Os presento el libro que he publicado sobre maquinaria y procedimientos de construcción. Se trata de una completa colección de 300 problemas resueltos, abarcando aspectos relacionados con la maquinaria, medios auxiliares y procedimientos de construcción. Su contenido se enfoca en la mecanización de las obras, costos, disponibilidad, fiabilidad y mantenimiento de equipos, estudio del trabajo, producción de maquinaria, sondeos y perforaciones, técnicas de mejora del terreno, control y abatimiento del nivel freático, movimiento de tierras, equipos de dragado, explosivos y voladuras, excavación de túneles, instalaciones de tratamiento de áridos, compactación de suelos, ejecución de firmes, maquinaria auxiliar como bombas, compresores o ventiladores, cables y equipos de elevación, cimentaciones y vaciados, encofrados y cimbras, fabricación y puesta en obra del hormigón, organización y planificación de obras.
Es un libro, por tanto, muy enfocado a los ámbitos de la ingeniería de la construcción, tanto en el ámbito de la edificación, de la minería o de la ingeniería civil. Además, se incluyen 27 nomogramas originales y 19 apéndices para apoyar tanto a estudiantes de ingeniería o arquitectura, como a profesionales que enfrentan desafíos similares en su práctica diaria en obra o proyecto. La colección se complementa con un listado de referencias bibliográficas que respaldan los aspectos teóricos y prácticos abordados en los problemas. Estos problemas son similares a los tratados durante las clases de resolución de casos prácticos en la asignatura de Procedimientos de Construcción del Grado en Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València (España). Por tanto, el libro resulta adecuado tanto para estudiantes de grado como para cursos de máster relacionados con la ingeniería civil y la edificación.
Sobre el autor:Víctor Yepes Piqueras. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Universidad del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València. Número 1 de su promoción, ha desarrollado su vida profesional en empresas constructoras, en el sector público y en el ámbito universitario. Ha sido director académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (acreditado con el sello EUR-ACE®), investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y profesor visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Imparte docencia en asignaturas de grado y posgrado relacionadas con procedimientos de construcción y gestión de obras, calidad e innovación, modelos predictivos y optimización en la ingeniería. Sus líneas de investigación actuales se centran en la optimización multiobjetivo, la sostenibilidad y el análisis de ciclo de vida de puentes y estructuras de hormigón.
Figura 1. Minador continuo excavando. https://www.exms.co.za/expert-camera-systems/continuous-miner-camera-system/
Los minadores continuos (continuous miners, en inglés), son equipos para la excavación mecánica usados en minería subterránea. Crean huecos rectangulares empleando tambores de picas (6 m de ancho por 5 m de alto). Se emplean principalmente en minas de minerales blandos, tales como el carbón o la sal.
Existen equipos con posibilidad de llevar a cabo un sostenimiento simultáneo, lo que le permite avanzar 12 m sin retirarse. Un equipo puede producir unas 600 – 700 t/h de mineral. Este mineral se descarga a través de un transportador blindado a “shuttle cars”.
A continuación presento un ejercicio resuelto y un nomograma que puede ser útil para el cálculo del ratio de avance diario de un minador continuo. Se trata de una colaboración con el profesor de la Universidad Politécnica de Cartagena, Pedro Martínez Pagán.
Como podéis comprobar, existen vínculos comunes entre las especialidades de ingeniería civil y minas en muchos aspectos relacionados con la maquinaria y los procedimientos de construcción. Espero que os sea útil.
Para resolver este ejercicio, resulta de interés la tabla que presentamos en la Figura 2, donde se proporcionan valores de energía específica para varios tipos de excavadoras mecánicas.
Figura 2. Valores de energía específica para varios tipos de excavadoras mecánicas. Fuente: SME Mining Engineering Handbook (2011) – Rostami et al. (1994).
También podéis utilizar este nomograma, elaborado junto con los profesores Pedro Martínez Pagán y Jamal Rotami, que espero os sea útil.
ROSTAMI, J. (2011). Mechanical Rock Breaking. In SME Mining Engineering Handbook, 3rd Edition, Darling, P. (Ed.), Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, 417-434.
