Contención del agua mediante escudos de aire comprimido

Figura 1. Distribución de presiones en el frente del escudo

La necesidad de equilibrar suelos inestables que además se encuentran bajo el nivel freático, ha desarrollado un conjunto de escudos con diversas tecnologías que estabilizan el frente empleando aire comprimido, lodos o las propias tierras extraídas en la excavación.

El aire comprimido es el sistema más antiguo empleado como medio de estabilización en la excavación de túneles. En 1874, James H. Greathead plantea el primer escudo que utiliza aire comprimido, aunque no se llegó a emplear. En 1879, De Witts Haskins maneja por primera vez la presurización a 0,24 MPa en la construcción del túnel en Nueva York, bajo el río Hudson, y del túnel Antwerp Docks recurriendo a dovelas de fundición.

En sus primeras aplicaciones se utilizaron escudos abiertos con una presurización integral del túnel, para construir túneles bajo niveles freáticos poco importantes (0,1 a 0,2 MPa), entre el frente y la esclusa inicial de entrada. En el frente bastaban simples escudos de entibación u otros con rueda abierta, pues el único condicionante era disponer un frente con un coeficiente de permeabilidad al aire bajo, compuesto en su mayoría por arenas finas, arcillas y limos. Estos escudos tenían acceso al frente de excavación por medio de dos sistemas de esclusas de cierre hermético: una para la entrada y salida del personal, y otra para la evacuación del escombro.

Sin embargo, es a partir de los años 1950-60 cuando se reconocen los problemas que plantea el trabajo prolongado en condiciones hiperbáricas. En efecto, cualquier pérdida de aire podría implicar un desastre de enormes proporciones.

En terrenos con frentes con suelos granulares no cohesivos, el riesgo es alto de accidentes debido a la inestabilidad del frente por su rotura. Además, los rendimientos son muy bajos, pues la entrada al túnel del personal y la maquinaria se hace a través de esclusas para mantener la presión. Incluso trabajando por debajo de los 0,3 MPa, se exigen tiempos de descompresión cercanos a las 4 horas, por lo que solo son útiles de 2 a 3 horas por turno, lo cual dispara los costes.

Los inconvenientes de esta forma de trabajo, especialmente por razones de seguridad y salud para los operarios, han eliminado por completo la presurización integral del túnel. Sin embargo en escudos cerrados, el aire comprimido cuando el terreno reúne las condiciones necesarias, puede ser un medio de estabilización eficaz, aplicable en combinación con otros medios de sustentación. Por tanto, se presuriza exclusivamente el terreno del frente, es decir, el espacio comprendido entre la rueda de corte y un mamparo, que es lo que se denomina “cámara de tierras”. De esta forma, se aísla la presión del resto de la máquina, pudiendo los operarios trabajar a presión atmosférica. Hoy día solo se entra en la cámara presurizada para la revisión de la rueda de corte y la reposición de herramientas, siempre con la máquina parada. De todas formas, los escudos de aire comprimido apenas se utilizan hoy en día, pues el aire comprimido complica mucho la organización de la obra. Solo se emplean en labores complementarias o túneles muy cortos y siempre con presiones inferiores a unos 0,3 MPa.

El reparto desigual de presiones sobre el frente de excavación, puede ser un inconveniente tanto más importante cuanto mayor sea la altura del escudo según se aprecia en el esquema siguiente: en escudos de grandes dimensiones la diferencia de cota entre la solera y la clave del túnel, puede llegar a establecer importantes diferencias de presión. Para una diferencia h2 – h1 » 10 m la sobrepresión en clave sería del orden de una atmósfera.

Por otra parte, para que el aire comprimido sea un medio efectivo de sostenimiento arenas o gravas, es necesario que el suelo contenga una proporción mínima (>10 %) de finos, es decir, son necesarios terrenos muy homogéneos. En el caso de materiales no cohesivos con riesgo de roturas del frente, se prefieren otro tipo de escudos, tal y como se describirá en lecciones posteriores.

Los principales componentes de un escudo de aire comprimido son los siguientes:

  • Cabeza de corte, formada por cuchillas y dientes
  • El escudo cilíndrico de protección. Su parte frontal está cerrada por un mamparo que separa la cámara presurizada donde está la cabeza de corte, del resto
  • Gatos hidráulicos de empuje horizontal

En estos escudos la extracción del escombro se realiza hasta la zona despresurizada a través de un tornillo sinfín, que puede descargar en una válvula esférica rotativa. Cuando existen dificultades, se pueden adicionar espumas o polímeros para conformar un gel viscoso manejable.

