Máquinas Tuneladoras TBM

Contenido 1.

INTRODUCCIÓN ............................................................. ..................................................................................................................... ........................................................ 2

2.

MARCO TEÓRICO ........................................................... ................................................................................................................... ........................................................ 3 2.1.

Tipos de tuneladoras ........................................................ ..................................................................................................... ............................................. 5

2.1.1.

Topos ............................................................. ..................................................................................................................... ........................................................ 6

2.1.2.

Escudos ...................................................................... .................................................................................................................. ............................................ 6

2.1.3.

Doble Escudo ............................................................ ....................................................................................................... ........................................... 10

2.2.

Ventajas de la utilización de las tuneladoras .............................................................. 11

2.3.

Riesgos en el empleo de tuneladoras ................................................................... ......................................................................... ...... 11

2.4.

Estabilidad del frente, movimientos del terreno, y sostenimiento ............................ 14

2.5.

Equipos auxiliares por tipo de tuneladoras TBM ........................................................ 15

2.6.

Ciclo General de trabajo de tuneladoras TBM ............................................................ 15

3.

CONCLUSIONES ............................................................. ................................................................................................................... ...................................................... 16

4.

BIBLIOGRAFÍA ................................................................. ...................................................................................................................... ..................................................... 16

Tema: Máquinas tuneladoras TBM

1. INTRODUCCIÓN Los trabajos de construcción de túneles consisten básicamente en ejecutar una estructura, el túnel, en el interior de formaciones naturales de terreno. Como consecuencia de la heterogeneidad del terreno al atravesar roca dura, roca blanda y suelos, y también de las limitadas dimensiones y accesibilidad al frente de trabajo y de las posibles afecciones (roturas, filtraciones) que puede ocasionar en su entorno (edificios colindantes), se plantea una problemática que implicará que, en función de las características y comportamiento del terreno (inestabilidad, abrasividad de la roca), se aplique el procedimiento de excavación que mejor se adapte a cada terreno. De este modo, el éxito en la construcción de un túnel se deberá a procedimientos de trabajo que permitan la obtención de unos rendimientos adecuados, manteniendo la estabilidad general del entorno afectado. La excavación mecánica logra esos objetivos, consiguiendo dotar de altos grados de mecanización y automatización a todo el proceso, mediante el sucesivo desarrollo de nuevas máquinas con nuevas tecnologías y la ayuda de técnicas constructivas complementarias. Dentro de los procedimientos mecánicos de excavación de un túnel, el sistema de tuneladoras ofrece mayores posibilidades de desarrollo y expansión en comparación con otros métodos convencionales de excavación.

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2. MARCO TEÓRICO Este sistema de excavación de túneles consiste en la utilización de máquinas denominadas tuneladoras integrales, conocidas habitualmente por las siglas en inglés T.B.M. (Tunnel Boring Machine), en tanto que son capaces por sí solas de excavar el túnel a sección completa (en general la sección de la excavación es circular) a la vez que colaboran en la colocación de un sostenimiento provisional o definitivo para garantizar la estabilidad de la excavación y además retiran los escombros. La máquina avanza dejando detrás de sí el túnel terminado. La variabilidad de los tipos de terrenos y de sus propiedades mecánicas (abrasividad de las rocas, inestabilidades) a lo largo del túnel, así como las distintas condiciones impuestas por el entorno (presencia de agua, construcciones próximas) implican que las necesidades de sostenimiento y revestimiento y los problemas que puedan surgir a medida que se realiza la excavación sean diferentes de un terreno a otro. Esto, con frecuencia, plantea problemas constructivos por falta de adaptación de la maquinaria utilizada a situaciones muy distintas y dispares; la máquina puede tener graves problemas si el terreno cambia demasiado. Por todo ello, no se puede hablar de una tuneladora “universal” que solucione todos

