Una tuneladora ( TBM ), también conocida como "topo", es una máquina utilizada para excavar túneles . Los túneles se excavan a través de roca dura, suelo húmedo o seco o arena , cada uno de los cuales requiere tecnología especializada.
Las tuneladoras son una alternativa a los métodos de perforación y voladura (D&B) y a la "minería manual".
Las tuneladoras limitan la perturbación del terreno circundante y producen una pared del túnel lisa. Esto reduce el coste de revestir el túnel y es adecuado para su uso en zonas urbanas. Las tuneladoras son caras de construir y las más grandes son difíciles de transportar. Estos costos fijos se vuelven menos significativos para los túneles más largos.
Las secciones transversales de los túneles perforados por TBM varían de 1 a 17,6 metros (3,3 a 57,7 pies) hasta la fecha. Los túneles más estrechos generalmente se perforan utilizando métodos de construcción sin zanjas o perforación direccional horizontal en lugar de tuneladoras. Los túneles de las TBM suelen tener una sección transversal circular, aunque pueden tener forma de U, de herradura, cuadrados o rectangulares. [1] [2] [3] [4] [5] [6]
Las velocidades de construcción de túneles aumentan con el tiempo. La primera tuneladora alcanzó un máximo de 4 metros por semana. Esta cifra aumentó a 16 metros por semana cuatro décadas después. A finales del siglo XIX, las velocidades superaban los 30 metros por semana. Las tuneladoras de roca del siglo XXI pueden excavar más de 700 metros por semana, mientras que las tuneladoras de suelo pueden superar los 200 metros por semana. La velocidad generalmente disminuye a medida que aumenta el tamaño del túnel. [7]
El primer escudo de túneles exitoso fue desarrollado por Sir Marc Isambard Brunel para excavar el túnel del Támesis en 1825. Sin embargo, esto fue sólo la invención del concepto de escudo y no implicó la construcción de una tuneladora completa, la excavación aún tenía que ser completada. logrado mediante los métodos de excavación estándar en ese momento. [8]
La primera máquina perforadora que se informó que se construyó fue la Mountain Slicer de Henri Maus . [9] [10] [11] [12] [13] Encargado por el rey de Cerdeña en 1845 de excavar el túnel ferroviario de Fréjus entre Francia e Italia a través de los Alpes , Maus lo hizo construir en 1846 en una fábrica de armas cerca de Turín . Consistía en más de 100 taladros de percusión montados en la parte delantera de una máquina del tamaño de una locomotora, accionados mecánicamente desde la entrada del túnel. Las revoluciones de 1848 afectaron la financiación, y el túnel no se completó hasta 10 años después, utilizando métodos menos innovadores y menos costosos, como los taladros neumáticos . [14]
En los Estados Unidos, la primera máquina perforadora que se construyó se utilizó en 1853 durante la construcción del túnel Hoosac en el noroeste de Massachusetts. [15] Hecha de hierro fundido, era conocida como la máquina cortadora de piedra patentada de Wilson , en honor al inventor Charles Wilson. [16] Perforó 3 metros (10 pies) en la roca antes de romperse (el túnel finalmente se completó más de 20 años después, y al igual que el túnel ferroviario de Fréjus, utilizando métodos menos ambiciosos). [17] La máquina de Wilson anticipó las tuneladoras modernas en el sentido de que empleaba discos de corte, como los de una grada de discos , que estaban unidos al cabezal giratorio de la máquina. [18] [19] [20] A diferencia del cincelado o la perforación y voladura tradicionales, este método innovador de extracción de roca se basaba en ruedas metálicas simples para aplicar una alta presión transitoria que fracturaba la roca.