Figura 1. Operaciones básicas integrantes del ciclo de excavación de túneles con explosivos
A pesar del avance tecnológico, la técnica de perforación y voladura sigue siendo popular en la excavación de túneles debido a sus ventajas. A diferencia de la excavación mecánica, la técnica de explosivos es versátil, trabajando con varios tipos de roca y secciones de obra. Además, se adapta a otros trabajos, es fácilmente transportable y la inversión inicial es reducida. Se trata de un método de frente abierto, que consiste básicamente en la realización de unos taladros que posteriormente se cargan con explosivos y se detonan. Los gases de la explosión penetran en las fracturas y desmenuzan la roca.
La técnica de arranque con explosivos se utiliza en rocas de alta resistencia con una velocidad sísmica del orden de 2000 a 2500 m/s, dependiendo de las condiciones del terreno o de la abrasividad de las rocas. Es aplicable a rocas con una resistencia a la compresión de 80 MPa o superior, incluso las más duras, lo que la hace más eficiente que la excavación mecánica. En estos casos, la excavación mecánica puede resultar antieconómica debido a la pérdida de rendimiento y el consumo de elementos de desgaste. Además, la técnica de perforación y voladura es más flexible y puede adaptarse a cambios litológicos o trastornos tectónicos en el terreno.
La técnica de excavación con explosivos consiste en realizar taladros en el frente de excavación, cargarlos con explosivos y detonarlos. Para perforar se emplean equipos como “jumbos” o carros perforadores. Uno de los principales objetivos de una buena voladura es evitar el deterioro excesivo de la roca circundante a la excavación, ya que una voladura inadecuada puede provocar sobreexcavaciones y caídas de bloques que generan problemas de estabilidad adicionales. Por lo tanto, es necesario efectuar voladuras controladas y técnicas como el precorte o las voladuras suaves para minimizar el daño estructural al terreno. En la Figura 1 se muestran las operaciones básicas que componen el ciclo de excavación de túneles con explosivos.
Los taladros se ajustan a una longitud de avance de entre 1 y 4 metros, según la resistencia de la roca. Aunque hay diferentes disposiciones de taladros, todas ellas deben atenuar el confinamiento generado por la onda expansiva, ya que solo hay una cara de salida disponible.
Figura 2. Zonas de una voladura en un túnel
La técnica de voladura en el frente de ataque consiste en una explosión controlada que se lleva a cabo mediante una secuencia. Se utilizan detonadores de retardo de milisegundos para activar las diferentes áreas de la carga en momentos distintos. Es necesario que en un principio se cree un hueco libre con los barrenos de cuele y contra-cuele, hacia el cual romperán las cargas restantes de la sección. Luego, se vuela la destroza y se da forma a la sección del túnel con los barrenos del piso (zapateras) y los barrenos de recorte o contorno.
La excavación de túneles puede llevarse a cabo en secciones completas o, si son demasiado grandes, por fases, empleando galerías de avance, destrozas laterales y/o banqueo del suelo. Los jumbos modernos presentan una ventaja significativa en comparación con los topos y minadores. A diferencia de los topos que solo pueden excavar secciones circulares y de los minadores que tienen una capacidad de cobertura limitada, los jumbos actuales pueden utilizarse para trabajos de perforación para el sostenimiento y tienen una gran movilidad que les permite desplazarse fácilmente de un frente a otro.
En términos de inversión, los equipos de perforación tienen un costo inferior en comparación con los minadores o topos para una misma sección de excavación. Por lo tanto, en obras lineales de reducida longitud, es el sistema más recomendable para su amortización e incluso se puede destinar a la ejecución de otras obras distintas.
Sin embargo, el arranque con explosivos presenta algunos inconvenientes en comparación con la excavación mecánica. Por ejemplo, los perfiles de excavación pueden ser más irregulares y la alteración del macizo rocoso remanente puede ser intensa si las voladuras no se disparan empleando técnicas de contorno en el perímetro. Ambos aspectos pueden aumentar los costos del sostenimiento y, sobre todo, del revestimiento mediante hormigonado.
Además, si se realizan perforaciones con explosivos en zonas urbanas, las vibraciones generadas por las voladuras pueden ser un factor limitante. Es necesario proteger la integridad de las edificaciones y otras estructuras subterráneas y evitar las molestias a las personas.
Ciclo básico de perforación y voladura
En primer lugar, es importante tener en cuenta que la excavación de túneles en roca usando la perforación y los explosivos es una operación cíclica y no continua.
