MÉTODOS MECANIZADOS

MÉTODOS MECANIZADOS

1. EL MÉTODO DE PRECORTE MECÁNICO

1.1.INTRODUCCIÓN

La excavación de un túnel en una formación tipo suelo o roca blanda produce una perturbación debida a la eliminación del material, que en esquema se puede incorporar como la tendencia del propio material a rellenar el hueco producido. Cada material, dependiendo de sus características reológicas, adquirirá un estado de fluencia, más o menos rápida, que en un análisis tridimensional se puede describir como una tendencia a rellenar el hueco por el frente de excavación y por el perímetro lateral de la misma. Este estado de fluencia produce un reajuste de las tensiones naturales de la formación atravesada por el túnel, a lo largo del tiempo, hasta llegar a un nuevo equilibrio.

Los métodos tradicionales de sostenimiento que son utilizados para contrarrestar este fenómeno y, por tanto, mantener la sección geométrica, se han centrado en producir un obstáculo a la fluencia del terreno mediante mecanismos colocados a posteriori, tales como cimbras, gunita, bulones, etc., y por lo tanto son elementos que entran en servicio cuando el terreno ya ha iniciado su movimiento.

Si somos capaces de producir un elemento suficientemente rígido antes de producir el hueco debido a la excavación, éste impedirá el movimiento de fluxión del material en la dirección perpendicular a la superficie de este revestimiento previo, manteniendo en consecuencia un estado tensional muy similar al del estado original, dentro de la formación. Las tensiones puestas en juego se reducen así a las producidas por la propia deformación elástica de este pre-revestimiento y las convergencias posteriores, al realizar la excavación de la sección, se reducen al mínimo.

Tal y como se ha indicado anteriormente, la naturaleza del problema es tridimensional, por lo que al mismo tiempo que se suministra un sostenimiento en sentido radial debe procurarse una estabilización del frente del túnel.

En parte, la tendencia del material del frente a fluir se contrarresta por el hecho de mantener una parte de este pre-revestimiento sin excavar en los sucesivos avances, de manera que una porción del terreno limítrofe al labio exterior del mismo no pueda fluir hacia adentro. El resto del material, que tendería a fluir por el centro del frente y por la solera, debe ser estabilizado también en el avance. En formación con fuerte rozamiento interno suele ser suficiente establecer un machón central o berma de terreno al realizar la excavación de la sección, que consigue esta estabilización por un simple equilibrio de las fuerzas puestas en juego. En otro tipo de formaciones, con características más claramente plásticas, pueden requerirse tratamientos rigidizantes al avance tales como la colocación de bulones o pernos de PRFV diseñados de forma divergente hacia a fuera (efecto corcho de champán).

Un elemento importante de estabilización es la eliminación del agua presente en la formación por delante del frente. Según las condiciones del acuífero y de la formación del terreno se pueden realizar drenes en el avance, abatimientos previos, tratamientos de impermeabilización, etc.

La construcción de este pre-revestimiento, al que se ha hecho mención, se lleva a cabo con la realización del método de Precorte Mecánico.

FUNDAMENTOS DEL MÉTODO

1.2.1.DESCRIPCIÓN GENERAL

El Método de precorte Mecánico (PREMILL^®) se enmarca dentro de los métodos denominados de presostenimiento al avance, especialmente idóneos para la ejecución de túneles en formaciones tipo suelo o de rocas blandas y en entornos urbanos o semiurbanos, debido a la mínima afección que producen en las estructuras y servicios situados por encima de la clave.

Por otra parte, con el Método de Precorte Mecánico se produce un confinamiento del frente de excavación, previo a la realización de la misma, con indudables ventajas añadidas de cara a la estabilidad del mismo.

La aplicación del Método se extiende a los túneles en suelos y rocas blandas, si bien existen también realizaciones urbanas en casos de rocas excavables con explosivos, aunque en estos casos la ejecución se limitó a la realización del corte de la ranura en la roca, con objeto de disminuir el nivel de vibraciones de la voladura y de optimizar el consumo de explosivo.

Fig.1.: Máquina de Precorte Mecánico

Este Método, aplicado fuera de nuestro país, presenta múltiples realizaciones a lo largo de los últimos 20 años (fundamentalmente en Italia y Francia), si bien en España la primera obra se llevó a cabo en el año 1992 (Túnel de El Goloso) y hasta el día de la fecha se han realizado dos obras más (Túnel de la Línea 6 del Metro de Madrid entre P. Pío y Argüelles y Túneles del Cierre Norte de la M-40 bajo el Monte de El Pardo) todas ellas en los terrenos de Madrid.

El Método de Precorte Mecánico, o de revestimiento previo a la excavación, consiste en la realización de un corte en el avance a partir del frente del túnel, siguiendo el perímetro de la sección del mismo. La ranura de corte así obtenida se rellena, simultáneamente a la operación de corte, con un hormigón proyectado de fraguado rápido, realizado por vía seca o húmeda, obteniéndose de esta manera una bóveda rígida estabilizante.

Las operaciones de corte y relleno de la ranura resultante se llevan a cabo con una máquina específica construida al efecto (Fig.1).

La puesta en obra del revestimiento definitivo se realiza posteriormente contra las bóvedas del pre-revestimiento ejecutadas.

1.2.2.CARACTERÍSTICAS Y EJECUCIÓN DE LA PREBOVEDA

Las prebóvedas que se construyen suelen tener un espesor variable entre 14 y 30 cm y una longitud de hasta 5 m.

Cada tramo de precorte tiene una forma ligeramente troncocónica para permitir la ejecución de los tramos sucesivos y la realización del revestimiento final del túnel. La longitud de los tramos o pases se establece en función de las características geomecánicas del terreno y de la sección del túnel a construir. Lo mismo sucede con el espesor de hormigón de la prebóveda.

