Metodos Constructivos Para Tuneles-Elkin Eduardo Gomez

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METODOS CONSTRUCTIVOS PARA TUNELES

Presentado Por. Elkin Eduardo Gómez

Presentado a: Ing. José Francyne Matoma

ESCUELA DE INGENIEROS MILITARES INGENIERIA CIVIL TUNELES

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TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN ............................................................................................ ....... 4 GLOSARIO ................................................................................... ......................... 5 I. Construcción de túneles con minadores continuos. Costos, rendimientos, factores a favor, en contra; análisis inversión y productividad ................................ 7 1. Construcción de túneles con minadores continuos .......................................... 7 1.1. ¿Qué es un minador continuo? ................................................................. 7 2. Clasificación de los minadores continuos ...................................................... 10 2.2. Minadores Continuos Horizontales .......................................................... 11 2.3. Sistemas en minería superficial............................................................... 12 3. Minadores de aplicación subterránea ............................................................ 15 3.1. Máquinas tuneleras a sección secc ión completa (Tunnel (T unnel Boring Machine, TBM) .... 15 3.2. El Mobile miner (mm) ................................................................................. 16 4. Características principales de las Tuneladoras .............................................. 21 4.1. Tuneladoras de roca dura ....................................................................... 23 4.2. Escudos de presión de tierras tierr as ................................................................. 24 5. Clasificación de las maquinas tuneladoras tunelad oras tipo TBM ..................................... 25 5.1. Maquina Tunelera Tipo Kelly (Kelly – Type T ype Tbm) .................................... 25 5.2. TBM Con Viga Principal Pr incipal (Mean Beam Tbm) ............................................ 26 5.3. TBM Doble Escudo (Double Shield TBM) ............................................... 26 5.4. TBM De Simple Escudo Escu do (Single Shield TBM) .......................................... 27 5.5. TBM De Escudo Ebp (Epb Shield TBM) .................................................. 28 II. Construcción de túneles con el diseño de voladura de Rocas, distribución de los taladros en el frente, factores o parámetros que interv ienen en el diseño; factores controlables y no controlables. ............................................................... 30 1. Excavación con explosivos ............................................................................ 30 2. La voladura de la destroza con barrenos horizontales ................................... 31 3. Maquinaria De Perforación ............................................................................ 34 4. Factores incontrolables .................................................................................. 37 5. El Costo De La Excavación En Roca ............................................................. 40 CONCLUSIONES ................................................................................................ 42 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................... ..... 43 CUESTIONARIO............................................................................................. ..... 44

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TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN ............................................................................................ ....... 4 GLOSARIO ................................................................................... ......................... 5 I. Construcción de túneles con minadores continuos. Costos, rendimientos, factores a favor, en contra; análisis inversión y productividad ................................ 7 1. Construcción de túneles con minadores continuos .......................................... 7 1.1. ¿Qué es un minador continuo? ................................................................. 7 2. Clasificación de los minadores continuos ...................................................... 10 2.2. Minadores Continuos Horizontales .......................................................... 11 2.3. Sistemas en minería superficial............................................................... 12 3. Minadores de aplicación subterránea ............................................................ 15 3.1. Máquinas tuneleras a sección secc ión completa (Tunnel (T unnel Boring Machine, TBM) .... 15 3.2. El Mobile miner (mm) ................................................................................. 16 4. Características principales de las Tuneladoras .............................................. 21 4.1. Tuneladoras de roca dura ....................................................................... 23 4.2. Escudos de presión de tierras tierr as ................................................................. 24 5. Clasificación de las maquinas tuneladoras tunelad oras tipo TBM ..................................... 25 5.1. Maquina Tunelera Tipo Kelly (Kelly – Type T ype Tbm) .................................... 25 5.2. TBM Con Viga Principal Pr incipal (Mean Beam Tbm) ............................................ 26 5.3. TBM Doble Escudo (Double Shield TBM) ............................................... 26 5.4. TBM De Simple Escudo Escu do (Single Shield TBM) .......................................... 27 5.5. TBM De Escudo Ebp (Epb Shield TBM) .................................................. 28 II. Construcción de túneles con el diseño de voladura de Rocas, distribución de los taladros en el frente, factores o parámetros que interv ienen en el diseño; factores controlables y no controlables. ............................................................... 30 1. Excavación con explosivos ............................................................................ 30 2. La voladura de la destroza con barrenos horizontales ................................... 31 3. Maquinaria De Perforación ............................................................................ 34 4. Factores incontrolables .................................................................................. 37 5. El Costo De La Excavación En Roca ............................................................. 40 CONCLUSIONES ................................................................................................ 42 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................... ..... 43 CUESTIONARIO............................................................................................. ..... 44

