientas de corte (los discos), que la transmiten a la roca a través de la superficie de contacto.

El nivel de la energía liberada es capaz de producir, en primer lugar, la penetración de los cortadores de disco y, en segundo término, el quebrantamiento por tracción y cizallamiento de la roca entre las series de cortadores concéntricos dispuestos en la cabeza del aparato.

No siempre es posible utilizar estas máquinas. Ello por el tipo de materiales a excavar, la longitud del túnel o la disponibilidad y coste de los equipos.

Sin embargo, y pesar de estas dificultades, su uso continúa siendo uno de los métodos más ventajosos para unir dos puntos a través de una vía subterránea. Estos artefactos son, en términos generales, la mejor alternativa de eficiencia, confiabilidad, tiempo de ejecución, coste y seguridad.

Un uso correcto

Cada una de las diferentes tuneladoras tiene sus ventajas e inconvenientes. Para obtener los resultados esperados, es indispensable, incluso antes de escoger el equipo a utilizar, planificar cuidadosamente. Ante todo, es preciso realizar una buena caracterización geológica, geotécnica e hidrogeológica de los terrenos a excavar.

Es de vital importancia conocer muy bien las propiedades geológicas, geotécnicas e hidrogeológicas del terreno para poder diseñar el método de excavación y el de sostenimiento más adecuado.

También resulta fundamental tomar en cuenta los servicios y construcciones existentes en la superficie, tanto directamente sobre la línea de trazado, como en áreas cercanas. Solo así se podrá tomar la mejor decisión en cuanto al tipo de tuneladora a seleccionar, las medidas correctoras del terreno, el ritmo de trabajo, las medidas de seguridad o la intensidad de la perforación, entre otros aspectos.

Seguridad como norte

Las tuneladoras ofrecen mayores niveles de seguridad en comparación a otras técnicas de excavación. Sin embargo, no eliminan todos los riesgos. Su uso, al tiempo que descarta o reduce algunos de los peligros inherentes a otras técnicas (como los explosivos), plantea nuevos retos que es necesario conocer, comprender, evaluar y manejar adecuadamente.

Básicamente, podemos hablar de tres tipos de riesgos: los que son debidos a la propia geología del terreno (y que por desconocimiento de su naturaleza pueden ocasionar accidentes de consecuencias muy graves), los riesgos inherentes a la maquinaria e instalaciones de la obra en el túnel y, finalmente, los riesgos provocados por las peculiares condiciones del ambiente de trabajo.

Estos riesgos están asociados generalmente al manejo de grandes cargas que pueden provocar hundimientos o vuelcos de la maquinaria debido a posibles fallos en el terreno de apoyo. También se pueden presentar cimentaciones inadecuadas en las grúas torre o puentes grúas.

En general, la ejecución de túneles presenta una serie de riesgos que se deben a diversos factores, entre los cuales destaca la naturaleza del subsuelo. Es de vital importancia conocer muy bien las propiedades geológicas, geotécnicas e hidrogeológicas del terreno para poder diseñar el método de excavación y el de sostenimiento más adecuado.

La excavación del túnel constituye la actividad principal y de más larga duración. En esta acción es importante diferenciar los distintos tipos de riesgos existentes.

Básicamente, podemos hablar de tres: los riesgos que son debidos a la propia geología del terreno (y que por desconocimiento de su naturaleza pueden ocasionar accidentes de consecuencias muy graves), los riesgos inherentes a la maquinaria e instalaciones de la obra en el túnel y, finalmente, los riesgos provocados por las peculiares condiciones del ambiente de trabajo.

Se debe tener especial cuidado en los primeros metros de excavación del túnel, ya que la tuneladora necesita contar con un apoyo suficiente para poder ejercer presión contra el frente. De lo contrario, podría haber apoyo deficiente de las zapatas por fallo del terreno. Esto puede provocar su hundimiento. También el menor recubrimiento puede dar lugar a colapsos y desprendimientos.

Nuevos tiempos, nuevos retos

Las nuevas necesidades de la sociedad implican el surgimiento de proyectos que se diseñan bajo parámetros y se ejecutan en condiciones geológicas que hubieran sido inconcebibles hace unos años.

Ello demanda el uso de máquinas que estén especialmente adaptadas para excavar con seguridad la infraestructura subterránea donde sea necesario, independientemente de las condiciones existentes en el subsuelo.

Pero, además, requiere una mayor preparación y compromiso por parte de los operarios encargados de convertir los proyectos en obras.