El ciclo básico de excavación mediante perforación y voladura consta de las siguientes operaciones. Si solo se excava la parte superior y un banco en lugar de todo el frente, se tendrá un ciclo doble más complejo:
Perforación de barrenos en el frente a un patrón y profundidad adecuados.
Retirar el equipo perforador.
Carga del explosivo y retirada del personal.
Detonado de las cargas.
Evacuación de humos y ventilación.
Saneo de los hastiales y bóveda y bulonado.
Carga y transporte del escombro.
Labores de sostenimiento y gunitado.
Replanteo de la nueva voladura.
El tiempo que se tarda en completar un ciclo de excavación para un túnel con sección completa o de calota, en caso de que el avance se realice en varias fases, suele ser de uno a dos turnos, según la sección y el tipo de sostenimiento requerido. La distribución de tiempos suele seguir la tabla que se presenta a continuación:
Perforación de barrenos
10 – 30%
Carga del explosivo
5 – 15%
Voladura y ventilación
5 – 10%
Saneo y desescombro
15 – 35%
Sostenimiento
65 – 10%
En la tabla se puede observar que el tiempo destinado al sostenimiento en la sección de avance puede llegar a superar el 50% de la duración total del ciclo en los casos más desfavorables. Por otro lado, en la sección de destroza, estos tiempos suelen ser generalmente del orden de la mitad e incluso inferiores.
En general, se recomienda utilizar una tuneladora (TBM) para excavar túneles de más de 4,5 km de longitud y la técnica de perforación y voladura para túneles de menos de 1,5 km (ver Figura 3). Sin embargo, es importante tener en cuenta que esta es una guía general y que cada proyecto debe ser evaluado en función de factores específicos que puedan influir en la elección del método de excavación. Por ejemplo, puede haber casos en los que un túnel de 5 km se excave mediante la técnica de perforación y voladura en lugar de un TBM, o viceversa, en función de factores como la geología, la geometría, el impacto ambiental y los plazos de ejecución. Para los túneles cuya longitud está comprendida entre los 1,5 km y los 4,5 km, los costos de ejecución pueden ser similares, pero se deben tener en cuenta otros factores para tomar una decisión informada sobre el método de excavación más adecuado.
Figura 3. Coste según longitud del túnel excavado para los métodos con TBM y perforación y voladura. https://bestsupportunderground.com/tbm-perforacion-voladura/
Referencias:
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.
Los sistemas de clasificación del macizo rocoso se basan fundamentalmente en un enfoque empírico y se desarrollaron como una herramienta de diseño sistemática en la ingeniería civil y minera. Tratan de ordenar y sistematizar los procedimientos de las investigaciones en campo. La mayoría de estos sistemas clasifican las condiciones geomecánicas en varios grupos diferentes que representan diferentes capacidades portantes de la roca. Sin embargo, no deberían ser utilizadas como sustitutos de los estudios analíticos, las observaciones y mediciones en campo o aportaciones de expertos, sino en conjunción con otras técnicas. La clasificación Q de Barton es una de las clasificaciones geomecánicas más empleadas en los macizos rocosos, junto con la clasificación RMR de Bieniawski.
La clasificación Q fue desarrollada por Barton, Lien y Lunde en 1974 a partir de un estudio empírico de un gran número de túneles. Esta clasificación permite estimar parámetros geotécnicos del macizo y diseñar sostenimientos para túneles y cavernas subterráneas. El índice Q se basa en seis parámetros que indican el tamaño de los bloques, la resistencia a corte entre los bloques y la influencia del estado tensional:
Donde:
RQD Índice de calidad de la roca (Rock Quality Designation)
Jn Índice de diaclasado, que indica el grado de fracturación del macizo rocoso
Ja Índice que indica la alteración de las discontinuidades
Jw Coeficiente reductor por la presencia de agua
SRF Coeficiente que tiene en cuenta la influencia del estado tensional del macizo rocoso (Stress Reduction Factor)
El índice Q varía entre 0,001 y 1.000, correspondiendo los valores bajos a rocas malas y los altos a las rocas buenas.
Una de las aplicaciones que tiene este índice es que permite establecer qué tipo de sostenimiento debería tener un túnel excavado en un macizo rocoso. A continuación os dejo un problema resuelto que, espero, os sea de interés. Un problema similar lo resolvimos en un artículo anterior, en particular el que calculaba la longitud de avance sin sostenimiento de un túnel.