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TABLA DE GRAFICAS Gráfica 1.Minador continuo .................................................................................... 7 Gráfica 2.Perforador y evacuador de escombros ................................................... 9 Gráfica 3.Tuneladora T BM ..................................................................................... 9 Gráfica 4. Perforador de chimenea (RBM) ........................................................... 10 Gráfica 5.Perforador continuo de pique piqu e (SBM) ..................................................... 11 Gráfica 6. Acción de la broca de arrastre arras tre sobre la roca roc a sólida .............................. 11 Gráfica 7.Rozadora (RH) ..................................................................................... 12 Gráfica 8.Excavador-Cargador Holland mod 1600 (HL) ....................................... 13 Gráfica 9.Excavador-Cargador Holland para corte horizontal............................... 13 Gráfica 10.Rueda de cangilones GIANT de KRUPP ............................................ 14 Gráfica 11.Surface Miner 4200 SM de Wirtgen. W irtgen. ................................................... 14 Gráfica 12. Cabezal de la TBM MK 12 en fase final de su montaje ...................... 15 Gráfica 13. Representación esquemática de las partes de una “TBM” (Wirth). .... 16 Gráfica 14.Mobile Miner 130 de Robbins ............................................................. 17 Gráfica 15.Roadheader Paurat GMBH E - 134..................................................... 18 Gráfica 16.Maquina chimenera (Raise boring machine, RBM): ............................ 19 Gráfica 17.Máquina para la excavación de pozos (shaft boring machine, sbm) ... 19 Gráfica 18.BORPAK (BP)..................................................................................... 20 Gráfica 19.Rozadoras para minas de carbón (Shearer) (Sh earer) ....................................... 21 Gráfica 20.Cortador y un cangilón de carga de una de las tuneladoras que va va a construir el Túnel de Lostchberg, (Suiza). ............................................................ 23 Gráfica 21.Cilindros de empuje de la l a tuneladora .................................................. 24 Gráfica 22.Maquina Tunelera Tipo Kelly .............................................................. 25 Gráfica 23.“TBM” de viga Principal “MB 200” ....................................................... 26 Gráfica 24.“TBM” Wirth de doble escudo “ ........................................................... 27 ica 25.a “TBM” Herrenknecht “S -317” ............................................................ 27 Gráf ica Gráfica 26.Mega “EPB TBM S -300” ..................................................................... 28 Gráfica 27.Cuele ............................................................................................. ..... 33 Gráfica 28.Esquema de bóveda ........................................................................... 33 Gráfica 29.Rumbo Perpendicular ......................................................................... 39 Gráfica 30.Distribucion de los taladros en la malla de perforación ....................... 40 TABLA DE TABLAS Tabla 1.Resumen de características tipo de tuneladoras ..................................... 22 Tabla 2.Ventajas e inconvenientes del método constructivo ................................ 29 Tabla 3.Rendimientos de tuneladora TBM T BM ........................................................... 30 Tabla 5.Proceso de detonación ............................................................................ 37

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INTRODUCCIÓN En el presente trabajo se investigará sobre la construcción de túneles con minadores continuos, construcción de túneles con el diseño de voladura de Rocas, su definición, características y diferentes clases y el empleo de los mismos; para ello es necesario tener claro los conceptos de perforación de rocas y los distintos métodos constructivos que se implementan en este tipo de proyectos.

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GLOSARIO 1. Accesorios de perforación. Los accesorios de perforación comúnmente usados son las varillas o barrenas y las bocas de perforación. Además, se emplean manguitos y otros adaptadores para el ensamblaje de las piezas. 2. Cables. Los cables eléctricos que transmiten la corriente desde el explosor hasta los detonadores son los usados habitualmente en trabajos eléctricos. 3. Cañas. Son tubos de PVC (tubos omegas) abiertos longitudinalmente en cuyo interior se colocan los explosivos, cordón detonante, etc. Permiten introducir fácilmente todos los elementos en su disposición correcta dentro del taladro. 4. Explosor. Es el mecanismo que produce la corriente eléctrica que da lugar a la explosión. Suelen estar basados en un condensador que se va cargando con una manivela o una batería y que cierra el circuito manual o automáticamente 5. Explosivos y detonadores: Los tipos de explosivo que deben utilizarse en túneles dependen de las características de la roca, principalmente de su densidad, resistencia a compresión y velocidad de propagación sónica de la roca. 6. Excavaciones mecánicas con Máquina: Se consideran en este grupo las excavaciones que se avanzan con máquinas rozadoras; con excavadoras, generalmente hidráulica brazo con martillo pesado o con cuchara, sea de tipo frontal o retro; con tractores y cargadoras (destrozas) e, incluso, con herramientas de mano, generalmente hidráulicas o eléctricas. 7. Excavación mecánica con máquinas integrales no presurizadas: Esta excavación se realiza a sección completa empleando las máquinas integrales de primera generación o no presurizadas. 8. Excavación mecánica con máquinas integrales presurizadas: La baja competencia del terreno suele asociarse a casos de alta inestabilidad y presencia de niveles freáticos a cota superior a la del túnel la primera solución aplicada a los escudos mecanizados abiertos para trabajar en estas condiciones fue la presurización total del Túnel 9. Maquinas Rotativas: Realizan la perforación por medio de una herramienta cortante giratoria en forma de corona, que puede estar revestida de materiales en movimiento granallas. 10. Máquinas de Percusión: Las máquinas de percusión realizan su trabajo por medio de una herramienta cortante o trepano que golpea sobre el fondo de la perforación.

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11. Maquinaria de perforación: La perforación de los taladros se puede hacer por dos procedimientos: el primero es mediante el uso de martillos manuales accionados por aire comprimido, y el segundo es mediante martillos hidráulicos montados sobre una maquina automóvil denominada jumbo. 12. Martillos manuales. Los martillos manuales de aire comprimido funcionan a percusión, es decir, la barrena golpea contra la roca y gira de forma discontinua entre cada percusión, separándose del fondo del taladro. 13. Minadores continuos: son equipos que, en sus diversas formas y aplicaciones, sirven para fragmentar y excavar la roca. Por la competitividad, avance tecnológico y preservación ambiental, la industria de la excavación, apunta al uso de sistemas de minado continuo, tanto en superficie como en el subsuelo. 14. Perforador de chimeneas (RBM): Su uso principal es en corrida de chimeneas en roca dura o semidura de operaciones mineras subterráneas. Tritura la roca en compresión y puede perforar chimeneas de abajo hacia arriba o de arriba hacia abajo. 15. Perforador de piques (SBM): Se utiliza en desarrollo de mina, perfora hacia abajo en roca dura o blanda. presenta un bosquejo de este equipo y sus componentes. 16. Retacador. El retacador es el material que cierra o tapona el taladro y de este modo impide que la energía debida a la explosión se escape por la boca del mismo. Normalmente se usan unos cartuchos de arcilla muy plástica. 17. Rozadora (RH): Existe variedad de modelos y marcas y se usa en la minería del carbón desde la década de 1950. Fueron perfeccionadas en flexibilidad y elementos de corte del cabezal para su uso en roca semidura. 18. Secuencia de disparo: El mismo tipo de explosivos y sistemas de iniciación se recomiendan para el banqueo horizontal. Para instalar estaciones de energía hidroeléctrica y cavernas para el almacenamiento de aceite, etc. 19. Túneles de pequeña sección: La sección transversal de un túnel de pequeña sección puede ser alrededor de 4 m2. Esta área proporciona espacio para poder instalar la tubería de ventilación y el uso de equipos pequeños de excavación. 20. Túneles de mediana sección: Los túneles de sección entre 20 a 60 m2 son comúnmente empleados en la construcción de plantas hidroeléctricas, construcción de caminos, ferrocarriles minería cavernas o depósitos subterráneos, etc.

