Tuneladoras de frente en presión de lodos: los hidroescudos

Vista frontal de un hidroescudo. https://www.eurohinca.com/escudo-cerrado-hidroescudo.html

Los escudos de frente en presión de lodos, o hidroescudos (hydroshield, en inglés) son tuneladoras que emplea lodos tixotrópicos para garantizar la estabilidad del frente, con un sistema de conducción del escombro por vía húmeda mediante bombeo. Estas máquinas surgieron en los años sesenta para resolver el problema de la presurización de los frentes de excavación en materiales no cohesivos.

Actualmente, los hidroescudos son aptos para trabajar para excavar bajo nivel freático en terrenos complicados, formados por arenas y gravas u otros materiales blandos y fragmentados. El límite del tamaño máximo transportable hidráulicamente es de 80 a 100 mm. No obstante, si se incorpora una trituradora en la cabeza de la máquina, se puede abordar el desalojo de tamaños mayores. Cuando el porcentaje de finos (tamiz 200) supera el 20%, la solución no es económica por la dificultad de separar el escombro de la bentonita. Además, se trata de una máquina especialmente indicada para la perforación de pequeños diámetros. No obstante, siempre con los inconvenientes propios de este medio de estabilización: vertido de los lodos y sobrecoste de la instalación para su preparación, bombeo y recuperación.

Estos escudos son las más apropiados para excavar túneles en terrenos inestables sometidos a una elevada presión de aguas subterráneas o a filtraciones que deben contenerse proporcionando sostenimiento al frente de excavación con un fluido a presión. Este fluido de excavación normalmente es una suspensión de bentonita o bien una mezcla de arcilla y agua.

El fluido de perforación se bombea hacia el interior de la cámara de excavación, donde llega al frente de excavación y penetra en el suelo formando la torta de filtro o el mamparo impermeable en suelos finos, o la zona impregnada en suelos gruesos, que garantiza la presión en el frente. La función de los lodos, además de estabilizar el terreno, es facilitar la evacuación del escombro que, mezclado con ellos, se bombea y dirige hacia el exterior.

En estos escudos, la parte de la máquina que realiza la excavación, está separada del resto por una mampara completamente estanca. Los lodos ocupan una cámara con dos compartimentos: uno anterior lleno de lodos con el escudo en funcionamiento y otro posterior en el que se regula la presión por medio de un colchón de aire que está separado de la cámara por un diafragma. El volumen de lodos, se controla automáticamente con un regulador de nivel superior e inferior que actúa sobre los sistemas de alimentación y de extracción del detritus, de forma que cuando los lodos alcanzan uno de estos niveles, las bombas de impulsión o extracción se paran automáticamente.

En la Figura 2 se representan las distintas partes de la que consta un hidroescudo.

Figura 2. Esquema básico de un hidroescudo

La numeración de las partes del hidroescudo de la Figura 2 es la siguiente:

  1. Rueda de corte
  2. Accionamiento
  3. Suspensión de bentonita
  4. Sensor de presión
  5. Esclusa de aire comprimido
  6. Erector de dovelas
  7. Dovelas
  8. Cilindros de propulsión
  9. Burbuja de aire comprimido
  10. Mamparo sumergible
  11. Machacadora
  12. Tubería de extracción

Como en cualquier aplicación con lodos bentoníticos, la permeabilidad del terreno tiene un límite (k > 10-2 cm/s.) a partir del cual la capa de gel ya no se forma sobre el terreno y en consecuencia ha de recurriese a otro medio auxiliar de excavación.

La mezcla con los residuos se bombea desde la cámara de excavación hasta una planta de separación situada en la superficie, compuesta generalmente por cribas y ciclones, lo cual permite reciclar la suspensión de bentonita y arcilla.

Por último, resulta relevante comentar que los hidroescudos son la única forma de excavar un túnel bajo nivel freático cuando las presiones del agua son muy elevadas, por encima de los 5 Bar.

Os dejo a continuación la Figura 3, tomada de Mendaña y Fernández (2011), donde se pueden ver, de una forma aproximada, los rangos de utilización de los hidroescudos frente a los escudos EPB. A la izquierda de la figura tenemos en azul los terrenos cohesivos, donde lo ideal son los escudos EPB, mientras que a la derecha son terrenos no cohesivos con escasez de finos, donde lo más adecuado son los hidroescudos. Existe, como siempre, un campo intermedio donde se debe estudiar con mayor detenimiento la aplicación. En cualquier caso, es muy importante elegir bien los aditivos adecuados.

Figura 3. Campo de aplicación de los escudos presurizados (Mendaña y Fernández, 2011)

Os dejo a continuación un artículo de Mendaña y Fernández publicado en la Revista de Obras Públicas: http://ropdigital.ciccp.es/pdf/publico/2011/2011_octubre_3525_04.pdf

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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.
  • 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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Tuneladora de doble escudo

Tuneladora de doble escudo

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.