En 1853, el estadounidense Ebenezer Talbot también patentó una tuneladora que empleaba los discos de corte de Wilson, aunque estaban montados sobre brazos giratorios, que a su vez estaban montados sobre un plato giratorio. [21] En la década de 1870, John D. Brunton de Inglaterra construyó una máquina que empleaba discos de corte que estaban montados excéntricamente sobre placas giratorias, que a su vez estaban montadas excéntricamente sobre una placa giratoria, de modo que los discos de corte se desplazaran sobre casi toda la superficie. pared de roca que iba a ser removida. [22] [23]
La primera tuneladora que excavó un túnel a una distancia sustancial fue inventada en 1863 y mejorada en 1875 por el oficial del ejército británico, mayor Frederick Edward Blackett Beaumont (1833–1895); La máquina de Beaumont fue mejorada aún más en 1880 por el oficial del ejército británico, el mayor Thomas English (1843-1935). [24] [25] [26] [27] [28] En 1875, la Asamblea Nacional francesa aprobó la construcción de un túnel bajo el Canal de la Mancha y el Parlamento británico apoyó una prueba utilizando la tuneladora inglesa. Su cabezal de corte consistía en una broca cónica detrás de la cual había un par de brazos opuestos sobre los cuales estaban montados discos de corte. Desde junio de 1882 hasta marzo de 1883, la máquina excavó un túnel, a través de tiza, un total de 1.840 m (6.036 pies). [13] Un ingeniero francés, Alexandre Lavalley , que también era contratista del Canal de Suez , utilizó una máquina similar para perforar 1.669 m (5.476 pies) desde Sangatte en el lado francés. [29] Sin embargo, a pesar de este éxito, el proyecto del túnel que cruza el Canal de la Mancha fue abandonado en 1883 después de que el ejército británico expresó temores de que el túnel pudiera usarse como ruta de invasión. [13] [30] Sin embargo, en 1883, esta tuneladora se utilizó para perforar un túnel de ventilación ferroviario (2 m (7 pies) de diámetro y 2,06 km (6750 pies) de largo) entre Birkenhead y Liverpool , Inglaterra, a través de arenisca bajo el Río Mersey . [31]
El túnel del río Hudson se construyó entre 1889 y 1904 utilizando una tuneladora de escudo Greathead. El proyecto utilizó aire comprimido a 2,4 bar (35 psi) para reducir los derrumbes. Sin embargo, muchos trabajadores murieron por derrumbe o enfermedad de descompresión. [32] [33] [7]
A finales del siglo XIX y principios del XX, los inventores continuaron diseñando, construyendo y probando tuneladoras para túneles de ferrocarril, metro, alcantarillas, suministros de agua, etc. Se patentaron tuneladoras que empleaban series giratorias de taladros o martillos. [34] Se propusieron tuneladoras que parecían sierras perforadoras gigantes. [35] Otras tuneladoras consistían en un tambor giratorio con púas metálicas en su superficie exterior, [36] o una placa circular giratoria cubierta con dientes, [37] o correas giratorias cubiertas con dientes metálicos. [38] Sin embargo, estas tuneladoras resultaron costosas, engorrosas e incapaces de excavar roca dura; Por lo tanto, el interés por las tuneladoras disminuyó. Sin embargo, el desarrollo de las tuneladoras continuó en las minas de potasa y carbón, donde la roca era más blanda. [39]
The Robbins Company fabricó una tuneladora con un diámetro de orificio de 14,4 m (47 pies 3 pulgadas) para el proyecto del túnel del Niágara en Canadá . La máquina se utilizó para perforar un túnel hidroeléctrico debajo de las Cataratas del Niágara . La máquina recibió el nombre de "Big Becky" en referencia a las presas hidroeléctricas de Sir Adam Beck a las que hizo túneles para proporcionar un túnel hidroeléctrico adicional.
Hitachi Zosen Corporation produjo en 2013 una tuneladora de equilibrio de presión de tierra conocida como Bertha con un diámetro de orificio de 17,45 metros (57,3 pies). [40] Fue entregada a Seattle , Washington , para su proyecto de túnel de la autopista 99 . [41] La máquina comenzó a funcionar en julio de 2013, pero se detuvo en diciembre de 2013 y requirió reparaciones sustanciales que detuvieron la máquina hasta enero de 2016. [42] Bertha completó la perforación del túnel el 4 de abril de 2017. [43]
Dos tuneladoras suministradas por la CREG excavaron dos túneles para el Rapid Transit de Kuala Lumpur con un diámetro de perforación de 6,67 m (21,9 pies). El medio era lutita arenosa saturada de agua, lutita esquistosa, lutita muy erosionada y aluvión. Logró una tasa de avance máxima de más de 345 m (1132 pies) por mes. [44]
La tuneladora de roca dura más grande del mundo , conocida como Martina , fue construida por Herrenknecht AG . Su diámetro de excavación fue de 15,62 m (51,2 pies), longitud total de 130 m (430 pies); área de excavación de 192 m 2 (2070 pies cuadrados), valor de empuje 39.485 t, peso total 4.500 toneladas, capacidad instalada total 18 MW. Su consumo de energía anual fue de unos 62 GWh. Es propiedad y está operado por la empresa constructora italiana Toto SpA Costruzioni Generali (Grupo Toto) para la galería Sparvo de la autopista italiana Pass A1 ("Variante di Valico A1"), cerca de Florencia. La misma empresa construyó la tuneladora de lodos de mayor diámetro del mundo , con un diámetro de excavación de 17,6 metros (58 pies), propiedad y operada por la empresa constructora francesa Dragages Hong Kong (subsidiaria de Bouygues) para el enlace Tuen Mun Chek Lap Kok en Hong Kong.