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I. Construcción de túneles con minadores continuos. Costos, rendimientos, factores a favor, en contra; análisis inversión y productividad 1. Construcción de túneles con minadores continuos 1.1. ¿Qué es un minador continuo? Los minadores continuos, son equipos que, en sus diversas formas y aplicaciones, sirven para fragmentar y excavar la roca. Por la competitividad, avance tecnológico y preservación ambiental, la industria de la excavación, apunta al uso de sistemas de minado continuo, tanto en superficie como en el subsuelo. En estas últimas décadas, se viene desarrollando y perfeccionando una variedad de equipos de minado continuo, tendientes a desplazar el uso de explosivos para fragmentar la roca. Los equipos de minado continuo precedentes, estuvieron limitados a la excavación de terrenos relativamente suaves, como la minería de carbón y remoción de materiales suaves, pero actualmente, el tipo de roca, ya no es una limitante para la aplicación de este sistema 1. Por lado, las “TBMs” estuvieron orientados únicamente a la excavaci ón de túneles

de uso civil (ferrocarrileros, carreteros, hidroeléctricos, etc.); lo cual ha sido superado con la exitosa aplicación en minería, la “TBM Robbins/Atlas Copco 156 275”, en la mina Lower Kalamazoo de Magna Copper en Arizona, USA, para el desarr ollo de la mina para su explotación por “Block Caving”. Gráfica 1.Minador continuo

Fuente. Universidad Pedro de Valdivia/ Minado continuo en túneles

1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA/ Las maquinas tuneleras tipo “TBM” como alternativa al sistema de perforación y voladura para la excavación de túneles. Emiliano Mauro Giraldo Paredes. LIMA – PERU, 2010

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Dentro de las características constructivas de túneles con minadores continuos se puede afirmar: 

La excavación continua de una galería de gran sección, mediante tuneladoras o excavadoras continuas (tipo topo), se ha ge neralizado en todo el mundo2.



El efecto directo de una máquina de este tipo es provocar la rotura de la roca en el frente de avance, transformándola en fragmentos que puedan ser evacuados por un sistema automático de transporte. (Desescombro).



El minador continuo puede resumirse a dos elementos esenciales: el dispositivo de corte que llevan las herramientas en contacto directo con el terreno frontal, y el mecanismo de evacuación de los fragmentos que resultan de este ataque.



Las herramientas son: o picos de acero revestidos de carburo de tungsteno usados para las formaciones litológicas blandas o de una dureza relativamente débil, o bien discos o muelas.



Las muelas derivan del tricono de las perforaciones petrolíferas.



Los discos y muelas van instalados sobre rodillos que giran locos sobre la roca.



Los discos pueden ser simples o dentados, o provistos de pastillas de carburo de tungsteno para resistir mejor la abrasión.



Los rodillos son ensambladuras de elementos cónicos o cilíndricos3.

2

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS/ Licencia Creative Commons 3.0 España (by-nc). Octubre de 1979. Excavación de galerías en rocas d uras mediante máquina tuneladora. Recuperado http://informesdelaconstruccion.revistas.csic.es/index.php/informesdelaconstruccion/article/viewFile/2412 /2721 3 Ibíd.,

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Gráfica 2.Perforador y evacuador de escombros

1.Cabeza de perforación 2.Puntos de apoyo 3.Empuje 4.Sustentación 5.Evacuación de escombros 6.Motores

Fuente. Consejo Superior de Investigaciones Científicas/ Excavación de galerías en rocas duras mediante máquina tuneladora/ Recuperado http://informesdelaconstruccion.revistas.csic.es/index.php/informesdelaconstruccio n/article/viewFile/2412/2721 Los minadores continuos son equipos de excavación rápida que no requieren perforación y voladura. Algunos de estos equipos pueden perforar roca dura como el TBM y el RBM, pero no son equipos de extracción minera. En tajeos y labores de minado no existe espacio para anclar el equipo y se requiere gran movilidad en áreas reducidas.4 Gráfica 3.Tuneladora TBM

Fuente. http://www.scielo.org.pe/pdf/iigeo/v12n23/a07v12n23.pdf

4

REVISTA DEL INSTITUTO DE INVESTIGACIONES FIGMMG/ Vol. 12, N.º 24, 117-126 (2009) UNMSM. Explotación minera sin voladura . Oswaldo Ortiz Sánchez, E. Mauro Giraldo Paredes, Gudelia Canchari Silverio

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2. Clasificación de los minadores continuos Se tiene minadores continuos horizontales y verticales de acuerdo a la dirección de ataque en el frente de avance. 2.1. Minadores Continuos Verticales 5 Perforador de chimeneas (rbm):

Su uso principal es en corrida de chimeneas en roca dura o semidura de operaciones mineras subterráneas. Tritura la roca en compresión y puede perforar chimeneas de abajo hacia arriba o de arriba hacia abajo. La aparición de este equipo agilizó la minería sin rieles. Perforador de piques (sbm):

Se utiliza en desarrollo de mina, perfora hacia abajo en roca dura o blanda. presenta un bosquejo de este equipo y sus componentes. Minador escarificador (rm):

Patentado en años recientes, hace uso de la baja resistencia a la tensión de la roca. Según Chamberlain y otros, (1992a), el equipo extrae tajadas verticales del frente de minado con una broca de arrastre en su viaje de abajo hacia arriba. La broca es plana con un ancho de hasta 60 cm. Puede usarse en tajeos. Gráfica 4. Perforador de chimenea (RBM)

Fuente. Revista del Instituto de Investigaciones FIGMMG. Explotación minera sin voladura. 5 Ibíd.,

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Gráfica 5.Perforador continuo de pique (SBM)

Fuente. Revista del Instituto de Investigaciones FIGMMG. Explotación minera sin voladura. 2.2. Minadores Continuos Horizontales Minador de túneles y galerías (tbm).

