Un escudo para túneles es una estructura protectora que se utiliza durante la excavación de grandes túneles artificiales . Al excavar en terrenos blandos, líquidos o inestables, existe un riesgo potencial para la salud y la seguridad de los trabajadores y del proyecto en sí debido a la caída de materiales o un derrumbe. Se puede utilizar un escudo de túnel como estructura de soporte temporal. Por lo general, se coloca por un corto tiempo desde que se excava la sección del túnel hasta que se puede revestir con una estructura de soporte permanente. La estructura permanente puede estar formada, según la época, por ladrillos, hormigón, hierro fundido o acero. Aunque los escudos modernos son comúnmente cilíndricos, el primer "escudo", diseñado por Marc Isambard Brunel , era en realidad una gran estructura de hierro rectangular, similar a un andamio, con tres niveles y doce secciones por nivel, con una superficie superior sólida que soporta carga . La estructura protegió a los hombres de derrumbes mientras trabajaban dentro de ella, cavando el túnel frente al escudo.
El primer escudo de túnel rectangular exitoso fue desarrollado por Marc Isambard Brunel y patentado por él y Lord Cochrane en enero de 1818. Brunel y su hijo Isambard Kingdom Brunel lo utilizaron para excavar el túnel del Támesis a partir de 1825 (aunque el túnel no se abrió hasta 1843). . [1] Se dice que Brunel se inspiró en su diseño en el caparazón del gusano de barco , un molusco cuya eficiencia para perforar madera sumergida observó mientras trabajaba en un astillero. [1] El escudo fue construido por Maudslay, Sons & Field de Lambeth, Londres, quienes también construyeron las bombas de vapor para deshidratar el túnel.
En 1840, Alfred Ely Beach , editor de la revista Scientific American , fue el primero en sugerir que un diseño circular sería superior al diseño rectangular de Brunel. En 1868, Beach construyó un escudo circular, cuya imagen apareció impresa en un artículo de noticias de Nueva York sobre su idea de un sistema de túnel neumático. El diseño se basó en la red del escudo de Brunel y se atornilló hacia adelante a medida que la cara avanzaba manualmente.
En 1864, Peter W. Barlow solicitó una patente de diseño que tenía una sección transversal circular. En teoría, esto hizo que el escudo fuera más fácil de construir y más capaz de soportar el suelo circundante; en teoría, porque nunca se construyó ningún escudo con este diseño. La patente de Barlow de 1864 se mejoró aún más y se le otorgó una patente provisional en 1868, pero nunca se ratificó porque Barlow murió poco tiempo después.
El diseño original de Brunel fue mejorado sustancialmente por James Henry Greathead , a quien se le concedieron tres patentes para diferentes diseños de escudos. Además, inventó el concepto de lechada de hormigón proyectado para estabilizar los movimientos de tierra con hormigón inyectado, un recipiente que inyecta hidráulicamente lechada de refuerzo en las cavidades entre el revestimiento construido y la pared circular del túnel.
Greathead fue el primero en utilizar un escudo de túnel cilíndrico, lo que hizo durante la construcción de la Torre del Metro bajo el río Támesis en el centro de Londres en 1869. El escudo de Greathead tenía 7 pies y 3 pulgadas (2,21 m) de diámetro. Asimismo, Alfred Ely Beach abrió su túnel al público el 1 de marzo de 1870.
Greathead también utilizó uno en la construcción del City and South London Railway (hoy parte de la línea norte del metro de Londres ) en 1884, con túneles de 10 pies y 2 pulgadas (3,10 m) de diámetro. Su escudo también fue utilizado en la conducción del 12 pies 1+ Túneles de 3 ⁄ 4 pulgadas (3,702 m) de diámetro para Waterloo & City Railway , que se inauguró en 1898. Los túneles de la estación City (ahora conocida como Bank) eran los escudos de túneles de mayor diámetro del mundo en ese momento, midiendo 23 pies (7,0 m).
Un escudo original de Greathead utilizado en la excavación de las líneas profundas del metro de Londres permanece en su lugar en túneles en desuso debajo de la estación Moorgate . [2]
La mayoría de los escudos de túneles todavía se basan libremente en el diseño de Greathead. [3]
En las primeras excavaciones de túneles con escudo, el escudo funcionaba como una forma de proteger a los trabajadores que realizaban la excavación y avanzaban el escudo, reemplazándolo progresivamente con secciones preconstruidas de la pared del túnel. Los primeros túneles profundos del metro de Londres se construyeron de esta manera. El escudo dividía la superficie de trabajo en porciones superpuestas que cada trabajador podía excavar.
Una tuneladora (TBM) consta de un escudo (un cilindro metálico grande) y mecanismos de soporte de arrastre.
En el extremo frontal del escudo hay una rueda de corte giratoria. Detrás de la rueda de corte hay una cámara donde el suelo excavado se mezcla con lodo (la llamada tuneladora de lodo) o se deja tal cual (equilibrio de presión de tierra o escudo EPB), según el tipo de tuneladora. La elección del tipo de tuneladora depende de las condiciones del suelo. También existen sistemas para la eliminación de la tierra (o de la tierra mezclada con purín).
Detrás de la cámara hay un conjunto de gatos hidráulicos sostenidos por la parte terminada del túnel que se utilizan para empujar la tuneladora hacia adelante. Una vez que se ha excavado una cierta distancia (aproximadamente 1,5 a 2 metros (5 a 7 pies)), se construye un nuevo anillo de túnel utilizando el constructor. El montador es un sistema giratorio que recoge los segmentos prefabricados de hormigón y los coloca en la posición deseada.
Detrás del escudo, en el interior de la parte terminada del túnel, se pueden encontrar varios mecanismos de soporte que forman parte de la tuneladora: retirada de tierra, purines si procede, salas de control, carriles para el transporte de las dovelas prefabricadas, etc.
El revestimiento del túnel es la pared del túnel. Suele estar formado por dovelas prefabricadas de hormigón que forman anillos. Los revestimientos de hierro fundido se utilizaban tradicionalmente en los túneles del metro de Londres , mientras que a veces se utilizaban revestimientos de acero en otros lugares. El concepto de utilizar secciones de revestimiento moldeadas prefabricadas no es nuevo y fue patentado por primera vez en 1874 por James Henry Greathead . [ cita necesaria ]
En Japón existen varios enfoques innovadores para proteger la construcción de túneles, por ejemplo, el túnel Double-O o el túnel DOT.
Este túnel parece dos círculos superpuestos. También hay escudos con brazos computarizados que pueden usarse para cavar un túnel en prácticamente cualquier forma. [4]