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Microtúneles: Tecnología sin zanja para la construcción subterránea

Figura 1. Microtúnel.https://purewater-int.com/services/microtunneling/

La ingeniería civil ha desarrollado tecnologías avanzadas que permiten la instalación y el mantenimiento de infraestructuras subterráneas sin afectar significativamente a la superficie. Una de estas tecnologías, particularmente útil en áreas urbanas y entornos sensibles, es la de los microtúneles.

En este artículo, exploraremos los aspectos principales de los microtúneles, sus ventajas y limitaciones, los distintos tipos de escudos y los métodos de revestimiento, como el uso de dovelas y la hinca de tubería, que aseguran la estabilidad de los túneles.

1. ¿Qué son los microtúneles?

Los microtúneles son un tipo específico de tecnología sin zanja diseñada para instalar tuberías y conductos subterráneos a través de un proceso de perforación y revestimiento controlado, sin requerir excavaciones abiertas en la superficie. Estos túneles de pequeño diámetro suelen utilizarse para instalar colectores, redes de agua y sistemas de alcantarillado. A diferencia de otras técnicas de perforación, los microtúneles ofrecen mayor precisión y estabilidad estructural, ya que se utilizan tuneladoras y sistemas de guiado avanzados.

Ventajas de los microtúneles

  • Impacto mínimo en la superficie: Como no es necesario abrir zanjas, los microtúneles reducen las interrupciones en el tráfico y minimizan los daños en la infraestructura existente.
  • Menor impacto ambiental: Este método evita la remoción de grandes cantidades de tierra y reduce los desechos de la construcción, por lo que es una opción más ecológica.
  • Ideal para áreas de difícil acceso: Al requerir solo pozos de entrada y salida, los microtúneles son ideales para trabajos en áreas urbanas densamente pobladas o bajo infraestructuras ya existentes.

Limitaciones de los microtúneles

  • Costos iniciales elevados: La maquinaria y planificación requerida pueden aumentar los costos, especialmente en terrenos sencillos donde una excavación tradicional sería suficiente.
  • Necesidad de estudios geotécnicos detallados: Para asegurar el éxito del proyecto, es necesario un análisis exhaustivo del tipo de suelo, así como un diseño específico para el trazado y la maquinaria a emplear.

2. Maquinaria y equipos utilizados en la perforación de microtúneles

La construcción de microtúneles requiere diferentes tipos de escudos, que son dispositivos que protegen el frente de excavación y facilitan la extracción de material. El tipo de escudo elegido depende de las características del terreno y de las especificaciones del proyecto.

Tuneladoras de escudo abierto

Los escudos abiertos son los más básicos y se utilizan en terrenos cohesivos y por encima del nivel freático. Su diseño permite que el personal trabaje dentro del escudo y retire el material excavado mediante cintas transportadoras o vagonetas. Sin embargo, su principal limitación es que no pueden prevenir derrumbes, lo que los hace adecuados solo para suelos estables. Existen versiones que utilizan aire presurizado para estabilizar el entorno en algunas condiciones.

Tuneladoras de escudo cerrado

Las tuneladoras de escudo cerrado son las máquinas principales utilizadas en los microtúneles. Estos equipos están diseñados para evitar derrumbes y permiten un control preciso sobre la extracción del material excavado. Existen dos tipos principales de tuneladoras de escudo cerrado:

  • Tuneladora EPB (Earth Pressure Balance): Equilibra la presión en el frente usando el propio material excavado, lo cual es especialmente útil en terrenos arcillosos. Además, utiliza espumas y polímeros para estabilizar el suelo.
  • Tuneladora hidroescudo: Este tipo de tuneladora utiliza lodos para estabilizar el frente de excavación, lo que resulta especialmente útil en suelos arenosos o bajo el nivel freático.

Ambos tipos de escudos permiten extraer el material en seco o húmedo, asegurando una operación segura y eficiente en diversas condiciones geológicas.

Figura 2. Tuneladora EPB. https://www.gypsum.in/microtunneling/

3. Métodos de revestimiento en microtúneles

Un aspecto importante en la construcción de microtúneles es el revestimiento, que garantiza la estabilidad y durabilidad del túnel, especialmente en terrenos inestables. Existen dos métodos principales de revestimiento: el método de dovelas y el método de hinca de tubería.

Revestimiento con dovelas

Este método consiste en el uso de dovelas, secciones de anillo prefabricadas, que se ensamblan en el interior del túnel a medida que avanza la tuneladora. El procedimiento implica montar las dovelas dentro de la máquina y posteriormente inyectar mortero en el trasdós para garantizar la estabilidad del revestimiento y evitar filtraciones. Este método permite construir túneles con radios de curvatura pequeños, adaptándose a trazados complejos y de gran diámetro.

Revestimiento con hinca de tubería

El revestimiento con hinca de tubería es ideal para túneles de menor diámetro y consiste en empujar tramos de tubería prefabricada desde el pozo de ataque hasta el pozo de salida. Este proceso puede incorporar estaciones intermedias para longitudes extensas, y utiliza bentonita como lubricante para reducir la fricción durante la hinca. La principal ventaja de este método es que no requiere que el personal opere dentro de la tuneladora y facilita la alineación precisa gracias al sistema de guiado continuo.