Se aplica en construcción de túneles y galerías de grandes longitudes en roca blanda o dura. Avanza en el frente triturando la roca por compresión originando desgaste prematuro de los insertos o picas de cabezal. Robbing (1986) indica que este sistema puede aplicarse en el desarrollo de la minería metálica de roca dura. 6 Gráfica 6. Acción de la broca de arrastre sobre la roca sólida

Fuente. Revista del Instituto de Investigaciones FIGMMG. Explotación minera sin voladura. 6 Ibíd.,

opcit

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Rozadora (rh). Existe variedad de modelos y marcas y se usa en la minería del carbón desde la década de 1950. Fueron perfeccionadas en flexibilidad y elementos de corte del cabezal para su uso en roca semidura. Actualmente pueden cortar varias formas de secciones transversales y su empleo en la minería metálica es factible en métodos de minado como cámaras y pilares, corte y relleno ascendente, etc., puede cortar selectivamente mantos horizontales y vetas de poca pendiente. Son equipos apropiados si se lleva un cuidadoso plan de minado en secuencia y eliminación del material roto en el frente de avance. De acuerdo con McFeat Smith (1986), este equipo puede aplicarse al avance de galerías y túneles 7. Minador móvil (mm). Fue desarrollado para la minería subterránea de roca metálica semidura. Elimina la perforación y voladura en forma eficiente con solo un 36% de utilización. Boyd (1987) indica que el equipo es versátil en los frentes de minado pudiendo operar en tajeos de explotación subterránea Gráfica 7.Rozadora (RH)

Fuente. Revista del Instituto de Investigaciones FIGMMG. Explotación minera sin voladura. 2.3. Sistemas en minería superficial Cargador Holland (hl).

Excava y carga material del piso o de un talud de hasta 5 m de alto. Se puede emplear como equipo de minado en cielo abierto para roca blanda a semidura. El material excavado es cargado a camiones o faja por medio de un alimentador lateral. 7 Opcit.

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Gráfica 8.Excavador-Cargador Holland mod 1600 (HL)

Fuente. Revista del Instituto de Investigaciones FIGMMG. Explotación minera sin voladura. Gráfica 9.Excavador-Cargador Holland para corte horizontal

Fuente. Revista del Instituto de Investigaciones FIGMMG. Explotación minera sin voladura. Rueda de Cangilones (Bucket Wheel Excavator, BWE):

Es el equipo de minado continuo más grande construido por el hombre hasta la actualidad, principalmente en Alemania, para la explotación de grandes depósitos de lignito en dicho país. Actualmente las BWE, operan con éxito en distintas partes del mundo. Son las máquinas más productivas en la minería de terrenos sueltos no consolidados, su aplicación se ha extendido en décadas recientes, con cierto éxito en terrenos duros, un ejemplo de estas máquinas es la Orestein and Koppel que trabajó exitosamente en GCOS en Athabasca Canadá. La rueda de cangilones presenta una productividad teórica sobre los 240 000 m3/día, que ha estado en servicio por muchos años en las minas de carbón marrón de German Rhineland Brown. 8 8

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA/ Las maquinas tuneleras tipo “TBM” como alternativa al sistema de perforación y voladura para la excavación de túneles. Emiliano Mauro Giraldo Paredes. LIMA – PERU, 2010

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Gráfica 10.Rueda de cangilones GIANT de KRUPP

Fuente. Universidad nacional de ingeniería. Las maquinas tuneleras tipo “TBM” como alternativa al sistema de perforación y voladura para la excavación de túneles Minador superficial (Surface Miner, SM)

Este equipo está montado sobre 4 orugas, y consta de un tambor de corte que gira oponiéndose al avance de la máquina y está provisto de los elementos de corte. El accionamiento del tambor, se transmite desde el motor diésel al engranaje del tambor mediante el embrague y las fajas de accionamiento (Wirtgen)9. Gráfica 11.Surface Miner 4200 SM de Wirtgen.

Fuente. Universidad nacional de ingeniería. Las maquinas tuneleras tipo “TBM” como alternativa al sistema de perforación y voladura para la excavación de túneles 9 Ibíd.,

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3. Minadores de aplicación subterránea Dentro de este grupo, se encuentran los siguientes minadores continuos: las máquinas tuneleras a sección completa (TBM), Mobile miner, roadheader, raise boring, shaft boring, borpak, y las rozadoras para minas de carbón 3.1. Máquinas tuneleras a sección completa (Tunnel Boring Machine, TBM) Las máquinas tuneleras tipo TBM son equipos de minado continúo diseñados para la excavación de túneles circulares hasta más de 15 m de diámetro actualmente. La utilización de estas máquinas en sustitución del método convencional de perforación y voladura, es cada vez más frecuente 10. Gráfica 12. Cabezal de la TBM MK 12 en fase final de su montaje

Fuente. PERFORMANCE OF THE TUNNEL BORING MACHINE/Productividad de las máquinas tuneleras tipo TBM vs tipo de roca.

10

PERFORMANCE OF THE TUNNEL BORING MACHINE/Productividad de las máquinas tuneleras tipo TBM vs tipo de roca. 19 / 12 / 2008, Oswaldo Ortiz Sánchez, Mauro Giraldo Paredes.

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Gráfica 13. Representación esquemática de las partes de una “TBM” (Wirth).