BARTON, N.; LIEN, R.; LUNDE, J. (1974). Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mechanics, Springer Verlag, vol. 6, pp. 189-236.
BIENIAWSKI, Z. T. (1989). Engineering rock mass classifications: a complete manual for engineers and geologists in mining, civil, and petroleum engineering. Wiley-Interscience, pp. 40–47.
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, España, 277 pp.
GRIMSTAD, E.; BARTON, N. (1993). Updating the Q-Sytem for NMT. Proceedings of the International Symposium on Sprayed Concrete – Modern Use of Wet Mix Sprayed Concrete for Underground Support. Fagemes, Norway. Ed. Kompen, Opsahi and Berg. Norwegian Concrete Association. Oslo.
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.
Para definir el tamaño de galería máximo que sea estable frente a las roturas en masa o roturas completas se pueden emplear métodos empíricos, el método de las curvas de confinamiento convergencia y el método de cálculo numérico con programas informáticos (por ejemplo, Plaxis o Abaqus, entre otros). Sin embargo, antes de empezar a calcular, sería interesante estimar el tamaño de galería estable frente al sostenimiento (Gallo et al., 2016).
A continuación os paso un problema resuelto que utiliza el índice Q de Barton y relación con el RMR (Rock Mass Rating) para estimar la longitud de pase (longitud de avance sin sostenimiento). Además, os explico cómo estimar la carga de roca o presión sobre el sostenimiento y cómo se puede predimensionar el tipo de excavación y sostenimiento a realizar. Espero que os sea de utilidad.
BIENIAWSKI, Z. T. (1989). Engineering rock mass classifications: a complete manual for engineers and geologists in mining, civil, and petroleum engineering. Wiley-Interscience, pp. 40–47.
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, España, 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.
Figura 1. Cabeza de una microtuneladora. https://sinducor.es/productos/marca/microtuneladoras-2/
Las máquinas de excavación mecánica de túneles, como por ejemplo las microtuneladoras, utilizan cabezales equipados con útiles de corte como rascadores, picas y discos de corte. Para conocer el rendimiento del corte en la excavación mecánica de un túnel necesitamos conocer la penetración específica (cociente entre la penetración y el empuje). De esta forma, el desgaste de un cortador se mide como el recorrido, en km, de un disco cortador o el consumo de discos cortadores por m3 de material excavado.
Javier Gallo propuso en su tesis doctoral (Gallo, 2011) un modelo empírico que estima la fuerza de arranque en este tipo de excavación. La ventaja de su propuesta es que es aplicable a todo tipo de útil en la excavación, tanto en suelos como en rocas. Permite obtener la fuerza normal a aplicar sobre el útil para romper un fragmento, denominado penetración, y que coincide con el avance la máquina por revolución del cabezal. La ecuación se ha obtenido empíricamente para túneles excavados en diámetros entre 2 y 2,5 m, con útiles de corte tipo disco de diámetros 280 mm y 305 mm, y rascadores de 60 mm de ancho. La ventaja es que no es necesario conocer el área de contacto entre el útil y el terreno. El método se ajusta a una ecuación que el autor denomina función T:
Donde
F Fuerza (kN)
P Penetración (mm)
RC Resistencia a compresión (MPa)
RT Resistencia a tracción (MPa)
De esta forma, conocida la resistencia a tracción y compresión del macizo rocoso y la penetración que se pretende realizar durante el avance, podemos determinar la fuerza que debe resistir el filo del cortador. Ello permite la selección más adecuada, según los datos del fabricante. Análogamente, si conocemos de antemano la fuerza, se puede obtener la penetración máxima con la que avanzaría la tuneladora. La penetración aumenta cuanto menor sea la resistencia del terreno (Gallo et al., 2016).
Os paso un problema resuelto que espero os sea de interés.
GALLO, J. (2011) Definición de un modelo para la estimación de la fuerza de arranque en la excavación mecánica de túneles en suelos y rocas. Tesis doctoral. Universidad del País Vasco. Bilbao, España.
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, España, 277 pp.
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie: Tecnología y Seguridad Minera. Segunda edición, Madrid, 541 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.
Acaban de publicarnos un artículo en la revista Automation in Construction, que es la revista indexada de mayor impacto JCR en el ámbito de la ingeniería civil. En este caso se ha realizado un análisis bibliométrico del estado del arte y de las líneas de investigación futura del Machine Learning en el ámbito de la construcción. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. En este caso, se trata de una colaboración con grupos de investigación de Chile, Brasil y España.