Ambos métodos de revestimiento cumplen la función de asegurar la estabilidad y el sellado del túnel, aunque su selección dependerá de las características específicas del proyecto.

4. Planificación y ejecución de un proyecto de microtúnel

Para llevar a cabo un proyecto de microtúnel, es fundamental una planificación detallada que incluya:

  • Estudios geotécnicos: Analizar el tipo de suelo es esencial para definir el equipo y las técnicas de excavación adecuadas, especialmente en terrenos variables o inestables.
  • Selección de tuneladora y herramientas de corte: La tuneladora debe ser seleccionada en función de las condiciones del suelo, y equipada con herramientas de corte específicas.
  • Diseño del pozo de ataque: Los pozos de entrada y salida deben ser diseñados para facilitar el montaje y operación de la tuneladora.
  • Sistema de guiado: Un sistema de guiado, como un teodolito láser motorizado, asegura que la perforación siga el trazado previsto, evitando desviaciones que podrían afectar la estructura del túnel.

5. Caso de estudio: El colector de Valdemarín

Un ejemplo destacado de aplicación de los microtúneles es el proyecto del colector de Valdemarín, en el que se utilizó una tuneladora EPB con dovelas para construir un colector de aguas en un terreno arenoso y de alta abrasividad. El colector, con un diámetro nominal de 2760 mm, fue diseñado para superar el reto de excavar bajo un nivel freático considerable y con una geometría compleja, incluyendo curvas de pequeño radio. Gracias a la tecnología de microtúnel, fue posible instalar el colector, minimizando el impacto en el entorno urbano y controlando el proceso de excavación en un suelo particularmente desafiante.

Conclusión

Los microtúneles son una solución avanzada para la construcción subterránea, especialmente útil en entornos urbanos densos y ambientalmente sensibles. Con diversas opciones de escudos (abiertos y cerrados) y métodos de revestimiento, como las dovelas y la hinca de tuberías, esta tecnología proporciona flexibilidad y precisión en una amplia gama de condiciones geológicas. La implementación de microtúneles sigue siendo una herramienta clave para el desarrollo de infraestructuras subterráneas sostenibles, ya que minimiza el impacto en la superficie y optimiza el proceso constructivo.

Os dejo algunos vídeos para ilustrar esta técnica constructiva.

Referencias:

FRENCH SOCIETY FOR TRENCHLESS TECHNOLOGY (FSTT). Microtunneling and Horizontal Drilling: Recommendations. John Wiley & Sons, 2010.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Fuerza de arranque en la excavación mecánica de túneles

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.

Descargar (PDF, 166KB)

Referencias:

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.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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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. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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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

Descargar (PDF, 1.27MB)

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. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Esto me suena… las tuneladoras y el “Ciudadano García”

Gobierno de la Ciudad Autónoma de Buenos Aires [CC BY 2.5 ar (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5/ar/deed.en)], via Wikimedia Commons

Va siendo ya habitual colaborar de vez en cuando con el periodista José Antonio García Muñoz, conocido como Ciudadano García, sobre temas de ingeniería. Como ya he comentado en alguna entrada anterior, la labor de divulgación de las ciencias, y en particular de la ingeniería, resulta una tarea agradable y enriquecedora. Hoy hemos hablado sobre tuneladoras.

Tener la oportunidad de comunicar aspectos de nuestra profesión a más de 300.000 oyentes supone todo un reto, más si lo que se busca es transmitir de forma sencilla y para todo el mundo, aspectos técnicos que, a veces, solo somos capaces de hacerlo con colegas o estudiantes. Insisto, todo un reto y una oportunidad que se agradece.

Os dejo a continuación el audio por si queréis escucharlo. Se grabó en directo, y suena tal cual se hizo. Espero que os guste.

 

 

 

Jornada en Twitter sobre historia de túneles

El Túnel de Saint Claire (1890)

Esta semana tuvimos una esplendida conferencia sobre construcción de túneles realizada por ASEMAQ en la Escuela de Ingenieros de Caminos de Valencia. Esta conferencia se incluye dentro de los actos conmemorativos del 50 aniversario de la Escuela.

Esta conferencia, por tanto, ha dado pie a que publicara una serie de tweets sobre la historia de túneles. Esta experiencia ya la hicimos con los puentes postesados, con el hormigón, o con puentes de polímero reforzado con fibras. Algunos posts ya habíamos publicado antes sobre este tema como el túnel de Eupalinos o la Mina de Daroca. Os dejo los tweets a continuación.

 

 

https://twitter.com/vyepesp/status/936630039839498240

https://twitter.com/vyepesp/status/936631772380581888

https://twitter.com/vyepesp/status/936637303606464512

https://twitter.com/vyepesp/status/936644943510196224

https://twitter.com/vyepesp/status/936647263295819777

 

Tuneladora de doble escudo

Tuneladora de doble escudo. https://www.xeologosdelmundu.org/tuneladora-de-doble-escudo-geologos-del-mundo/

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.