Los tramos de prebóveda tienen un solape entre sí de al menos 50 cm, con el fin de dar una continuidad longitudinal a los mismos a lo largo del túnel y proporcionar un funcionamiento estructural adecuado. Esta longitud de solape se define en el diseño en función de las mismas variables citadas en el párrafo anterior.

La bóveda estabilizante o prebóveda se realiza a lo argo de todo el perímetro de la sección, por elementos transversales sucesivos y de longitud variable en función de las características in situ del terreno y de las condiciones hidrogeológicas presentes. Cada tramo transversal de corte se rellena inmediatamente de hormigón antes de proceder al corte del siguiente, realizándose un serrado previo de este hormigón fresco con el fin de conseguir una correcta unión o trabazón entre los sucesivos tramos a lo largo de todo el perímetro de la sección.

Dada la elevada velocidad de avance del corte en el terreno, el relleno de la ranura con hormigón se realiza antes de que éste sufra alteraciones y se manifieste en la formación el fenómeno de la descompresión.

La excavación, parcial o total de la sección, puede avanzar al alcanzar el hormigón de las prebóvedas una resistencia tal que le confiera el carácter de elemento autorresistente para las cargas puestas en juego. Estas resistencias suelen ser del orden de 8 a 10 Mpa, que con los materiales y aditivos utilizados se suelen alcanzar en un tiempo de unas 4 horas.

DIFERENTES SISTEMAS DE EJECUCIÓN

El Método de Precorte Mecánico se puede aplicar según dos esquemas diferentes, en función de que la prebóveda comprenda toda la sección del túnel o una parte de la misma.

EJECUCIÓN A SECCIÓN PARTIDA

Este sistema de ejecución es el más utilizado en excavaciones con métodos tradicionales y es el que a veces se prefiere por una larga y probada experiencia.

Su ventaja fundamental se basa en el hecho de tener una altura de frente de excavación reducida. Por otro lado, el efecto portante consecuencia de la forma circular de la prebóveda, es mermado por la falta de cierre de la estructura. Normalmente, deben asociarse en estos casos al pre-revestimiento unos elementos de sostenimiento complementarios.

Dentro de este sistema de ejecución, caben dos esquemas de trabajo, según que el revestimiento definitivo de la bóveda se ejecute antes o después de la realización de la contrabóveda.

En el primero de los casos las fases constructivas (esquematizadas en la Fig. 1) serían:

Fase 1: Ejecución de la prebóveda y excavación de la sección al abrigo de la misma

Fase 2: Hormigonado de la parte de hastiales correspondiente a la sección de avance.

Fase 3: Hormigonado del revestimiento definitivo de la bóveda.

Fase 4: Excavación necesaria en destroza y hormigonado del resto de los hastiales

Fase 5: Ejecución de la contrabóveda.

En el segundo de los casos las fases constructivas serían:

Fases 1 y 2: Idénticas al caso anterior.

Fase 3: Igual a Fase 4 del caso anterior

Fase 4: Igual a Fase 5 del caso anterior

Fase 5: Igual a Fase 3 del caso anterior

Fig.2

EJECUCIÓN A PLENA SECCIÓN

La ventaja principal de este esquema constructivo se deriva por un lado de la gran rapidez de ejecución del túnel y por otro de que el pre-revestimiento, debido a un mejor efecto arco, conjuntamente al efecto de confinamiento del terreno, contribuye a una reducción de los asientos. En la Fig. 3 se pueden apreciar los asientos producidos en superficie, obtenidos en el Metro de Lille, utilizando el esquema de ejecución a sección partida y a plena sección, para un mismo tipo de terreno.

Fig.3. Asientos producidos en superficie

Las fases constructivas en el caso de ejecución a plena sección son las siguientes:

Fase 1: Ejecución de la prebóveda y excavación de la sección al abrigo de la misma.

Fase 2: Ejecución de los hastiales

Fase 3: Ejecución de la contrabóveda

Fase 4: Hormigonado del revestimiento definitivo de la bóveda

Este sistema de ejecución requiere un análisis de la estabilidad del frente. En caso de que el frente resulte inestable se puede recurrir, en la excavación de la sección, a mantener una porción del mismo inclinado sobre la vertical a modo de machón o berma a modo de contrafuerte o bien, si la inestabilidad es más marcada, se procede a la estabilización del mismo con elementos tales como gunita, bulones de anclaje (posteriormente excavables) y/o drenes.

COMPARACIÓN CON OTROS MÉTODOS TRADICIONALES (NMA)

El Método de Precorte Mecánico posee algunas analogías con el Nuevo Método Austriaco (NMA) para la construcción de túneles. De hecho se pueden utilizar, en algunos casos, los mismos elementos de sujeción inmediata, como el hormigón proyectado, bulones de anclaje y cerchas.

No obstante, la diferencia fundamental entre los dos métodos reside en el hecho de que con el Precorte Mecánico el revestimiento preliminar de hormigón se realiza al   avance respecto al frente de excavación, en una longitud de 3 a 5 m, mientras que en el NMA el revestimiento previo sigue a la excavación del frente a una cierta distancia.

Esta característica constituye la ventaja fundamental del Método de Precorte Mecánico, ya que el comportamiento de la formación por donde discurre el túnel está condicionado, de forma fundamental, por la sucesión de operaciones en el frente de excavación.

La experiencia demuestra que el NMA, así como en todos los demás métodos donde el revestimiento previo está decalado con la excavación del frente, los asientos en el tramo de terreno inmediatamente por delante del frente de excavación pueden ser del orden del 40% de los asientos totales. En el Método de Precorte Mecánico, por el contrario, los asientos iniciales son muy limitados y no sufren incrementos apreciables hasta la puesta en obra del revestimiento definitivo.

En la Fig. 5 se ilustra la tendencia cualitativa de las curvas de asientos en superficie, en función de la distancia entre la sección de medida y el frente de excavación para ambos métodos.