Fuente. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA/ Las maquinas tuneleras tipo “TBM” como alternativa al sistema de perforación y voladura para la excavación de túneles. Partes de una TBM

1) Cabezal. 2) Porta rodaje y escudo de polvo. 3) Instalador de concreto y sistema de transporte. 4) Eje interno. 5) 2 porta ejes con escudos de sujeción y cilindros de ajuste. 7) Accionamiento del cabezal. 8) Soporte posterior. 9) Faja transportadora. 10) equipo de perforación para anclaje. 3.2. El Mobile miner (mm) Este equipo está montado sobre orugas y su aplicación p ropiamente es en la explotación de minas, básicamente en el método de “cámaras y pilares” (Robbins 1992). Sin embargo, por el tipo de excavación que realizan, horizontales o subhorizontales, se les puede considerar dentro del grupo de los minadores de túneles 11. El Mobile Miner, consta de una rueda giratoria relativamente angosta con múltiples cortadores de disco en la periferia, montadas de tal forma que puede ser barrida transversalmente al frente, paralelo al eje de la excavación El ciclo de corte del Mobile miner, consta primero del hundimiento en la roca de la rueda cortadora rotando, con el brazo oscilando a un lado del corte. Cuando la rueda ha alcanzado su penetración diseñada, los cilindros de oscilación del brazo son activados, y el brazo empieza a barrer al lado opuesto del corte, cuando el brazo y la rueda alcanzan el límite, la dirección de barrido es invertido. El ciclo de hundimiento y oscilación continúa hasta

11 Opcit.,

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una carrera completa de 762 mm (30 pulg.) de los cilindros de impulsión (Wallis 1987) Gráfica 14.Mobile Miner 130 de Robbins

Fuente. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA/ Las maquinas tuneleras tipo “TBM” como alternativa al sistema de perforación y voladura para la excavación de túneles.

3.3. El Roadheader (Rh) Son equipos montados sobre orugas y con cabezal cortante de dimensiones muy inferiores a la sección de la excavación y con configuraciones diversas (helicoidales, tambores simples o dobles, etc.). Atacan el frente con movimientos de escariado, es decir, por ensanchamiento de la excavación 12. El avance en la dirección del túnel no es continuo, su empleo tiene éxito en terrenos relativamente suaves. Los ingleses lo bautizaron con el nombre de “ROAD-HEADER” (White 1987). Entre otros fabricantes se pueden citar a Goodman y Sullivan(USA), Paurat(Alemania), Atlas Copco (Suecia), Voest Alpine Berktechnik(Austria). Su diseño es para la excavación de rocas de dureza media a baja. En nuestro país, la única vez que efectivamente se intentó aplicar una de estas máquinas fue en la mina San Ignacio de Morococha (SIMSA), en 1987, donde se introdujo el Roadheader PAURAT GMBH E-134 (Rubio 1987).

12 Opcit.,

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Gráfica 15.Roadheader Paurat GMBH E - 1 34

Fuente. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA/ Las maquinas tuneleras tipo “TBM” como alternativa al sistema de perforación y voladura para la excavación de túneles.

3.4. Maquina chimenera (Raise boring machine, RBM): Llamado también Raise Drilling, son equipos que excavan chimeneas entre uno o más niveles, la primera máquina se introdujo por la década de los 60, su principal ventaja radica en la seguridad para el personal, dado que no requiere personal dentro de la excavación. Actualmente, se tienen diámetros hasta de 6 m y profundidades hasta 1 000 m. Otra ventaja es qu e, al no usarse explosivos para la fragmentación de la roca, la roca remanente no queda fisurada, paredes de la chimenea quedan lisas facilitando el flujo del aire y proporcionando mayor estabilidad. Así mismo, requiere menos mano de obra y menos escombro que remover, menor tiempo de construcción y alta seguridad. Los RBM tienen amplia aplicación, tanto en minería como en construcción civil. En minería se aplican en traslado de material, ventilación, acceso para el personal, producción de mineral. En construcción civil se aplican en tuberías forzadas y chimeneas de equilibrio en los proyectos hidroeléctricos, desviación y encausamiento del agua; almacenaje de petróleo, gas presurizado y residuos radioactivos; ventilación de los túneles carreteros y ferrocarri leros; captación de agua y drenaje; chimenea de servicios (tubos, mangueras, cables, etc.); entrada y salida de agua para picigranjas.

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Gráfica 16.Maquina chimenera (Raise boring machine, RBM):

Fuente.http://www.etcg.upc.edu/asg/TiMR/descargas/07Rozadoras.pdf 3.5. Máquina para la excavación de pozos (shaft boring machine, sbm): Por la década de los años 1920, se perforaron los primeros pozos con un minador continuo en algunas minas de carbón en Alemania y Holanda, pero su aplicación se daba únicamente cuando las condiciones eran muy adversas; luego fue sustituido por el sistema de congelación. En Canadá, se usa con frecuencia combinado con el sistema de congelación en r ocas sedimentarias. En USA se han perforado muchos pozos, básicamente para ensayos nucleares, llevados a cabo por la Comisión de Energía Atómica (Atomic Energy Comisión, AEC). El diámetro de la excavación, varía entre 1,5 a 8 m. La máxima profundidad alcanzada hasta ahora con este sistema, es de 2 000 m. Las dimensiones de estos equipos son imponentes, accionados por motores diésel - eléctricos con una potencia instalada de por lo menos de 3 000 HP. La velocidad de avance para un diámetro de 3 m es alrededor de 9 m/día Gráfica 17.Máquina para la excavación de p ozos (shaft boring machine, sbm)

Fuente.http://www.etcg.upc.edu/asg/TiMR/descargas/07Rozadoras.pdf

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3.6. BORPAK (BP): Este minador continuo en sí, es un micro “TBM”, como tal, se fijan a las paredes

de la excavación mediante grippers y avanzan en forma intermitente. Dado que estas máquinas están diseñadas para excavar chimeneas de pequeña sección, el material arrancado baja por un ducto por gravedad, por cuya base corre una faja transportadora que conduce el material a un punto de descarga. El rango de diámetros va de 1,20 m a 2,50m. Por su reducido tamaño, el equipo es operado desde la parte exterior, a control remoto (The Robbins 1992). Estos equipos excavan chimeneas inclinados a verticales, para servicios e instalaciones. Gráfica 18.BORPAK (BP)