los problemas derivados de la heterogeneidad del terreno que deseamos atravesar (roca o suelo). Siendo así, la tuneladora debe adaptarse al tipo de terreno y, según sea el comportamiento geotécnico de éste, ésta puede presentar diferencias que se reflejan tanto en su diseño como en las operaciones que sea capaz de realizar. Son las características del terreno, por tanto, las que determinan el tipo de tecnología que debemos aplicar o las modificaciones que debemos solicitar al fabricante. Por ejemplo, en el caso de que el terreno que tenemos que atravesar sea roca en la que se detecte presencia de fallas o terreno fracturado, con el consiguiente riesgo de atrapamiento de la tuneladora, se puede pedir al fabricante un incremento de la fuerza de empuje en la rueda de corte, y que la T.B.M. venga provista de equipos de perforación en cabeza. Curso: Tunelería

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Como consecuencia, las tuneladoras son prototipos adaptados a cada tipo de terreno, por tanto, no suelen ser reutilizables salvo en caso de que se produzca una similitud de las características de los suelos. Actualmente existen innumerables proyectos de túneles con TBM en diferentes diámetros y longitudes. En América del Sur, existen proyectos de envergadura hidroeléctricos y urbanos donde se han utilizado y se siguen utilizando TBM. Entre los países de Sudamérica se pueden citar Venezuela, Brasil, Perú, Ecuador, Colombia y Argentina. En el caso particular de la excavación en la Cordillera de los Andes, varios proyectos de túneles con TBM han sido completados desde 1980, reportándose un total de 12 proyectos, de los cuales únicamente en 2 se tuvieron inconvenientes que produjeron significativos retrasos o incluso llevaron al abandono de la TBM. La siguiente tabla muestra una lista de los proyectos más relevantes.

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Las partes de una tuneladora TBM son:

2.1. Tipos de tuneladoras Las tecnologías básicas que pueden ser aplicadas en función del tipo de terreno que deseamos atravesar se pueden dividir en tres grandes grupos: Tuneladoras de roca dura (topos) y tuneladoras de rocas blandas o suelos (escudos). Durante los últimos años se han desarrollado modelos que podrían denominarse máquinas mixtas, al combinar elementos de los modelos anteriores.

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2.1.1. Topos Los topos son tuneladoras diseñadas para excavar rocas duras o medianas, sin demasiadas necesidades de sostenimiento. Su diferencia fundamental con los escudos es que no están dotados de un cilindro de acero tras la rueda de corte que realiza la función de entibación provisional. La fuerza de empuje se transmite a la cabeza de corte mediante cilindros (cilindros de empuje). La reacción producida se transmite al hastial del túnel mediante los grippers (fuerza de anclaje). Los grippers también compensan el par producido por la cabeza de corte, que se transmite a éstos a través de la viga principal. Cuando se ha terminado un ciclo de avance, se necesita reposicionar las zapatas de agarre (grippers), para la cual se apoya la viga principal en el apoyo trasero. Una vez anclados los grippers en su nuevo emplazamiento, se libera el apoyo trasero y se inicia un nuevo ciclo de avance.

2.1.2. Escudos Los escudos son tuneladoras diseñadas por excavar rocas blandas o suelos, terrenos que necesitan sistemáticamente la colocación de un sostenimiento. A diferencia de los topos, los escudos cuentan con una carcasa metálica exterior (que da el nombre a este tipo de máquina) que sostiene provisionalmente el terreno desde el frente de avance Curso: Tunelería

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hasta algo más allá de donde se coloca el sostenimiento definitivo, normalmente consistente en anillos formados por unas 7 dovelas. De este modo, se garantiza en todo momento la estabilidad del túnel. A menudo están preparadas para avanzar bajo el nivel freático. Si se trata de una tuneladora de cabeza giratoria, suele estar equipada con picas, rastreles o "rippers" (elementos que arrancan los suelos) y cortadores (elementos que rompen por identación la roca). También dispone de una serie de aperturas, frecuentemente regulables, por donde el material arrancado pasa a una cámara situada tras la rueda de corte y desde donde se transporta posteriormente hacia el exterior de la máquina. Tras esta cámara se alojan los motores y el puesto de mando de la máquina, espacios completamente protegidos por la carcasa metálica. Seguidamente está todo el sistema de perforación: primero los cilindros perimetrales (con un recorrido entre 1,20 y 1,50 m). Estos gatos perimetrales se apoyan contra el último anillo colocado de dovelas del revestimiento definitivo del túnel. Cuando finaliza el recorrido de los cilindros de avance, se coloca un nuevo anillo de dovelas (en el interior de la carcasa, que se extiende algo más allá, de forma que el túnel siempre está sostenido) y se empieza un nuevo ciclo de excavación. Una inyección de mortero o grasa es necesaria para llenar el vacío de 7 a 9 cm de grueso entre las dovelas y el terreno excavado.