Fig.5. Curvas de asientos

En la Fig. 6 se representan los asientos metidos en superficie para la excavación de dos túneles, utilizando para el primero el Método de Precorte Mecánico (túnel de Fonteany con diámetro 10,4 m) y para el segundo el NMA (túnel de Grigny de diámetro 8,74m). Se evidencia que con el Método de Precorte Mecánico los asientos han sido notablemente inferiores, bien durante la fase de excavación de la sección inferior, bien durante la excavación de la sección inferior y la terminación del revestimiento definitivo.

Por último, en la Fig. 7 se muestran, de forma muy esquemática, unas curvas típicas de variación de los asientos en superficie con la distancia al frente, para los métodos de ejecución usuales.

Fig.6 y 7

Otra diferencia importante entre los dos métodos reside en la calidad del hormigón del pre-revestimiento.

De hecho el hormigón obtenido, por vía seca o húmeda, proyectado directamente sobre las paredes y clave de túnel como se realiza en los métodos tradicionales, comporta una considerable pérdida de producto que redunda en una alteración significativa de la curva granulométrica (la fracción gruesa es mayor en el rebote que en el hormigón proyectado puesto en obra).

En el caso del Método de Precorte Mecánico, no se trata de un típico hormigón proyectado. De hecho la prebóveda se realiza por inyección con medios neumáticos dentro de un encofrado constituido por la ranura ejecutada en el terreno. De este modo, además de una considerable reducción de pérdidas, se conservan todas las proporciones de los componentes del hormigón.

VENTAJAS DEL MÉTODO

Dentro de su ámbito de aplicación, el Método de Precorte Mecánico presenta una serie de ventajas:

Conservación de las características del terreno que rodea a la excavación, debido a que el corte de la ranura ejecutada en el mismo se rellena inmediatamente de un hormigón de elevadas prestaciones, evitando de esta forma el fenómeno de la descompresión.

Eliminación prácticamente total del sobreperfil, debido a la gran regularidad de la ranura y al riguroso posicionamiento de la máquina de corte y gunitado, lo que se traduce en unos excesos mínimos de hormigón en el revestimiento definitivo del túnel.

Reducción de la incidencia de los entibados, sustituidos por la prebóveda de hormigón.

Aumento de la seguridad para el personal de obra en el frente, ya que siempre trabajan al abrigo de una bóveda autorresistente, así como para las estructuras y servicios situados por encima del túnel, debido a este segundo caso a la limitación y reducción de asientos.

Aumento importante de la velocidad de avance, con posibilidad de excavación a plena sección y empleo de más de una máquina trabajando en varios frentes.

Reducida inversión en equipos, en comparación con otros métodos de maquinaria integral, como es el caso de los escudos, con una incorporación a la obra prácticamente inmediata (de 2 a 3 meses como máximo en el caso de una máquina nueva) lo que hace al método especialmente competitivo en tramos cortos, frente a aquellos.

Mayor capacidad de adaptación que las máquinas integrales a todo tipo de secciones, ya que sólo es necesaria la modificación de la cremallera perimetral, que sirve par la guía y desplazamiento de la sierra de corte o del robot de gunitado. En el caso de las máquinas integrales, escudos y topos, existe una gran rigidez en este sentido.

TUNELADORAS

2.1. MÁQUINAS PARA ROCAS DURAS (TOPOS)

DISEÑO BÁSICO DE LOS “TOPOS”

El principio funcional de los dos grupos, topos y escudos, representan en el esquema de la Figura 1.

Fig. 1

Por lo que a los “topos” se refiere, la máquina consta de una cabeza giratoria, con las herramientas de corte, que se acciona generalmente mediante motores eléctricos. El trabajo de la máquina se hace combinando el par de giro (m_g) de la cabeza y el esfuerzo longitudinal P, creado por un grupo de gatos hidráulicos, que completan el dispositivo básico. Para lograr los citados esfuerzos, la parte estática de la máquina se fija por medio de unos “codales” (los “grippers”) contra las paredes rocosas del túnel. El avance se hace por “carreras” o módulos de 1,5m a 2,0m.

La posición y formas de los elementos del esquema funcional pueden verse con detalle en cualquier esquema mecánico real, como el de la Figura 2, o en la fotografía de una máquina como la de la Figura 3. Añadiremos dos observaciones generales mas, acerca de los “topos”:

• a) Forma circular de la sección de excavación. Es la forma adoptada universalmente, después del fracaso de prototipos diversos, ensayados desde los años 60 y 70.

• b) Equipos “dúplex”. Son los formados por un “topo” piloto y un ensanchador. Fueron creados en los años 60-70 para tratar las grandes secciones (8m < < 12m), como consecuencia, por una parte, de la importancia que se da a las galerías piloto para el reconocimiento previo del terreno y,,por otra, de las dificultades para lograr el cortador ideal de roca dura. En el estado actual de la tecnología, estos prototipos han perdido protagonismo, pero siguen empleándose todavía máquinas usadas existentes en el mercado.

Fig. 2: Esquema mecánico de un Topo

CABEZA GIRATORIA Y CORTADORES

La “cabeza” o “rueda de corte” es la parte delantera del “topo”. Lleva las herramientas de corte de la roca, los cortadores, y los cangilones o cazos que elevan el escombro para alimentar la cinta primaria de la máquina. Generalmente, tiene una ligera conicidad que favorece el progreso de corte, desde el centro de la sección hacia la periferia.

Fig. 3: Topo

Las “herramientas de corte” usadas inicialmente en los “topos” fueron una combinación de los dos tipos siguientes: los tallantes y picas típicos de los escudos, y unos primeros cortadores de disco, de concepción análoga a la actual, es decir, discos metálicos de giro libre sobre su eje, con un borde cortante continuo, o con engastes (“botones”) de widia (acero al tungsteno) o diamante.

Fue en 1956 cuando J. Robbins ensayó la primera máquina de roca dura dotada solamente de cortadores de disco. Desde entonces, el cortador de uno o varios discos se ha ido imponiendo sobre los rodillos de “botones”. La investigación en el campo de los metales duros, con incrementos notables de su dureza y, a la vez, de su tenacidad, ha llevado a la solución de cortador de disco de “borde integral de metal duro”, principal modelo actual para rocas de dureza media y alta.