Existe un tipo especial de tuneladora denominada escudo abierto de aire comprimido, donde la excavación se realiza con un minador puntual o rozadora, mientras que el frente se sostenien con aire comprimido.

La realidad, la presurización neumática actual de la cámara frontal del escudo queda reducida a situaciones de emergencia en escudos de presión de lodos o de tierras para, mediante una esclusa situada en la cabeza de la máquina, permitir el acceso para la sustitución de picas, reparar o solucionar alguna situación inesperada.

Referencias:

  • GALLO, J.; PÉREZ, H.; GARCÍA, D. (2016). Excavación, sostenimiento y técnicas de corrección de túneles, obras subterráneas y labores mineras. Universidad del País Vasco, Bilbao, 277 pp.
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
  • MENDAÑA, F.; FERNÁNDEZ, R. (2011). Hidroescudos y tuneladoras E.P.B. Campos de utilización. Revista de Obras Públicas, 3525:67-86
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Participación española en la construcción del Metro de Riad

El Metro de Riad es un sistema de transporte rápido actualmente en construcción en la capital de Arabia Saudí, formando parte del denominado Proyecto de Transporte Público de Riad (RPTP, por sus siglas en inglés). Su realización servirá para acompañar a una reestructuración del transporte público de la ciudad, que lo convertirá en la columna vertebral del mismo. Comprende la construcción de un metro, un sistema de autobuses, así como infraestructuras y otros servicios asociados en la ciudad, convirtiéndose en el proyecto de transporte público más grande del país. El metro constará de seis líneas, para un total de 175 km, dando servicio al centro de la ciudad, al aeropuerto y al distrito financiero.

El proyecto del metro de Riad está dividido en tres paquetes que han sido adjudicados a consorcios internacionales: uno liderado por el grupo italiano Ansaldo STS, otro por el grupo americano Bechtel y por el español FCC. Este megaproyecto requerirá 600.000 toneladas de acero, 4,3 millones de metros cúbicos de hormigón, 176 kilómetros de vías, más de 30.000 puestos de trabajo y tendrá un coste total de 16.300 millones de euros. Constará de 85 estaciones y tendrá vagones con aire acondicionado divididos en 3 clases y que operarán sin conductor.

En un vídeo de PROIN3D se presenta esta megaconstrucción.

Un consorcio liderado por Fomento de Construcciones y Contratas (FCC) se ha adjudicado la construcción de tres líneas del metro de Riad, gracias a un contrato valorado en 6.070 millones de euros. Según la compañía, se trata del mayor contrato internacional de la historia de la construcción española. El consorcio que lidera FCC, integrado también por la coreana Samsung, las francesas Alstom y Setec, la holandesa Strukton, Freyssinet Saudi Arabia y la españolaTypsa, construirá las líneas 4, 5 y 6 del metro de Riad, el más grande del mundo en proyecto con 176 kilómetros de longitud. El plazo de ejecución de las obras será de cinco años y su construcción dará empleo a más de 15.000 personas y unos 500 puestos de trabajo podrían ser para españoles, según el presidente de la compañía. El lote logrado por el consorcio consiste en el diseño y la construcción de las líneas 4 (naranja), 5 (amarilla) y 6 (púrpura), que constarán de 25 estaciones para las que serán necesarios un total de 64,6 kilómetros de vías de metro, 29,8 kilómetros de viaductos, 26,6 kilómetros de vías subterráneas y 8,2 kilómetros de vías de superficie.

Parte española del proyecto del Metro de Ryad. Infografía: El País

A continuación os dejo un vídeo realizado por la empresa PROIN3D donde se explica en detalle cómo será la propuesta para el pozo de ataque central y su proceso constructivo para la estación 5B3 de la línea 5. Esta línea corre bajo tierra en un túnel excavado a lo largo de King Abdulaziz Street, entre el rey Abdulaziz Centro Histórico y la Base Aérea Riyadh, antes de conectar con el rey Abdullah Road. La longitud de la línea es de aproximadamente 12.9 km (8,0 millas) y cuenta con 10 estaciones, además de 2 estaciones de transferencia con las líneas 1 y 2.