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Se distinguen dos grandes grupos de escudos, de entre los que se distinguen las tipologías que se explicitan a continuación: Escudos de frente abierto: se usan cuando el frente del túnel es estable. El sistema

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de excavación puede ser manual, mediante brazo fresador, con un brazo excavador o con una cabeza giratoria. En algunos casos, se puede colaborar con la estabilidad del frente una vez acabado cada ciclo con unos paneles a modo de reja. Con este tipo de máquina, si la cabeza no es giratoria, es posible trabajar con secciones no circulares. Escudos de frente cerrado: se usan cuando el frente del túnel es marcadamente

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inestable, por ejemplo en terrenos no cohesivos, saturados de agua, etc. La sección excavada a de ser circular. tiene varios tipos: 

Escudos con cierre mecánico: la entrada y salida de material en el cuarto de tierras se regula mediante dos puertas de apertura controlada hidráulicamente. La máquina tiene limitaciones con presencia de agua.

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Escudos presurizados con aire comprimido: prácticamente no se usan. Escudos de bentonita o hidroescudos: con la inyección de bentonita se consigue estabilizar el terreno por sus propiedades tixotrópicas y facilitar el transporte de material mediante bombeo. Son adecuados para terrenos constituidos por arenas sueltas o gravas arenosas, que dificultan el amasado. Son similares a los escudos de presión de tierras, pero presentan dos grandes diferencias: la presión de tierras en la cámara se logra mezclando el terreno excavado con un lodo de agua y arcilla (slurry). Consiguen un excelente control de la presión, y el coste energético es mucho menor. La extracción del material se hace mediante una tubería, bombeando la mezcla hacia el exterior. La desventaja de este tipo de máquinas es el tratamiento del terreno extraído, mezclado con los lodos, que exige plantas de gran superficie para la separación de las partículas más finas

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Escudos de balance de presión de tierras o EPBs: el material es extraído del cuarto de tierras mediante un tornillo de Arquímedes. Variando la fuerza de empuje de avance y la velocidad de extracción del tornillo, se consigue controlar la presión de balance de las tierras, para que ésta garantice la estabilidad del frente y se minimicen los asentamientos en superficie. Para facilitar la evacuación de productos poco plásticos con tornillos, a menudo se han de inyectar productos químicos por aumentar la plasticidad de los terrenos. Hoy en día, las EPB son la tecnología predominante en cuando a excavación de túneles bajo nivel freático.

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2.1.3. Doble Escudo Otra modalidad de tuneladora es la denominada Doble Escudo, capaz de trabajar como topo o como escudo, en función de la calidad del macizo rocoso, siendo la mejor solución para macizos con tramos de tipología variable suelo-roca. En este tipo de tuneladoras el escudo está dividido en dos partes, la delantera en la que se encuentra la cabeza de corte, y la zona trasera en la que se realiza el montaje del anillo de dovelas. El movimiento de estas dos partes del escudo es independiente, situándose los "grippers" en un hueco abierto entre ambas, por lo que la cabeza puede excavar mientras que en la cola del escudo se van montando los anillos de dovelas. De esta manera los rendimientos alcanzados con este sistema son mucho mayores que con un escudo simple. Este sistema se aplica en aquellos terrenos capaces de resistir la presión que transmiten los “grippers”. Al mismo tiempo que los cilindros de empuje

principal impulsan hacia delante el escudo de cabeza y la rueda de corte realiza la excavación, en el escudo trasero se procede al montaje de un nuevo anillo de dovelas de sostenimiento al abrigo del mismo. Cuando el terreno es más débil y no es capaz de resistir la presión de los “grippers”, la

tuneladora funciona como escudo simple, cerrándose el hueco de los "grippers", y apoyándose la tuneladora, mediante unos cilindros auxiliares, en el último anillo colocado, para así obtener la reacción necesaria para el empuje de la cabeza de corte (es decir, como trabaja un escudo normal). Por ello, trabajando en modo escudo, no es posible simultanear la excavación con el montaje del anillo de dovelas.