El cortador ideal para roca dura es el de simple disco. No obstante, es obvio que en la parte central de la cabeza no es posible disponer el número necesario de cortadores “monodisco”, por el espacio que precisan sus carcasas, y por ello, se siguen fabricando unidades de dos, tres y hasta cuatro bordes cortantes (también llamados “cortadores de 2, 3 ó 4 discos).

Los fabricantes de TBMs encargan estas piezas a casas especializadas cuyos objetivos son, de una parte, el incremento del esfuerzo transmisible por cortador monodisco (máximo actual próximo a las 35 T), muy ligado a su diámetro, que en la actualidad es con frecuencia de 17’’ (432 mm) o 18’’(457 mm), si bien se han construido ya modelos de 21’’ (533 mm) para rocas extraduras (s_c = 200 – 250 Mpa) que, hace unos años, sólo se podían excavar con explosivos.

ACCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA Y RENDIMIENTOS

El accionamiento de los equipos de empuje se hace siempre con un sistema electro-hidráulico. Por lo que se refiere a la rotación de la cabeza se comenzó (y se sigue haciendo en muchos casos), con motores eléctricos de tipo convencional, embrague y dos velocidades (una “larga” a partir de unas 8 y hasta 12 r.p.m. y otra “corta” del orden de la mitad).

Como esta solución no tiene flexibilidad deseable para la variación de la velocidad y del par motor cuando han de excavarse formaciones de roca de dureza variable,, con frecuencia se ha adoptado el accionamiento por motores hidráulicos, sistema que permite una variación suave de la velocidad, dando así facilidad para pasar de roca dura (par motor reducido y velocidad alta) a terreno blando ( aumento del par y reducción de la velocidad de giro).

En cuanto a los rendimientos posibles, debe decirse que todo “topo” es un prototipo y, como tal, se debiera diseñar y construir “a la medida de las necesidades de cada proyecto”. Así se hace realmente en las obras muy importantes. En cualquier otro caso, debe estudiarse la adaptación mejor posible de máquinas usadas al proyecto que se estudia.

Puede decirse, en todo caso, que con los “topos” de última generación se han logrado avances netos muy elevados (desde 3 hasta 8 metros de túnel por hora), si bien, aún en los casos más emblemáticos, el avance real medio equivale a algo menos de la mitad, aún en proyectos dotados de medios auxiliares óptimos, porque no es fácil mantener durante varios meses avances reales superiores a los 40-50 metros día (1.200 metros / mes).

LIMITACIONES DEL EMPLEO DE LOS “TOPOS”

Además de la usual forma circular de la sección, ya comentada, deben mencionarse:

• Radios de las curvas en planta. Para lograr altos rendimientos medios con transporte de escombro sobre vía, son necesarios radios de, al menos, 500 metros. No obstante, ha blando de mínimos, habrá que referirse a unos 300 metros con cifras algo menores (200 a 250 metros) los rendimientos se ven afectados, salvo que se recurra al transporte integral con cinta, como se ha hecho últimamente en varios proyectos de túneles de gran longitud.

• Radios de curvas en alzado y pendientes. Los radios en alzado son, prácticamente siempre muy superiores a las cifras anteriores por lo que no suele haber limitaciones (suelen superar los 1000 metros). En cuanto a las pendientes, el límite razonable, para un circulación fluida de trenes, está en cifras del orden de un 3,5% al 4% como máximo. Por encima de ellas se afecta el rendimiento, y ello si se trata de tamos cortos, pues si la pendiente general del trazado rebasa el 6%, hay que ir a trasporte sobre neumáticos (con rendimientos, en general, bastante menores) o al transporte integral con cinta.

• Alta dureza y/o abrasividad. La dureza muy elevada de la roca, sobre todo con una alta abrasividad añadida, sigue siendo un límite de la actual tecnología de los “topos”. En la actualidad puede situarse este límite la cifra de s_c=250 Mpa de resistencia a la compresión en probetas talladas en muestras sin fractura, si bien han de hacerse las salvedades siguientes: con abrasividad muy alta el consumo puede llegar a ser prohibitivo; por el contrario, una fracturación importante (índices RQD por debajo del 50%), facilita la excavación de rocas de muy alta dureza.

TUNELADORAS PARA ROCAS BLANDAS. LOS “ESCUDOS”

DISEÑO BÁSICO DE UN “ESCUDO”

Los suelos, y también muchas rocas blandas suelen presentar problemas de inestabilidad general, que obligan a incorporar al diseño de la tuneladora un sistema integral de sostenimiento. Volviendo al esquema funcional de la Figura 1, podemos decir lo siguiente:

Fig. 4: Esquema mecánico de un escudo

Todos los elementos mecánicos de la máquina se emplazan dentro de una estructura protectora laminar de acero, esto es, dentro de un “escudo”, de donde toma el nombre genérico este grupo de tuneladoras, el más antiguo de todos.

Por otra parte, al avanzar la máquina, hay que sustituir su coraza por otro elemento que sostenga el terreno. Aparecen así los anillos de sostenimiento de hormigón o metálicos, que el escudo ha de colocar previamente a su desplazamiento para el avance. Ello da lugar al elemento básico complementario, el erector de dovelas, que son las piezas en que descomponemos cada anillo.

En tercer lugar, el empuje longitudinal P, necesario para realizar el avance, no puede crearse como en los “topos”, con reacciones contra las paredes del túnel, al ser el terreno inestable. De ahí que tal empuje total se logre por la integral de los empujes (Sp) de una serie de gatos perimetrales, típicos de este grupo de tuneladoras.

Estos son, en resumen, los elementos básicos del diseño de cualquier escudo (coraza, erector de dovelas y gatos, de empuje) que pueden verse en las fotografías o esquemas mecánicos reales de este tipo de tuneladoras (Fig.4).

