túneles – El blog de Víctor Yepes

Hormigón proyectado: gunitado

https://www.pavireal.es/hormigon-gunitado/

La técnica del gunitado, también conocida como hormigón proyectado, es un sistema constructivo que consiste en proyectar hormigón o mortero con un «cañón» (o manguera a alta presión) sobre cualquier tipo de superficie, inclusive la tierra. Su objetivo es construir un muro continuo, con mayor resistencia y menor espesor, para soportar y contener la presión ejercida por el terreno, con cualquier tipo de pendiente, ofreciendo una impermeabilización óptima gracias a su baja porosidad. Una de las grandes ventajas respecto al hormigón tradicional es que no precisa compactación (tampoco el autocompactante), por lo que se puede adaptar a superficies de todo tipo y geometría. La velocidad de impacto es la que compacta inmediatamente el material. En la actualidad, el hormigón proyectado es un elemento indispensable en los procedimientos de sostenimiento y revestimiento estructural de túneles y taludes.

Este hormigón se llamó originalmente «gunite» o «gunita» cuando Carl Akeley diseñó un duplicado de pistola de cemento de cámaras en 1910. Su aparato neumático aplicaba una mezcla de cemento y arena a gran velocidad sobre la superficie prevista. El desarrollo de la gunita en Europa siguió a EE. UU. cuando un ingeniero de la empresa CEMENT-GUN CO. americana fundó la TORKRET GmbH en 1921, utilizándose entonces la gunita en reparaciones de muros defectuosos y, en mucho menor medida, en el revestimiento de túneles y galerías.

Podemos distinguir tres procesos distintos de gunitado: mezcla seca, mezcla húmeda y mezcla semihúmeda. En el proceso de mezcla seca, se introduce y se mezcla el agua necesaria en la boquilla de aplicación, y el material seco de cemento (cenizas, escorias, humo de sílice, etc.) y los agregados se entregan a través de la pistola. El proceso de mezcla húmeda emplea hormigón que ha sido entregado y está bien mezclado, con exclusión de los aceleradores necesarios. Los ingredientes suelen entregarse en camiones mezcladoras de hormigón, listos, como se hace con el hormigón normal. La dosificación de cemento oscila entre 300 y 375 kg/m³, con relaciones agua/cemento de alrededor de 0,40 y 0,56, con la limitación del tamaño máximo de árido, que generalmente es inferior a los 10 mm, en función del tamaño de la manguera y la boquilla empleadas.

Os dejo varios vídeos sobre cómo se aplica la técnica. Espero que os gusten.

También os dejo el siguiente artículo por si os resulta de interés.

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Referencias:

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

BUSTILLO, M. (2008). Hormigones y morteros. Fueyo Editores, Madrid, 721 pp.

CALAVERA, J. et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.

FERNÁNDEZ CÁNOVAS, M. (2004). Hormigón. 7ª edición, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Servicio de Publicaciones, Madrid, 663 pp.

GALABRU, P. (1964). Tratado de procedimientos generales de construcción. Obras de fábrica y metálicas. Editorial Reverté, Barcelona, 610 pp.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, 189 pp.

TIKTIN, J. (1998). Procesamiento de áridos: instalaciones y puesta en obra de hormigón. Universidad Politécnica de Madrid. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid, 360 pp. ISBN: 84-7493-205-X.

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.

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

Cursos:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

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Equipos para excavación de roca dura en sección rectangular: Máquina de desarrollo minero

Figura 1. https://www.robbinstbm.com/products/mining-machines/mine-development-machine/

La Máquina de Desarrollo Minero “Mine Development Machine” (MDM) es un equipo especializado diseñado para la perforación de secciones no circulares, específicamente rectangulares, en entornos de rocas con una resistencia a la compresión de hasta 200 MPa. Este dispositivo está equipado con un cabezal de corte rotativo que cuenta con cortadores de disco para garantizar una eficiente excavación.

Hasta ahora, la excavación de galerías mineras y túneles de acceso se ha llevado a cabo mediante una metodología de perforación y voladura a menudo lenta y ardua. Históricamente, los métodos de túneles mecanizados han carecido de la personalización necesaria para agilizar las actividades mineras. El MDM ofrece una tasa de excavación el doble de rápida que la perforación y voladura, en el caso del modelo Robbins MDM5000. El perfil rectangular elimina la necesidad de verter una solera o cortar el invertido, lo que permite su uso inmediato por la flota de vehículos de la mina.

Su aplicación principal se encuentra en la construcción de infraestructuras mineras, especialmente en el desarrollo de túneles de acceso o galerías con dimensiones de 5,0 m de ancho por 4,5 m de alto. La solera resultante del túnel queda en condiciones óptimas para ser utilizada por los equipos mineros que operan sobre ruedas, facilitando así el transporte y movimiento en el interior de la mina.

