Un escudo de tunelaje es una estructura protectora que se utiliza durante la excavación de grandes túneles hechos por el hombre . Al excavar en terreno blando, líquido o inestable, 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. Un escudo de tunelaje se puede utilizar como una estructura de soporte temporal. Por lo general, se coloca a corto plazo desde que se excava la sección del túnel hasta que se puede revestir con una estructura de soporte permanente. La estructura permanente puede estar hecha de ladrillos, hormigón, hierro fundido o acero, según el período. Aunque los escudos modernos suelen ser 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 soportaba la carga . La estructura protegía a los hombres de los derrumbes mientras trabajaban en su interior, cavando el túnel frente al escudo.
El primer escudo rectangular para excavación de túneles que tuvo éxito 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 la concha 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, quien también construyó las bombas de vapor para desagotar 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, una imagen del cual se publicó en un artículo de noticias de Nueva York sobre su idea del sistema de túnel neumático. El diseño se basaba en la celosía del escudo de Brunel y se movía hacia adelante con un tornillo 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 hacía que el escudo fuera más fácil de construir y pudiera soportar mejor el suelo circundante; en teoría, porque nunca se había construido un 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 proyectada para estabilizar las obras de tierra con hormigón inyectado, una bandeja de esparcido que inyectaba 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 cilíndrico para la construcción de túneles, lo que hizo durante la construcción del metro de la Torre bajo el río Támesis en el centro de Londres en 1869. El escudo de Greathead tenía 2,21 m de diámetro. De manera similar, Alfred Ely Beach abrió su túnel al público el 1 de marzo de 1870 .
Greathead también utilizó uno en la construcción del Ferrocarril de la Ciudad y el Sur de Londres (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 se utilizó en la conducción del tren de 12 pies 1 pulgada.+Túneles de funcionamiento de 3 ⁄ 4 pulgadas (3,702 m) de diámetro para el ferrocarril Waterloo & City , que se inauguró en 1898. Los túneles de la estación City (ahora conocida como Bank) eran los escudos de tunelaje de mayor diámetro del mundo en ese momento, midiendo 23 pies (7,0 m).
Un escudo Greathead original 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 tunelaje todavía se basan vagamente en el diseño de Greathead. [3]
En los primeros túneles con escudo, este servía para proteger a los trabajadores que realizaban la excavación y avanzaban con el escudo, reemplazándolo progresivamente por secciones prefabricadas de muro de túnel. Los primeros túneles profundos del metro de Londres se construyeron de esta manera. El escudo dividía el frente de trabajo en porciones superpuestas que cada trabajador podía excavar.
Una tuneladora (TBM) consta de un escudo (un gran cilindro metálico) y mecanismos de soporte posteriores.
En el extremo delantero del escudo se encuentra una rueda de corte giratoria. Detrás de la rueda de corte hay una cámara en la que, según el tipo de tuneladora, la tierra excavada se mezcla con lodo (la denominada tuneladora de lodo) o se deja tal cual (tuneladora de presión de tierra o tuneladora de presión de tierra). La elección del tipo de tuneladora depende de las condiciones del suelo. También hay sistemas para retirar la tierra (o la tierra mezclada con lodo).
Detrás de la cámara hay un conjunto de gatos hidráulicos que se apoyan en la parte terminada del túnel y que se utilizan para empujar la tuneladora hacia adelante. Una vez que se ha excavado una cierta distancia (aproximadamente 1,5-2 metros), se construye un nuevo anillo de túnel utilizando el erector. El erector es un sistema giratorio que recoge dovelas de hormigón prefabricado y las coloca en la posición deseada.
Tras el escudo, en el interior de la parte terminada del túnel, se encuentran varios mecanismos de apoyo que forman parte de la tuneladora: destierre, tuberías de lodos si las hay, salas de control, carriles para el transporte de las dovelas prefabricadas, etc.
El revestimiento del túnel es la pared del mismo. Generalmente está formado por segmentos de hormigón prefabricado que forman anillos. Tradicionalmente, en los túneles del metro de Londres se utilizaban revestimientos de hierro fundido , mientras que en otros lugares se utilizaban revestimientos de acero. El concepto de utilizar secciones de revestimiento prefabricadas moldeadas no es nuevo y fue patentado por primera vez en 1874 por James Henry Greathead . [ cita requerida ]
En Japón existen varios métodos innovadores para excavar túneles de escudo, como por ejemplo el túnel de doble O o DOT,
que parece dos círculos superpuestos. También existen escudos con brazos computarizados que se pueden utilizar para excavar un túnel de prácticamente cualquier forma. [4]