A ellos habría que añadir, siguiendo la analogía con los “topos”, la cabeza, con las herramientas de corte mecánico, pero aquí hay que decir que en los primeros escudos no había tal elemento: el corte o arranque mecánico se hacía con herramientas manuales y la máquina estaba formad por la coraza, el erector y los gatos de empuje.

Mas tarde, el corte se mecanizó de dos formas: a) brazos excavadores o rozadores de tipo extensible o telescópico y b) ruedas de corte giratorias, análoga a la de los topos.

Tanto la antigua modalidad de arranque manual, como la variante a) equipos no rotativos, permiten construir secciones no circulares, una característica peculiar de los “escudos”.

Tampoco es un círculo la sección de los últimos modelos japoneses de ruedas múltiples, que se han construido en los años 90, respondiendo a condicionantes especiales de algunos proyectos de túneles urbanos (Fig.5).

2.2. ESCUDOS CONVENCIONALES

• a) Escudos abiertos.- Si las características del terreno aseguran la estabilidad del frente durante el tiempo necesario para el ciclo de avance los escudos no tienen otros elementos básicos de diseño que los descritos. Los diversos tipos comentados (“manual”, “de brazo excavador”, “de rueda”, etc.) forman la familia de los escudos abiertos o no presurizados, que pueden tener sencillos dispositivos mecánicos adicionales para ayudar a la estabilidad, bien sea del perímetro de corte (cuchillas extensibles o “poling plates”); bien de zonas parciales del frente, que se sostienen con planchas metálicas.

Fig. 5: Escudo de tres ruedas

• b) Terrenos inestables. Los escudos mecánicos de frente cerrado.- Siendo tan antigua, como hemos comentado, la tecnología de los escudos, es obvio que hace tiempo que hubo de resolverse el trabajo de estas máquinas en terrenos inestables y las soluciones fueron varias:

Una de las primeras fue la de los llamados “escudos ciegos”, de excavación manual. Dotados de un mamparo que cubría totalmente el frente, la excavación se hacía a través de pequeñas ventanas en que se dividía el mamparo, y que se abrían sucesivamente hasta barrer toda la sección.

Los representantes más modernos de este grupo son escudos de rueda de contención mecánica del frente (por lo tanto de “sección circular”), cuya estructura de la cabeza tiene una serie de aberturas regulables y sólo a través de ellas se extrae el escombro.

Con la máquina parada y las compuertas cerradas se logra una contención mecánica total del frente. Ello permite efectuar tratamientos previos del terreno con inyecciones hechas desde el interior. Es muy frecuente, por otra parte, efectuar este cierre, como maniobra preventiva, durante todos los tiempos de parada de la máquina (colocación de anillo, parada semanal, etc.)

c) Presurización integral del túnel.- Otra modalidad, mas antigua y adoptada para el trabajo en suelos bajo freático, fue el trabajo en ambiente de aire comprimido, por medio de la presurización integral del túnel, al amparo de esclusas de entrada/salida para hombres y materiales, tanto con métodos convencionales como con escudos abiertos.

Así se trabajó desde finales del pasado siglo hasta los años 60 del presente y así se continua trabajando en muchos casos de túneles de corta longitud y en freáticos de presión inferior a los 2,5 Bar (25 m de columna de agua).

En todo caso para presiones mayores, la legislación sobre Seguridad e Higiene laboral de la mayoría de los países imponen tiempos de descompresión próximos al 100% del tiempo total de trabajo permitido por turno, por lo que esta tecnología ha quedado limitada a los casos señalados.

LOS ESCUDOS DE FRENTE EN PRESIÓN

Las limitaciones citadas obligaron a los fabricantes, a partir de la década de los 60, a ensayar prototipos con presurización exclusiva de la zona del frente, sin afectar a las condiciones de trabajo del personal.

Las soluciones ensayadas fueron, en principio, dos: a) presurización con aire comprimido, y b) presurización con bombeo de lodos bentoníticos (“hidroescudos”). Enseguida se vio el alto riesgo de la presurización neumática, por la posible rotura instantánea del terreno, si no es perfectamente homogéneo, tanto si se produce hacia el exterior (recubrimiento escaso), como hacia el interior, (rebordeando la junta terreno-anillo). Por otra parte, los escudos de lodos no son aplicables a todo tipo de terrenos por lo cual la investigación hacia otras tipologías originó unos primeros prototipos, muy imperfectos, de una tercera modalidad c): los escudos de presión de tierras, cuya tecnología de última generación puede decirse que tiene unos 5 años.

Fig.6: Esquema de un escudo de presión de tierra

No vamos a referirnos aquí a los “hidroescudos” pues la mayoría de los proyectos futuros en nuestro país se desarrollan en terrenos poco aptos para este tipo de máquinas.

- LOS ESCUDOS DE PRESIÓN DE TIERRA

Esta tipología se desarrolló para resolver, en principio, el trabajo en terrenos arcillosos, y a partir de tres ideas básicas: a) estabilizar el frente con un material a presión, que es el propio escombro excavado, una vez convertido, con productos de adición, en una mezcla de consistencia viscoso-plástica (con lo que se tiende a una solución análoga al de los hidroescudos); b) lograr que esa mezcla se pueda extraer por medio de un sistema que permita no perder la presión interior, es decir, que mantenga a presión el material del frente) y c) lograr que la mezcla tenga la consistencia adecuada para ser transportable por cinta y en vagón (se sigue así el sistema de los escudos no presurizados).

La puesta a punto de los grandes tornillos trasportadores por una parte, y los productos de adición (polímeros y espumantes) que facilitan la formación de las mezclas visco plásticas con el terreno excavado, han logrado un espectacular desarrollo de estas máquinas en los últimos cuatro o cinco años, lo que permite decir que, en cierto modo, los modernos escudos de presión de tierra son una primera versión del tipo de tuneladora universal para la excavación de rocas y suelos.