Figura 2. https://www.robbinstbm.com/products/mining-machines/mine-development-machine/

El MDM utiliza gran parte de la misma tecnología que una máquina perforadora de túneles, incluyendo cortadores de disco que se desplazan en la misma pista durante un ciclo de perforación. Durante la perforación, los agarres se extienden contra las paredes del túnel, reaccionando al impulso hacia adelante de la máquina, al igual que en las TBM estándar. Los cilindros hidráulicos de propulsión se extienden, empujando los cortadores hacia la roca. La transferencia de este alto impulso a través de los cortadores de disco giratorios crea fracturas en la roca, provocando que los fragmentos se desprendan de la cara del túnel. Un sistema único de agarre flotante presiona contra las paredes laterales y se bloquea en su lugar mientras los cilindros de propulsión se extienden, permitiendo que la viga principal avance el MDM. Además, se coloca soporte continuo inmediatamente detrás del cabezal cortador en un patrón que cumple con los estándares de la mina. El soporte y la instalación de servicios públicos como tuberías, ventilación e iluminación se realizan simultáneamente a la perforación. Dado que la roca se fractura mecánicamente, no se requiere trituración secundaria y la roca rota es adecuada para el transporte mediante cintas transportadoras.

Existen algunas diferencias clave: mientras que una TBM estándar tiene un movimiento circular constante coincidente con el eje del túnel durante la perforación, el MDM utiliza un movimiento oscilante del cabezal cortador. El cabezal cortador del MDM oscila hacia arriba/abajo alrededor de un eje horizontal perpendicular al eje del túnel. La evacuación de material en el MDM es bastante diferente a la de una TBM estándar, con el material desplazándose hacia atrás desde el cabezal cortador en cada barrido descendente hacia una cinta transportadora o cadena instalada en el invertido. Esencialmente, la carga de la cinta transportadora se ejecuta mediante el barrido descendente del cabezal cortador en lugar de que los cucharones de material se vacíen sobre una cinta transportadora mientras el cabezal cortador gira, como en la configuración de una TBM estándar.

El MDM presenta diversas ventajas para las minas en comparación con otros métodos, como la perforación y voladura. La perforación con el MDM tiene tasas de avance aproximadamente el doble de las de una perforación y voladura, lo que resulta en paredes de túneles más uniformes, menos desprendimiento excesivo y un menor requerimiento de soporte estructural. El aumento en las tasas de avance se debe en parte al progreso continuo de la máquina, a diferencia de las operaciones de perforación y voladura, donde los equipos deben salir del túnel durante la detonación por motivos de seguridad. Además, la instalación simultánea de soporte estructural aumenta aún más las tasas generales de avance en comparación con las operaciones de perforación y voladura que deben instalar el soporte estructural de manera secuencial.

Este avanzado equipo ha demostrado su eficacia en la mina de plata de Fresnillo, ubicada en México. Su rendimiento se destaca con avances notables de 10-12 metros por día en condiciones de rocas con una resistencia inferior a 100 MPa, y de 7-10 metros por día en terrenos más desafiantes, con resistencia en el rango de 100-150 MPa. La máquina ha perforado a velocidades de hasta 52 metros en una semana y 191 metros en un mes en andesita y esquisto con intrusiones de cuarzo que desafiaron intentos previos de excavación con rozadoras.

La versatilidad y eficiencia de la MDM la convierten en una herramienta crucial para la ejecución de proyectos mineros, mejorando la productividad y la seguridad en el desarrollo de túneles y galerías en condiciones diversas.

Os dejo algunos vídeos de esta máquina.

Os dejo, también, un artículo explicativo de esta máquina.

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Referencias:

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Río Blast, S.A., Madrid, 206 pp.
YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209.
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

Cursos:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

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Longitud de avance sin sostenimiento en un túnel

https://www.sulzer.com/es-es/spain/shared/campaign/keeping-the-water-where-you-want-it-in-tunnel-construction

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.

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Referencias:

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.

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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.

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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.

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.

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56 años de la inauguración de túnel del Mont Blanc

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.

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:

Rueda de corte
Accionamiento
Suspensión de bentonita
Sensor de presión
Esclusa de aire comprimido
Erector de dovelas
Dovelas
Cilindros de propulsión
Burbuja de aire comprimido
Mamparo sumergible
Machacadora
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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Medición del grado de fracturación de un macizo rocoso: el índice RQD

La fracturación de un macizo rocoso se define por el número, espaciado y condiciones de las discontinuidades que presenta, cualquiera que sea su origen y clase. El grado de fracturación se suele expresar mediante el índice RQD (Rock Quality Designation), que representa la relación entre la suma de las longitudes de los fragmentos de testigo mayores de 10 cm y la longitud total del tramo considerado. Este índice fue desarrollado por D. U. Deere entre 1963 y 1967, en principio, para rocas ígneas.