.jpg/1280px-Tunnel_Boring_Machine_(Yucca_Mt).jpg)
Las tuneladoras suelen consistir en una rueda de corte giratoria en la parte delantera, llamada cabezal de corte, seguida de un cojinete principal, un sistema de empuje, un sistema para retirar el material excavado (estiércol) y mecanismos de soporte. Las máquinas varían según la geología del sitio, la cantidad de agua subterránea presente y otros factores.
Las máquinas perforadoras de rocas se diferencian de las máquinas perforadoras de tierras en la forma en que cortan el túnel, en la forma en que proporcionan tracción para soportar la actividad de perforación y en la forma en que sostienen las paredes del túnel recién formado.
Las tuneladoras blindadas se utilizan normalmente para excavar túneles en el suelo. Se colocan segmentos de hormigón detrás de la tuneladora para soportar las paredes del túnel. [45]
La máquina se estabiliza en el túnel con cilindros hidráulicos que presionan contra el escudo, permitiendo que la tuneladora aplique presión en la cara del túnel.
Las máquinas de Te principal no instalan segmentos de concreto detrás del cabezal cortador. En cambio, la roca se sostiene utilizando métodos de soporte del suelo, como vigas anulares, pernos para roca, hormigón proyectado , correas de acero, anillos de acero y malla de alambre. [45]
Dependiendo de la estabilidad de la geología local, las paredes recién formadas del túnel a menudo necesitan ser sustentadas inmediatamente después de ser excavadas para evitar el colapso, antes de que se haya construido cualquier soporte o revestimiento permanente. Muchas tuneladoras están equipadas con uno o más escudos cilíndricos detrás del cabezal cortador para sostener las paredes hasta que se construya un soporte permanente del túnel más adelante a lo largo de la máquina. La estabilidad de las paredes también influye en el método por el cual la tuneladora se ancla en su lugar para poder aplicar fuerza al cabezal de corte. Esto, a su vez, determina si la máquina puede perforar y avanzar simultáneamente o si se realizan en modos alternos.
Las tuneladoras con pinza se utilizan en túneles de roca. Renuncian al uso de un escudo y en su lugar empujan directamente contra los lados no reforzados del túnel. [7]
Las máquinas como, por ejemplo, las máquinas Wirth sólo se pueden mover sin sujetarlas. Otras máquinas pueden moverse continuamente. Al final de un ciclo de mandrinado Wirth, las patas caen al suelo, las pinzas se retraen y la máquina avanza. Luego, las pinzas se vuelven a acoplar y las patas traseras se levantan para el siguiente ciclo.
Una tuneladora de escudo único tiene un escudo cilíndrico único después del cabezal de corte. Se construye un revestimiento de hormigón permanente inmediatamente después del escudo y la tuneladora empuja el revestimiento para aplicar fuerza al cabezal de corte. Debido a que este empuje no se puede realizar mientras se construye el siguiente anillo de revestimiento, la tuneladora de escudo único opera alternando modos de corte y revestimiento.
Las tuneladoras de doble escudo (o escudo telescópico) tienen un escudo delantero que avanza con el cabezal de corte y un escudo trasero que actúa como pinza. Los dos escudos pueden moverse axialmente entre sí (es decir, telescópicamente) en una distancia limitada. El escudo de agarre ancla la tuneladora de modo que se pueda aplicar presión al cabezal de corte mientras se construye simultáneamente el revestimiento de hormigón.
En roca dura con un mínimo de agua subterránea, el área alrededor del cabezal cortador de una tuneladora se puede despresurizar, ya que la pared de roca expuesta puede sostenerse a sí misma. En suelos más débiles, o cuando hay una cantidad significativa de agua subterránea, se debe aplicar presión a la cara del túnel para evitar el colapso y/o la infiltración de agua subterránea en la máquina.
Las máquinas de equilibrio de presión de tierra (EPB) se utilizan en terrenos blandos con menos de 7 bar (100 psi) de presión. Utiliza lodo para mantener la presión en la cara del túnel. El lodo (o desechos ) ingresa a la tuneladora a través de un transportador de tornillo . Al ajustar la tasa de extracción de lodo y la tasa de avance de la tuneladora, se puede controlar la presión en la cara de la tuneladora sin el uso de lodo . Se pueden inyectar aditivos como bentonita , polímeros y espuma delante del frente para estabilizar el terreno. Dichos aditivos se pueden inyectar por separado en el cabezal de corte y el tornillo de extracción para garantizar que la suciedad sea lo suficientemente cohesiva para mantener la presión y restringir el flujo de agua.