Pues bien, aunque en líneas generales esta tendencia está teniendo éxito, debe decirse también que todavía existen problemas importantes no bien resueltos. En concreto:

El diseño de mezclas de adición, en casi todos los proyectos, es siempre tema complejo, porque los terrenos no sólo cambian a lo largo del trazado, sino que con frecuencia en una misma sección se presentan dos clases de terreno totalmente diferentes y todavía no se ha conseguido lo que podríamos llamar diseños de “mezclas polivalentes”.

El tornillo sinfín ha resuelto sólo parcialmente el problema del transporte sin pérdida de presión, pues, siendo limitada su longitud, no se logra mantener la presión adecuada cuando sale del frente un material heterogéneo (o una proporción importante de agua).

2.2.4. ASPECTOS GENERALES DE LOS ESCUDOS

2.2.4.1. Cabeza giratoria y herramientas de corte

La misión de la cabeza es la misma que en el caso de los “topos”: albergar las herramientas de corte y facilitar la conducción de escombro hacia los elementos de extracción. Por lo que se refiere a las herramientas de corte, como máquinas de rocas blandas que son, montan los tipos siguientes: picas o biseles fijados a la estructura y dientes o cinceles oscilantes sobre el eje de sus carcasas. Las máquinas pueden montar también cortadores de disco, usualmente de tamaños medios, si se prevé la posibilidad de atravesar formaciones duras.

En cuanto al accionamiento de la cabeza ha venido haciéndose hasta ahora con motores hidráulicos. La razón es la facilidad que estos ofrecen para la variación de velocidad de giro, ventaja importante en terrenos cambiantes. Comentaremos, no obstante, otras opciones actuales en el Apartado 5.

2.2.4.2. Elementos auxiliares de colocación de anillos

Son temas muy particulares del diseño de cada fabricante, si bien señalaremos las peculiaridades mas significativas de los equipos actuales.

• A) Erector de dovelas.- El agarre de las piezas sigue haciéndose por medios mecánicos, aunque cada vez es mas frecuente el uso de ventosas, que permiten el agarre por vacío, lo que somete a las piezas a esfuerzos mas favorables. Su generalización es previsible en el futuro inmediato, por haber demostrado suficientes garantías de seguridad ante el posible fallo de la corriente eléctrica.

• B) Juntas de estanqueidad “máquina-anillo”.- En general, la estanqueidad entre cola del escudo y anillo de revestimiento se logra en los “hidros” con juntas de goma, que se adaptan perfectamente a las solicitaciones de la presión hidráulica. Por el contrario, la presión de tierra no está todavía claramente transmitida a todo el perímetro exterior de la máquina (es éste otro “tema pendiente” de las máquinas EPB), por lo que la solución anterior no es válida y, por ello, los escudos de presión de tierra, de momento, utilizan “juntas de grasa”.

2.2.4.3. Otros aspectos: Rendimientos. Limitaciones

• A) Rendimientos.- El trabajo en terrenos blandos requiere unas ciertas condiciones del diseño de equipos de corte mecánico, lo que trae como consecuencia el que los avances netos de los escudos alcancen cifras máximas del orden de los 6 a 8 cm por minuto (4 a 6 m por hora), que son sensiblemente inferiores a los de las máquinas de roca dura. Por otra parte, en un escudo, en general, parte del tiempo del ciclo de avance (como media, entre el 35% y el 45%) ha de dedicarse a colocar el anillo de sostenimiento, lo que también es desfavorable y, finalmente hay que hacer las mismas salvedades negativas que en los “topos” en cuanto a las incidencias debidas a averiguas en las instalaciones, sobre todo las de transporte, si bien la existencia de lo anillos facilita los montajes de vía de alta calidad.

Por el contrario, son favorables, en el caso de un escudo, las circunstancias siguientes: el sostenimiento está resuelto y, en general, los tiempos de reposición de herramientas de corte son mínimos.

En conclusión, hablando en términos globales de una obra equipada razonablemente bien, puede decirse que el ciclo total de avance de un anillo (con frecuencia 1,5 m de túnel) no debiera pasar de 1 hora y que son posibles medias mantenidas del orden de los 15 anillos (18 a 22 m de túnel por día) si se trabaja sin presión (o “modo abierto”) y algo menores trabajando a presión.

• B) Limitaciones.- Por lo que se refiere a la geometría del trazado, son aplicables las mismas cifras señaladas para los “topos”, si bien hay que decir que en los proyectos de túneles urbanos es frecuente tener que adoptar radios mínimos del orden de los 200 metros, como ha sucedido en el Metro de Madrid.

En cuanto a la abrasividad, es imprescindible un control rutinario de las herramientas de corte para su reposición antes de que se desgaste la estructura de la cabeza, o la del tornillo en las EPB, lo que serían siempre una avería grave.

LAS MÁQUINAS MIXTAS

Los fabricantes de los dos tipos básicos a que venimos refiriéndonos (“topos” y “escudos”) han buscado constantemente solución al desafía creciente de los proyectistas. Hasta los años 60, se eludían claramente los trazados comprometidos abundando las poligonales en planta, en las que, a la vez, se limitaba la longitud de los tramos, par no penetrar en los macizos con recubrimientos importantes, en los que los estudios previos por sondeos eran imposibles.

Las máquinas de entonces se adaptaron a la situación, siendo, por ello, típica de la época la división muy clara en los dos modelos básicos de tuneladoras. El avance de la tecnología se orientaba en aquel entonces a resolver, preferentemente, en los topos el corte de rocas mas y mas duras y, en los escudos, los sistemas de presurización y la tecnología del diseño y colocación de anillos.

Los proyectos de finales de la década de los 60 comenzaron a ser más ambiciosos y los fabricantes iniciaron la tendencia hacia la TBM mixta, tanto a partir de las máquinas de roca dura, como de los escudos. Desde entonces, gracias a la casuística enorme de prototipos ensayados y gracias también a lo aprendido en bastantes fracasos notables, la tecnología de equipos tuvo un desarrollo impresionante. Nos referiremos muy rápidamente a los datos mas representativos de esa evolución.