Para estimar el RQD solo se consideran los fragmentos o trozos de testigo de material fresco, excluyéndose los que presentan un grado de alteración importante. La medida de este índice se realiza en cada maniobra de sondeo o en cada cambio litológico, siendo recomendable que la longitud de maniobra no exceda de 1,5 m. Además, el diámetro mínimo de los testigos debe ser de 48 mm.

Se puede decir que un RQD inferior a 25 indica un macizo rocoso de muy mala calidad, mientras que de 90 a 100, indica una calidad muy buena. Una calidad media en relación con la fracturación podría situarse entre 50 y 75.

Aunque este índice es muy utilizado, hay que tener en cuenta que no tiene en cuenta aspectos tan relevantes como la orientación del sondeo, separación, rellenos y demás condiciones de las discontinuidades, por lo que no es suficiente para describir completamente las características de la fracturación de un macizo rocoso.

Si no se dispone de datos de sondeos, el RQD aproximado puede estimarse por medio de la siguiente fórmula:

RQD ≈ 115 – 3,3 Jv

donde Jv es el número de fracturas observado por metro cúbico de roca.

Os recomiendo el artículo de Enrique Montalar acerca de este índice. Recojo las referencias de dicho artículo.

Referencias:

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Método alemán de construcción de túneles

El método alemán es un procedimiento de construcción de túneles de grandes luces que también se emplea cuando el terreno es muy malo y resulta peligroso descalzar parte de la bóveda para ejecutar los hastiales, como es el caso del método belga. Con este procedimiento se puede reaccionar con mayor rapidez que el método belga en el caso de aparecer agua, en terrenos sueltos o capas arenosas. Además, permite reducir los posibles asientos diferenciales que producirían grietas en la bóveda y asientos en superficie.

El sistema sería conceptualmente parecido al método belga, pero cambiando el orden las fases de ejecución y la propia ejecución de la bóveda. El procedimiento inicia la excavación con dos galerías de avance, fase 1; se hormigonan los hastiales para después proceder a la excavación de las fases 3 y 4, se procede al recubrimiento de la bóveda y, por último se excava la parte central, fase 5, con el fin de facilitar la entibación y el apuntalamiento de la parte superior. El avance de las galerías (fase 1) se suele realizar por tramos de 25 a 30 m, dependiendo del tipo de terreno; sin embargo, si el túnel no es muy largo (menos de 200 m, por ejemplo) se puede excavar de un tirón. Estas galerías son muy útiles si es necesario drenar agua durante la ejecución. El hormigonado de la bóveda no apoya sobre el terreno (método belga), sino sobre los estribos hormigonados. Esta bóveda se ejecuta por costillas, construidas de forma alterna. Es decir, se construye la galería central superior y cada semicostilla se ataca desde la parte superior del hastial antes de verter hormigón. Se hormigona la bóveda una vez excavada a través de la galería superior. Este procedimiento permite la construcción de grandes secciones de túnel sin que el frente abierto supere los 3-5 m2.

Os dejo un par de vídeos donde se explica con mayor detalle el método. Espero que os sean útiles.

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.

MELIS, M.J.; TRABADA, J.M. (2000). Construcción de una estación en caverna de gran luz. La estación de Guzmán el Bueno. Revista de Obras Públicas, 3485:85-90.

El método inglés de excavación de túneles

La excavación de túneles en arcillas y areniscas, terrenos comunes en Inglaterra, ha dado origen al método de construcción conocido como “procedimiento de construcción de túneles a sección completa” o “método de ataque a plena sección”. Este método se aplica a túneles de pequeña sección, con un diámetro no mayor a 15 m², lo que permite corregir cualquier imprevisto durante la excavación. Fue empleado en el primer túnel subterráneo bajo el Támesis en 1825, gracias a la utilización de un escudo de frente abierto.

El proceso de excavación se inicia con la creación de una galería central de pequeña sección y fácil control, con un diámetro aproximado de 3 m² y una longitud de entre 3 y 4 metros. La seguridad de la galería se asegura a través del uso de puntales y tablones o placas metálicas. Una vez estabilizada la primera fase, la excavación se expande hacia los laterales en la segunda fase, lo que permite una mayor velocidad en la ejecución. Posteriormente, la excavación se realiza en franjas horizontales en las fases 3 y 4. Una vez completada la excavación de la sección completa del túnel, se procede al revestimiento, comenzando por la solera o contra-bóveda.

Este procedimiento de construcción ofrece la ventaja de ejecutar el hormigonado de manera continua, evitando así la necesidad de juntas y previniendo posibles asentamientos. Sin embargo, es importante tener en cuenta que no se ejecuta el hormigonado hasta el final de la excavación, lo que puede generar riesgos en el sostenimiento en cualquier momento. Por esta razón, es necesario que el material tenga un mínimo de cohesión para poder excavar la destroza y la contra-bóveda en una única fase. Este método también es aplicable en roca, cuando no se requiere revestimiento.

Os dejo a continuación un vídeo sobre la construcción del metro bajo el Támesis, obra de Sir Marc Isambard Brunel. Espero que os guste.

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.