Los complejos problemas industriales, junto con la disponibilidad de una infraestructura informática más robusta, presentan muchos retos y oportunidades para el aprendizaje automático (Machine Learning, ML) en la industria de la construcción. Este artículo revisa las técnicas de ML aplicadas a la construcción, principalmente para identificar las áreas de aplicación y la proyección futura en esta industria. Se analizaron estudios desde 2015 hasta 2022 para evaluar las últimas aplicaciones de ML en la construcción. Se propuso una metodología que identifica automáticamente los temas a través del análisis de los resúmenes utilizando la técnica de Representaciones Codificadoras Bidireccionales a partir de Transformadores para posteriormente seleccionar manualmente los temas principales. Hemos identificado y analizado categorías relevantes de aplicaciones de aprendizaje automático en la construcción, incluyendo aplicaciones en tecnología del hormigón, diseño de muros de contención, ingeniería de pavimentos, construcción de túneles y gestión de la construcción. Se discutieron múltiples técnicas, incluyendo varios algoritmos de ML supervisado, profundo y evolutivo. Este estudio de revisión proporciona directrices futuras a los investigadores en relación con las aplicaciones de ML en la construcción.
Highlights:
State-of-the-art developed using natural language processing techniques.
Topics analyzed and validated by experts for consistency and relevance.
Topics deepened through application of bigram analysis and clustering in addition to traditional bibliographic analysis.
Identified five large areas, and detailed two to three groups of relevant lines of research.
Abstract:
Complex industrial problems coupled with the availability of a more robust computing infrastructure present many challenges and opportunities for machine learning (ML) in the construction industry. This paper reviews the ML techniques applied to the construction industry, mainly to identify areas of application and future projection in this industry. Studies from 2015 to 2022 were analyzed to assess the latest applications of ML techniques in construction. A methodology was proposed that automatically identifies topics through the analysis of abstracts using the Bidirectional Encoder Representations from Transformers technique to select main topics manually subsequently. Relevant categories of machine learning applications in construction were identified and analyzed, including applications in concrete technology, retaining wall design, pavement engineering, tunneling, and construction management. Multiple techniques were discussed, including various supervised, deep, and evolutionary ML algorithms. This review study provides future guidelines to researchers regarding ML applications in construction.
Figura 1. Un esquema de un cajón abierto ideado por Triger (1846). https://es.wikipedia.org/wiki/Jacques_Triger
Tal día como hoy, 11 de marzo, nació el geólogo francés Jacques Triger (1801-1867), inventor del “procedimiento Triger” para ejecutar excavaciones bajo nivel freático. Se trata de realizar la excavación en el interior de una cámara o cajón abierta en su parte inferior a la que se bombea aire comprimido para evitar la entrada de agua (Figura 1).
Se empezó a emplear en las minas de carbón en 1839 (minas de Chalonnes-sur-Loire). Estas minas estaban situadas bajo el lecho del río Loira, y para llegar a la roca había que cortar 20 m de aluvión anegado de agua. En este caso, se inyectaba el aire a presión mediante una bomba de vapor.
En la Figura 2 se puede ver con mayor detalle cuál era el procedimiento constructivo ideado por Triger. Sobre la sección inferior presurizada y sellada por el terreno (B), había otra sección, (A), con esclusas arriba y abajo (M y N), con dos válvulas y un grifo. Una de las válvulas suministraba el aire comprimido a la caja y la otra lo llevaba al tubo. La válvula posibilitaba reponer el equilibrio de presión, entre la caja y las secciones contiguas. El agua se evacuaba por un tubo desde el fondo al exterior impulsado por la presión el aire, sin necesidad de bombas (S). Los descensos del tubo ocurrían al bajar la presión de la cámara.
Figura 2. Procedimiento de Jacques Triger en el pozo de Chalonne. https://jluisgsa.blogspot.com/2020/03/la-cara-oculta-de-los-puentes-con-pilas.html
Su invento fue ampliamente utilizado en la ingeniería de la construcción, especialmente para hundir los cimientos de los pilares de los puentes en los lechos de los ríos. Esta tecnología se utilizó por primera vez en Italia en la década de 1850 bajo la supervisión de empresas de construcción británicas y francesas. También se utilizó el procedimiento en obras emblemáticas como en la cimentación del puente de Brooklyn o en el puente del Firth of Forth en Escocia o en la cimentación de dos de los cuatro pilares de la Torre Eiffel (Figura 3).