Por una parte, los métodos para un conocimiento previo del terreno no han podido evolucionar rotundamente. Naturalmente que los equipos de reconocimiento directo por sondeos, o las vías indirectas de la geofísica o similares se han perfeccionado, pero lo recubrimientos a partir de los 200 metros siguen siendo conflictivos.

Fig. 7: Doble escudo

Por el contrario, ha sido clara la evolución de la tecnología de los equipos y lo ha hecho por dos caminos: de una parte, y fundamentalmente con las máquinas mixtas, aumentando el abanico de sus respuestas ante las condiciones cambiantes del terreno y, por otra, incorporando a las máquinas sondas de reconocimiento próximo del terreno, a fin de evitar sorpresas y accidentes graves.

2.3.1. MÁQUINAS MIXTAS A PARTIR DE LOS “TOPOS”

EL “DOBLE ESCUDO”

La tendencia general fue añadir un escudo de protección integral de la máquina que permita, si es preciso, colocar anillos de sostenimiento análogos a los de los escudos. La casuística es variadísima y el esfuerzo se concentró en intentar no perder la posibilidad de los altos rendimientos de la tecnología propia de los “topos “ al cortar roca dura. El resultado final es una familia de máquinas de características, por el momento, bastante definidas, que forman el grupo de los llamados “dobles escudos” y que ha demostrado poder resolver los dos casos siguientes:

• Trazados en rocas duras que, no obstante, presentan alto número de accidentes geológicos importantes, por lo que no es razonable el tratamiento previo convencional del terreno que supone repetir paradas prolongadas de la máquina.

• Trazados con longitudes relevantes, tanto en roca dura como en terrenos blandos difíciles.

La máquina se diseña, alojando todos sus elementos dentro de una coraza o escudo telescópico de dos cuerpos. Por una parte, dispone de “grippers” y cortadores de disco, parra su empleo en los tramos de roca competente (tecnología de los “topos” y avances del mismo orden) y, por otra permite el sostenimiento del terreno por colocación de anillos cuando ello es necesario (tecnología de los “escudos”). Pero, a su vez, el sistema telescópico hace posible simultanear las fases de excavación y sostenimiento, siempre que el terreno permita avanzar con los “grippers”, por lo cual con frecuencia se ha tomado la decisión de hacer todo el revestimiento del túnel con anillos prefabricados, lo que permite rendimientos globales excepcionales.

La referencia actual mas notable a nivel mundial, es la de una obra español terminada en el pasado mes de febrero de 1997: el túnel de trasvase Guadiaro-Majaceite, en las provincias españolas de Cádiz y Málaga, de 12,3 Kms de longitud a través de terrenos muy deformables, y en ciertos casos expansivos, se construyó con un solo “doble escudo” en 15 meses, incluido el revestimiento prefabricado, lo que da un rendimiento global medio excepcional: 820 metros al mes.

2.3.2 MÁQUINAS MIXTAS A PARTIR DE LOS “ESCUDOS”

En los “escudos” se produce también la tendencia general a lograr máquinas mixtas. La orientación general de la tipología de escudos, como ya hemos visto, está decidida, por ahora, hacia los dos grandes grupos (“Hidroescudos” y “Escudos de Presión de tierra”) y es a partir de ellos como se van perfilando las diversas soluciones.

2.3.2.1. El “Escudo polivalente”

Es justo señalar los esfuerzos muy importantes desarrollados, tanto en laboratorio como en pruebas de prototipos, primero en Alemania y después en las factorías de los fabricantes japoneses, tendentes a lograr del “Escudo polivalente” (“Polishield”) que ya han dado sus frutos.

Son máquinas concebidas estructural y mecánicamente para su adaptación a los casos extremos, pudiendo trabajar como “Hidroescudo” en un proyecto y siendo rápida su preparación como “escudo EPB” en otro,. O viceversa. Así es el proyecto el escudo HERRENKNECHT de 14,40 m de diámetro (de momento el mayor del mundo) que se acaba de construir y va a trabajar en la obra del nuevo túnel bajo el Elba en Hamburgo (Fig.8)

Fig. 8: Escudo polivalente

2.3.2.2. Las modernas concepciones de los “Escudos EPB”

La concepción del escudo de presión de tierra nace de la necesidad de resolver las carencias o limitaciones de los “hidros”. Pero, a partir de este hecho, que podemos llamar histórico, la realidad es que las máquinas de presión de tierra han demostrado mayor facilidad para incorporar a su tecnología en pleno desarrollo, las adaptaciones a al problemática de unos u otros proyectos.

Un buen ejemplo lo constituyen las recomendaciones establecidas por el equipo técnico de la Consejería de Obras Públicas y Urbanismo de la Comunidad de Madrid, par la mejor adaptación posible a las necesidades previsibles de las cuatro nuevas máquinas de 9,40 m de diámetro, que se han construido para las obras de Ampliación del Metro de esta ciudad.

Las empresas adjudicatarias de las obras, así como los fabricantes de las máquinas, prestaron su plena colaboración a este empeño y, puede decirse, que dichas recomendaciones fueron incorporadas en su totalidad a las tuneladoras nuevas de Madrid.

No vamos a entrar aquí en el detalle de las características de estas máquinas,, puesto que a ello se dedican otros artículos de esta Revista, pero sí haremos un resumen de las recomendaciones arriba mencionadas, por el interés técnico de las mismas. Son las siguientes:

• Diseño básico tipo escudo. Se trata de los terrenos blandos del Plioceno madrileño, principalmente con la conocida serie de las “arenas de miga” –arenas “tosquizas” – “toscos”, etc.

• Diseño de “escudo de presión de tierra (EPB)”. En las series anteriores predominan los terrenos arcillosos. Por otra parte, hay que trabajar bajo freáticos, aunque se trate de zonas locales que suponen menos del 10% de la totalidad de los trazados.