Túnel ferroviario de Guadarrama

Boca sur del túnel de Guadarrama. Wikipedia

El túnel ferroviario del Guadarrama está formado por dos túneles paralelos, uno para cada sentido de la circulación, de 28 km de longitud. Es el más largo construido en España, el cuarto más largo de Europa y el quinto de todo el mundo a fecha de 2008. Iniciado el 28 de septiembre de 2002, su entrada en servicio tuvo lugar el 22 de diciembre de 2007 y en su construcción han llegado a trabajar más de 4000 personas simultáneamente. Es una de las mayores obras de ingeniería civil ejecutada en España. Este túnel constituye la piedra angular de las líneas de alta velocidad que unirán Madrid con las principales ciudades del norte y noroeste de España.

Esta infraestructura atraviesa la sierra de Guadarrama, partiendo desde el término municipal de Miraflores de la Sierra (Madrid) a una cota a 998 m y alcanzando una altura máxima de 1.200 m, con una pendiente del 1,5%, y volviendo a descender hasta los 1.114 m ya en las proximidades de la ciudad de Segovia. El máximo recubrimiento de la bóveda del túnel se da bajo el entorno del Pico de Peñalara, con 992 m de altura en ese punto. Los túneles tienen un diámetro de excavación de 9,45 m y un diámetro interior de 8,50 m, estando separados sus ejes 30 m.

El proceso constructivo empleó cuatro tuneladoras de roca extradura, atacando desde sus cuatro bocas. Al tener que atravesar fallas de materiales poco resistentes y prever situaciones de bloqueo de las máquinas, el tipo de tuneladora fue de doble escudo, con una capacidad de empuje sobredimensionada. Estas máquinas extrajeron 4 millones de m³ de los túneles. Dispone de galerías de emergencia uniendo ambos corredores cada 250 m, una gran estancia autónoma y estanca a mitad de recorrido, con cabida para 1.200 personas para su uso en caso de emergencia y se han instalado ventiladores reversibles que puedan inyectar aire si ocurriese un incendio. El diseño se ha realizado para que los trenes que lo recorran puedan alcanzar altas velocidades sin comprometer con ello la infraestructura.

 Os dejo un par de vídeos donde se explica la ejecución de esta infraestructura.

 

 

El túnel del Canal de la Mancha

Ubicación y conexiones del Eurotúnel. Wikipedia

Eurotunel es un túnel ferroviario que cruza el canal de la Mancha, uniendo Francia con el Reino Unido. La construcción del túnel fue iniciada en 1986 y terminado en 1994, con una inversión total de 14,7 mil millones de euros. En la actualidad, cerca de 500 trenes circulan por el túnel cada día, con un tiempo de travesía de unos 35 minutos entre Calais/Coquelles (Francia) y Folkestone (Reino Unido). Tiene una longitud de 50,5 km, 39 de ellos submarinos, siendo así el segundo túnel submarino más largo del mundo, con una profundidad media de 40 metros, detrás del Túnel Seikan, cuya longitud es de 53 km.  El servicio ferroviario por el Eurotúnel tiene dos variantes: el Eurostar, para pasajeros, y el Shuttle, que transporta camiones, automóviles y motos.

Está formado por tres galerías:

  • Dos túneles de 7,6 m de diámetro reservados para el transporte ferroviario, uno de ida y otro de vuelta (A).
  • Una galería de servicios de 4,8 m, preparada para la circulación de vehículos eléctricos (B).

Sección transversal del túnel. Wikipedia.

Estas tres galerías están unidas cada 375 m por otras galerías transversales de auxilio y mantenimiento (C) y (D), que permiten que haya una corriente de aire para disminuir la presión, evitando así la propagación del humo en caso de incendio, así como la resistencia aerodinámica al paso de los trenes que circulan a 140 km/h. Cada túnel ferroviario contiene una sola vía, catenaria y dos pasarelas que se utilizan para las evacuaciones de emergencia, incluyendo un cruce submarino que permite a los trenes pasar de un túnel a otro para facilitar las operaciones de mantenimiento.

La construcción de un túnel que uniera Inglaterra con Francia fue propuesto por primera vez en 1802. El proyecto, sin embargo, no se materializó debido a la ausencia de técnicas apropiadas para la construcción de este tipo de túneles. La construcción del Eurotúnel no fue nada fácil. Un total de 11 tuneladoras, cada una con un peso de aproximadamente 450 toneladas, se emplearon para excavar los túneles. Los dientes montados en su parte frontal están hechos de un metal extremadamente duro y al girar van penetrando en el terreno, haciendo espacio para que la máquina pueda seguir avanzando. La perforadora empleada en el Eurotúnel tenía 8,78 m de diámetro y 200 m de longitud, con un peso total de 11.000 toneladas.

Os dejo un vídeo que espero te guste.