Fuente.http://www.etcg.upc.edu/asg/TiMR/descargas/07Rozadoras.pdf 3.7. Rozadoras para minas de carbón (Shearer) Diseñado para la explotación de las minas de carbón, se ilustra al rozador AM500 de Anderson en plena excavación de un manto de carbón en Inglaterra. Porta un cabezal similar al de roadheader, con la diferencia que el chasis se desplaza sobre rieles, mientras que los roadheader sobre orugas. El cabezal corta y desplaza el material a una cadena que corre por la base, el mismo que lo transporta hasta un determinado punto, de donde se transporta hasta su destino final, normalmente mediante fajas. 13

13

Opcit.,

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Gráfica 19.Rozadoras para minas de carbón (Shearer)

Fuente.http://www.etcg.upc.edu/asg/TiMR/descargas/07Rozadoras.pdf 4. Características principales de las Tuneladoras La construcción de túneles mediante tuneladoras se inició, salvando actuaciones históricas puntuales, en la segunda mitad del siglo XX y se ha manifestado de forma espectacular en los últimos veinte años. Como consecuencia de la gran expansión registrada en la construcción de túneles con tuneladoras, éstas han experimentado unos cambios tecnológicos muy importantes que, a menudo, hacen complicada la elección de la tuneladora más apropiada para la construcción de un túnel concreto 14. Para tratar de clarificar esta situación, en los apartados siguientes se presentan las características básicas de los diferentes tipos de tuneladoras actualmente existentes. Para intentar llegar a una mayor clarificación de conceptos se han diferenciado entre los tipos básicos de tuneladoras y los derivados de ellas, que se han construido mezclando los conceptos básicos En el siguiente cuadro se representan las características más relevantes de estos tipos de maquinas

14

ESTIMACION DE COSTE Y PLAZO DE EJECUCION EN PROYECTOS DE TUNELES MECANIZADOS / Estado actual de la tecnología en tuneladoras. Ignacio Sáenz de Santa María Gatón Recuperado.https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/4777/06.pdf?sequence=6&isAllowed=y

TUNELES

Tabla 1.Resumen de características tipo de tuneladoras TIPO

T.B.M

Esquema

B. P. E

Principio de excavación

Aspecto del terreno excavado

Discos cortadores empujados contra el frente

Lajas centimetricas

Medio de carga

Canglones

Cinceles que giran contra el terreno

Masa granular de Tornillo de consistencia Argumenes plástica

Cinceles que giran contra el terreno

Gránulos de suspensión acuosa

Destino del escombro

Principal consumo de potencia

Sostenimiento

Revestimiento

Terreno idóneo de aplicación

Cinta Axial

Escombrera

Empujar los cortadores

Cerchas, Bulones, Hormigón proyectad

La propia roca, Hormigón proyectado, Hormigón encofrado

Macizos rocosos de resistencia media a elevada

Cintas

Escombrera

Amasar el terreno

El propio escudo de la máquina

Dovelas

Suelos cohesivos y rocas blandas

Bomba de lodos

Planta de separación

Bombear lodos

El propio escudo de la máquina

Dovelas

Suelos granulares

Transporte primario

s o d u c s E

Y.

D.

.R

.O

S.

S.

Bomba de lodos

H

Fuente. Elaboración propia. Información obtenida de https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/4777/06.pdf?sequence=6&isAllowed=y)

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4.1. Tuneladoras de roca dura Las tuneladoras de roca dura se conocen también como T.B.M (Tunnel Boring Machine) o simplemente “topos”. Los procesos elementales del ciclo de trabajo en

este tipo de tuneladoras se determinan así 15: Excavación:

La excavación del terreno se realiza empujando contra él unos discos de metal duro que producen la rotura del terreno por compresión, de tal forma que los fragmentos resultantes tienen forma de laja de algunos centímetros de longitud. Carga y transporte de escombros:

En la tuneladora de roca dura, la carga del terreno excavado se realiza mediante unos cangilones, incorporados en la cabeza cortadora. En la

TUNELES

4.1. Tuneladoras de roca dura Las tuneladoras de roca dura se conocen también como T.B.M (Tunnel Boring Machine) o simplemente “topos”. Los procesos elementales del ciclo de trabajo en

este tipo de tuneladoras se determinan así 15: Excavación:

La excavación del terreno se realiza empujando contra él unos discos de metal duro que producen la rotura del terreno por compresión, de tal forma que los fragmentos resultantes tienen forma de laja de algunos centímetros de longitud. Carga y transporte de escombros:

En la tuneladora de roca dura, la carga del terreno excavado se realiza mediante unos cangilones, incorporados en la cabeza cortadora. En la siguiente imagen se puede observar el detalle de un disco cortador y un cangilón de carga, de una de les tuneladoras que va a construir el Túnel de Lostchberg, en Suiza Gráfica 20.Cortador y un cangilón de carga de una de las tuneladoras que va a construir el Túnel de Lostchberg, (Suiza).

Fuente. Estimación de coste y plazo de ejecución en proyectos de túneles mecanizados/ Estado actual de la tecnología en tuneladoras. Recuperado.https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/4777/06.pdf?seq uence=6&isAllowed=y

15 Ibíd.,

TUNELES

Sostenimiento y revestimiento

En la mayor parte de los túneles construidos con tuneladora de roca dura, el sostenimiento se hace mediante sistemas de bulones, cerchas y hormigón proyectado. A veces, cuando el terreno es de buena calidad, el acabado perfecto que tiene la excavación con tuneladora permite prescindir de algún tipo de sostenimiento. 4.2. Escudos de presión de tierras Los Escudos de Presión de Tierras, también llamados tuneladoras E.P.B. (Earth Pressure Balanced), se han inventado para resolver el problema que plantea la estabilidad del frente de excavación cuando el terreno es inestable 16. Esta situación se produce en los túneles excavados en terrenos de tipo suelo, sobre todo si están situados por debajo del nivel freático o cuando el terreno está constituido por una roca blanda y, la profundidad a la que se ha de excavar el túnel es considerable. Para controlar la estabilidad del frente del túnel los Escudos de Presión de Tierras amasan los terrenos excavados empujándolos contra el frente mediante unos cilindros hidráulicos que empujan la cabeza de corte. A diferencia de las tuneladoras de Roca Dura, los Escudos de Presión de Tierras no se apoyan sobre el terreno; sino que lo hacen sobre el revestimiento del túnel que, siempre está constituido por anillos de dovelas. Este apoyo se realiza mediante unos cilindros hidráulicos constituyendo un auténtico anillo de empuje en la parte posterior del escudo Gráfica 21.Cilindros de empuje de la tuneladora