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2.2. Ventajas de la utilización de las tuneladoras La utilización de tuneladoras presenta una serie de ventajas frente a los métodos tradicionales: 

Mayor rendimiento en el avance de la excavación, además de quedar el túnel prácticamente terminado al colocarse el revestimiento al mismo tiempo que se va perforando el terreno.

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La mecanización y automatización de la excavación (transporte de escombros mecanizado, operación de corte, etc.) han reducido considerablemente el esfuerzo físico de los operarios.

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Al tratarse de una máquina integral que abarca la sección completa, esto supone una protección de la clave y se disminuye el posible riesgo derivado de la inestabilidad del frente de excavación; como consecuencia de aplicar la T.B.M. un empuje relativamente constante en la roca, lo que supone un incremento de la seguridad. A esto hay que añadir que son máquinas que han sido diseñadas teniendo en cuenta medidas preventivas de seguridad (barandillas de paso de operarios, cámaras de supervivencia, sistemas de extinción de incendios). Y gracias a su aplicación los accidentes laborales en el frente casi han desaparecido y existe un control riguroso de acceso a la obra.

2.3. Riesgos en el empleo de tuneladoras El empleo de tuneladoras mejora la seguridad. Esto no significa que se esté exento de riesgos; aun con las T.B.M., una construcción de túneles es una obra dinámica, en la que siempre ocurren imprevistos. Además, se ha de tener en cuenta que se está ante una máquina de alto coste y que es un prototipo diseñado para responder a las necesidades de un terreno de características determinadas. Una inadecuada elección o mal diseño de la tuneladora o un equipo humano no especializado en su manejo supondrán un fracaso en su correcta utilización, puesto que una vez comenzada la obra, no se pueden realizar cambios en la

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máquina. En caso de atrapamiento, los trabajos de liberación son lentos, difíciles y peligrosos, y provocan paradas durante meses. Esta situación puede suponer, en algunos casos, un coste tan elevado que hace que el sistema deje de presentar ventajas. Por tanto, la versatilidad de las máquinas debe tenerse en cuenta en el momento de elegirlas. Para hacer una selección correcta de la tuneladora, resulta imprescindible tener un conocimiento preciso y a tiempo de las características del terreno que debemos atravesar para una definición correcta de dicho terreno. De tal modo que podamos establecer todas las medidas que prevengan la aparición de tipos de suelos imprevistos y evitar peligros que afecten tanto al equipo humano como a los medios técnicos. No hay que olvidar que el trabajo se desarrolla bajo tierra (ambiente subterráneo) y que, además, existe desplazamiento a medida que excavamos. Es por ello que, durante la ejecución de la obra y a su terminación, se pueden presentar riesgos. Así, en el estudio del terreno se deben tener en cuenta factores como: 

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Posibilidad de asientos del terreno que puedan suponer un colapso del túnel, por lo que se intentará siempre que por encima del túnel haya suficiente montera. Posibilidad de presencia de agua que pueda suponer problemas en la excavación, tales como derrumbes. Pérdida de terreno que hace que en ocasiones aparezcan chimeneas. Bloqueo de la tuneladora en el terreno. La dureza y abrasividad de las rocas se traducen en una reducción importante del rendimiento y un aumento considerable del mantenimiento de la máquina; por ejemplo, el cambio de los discos de corte que, debido a la abrasión del terreno, se desgastan con mayor facilidad. Y como consecuencia de ello puede pasar que el procedimiento deje de ser económicamente rentable o incluso resulte inviable. Presencia de gases. Posibilidad de que se produzca un incendio. Este riesgo se incrementa en túneles de gran longitud, y puede disminuir, sobre todo si se van construyendo a la vez las necesarias vías de emergencia. Imposibilidad de realizar tratamientos del terreno desde el interior del túnel.

