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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.

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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Perforación rotativa por corte

Figura 1. Secuencia de corte

La perforación rotativa por corte tuvo su máximo desarrollo en la década de los 40 en las minas de carbón americanas. Hoy día su uso se limita a las rocas blandas y de pequeños diámetros, aunque en los trabajos a cielo abierto este sistema entra en competencia con el arranque directo y en los trabajos subterráneos con la perforación rotopercusiva.

Con este sistema, la fuerza de avance trata de mantener en contacto el útil de corte con la roca, de forma que el filo sea el encargado de realizar los sucesivos cortes.

El corte se realiza con bocas que presentan elementos de carburo de tungsteno u otros materiales como los diamantes sintéticos, pudiéndose distinguir varios tipos:

  • Bocas bilabiales o de tenedor, en diámetros de 36 a 50 mm
  • Bocas trialetas o multialetas, en diámetros de 50 a 115 mm
  • Bocas de labios reemplazables, con elementos escariadores y perfil de corte escalonado, en diámetros de 150 a 400 mm
Figura 2. Tipos de bocas para perforación por corte

El ángulo de ataque α del útil de corte varía entre 110º y 140º, siendo más obtuso cuanto más dura sea la roca. El ángulo del labio de corte β varía entre 75º y 80º. El ángulo de corte γ oscila entre -6º y 4º, siendo positivo en rocas blandas y negativo en las duras.

Figura 3. Ángulos característicos de un útil de corte

 

Figura 4. Trayectoria de un punto de la boca

Existe una relación empírica entre el diámetro de perforación, la velocidad de penetración y el tipo de roca:

donde

Vp = Velocidad de penetración

μ = Coeficiente de fricción de la roca

E = Empuje sobre la boca

Vr = Velocidad de rotación

re = Radio efectivo de la roca

Ev = Energía específica de la roca

Ar = Área de la sección transversal del barreno

 

Sin embargo, en la práctica existe una desviación importante de los datos, pues el coeficiente de fricción depende del empuje y la velocidad de rotación se limita por el desgaste continuo que se produce en las bocas al aumentar el número de revoluciones.

Figura 5. Relación entre el empuje y la velocidad de penetración

En la práctica, se pueden definir dos campos claros de operatividad de este sistema de perforación rotativa:

  • Aquellas rocas de resistencia a compresión menor a 80 MPa
  • Rocas con contenido en sílice menor al 8%, para evitar un desgaste excesivo

La eliminación del detrito de perforación suele realizarse con un fluido de barrido que puede ser aire, en los trabajos a cielo abierto o agua o aire húmedo en los trabajos de interior. Emplear aire con inyección de agua no sólo facilita la evacuación del detritus y favorece la velocidad de avance, sino que también refrigera las bocas de perforación y disminuye su desgaste. Además, evita el colmatado de la perforación y elimina el polvo. Se necesita aproximadamente de 1000 a 1500 l/min de aire y por cada perforadora unos 250 cm3/min de agua.

En rocas muy blandas (30 a 40 MPa) puede emplearse varillaje helicoidal, de paso mayor cuanto más grande sea la velocidad de penetración, para evacuar el residuo de la perforación.

Figura 6. Varilla helicoidal y bocas de perforación

Os dejo a continuación un vídeo donde explico, en general, la perforación rotativa de rocas. Espero que os complemente la información anterior.

Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Ed. IGME. Madrid, 500 pp.

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

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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