Fuente. Estimación de coste y plazo de ejecución en proyectos de túneles mecanizados/ Estado actual de la tecnología en tuneladoras. Recuperado.https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/4777/06.pdf?seq uence=6&isAllowed=y 16 Ibíd.,

Opcit

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5. Clasificación de las maquinas tuneladoras tipo TBM La firma Robbins, clasifica a las” TBMs” de la siguiente manera: “TBM tipo Kelly”, “TBM con viga principal”, “TBM de doble escudo”, “TBM de simple escudo” y “EPB TBM” (The Robbins Co. 1995, 1999).

5.1. Maquina Tunelera Tipo Kelly (Kelly – Type Tbm) Las máquinas tuneleras tipo Kelly tienen 4 mordazas (grippers) y las unidades de accionamiento en el extremo posterior tal como muestra la fotografía N° 2-15, que corresponde a la “TBM MK 15” de Robbins durante su montaje en el proyecto hidroeléctrico de Chimay, Chanchamayo (Junín – Perú) (Highbeam 1999,

Centrales Hidroeléctricas URL) 17.

Estas máquinas están diseñadas para excavar rocas muy duras, como tal están equipados con alta potencia de corte en el cabezal y empuje. Los modelos pequeños hasta MK 12, llevan una configuración similar a las “TBMs” de viga principal (Mean Beam TBMs), pero a partir del MK – 15, estos equipos tienen una

disposición única con el rodaje principal doble que permite excavar túneles hasta más de 15 m de diámetro. Gráfica 22.Maquina Tunelera Tipo Kelly


17 Opcit.,

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5.2. TBM Con Viga Principal (Mean Beam Tbm) Las “TBMs” de viga principal, tienen 2 grippers, una zapata de soporte debajo del

cabezal con estabilizadores laterales y un soporte activo del techo. Emplean unidades de accionamiento frontal, lo cual permite un control continuo mientras excava y resulta en pequeños radios de giro, con menor desgaste de cortadores Gráfica 23.“TBM” de viga Principal “MB 200”

Fuente.http://www.etcg.upc.edu/asg/TiMR/descargas/07Rozadoras.pdf La mayor parte del peso es concentrado en la parte delantera, donde están ubicados los motores principales y los reductores planetarios de engranajes. 5.3. TBM Doble Escudo (Double Shield TBM) Una “TBM” de doble escudo puede usar su gripper en roca buena, co nvirtiéndose prácticamente en una “TBM” descubierta. Simultáneamente a la excavación se

pueden instalar los elementos de revestimiento. En terreno fracturado e incompetente se mueve hacia delante como una “TBM”

de simple escudo, transfiriendo las reacciones del empuje y torque al revestimiento. El avance depende del tiempo que demanda la instalación del revestimiento Bobbins 1995).

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Gráfica 24.“TBM” Wirth de doble escudo “

Fuente.http://www.etcg.upc.edu/asg/TiMR/descargas/07Rozadoras.pdf 5.4. TBM De Simple Escudo (Single Shield TBM) Una “TBM” de simple escudo usa únicamente el revestimiento para la propulsión

y la reacción del torque, y se aplican principalmente en formaciones deleznables donde se requiere revestimiento. Están diseñadas para excavar roca dura, fracturada y también terrenos deleznables; es decir, tienen la misma capacidad de trabajo que las “TBMs” descubiertas. Comparado con una “TBM” de doble escudo, esta máquina tiene

componentes livianos y por consiguiente una inversión menor. Durante la instalación del revestimiento, la “TBM” permanece improductiva. Gráfica 25.a “TBM” Herrenknecht “S-317”

Fuente. http://www.etcg.upc.edu/asg/TiMR/descargas/07Rozadoras.pdf

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5.5. TBM De Escudo Ebp (Epb Shield TBM) Las “TBM EPB” – EARTH PRESSURE BALANCE – son tuneleras de simple

escudo, para excavar terrenos donde se esperan grandes flujos de agua o subsidencias. Estas máquinas deben soportar altas presiones de agua y están equipados con un transportador de tornillo en vez de una faja como transportador primario de escombro (Robbins 2008). A pesar que tiene el mismo diseño y ventaja que una “TBM” de simple escudo

ordinaria, incorpora algunas características únicas, como soportar la presión de agua hasta más de 6 bares y poder trabajar en terrenos muy pobres y con agua. El escombro llena el cabezal descubierto y es removido a través del tabique ubicado inmediatamente detrás del cabezal, por medio de un transportador de tornillo18. El mismo escombro forma un tapón dentro del transportador y la presión del terreno circundante es monitoreado y balanceado por el funcionamiento del mismo transportador a una velocidad tal que el cabezal siempre esté lleno de material. Gráfica 26.Mega “EPB TBM S -300”


18 Opcit.,

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6. Ventajas e inconvenientes Con la utilización de tuneladoras podemos describir algunas ventajas e inconvenientes con este método constructivo Las tuneladoras TBM son equipos que tienen muchas ventajas respecto al método convencional: grandes velocidades de avance, operación continua, menor daño al terreno, menos exigencia en el soporte, características uniformes de rezaga , mayor seguridad para los trabajadores y la posibilidad de trabajar automáticamente ya control remoto, Sin embargo la alta inversión inicial en equipos exige una planeación rigurosa, con el fin de reducir incertidumbres mediante estudios y diseños más amplios y detallados(costosos) en los que demanda construcción por el método convencional.19 La mayor ventaja que tiene la construcción con SM son los diferentes métodos para soportar el frente de excavación mientras se avanza. Cuando no hay agua subterránea o el flujo pueda manejarse con drenajes, se puede usar el soporte natural del terreno o un soporte mecánico. El tipo de soporte mecánico depende de si la excavación es parcial o completa, pero por lo general son placas que reaccionan contra la cabeza cortadora mediante resortes. Tabla 2.Ventajas e inconvenientes del método constructivo