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Las tuneladoras son máquinas complejas que requieren para su manejo y buen funcionamiento de un equipo humano especializado, que pueda sacar el máximo provecho de la tuneladora y tenga capacidad de reacción sobrada para encontrar soluciones a todos los problemas e imprevistos que puedan surgir. El coste de mantenimiento de una tuneladora es muy elevado, y se compensa con el aumento del rendimiento que la utilización de ésta supone ante otros métodos de excavación. En ocasiones y debido a circunstancias ajenas a la excavación en sí, pueden producirse riesgos financieros (fundame ntalmente “Pérdida de Beneficio”), debidos a un retraso en la obra por problemas tales como aumento del tiempo invertido en recambios, atrasos logísticos y de abastecimiento, y mantenimiento. Por ejemplo, la tuneladora necesita ser abastecida de forma continuada con energía eléctrica y un retraso en la logística del proceso supone largos tiempos de parada de la excavación por razones ajenas a la misma que, además, pueden suponer un riesgo financiero. La rutina en la tarea puede suponer un inconveniente al olvidar el personal los riesgos presentados en el entorno de trabajo.

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2.4. Estabilidad del frente, movimientos del terreno, y sostenimiento Para tener éxito a la hora de diseñar y construir un túnel es necesario tener dominados estos tres aspectos básicos: estabilidad, movimientos del terreno y sostenimiento. La estabilidad del frente es esencial desde el punto de vista de la seguridad durante la ejecución, tanto dentro del túnel como en superficie. Antes de instalar el sostenimiento existe una porción de terreno que se debe mantener estable. El estudio de los movimientos en el terreno y su consecuente afección a las construcciones es de particular importancia en el entorno urbano. Por un lado se han de establecer los límites admisibles para no causar daños a estructuras y servicios cercanos al túnel y por otro lado se han de prever los posibles asientos y sus causas. Contrastando ambas informaciones se adoptarán las medidas constructivas necesarias para ejecutar el túnel con la mayor garantía de seguridad. El sostenimiento del túnel debe ser diseñado para que funcione correctamente durante toda su vida útil. Se diseñará para que sea capaz de resistir todas las solicitaciones a las que se pueda ver sometido: las cargas del terreno, del agua, las deformaciones que puede llegar a sufrir y las cargas aplicadas tanto en fase constructiva como de servicio.

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2.5. Equipos auxiliares por tipo de tuneladoras TBM

2.6. Ciclo General de trabajo de tuneladoras TBM

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3. CONCLUSIONES 

Las máquinas tuneladoras TBM son muy útiles para la construcción de túneles, ya que poseen mayor rendimiento de avance que ofrecen otros sistemas de excavación.

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Para poder elegir la tuneladora correcta para un lugar específico, se debe tener en cuenta las características propias del lugar, como son las propiedades geológicas, características de sostenimiento, tiempo requerido para el término de la obra, recursos disponibles, etc.

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La calidad de la roca determina las características que debe tener la TBM, no se podrá utilizar cualquier tipo de tuneladora que no sea apropiada a las características del macizo rocoso.

4. BIBLIOGRAFÍA 

Análisis del rendimiento y parámetros de una tuneladora - Miguel Ángel Requena Molano https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/12705/TESIS.%20An%C 3%A1lisis%20del%20rendimiento%20y%20par%C3%A1metros%20de%20una% 20tunelad~1.pdf?sequence=1&isAllowed=y.

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La seguridad en tuneladoras - Elisa Escobar https://www.fundacionmapfre.org/documentacion/.../i18n/catalogo_imagene s/grupo.cmd?path=1035716.

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Estado actual de la tecnología en tuneladoras http://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/4777/06.pdf?sequence= 6&isAllowed=y

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