Al igual que otros tipos de TBM, las EPB utilizan cilindros de empuje para avanzar empujando contra segmentos de concreto. El cabezal de corte utiliza una combinación de brocas de corte de carburo de tungsteno , cortadores de disco de carburo, picos de arrastre y/o cortadores de disco para roca dura.
EPB ha permitido excavar túneles en terrenos blandos, húmedos o inestables con una velocidad y seguridad que antes no eran posibles. El Eurotúnel , el anillo principal de agua del Támesis , secciones del metro de Londres y la mayoría de los nuevos túneles de metro completados en los últimos 20 años en todo el mundo se excavaron utilizando este método. Históricamente, el EPB ha competido con el método de protección con lodo (ver más abajo), donde el lodo se utiliza para estabilizar la cara del túnel y transportar los desechos a la superficie. Las tuneladoras EPB se utilizan principalmente en terrenos más finos (como la arcilla), mientras que las tuneladoras de lodo se utilizan principalmente para terrenos más gruesos (como la grava). [46]
Las máquinas de protección contra lodos se pueden utilizar en terrenos blandos con alta presión de agua o donde las condiciones del terreno granular (arenas y gravas) no permiten que se forme un tapón en el tornillo. El cabezal de corte se llena con lodo presurizado, generalmente hecho de arcilla bentonita , que aplica presión hidrostática a la cara. El lodo se mezcla con el lodo antes de ser bombeado a una planta de separación de lodo, generalmente fuera del túnel.
Las plantas de separación de lodos utilizan sistemas de filtración de múltiples etapas que separan los desechos de los lodos para permitir su reutilización. El grado en que se puede "limpiar" el lodo depende del tamaño relativo de las partículas del lodo. Las tuneladoras de lodo no son adecuadas para limos y arcillas ya que el tamaño de las partículas de los desechos es menor que el de la bentonita. En este caso, se elimina el agua de la suspensión, dejando una torta de arcilla que puede estar contaminada.
A veces se coloca un sistema de cajón en el cabezal de corte para permitir a los trabajadores operar la máquina, [47] [48] aunque la presión del aire puede alcanzar niveles elevados en el cajón, lo que requiere que los trabajadores tengan una autorización médica como "aptos para bucear" y sean capaces de operar cerraduras de presión. [47] [48]
Las tuneladoras de cara abierta para terrenos blandos dependen del terreno excavado para permanecer brevemente sin soporte. Son adecuados para su uso en suelos con una resistencia de hasta aproximadamente 10 MPa (1500 psi) con bajas entradas de agua. Pueden perforar túneles con una sección transversal superior a 10 m (30 pies). Un brazo retroactor o un cabezal de corte perforan hasta 150 mm (6 pulgadas) del borde del escudo. Después de un ciclo aburrido, el escudo se impulsa hacia adelante para comenzar un nuevo ciclo. El soporte del suelo lo proporciona hormigón prefabricado u, ocasionalmente, segmentos de hierro de grafito esferoidal (SGI) que se atornillan o soportan hasta que se agrega un anillo de soporte. El segmento final, llamado llave, tiene forma de cuña y expande el anillo hasta que queda apretado contra el suelo.
Las tuneladoras varían en diámetros de 1 a 17 metros (de 3 a 56 pies). Las tuneladoras con escudo de microtúnel se utilizan para construir túneles pequeños y son un equivalente más pequeño a un escudo de túnel general y generalmente perforan túneles de 1 a 1,5 metros (3,3 a 4,9 pies), demasiado pequeños para que los operadores caminen por ellos.
Detrás de todo tipo de tuneladoras, en la parte terminada del túnel, se encuentran plataformas de soporte posteriores conocidas como sistema de respaldo, cuyos mecanismos pueden incluir transportadores u otros sistemas de remoción de estiércol; tuberías de lodo (si corresponde); salas de control; sistemas eléctricos, de eliminación de polvo y de ventilación; y mecanismos para el transporte de dovelas prefabricadas.
La construcción de túneles urbanos tiene el requisito especial de que la superficie permanezca intacta y se evite el hundimiento del terreno. El método normal para hacer esto en terrenos blandos es mantener la presión del suelo durante y después de la construcción.
En tales situaciones se utilizan tuneladoras con control de cara positiva, como la balanza de presión de tierra (EPB) y la protección de lodo (SS). Ambos tipos (EPB y SS) son capaces de reducir el riesgo de hundimiento de la superficie y huecos si las condiciones del terreno están bien documentadas. Al construir túneles en entornos urbanos, se deben considerar otros túneles, líneas de servicios públicos existentes y cimientos profundos, y el proyecto debe incluir medidas para mitigar cualquier efecto perjudicial para otras infraestructuras. [ cita necesaria ]
{{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link)