• Tramos de terrenos de alta dureza. En los proyectos de Ampliación de l red de “metro” de Madrid, incluso en algunos del presente Plan de actuación, se cortan las series de rocas de dureza media típicas del alfoz madrileño. Nos referimos, por una parte, a las “peñuelas” de las facies arcillosas más profundas (que pueden presentar, intercalaciones duras de calcitas y de sílex) y, por otra, a las rocas yesíferas. Además, la experiencia de las obras del Plan actual en la Línea 10, han evidenciado, una vez más, la posibilidad de tener que atravesar restos de obras de fábrica (mamposterías y hormigones de cal hidráulica) de gran dureza.

La recomendación se concentró en la dotación a las máquinas, de herramientas de corte de roca dura (cortadores de disco).

• Rango de los esfuerzos máximos de las máquinas (empuje y par motor). La evaluación de la problemática tan diferente que pudiera presentarse en alguno de los tramos, recomendaba llevar los esfuerzos de diseño a los “ratios” máximos que ofrece la tecnología actual de las EPB. En concreto:

• El esfuerzo máximo de empuje de los cilindros principales se llevó a 10.000 T. El “ratio” Empuje / Sección de excavación, que supera ampliamente las últimas referencias mundiales, resulta de:

P / S = 10.000 T : 69 m² = 167 T/m²

• El par motor máximo de la rueda de corte se llevó a las 2.250 T x m. El “ratio” Par/ Sección de excavación está en el mismo rango que el de las máquinas más potentes construidas hasta ahora, siendo:

M_g/ S = 2.250 T x m: 69 m² = 33 T/m

• Cambio de sistema de trabajo (con o sin presión). Desde el punto de vista estadístico, son mayoría los tramos de los proyectos de Ampliación que presentan terrenos de excelente comportamiento geotécnico y en los que se puede trabajar sin presión y obtener altos rendimientos. No obstante se recomendó que el cambio de sistema de trabajo (de “modo abierto” o sin presión a “presión de tierra”, o viceversa) se hiciera en plazo mínimo. En las máquinas de Madrid el plazo es del orden de 1 día, lo que las convierte en prototipos de esta modalidad en la tecnología actual.

2.4. OTROS ASPECTOS DE LAS TUNELADORAS MODERNAS. MOTORES ELÉCTRICOS CON VARIACIÓN DE FRECUENCIA

Hemos comentado ya al hablar de “topos” que el accionamiento de las primeras máquinas se hacía con motores eléctricos convencionales, pudiendo disponer sólo de una gama de un par de velocidades de giro de la cabeza.

• Esta primera solución no tiene la flexibilidad conveniente para la variación de la velocidad y/o del par motor, variación deseable cuando han de excavarse formaciones de roca de dureza variable. En efecto:

Puede decirse que en rocas duras y extraduras no hace falta un par motor muy elevado, sino una velocidad lo mas alta posible, que permita desarrollar toda la potencia del sistema para lograr sin riesgo el avance estimado.

Por el contrario, al llegar a tramos de rocas blandas o muy fracturadas, la posibilidad de combinar un par mayor con una velocidad de giro menor permite alcanzar el máximo ritmo de velocidad de avance neto (también denominado “de penetración”)

(Esta posibilidad permite evitar el “bloqueo de la cabeza” en rocas muy blandas. La misma operativa es recomendable para atravesar zonas de grandes bolos o bloques sueltos: se ha demostrado que, con velocidades de giro reducidas, disminuye el riesgo de caída de bloques en el frente.)

• Por ello, pronto se recurrió al accionamiento con motores hidráulicos, lo que ofrece la posibilidad de variación suave de la velocidad, solución adoptada primero en los “escudos”, en los que es fundamental disponer de una gama variada de velocidades, y después en los “topos”. Sigue siendo la solución mas frecuente en la mayoría de la tuneladoras convencionales del momento.

El inconveniente principal es la generación de calor al cortar rocas duras o muy duras (por encima de los σ_c = 150 Mpa), lo que obliga a sobredimensionar la ventilación e, incluso, a adoptar ventilación refrigerada en fondos de saco superiores a los 3.000 metros, lo cual puede suponer un aumento notable de los costes. Esto es realmente un serio inconveniente en las máquinas de roca dura (“topos” y “dobles escudos”).

Fig. 9: Escudo para el Metro de Madrid

• Por todo lo anterior, en los últimos años se investigó a fondo el accionamiento eléctrico con variación de frecuencia, con el fin de dar solución al grave problema que se planteaba. El éxito ha sido total y hay una tendencia actual a extender (por no decir generalizar) este tipo de solución. Merece la pena un breve comentario acerca de lo que permite esta tecnología.

En el arranque (velocidad y frecuencia mínimas), la pequeña velocidad (v → 0) hace posible aumentar el par de giro hasta un 50% mas del nominal ( M_g = 1,5 x M_nom) durante un periodo corto de tiempo (t < 1 minuto). Régimen recomendable en zonas de falla.

Entre 0 y 50 Hz se dispone de un par constante (Mg = Cte.), siendo posible una variación suave de la velocidad de giro. Es el régimen idóneo para rocas de dureza media.

Desde 50 a 120 Hz, siendo constante la potencia total de la máquina en pleno régimen, es constante el producto “Par x velocidad de giro” (Wtotal = Mg x vg = Cte.) con lo que se puede reducir el par a medida que se aumenta la velocidad de giro, condiciones ideales para las rocas muy duras.

Finalmente, hemos de señalar que la adopción de estas diferentes condiciones del régimen de trabajo, a las condiciones cambiantes del terreno permite un ahorro notable de la energía consumida a lo largo de obra, lo que compensa sobradamente el sobrecosto de adquisición de estos equipos.

Por todo ello, la solución se ha extendido a todo tipo de máquinas, incluyendo también los “escudos”. Así, de las cuatro tuneladoras de tipo EPB construidas para el Metro de Madrid, dos de ellas han adoptado este tipo de accionamiento directo por motores eléctricos con variación de frecuencia (Fig. 9)