Se trata de 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 las zapatas de los “grippers” operables a través de ventanas. En su parte posterior 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, situándose los “grippers” en un hueco abierto entre ambas, 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. Al mismo tiempo que los cilindros de empuje principal impulsan hacia delante el escudo de cabeza y la rueda de corte realiza la excavación, en el escudo trasero se procede al montaje de un nuevo anillo de dovelas de sostenimiento al abrigo del mismo. Este sistema se aplica en aquellos terrenos capaces de resistir la presión que transmiten los “grippers”.

Cuando el terreno no es capaz de resistir la presión de los “grippers”, la tuneladora funciona como escudo simple, cerrandose el hueco de los “grippers”, apoyándose mediante unos cilindros auxiliares en el último anillo colocado, para así obtener la reacción necesaria para el empuje de la cabeza de corte. Por ello, trabajando en modo escudo, no es posible simultanear la excavación con el montaje del anillo de dovelas.

Para aclarar esta explicación, vamos a ver un vídeo de HERRENKNECHT, donde se muestra el funcionamiento de la maquina tuneladora de doble escudo (TBM) utilizada en la perforación del tunel de Guadarrama para el AVE. Espero que os guste.

Referencias:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Métodos y equipos de excavación en túnel. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.835. Valencia, 52 pp.

Tuneladoras EPB: Escudos de presión de tierras

Dulcinea (Herrenknecht EPB Shield S-300). 4.364 toneladas de peso, longitud: 100 m (aprox.), diámetro exterior: 15,20 m, empuje: 316.000 kN, rendimiento máximo: 36 m/día y una potencia de 22.000 kW

Las tuneladoras EPB (en inglés, Earth Preasure Balance),  son escudos de presión de tierras que se utilizan normalmente  en la excavación de terrenos cohesivos. Pertenecen al grupo de tuneladoras que denominamos escudos, y que se diferencian de los topos por la carcasa metálica exterior que sostiene provisionalmente el frente de avance hasta que se coloca el sostenimiento definitivo. Los escudos EPB han sido utilizados con éxito en la construcción de túneles, aunque también puede utilizarse con la técnica de hinca de tubos. Como ventajas se encuentran sus elevados rendimientos, trabajando incluso bajo el nivel freático, su versatilidad y respeto medioambiental, aunque requieren de una elevada inversión económica.

El sostenimiento del frente de excavación se realiza con la propia tierra excavada, que se aloja en una cámara de extracción para mantener la presión sobre el frente y minimizar asientos en superficie. Esta función se puede reforzar añadiendo espumas al material extraído, lo cual amplía la aplicabilidad de la máquina, al aumentar la plasticidad de los terrenos.

El material se extrae mediante un tornillo de Arquímedes, que en función de su velocidad de extracción y bajo el control de la fuerza de avance proporcionada por los cilindros de propulsión, permite controlar la presión de balance de las tieras. El material excavado se deposita en una cinta transportadora a través de un tornillo sinfín. El transporte del material al exterior se realiza mediante vehículos sobre raíles o camiones.

El sostenimiento definitivo del túnel se consigue mediante un revestimiento de dovelas prefabricadas, formadas normalmente por unas siete piezas. En el siguiente enlace, se muestra un esquema con los componentes principales de nuestra tuneladora EPB para la colocación de dovelas.

 

 

Esquema básico de un escudo EPB

 

1.   Rueda de Corte.
2.   Accionamiento.
3.   Cámara de excavación.
4.   Sensor de presión.
5.   Esclusa de aire comprimido.
6.   Erector de dovelas.
7.   Dovelas.
8.   Cilindros de propulsión.
9.   Cinta transportadoras
10. Sinfín de extracción.

 

 

Esta máquina puede dividirse en tres partes principales:  el escudo y rueda de corte, el back up y el tren de avance. El escudo es la parte principal, donde se encuentra la rueda de corte, los cilindros de empuje y los de guía; también se aloja en esta parte el tornillo sinfín y el erector de dovelas, entre otros. El back up, que normalmente tiene más de 80 m de longitud, aloja la cabina de mando, los motores principales, la cinta de extracción de tierras, la ventilación, el transformador eléctrico, el equipo inyector de espuma y mortero así como las vías del tren. Por último, el tren dispone de vagones para el escombro, un vagón para el mortero de relleno y algún vagón para el transporte de material o personal.

Pero una imagen vale más que mil palabras. Os paso varios vídeos sobre el funcionamiento de estas máquinas que espero os gusten.

https://www.youtube.com/watch?v=g4XGQ9H2YP4

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.