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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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. (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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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/936637303606464512

 

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.

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. Éste 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 utilizaron 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.

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.