Lo cierto es que, cada vez más, los túneles se deben construir en geologías heterogéneas. La combinación de secciones de roca sólida con otras de suelos blandos es moneda de uso corriente. Asimismo, estas variaciones pueden incluir frentes con presencia de acuíferos o con condiciones mixtas de rocas y tierra o areniscas.

Por ello, el diseño de las máquinas se ve mucho más exigido. Estas deben estar adecuadamente preparadas para excavar y revestir el túnel de una forma segura y confiable. Además, deben hacerlo sin necesidad de largos tiempos de conversión para adaptarse a las condiciones específicas de los suelos en cada etapa del avance. Solo así podrán mantener niveles de tiempo de ejecución y costes que hagan a la obra técnica, operacional y financieramente viable.

Tecnología punta afronta un mayor reto

Las alineaciones de túneles con condiciones variables del suelo se han convertido en un reto habitual en muchos proyectos subterráneos. Las condiciones a lo largo del túnel a menudo varían desde frentes con rocas estables a suelos blandos con presencia de agua. Las tecnologías estándar de las tuneladoras de escudo (TBM, del inglés Tunnel Boring Machine o minador a sección completa) se han mejorado para poder trabajar en una gama más amplia de condiciones específicas del terreno. Sin embargo, cuando la variabilidad de las condiciones del terreno es excesiva, a menudo se alcanzan límites técnicos y comerciales.

Es por ello que las TBM multimodales ofrecen la posibilidad de modificar la tecnología de excavación del túnel para adaptarse a las condiciones reales del terreno y, por lo tanto, hacer funcionar las tuneladoras en modos diferentes.

Las denominadas tuneladoras de densidad variable son una nueva generación de máquinas multimodales para suelos blandos con tecnología punta. Sin grandes modificaciones mecánicas, estas máquinas combinan las dos tecnologías básicas de tuneladoras para suelo blando de modo cerrado, manteniendo un control permanente de la presión del frente.

La TBM de densidad variable se puede utilizar como una tuneladora de presión de lodos clásica mediante un sistema de burbujas de aire para controlar la presión del frente y en un modo de presión de tierras completo.

El cambio entre los modos se puede hacer gradualmente con un control permanente y total de la presión del frente del túnel y sin necesidad de realizar intervenciones en la cámara.

Esta máquina también puede funcionar utilizando una alta densidad en la cámara de excavación, que sería demasiado densa para el funcionamiento clásico de presión de lodos, pero demasiado fluida para un funcionamiento clásico de presión de tierras.

Los denominados dobles escudos son tuneladoras que presentan características tanto del topo como del escudo. Se trata de un escudo telescópico articulado en dos piezas pensado para sostener el terreno al avanzar en la excavación del túnel. Su principal característica es su doble sistema de propulsión independiente, el primero para el escudo y el segundo para el topo.

Las nuevas necesidades de la sociedad implican el surgimiento de proyectos que se diseñan bajo parámetros y se ejecutan en condiciones geológicas que hubieran sido inconcebibles hace unos años.

Esta es una máquina muy versátil pues permite excavar tanto la roca dura, que los escudos propiamente dichos no podrían perforar, con rendimientos parecidos a los de los topos. Pero, además, permite la excavación en terrenos inestables y heterogéneos que los topos no podrían realizar. Por tanto, es la mejor solución para macizos con tramos de tipología variable suelo-roca.

La máquina presenta dos escudos: el delantero y el trasero. El delantero soporta la cabeza de corte, contiene el rodamiento principal, la corona de accionamiento y los sellos interno y externo. El trasero, también llamado escudo de anclaje, incorpora el erector de dovelas y los cilindros de empuje para la propulsión en modo escudo normal.

El movimiento de estas dos partes es independiente, por lo que la cabeza puede excavar mientras que en la cola se van montando los anillos de dovelas. Así, los rendimientos alcanzados son mayores que con un escudo simple.

Un mundo de ventajas

La tecnología de tuneladoras multimodales ofrece la posibilidad de cambiar entre varios modos de funcionamiento dentro del túnel.

La gran cantidad de aplicaciones de esta nueva generación de tuneladoras de suelo blando multimodales muestra la ventaja de disponer de una solución segura incluso para áreas de alto riesgo potencial.

La mayoría de los proyectos de túneles actuales presentan una geología y un entorno heterogéneos y complejos, con la exigencia adicional que supone pasar por debajo de estructuras importantes y delicadas.

Con la tecnología de tuneladoras de densidad variable más reciente estos proyectos se pueden llevar a cabo de una forma segura y fiable.

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Por |2019-05-07T10:47:49+00:0007-05-2019|