Figura 3. Construcción de los cimientos de la Torre Eiffel (1887). https://es.wikipedia.org/wiki/Jacques_Triger
Esta técnica presenta riesgos elevados para los trabajadores, pues el entorno hiperbárico provoca graves daños si no se realiza una descompresión adecuada. Hoy en día, su uso es marginal y tiende a desaparecer. Otros métodos más seguros y económicos han sustituido a esta técnica.
En un artículo escrito en este blog sobre cimentación mediante aire comprimido se analiza con mayor detalle este procedimiento constructivo. Actualmente también es posible controlar el nivel freático mediante aire comprimido en excavaciones realizadas por escudos. Remito al lector a un artículo específico que escribimos en su día de esta tecnología.
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
Entrada al túnel desde el Valle de Aosta (Italia). https://es.wikipedia.org/wiki/T%C3%BAnel_de_Mont_Blanc
El 16 de julio de 1965 se inauguró el túnel de Mont Blanc, justo cuando fue mi primer cumpleaños. Tres días después cruzó el primer vehículo la flamante infraestructura subterránea. Se trata de un túnel de 11,6 km de largo, el más largo construido en ese momento, y 8,6 m de ancho. Une por carretera la ciudad francesa de Chamonix, en la Alta Saboya, con la italiana Courmayeur, en el Valle de Aosta. De este aniversario se hizo eco el programa de Radio Nacional de España “Gente despierta”. Me hicieron una pequeña entrevista que os dejo a continuación.
Se trata de una obra de gran trascendencia pues hay que pensar que hasta la tercera parte de las mercancías que exporta Italia al norte de Europa pasan por este túnel. No obstante, la idea del túnel se remonta al siglo XIX. En aquellos años, atravesar los Alpes podía tomar tres días, y no siempre era posible, pues los pasos de montaña quedaban cerrados gran parte del año debido a la nieve y el hielo.
Nunca hasta ese momento se había construido un túnel tan largo. Hoy ya tenemos túneles de mayor longitud, como el túnel de Laerdal, en Noruega, que ostenta el récord con 24,5 km de longitud. Trabajaron en el túnel de Mont Blanc cientos de hombres durante años, aguantando un calor intenso mientras duraban los trabajos. Murieron en la obra 12 trabajadores, con decenas de heridos por avalanchas, inundaciones y desprendimientos. Incluso se tuvo que suspender los trabajos durante 5 meses debido al enterramiento que sufrió la maquinaria en un momento dado.
No obstante, este túnel será recordado por el gravísimo incendio que sufrió el 24 de marzo de 1999, donde una colilla fue la que, al parecer, incendió un camión belga cargado de harina y margarina. El incendio duró 53 hora y se cobró la vida de 39 personas. Tras el incendio, el túnel se cerró durante 3 años y se abrió de nuevo en 2002. Se tuvo que reparar la parte dañada y mejorar la seguridad. Se construyeron nichos cada 100 m, una estación de primeros auxilios en el centro del túnel, un refugio conectado a una calería de escape independiente (bajo el suelo) y se prohibió el paso de camiones con materiales peligrosos, con estrictos límites de velocidad y distancia de seguridad entre vehículos.
Os dejo el reportaje que sobre el incidente hizo National Geographic. Es de visión obligatoria para todos los profesionales y estudiantes de ingeniería civil.
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
Os presento el libro que he publicado sobre maquinaria y procedimientos de construcción. Se trata de una completa colección de 300 problemas resueltos, abarcando aspectos relacionados con la maquinaria, medios auxiliares y procedimientos de construcción. Su contenido se enfoca en la mecanización de las obras, costos, disponibilidad, fiabilidad y mantenimiento de equipos, estudio del trabajo, producción de maquinaria, sondeos y perforaciones, técnicas de mejora del terreno, control y abatimiento del nivel freático, movimiento de tierras, equipos de dragado, explosivos y voladuras, excavación de túneles, instalaciones de tratamiento de áridos, compactación de suelos, ejecución de firmes, maquinaria auxiliar como bombas, compresores o ventiladores, cables y equipos de elevación, cimentaciones y vaciados, encofrados y cimbras, fabricación y puesta en obra del hormigón, organización y planificación de obras.