Ventajas

Inconvenientes

Posibilidad de realización del túnel en zonas donde por escasa cobertura no sería posible realizarlo con otros métodos

Menor tecnología

Menor dependencia del tipo de terreno atravesado Menor dependencia de mano de obra especializada

Menores rendimientos

Mayor seguridad en la ejecución para los operarios Reducción de tratamientos del terreno Mayor afección en superficie Mejor control de subsidencias Posibilidad de abrir distintos frentes Mayor afección a servicios simultáneamente Fuente. Elaboración propia

19

MANUAL PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCION, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO EN TUNELES PARA CARRETERAS/Primera edición/INVIAS. Ministerio de transporte subdirección de Estudios e innovación.

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6.1. Unidad de conducción y rendimientos de la TBM El accionamiento de la rueda de corte, se produce a través de motores eléctricos de disposición anular controlados por frecuencia. Éstos se acoplan a la corona dentada del rodamiento principal de la rueda de corte a través de reductores individuales. La potencia instalada del accionamiento es de 1.750 kW 20 Los rendimientos se analizan de acuerdo al material excavado en un proyecto. Tabla 3.Rendimientos de tuneladora TBM

Velocidad de la cabeza de corte De 0 a 9 rpm Par máximo 4.425 kN·m a 4,5 rpm Par a la velocidad máxima de rotación 1.870 kN·m Par de desbloqueo 6.528 kN·m Número de motores eléctricos 7 Piñón / Reductora principal 15 / 125 Módulo de dientes 22 Ratio de la reductora 26,7 Máxima velocidad de salida del motor 75 rpm Máximo par de salida del motor 54,7 kN·m a 37,5 rpm Potencia del motor eléctrico 250 kW Velocidad máxima de rotación 1.980 rpm a 100 Hz Variadores de frecuencia: -Cantidad de variadores de frecuencia 25 -Frecuencia variable De 0 a 100 -Unidad de potencia Hz 250 kW - Voltaje 690 V Fuente. Elaboración propia (información obtenida de Análisis del rendimiento y parámetros de una tuneladora. Universidad Politécnica de Cataluña/Miguel Ángel Requena Molano. Ingeniería de la construcción 29/06/2011 II. Construcción de túneles con el diseño de voladura de Rocas, distribución de los taladros en el frente, factores o parámetros que intervienen en el diseño; factores controlables y no controlables. 1. Excavación con explosivos Durante muchos años ha sido el método más empleado para excavar túneles en roca de dureza media o alta, hasta el punto de que se conoció también como Método Convencional de Excavación de Avance de Túneles. La excavación se hace en base a explosivos, su uso adecuado, en cuanto a calidad, cantidad y manejo es muy importante para el éxito de la tronadura y seguridad del personal, generalmente se usa dinamita. La excavación mediante explosivo se compone de las siguientes operaciones: 20

Análisis del rendimiento y parámetros de una tuneladora. Universidad Politécnica de Cataluña/Miguel Ángel Requena Molano. Ingeniería de la construcción 29/06/2011

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      

Perforación Carga de explosivo Disparo de la carga Evacuación de humos y ventilación Saneo de los hastiales y bóveda Carga y transporte de escombro Replanteo de la nueva tronadura

Se puede aplicar a rocas con resistencia a la compresión desde 80 MPa hasta las rocas más duras, es de mayor flexibilidad y el más utilizado en la construcción de túneles Los métodos de excavación de túneles mediante perforación y voladura dependen fundamentalmente en primer lugar, del tipo de terreno a atravesar. De este modo cabe destacar por separado la excavación de túneles en roca y la excavación de túneles en suelos o terrenos blandos. En este artículo nos centraremos siempre a la excavación en roca, que es lo más habitual en los túneles de carretera21. Las partes o trabajos elementales de que consta el ciclo de trabajo característico de las excavaciones mediante perforación y voladura son las siguientes:     

Replanteo en el frente del esquema de tiro. Perforación de los taladros. Carga de los taladros con explosivo (barrenos). Voladura y ventilación. Retirada del escombro y saneo del frente, bóveda y hastiales.

El esquema de tiro es la disposición en el frente del túnel de los taladros que se van a perforar, la carga de explosivo que se v a a introducir en cada uno y el orden en que se va a hacer detonar cada barreno, diseñándose al principio de la obra en base a la experiencia y a una serie de reglas empíricas recogidas en los manuales sobre explosivos. Posteriormente, a lo largo d e la excavación del túnel, se va ajustando en función de los resultados obtenidos en cada voladura. 2. La voladura de la destroza con barrenos horizontales Tiene la ventaja de que se utiliza el mismo sistema de trabajo y maquinaria que la fase de avance, pudiendo recortarse con la voladura la for ma teórica del túnel. Por otro lado, la voladura en banco es más rápida de llevarse a cabo, con un consumo menor de explosivo, y no necesita ser retirado el escombro en cada voladura, pero requiere de un recorte posterior para conseguir el perfil del túnel en los hastiales. 21

I.T.G.E.: “Manual de perforación y voladura de rocas”, Instituto Tecnológico Geominero de España .

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Los taladros deben de tener una longitud de un 5 a 10 % superior a la distancia que se quiera avanzar con la pega, llamada longitud de avance, ya que siempre se producen pérdidas que impiden aprovechar al máximo la longitud de los taladros. Las longitudes de avance típicas están comprendidas entre 1 y 4 metros y se fijan en función de la calidad de la roca, cuanto mejor es la calidad del terreno, mayores serán los avances posibles. Con una roca de calidad mediaadecuada es habitual perforar taladros de 3 a 3,50 metros para avanzar entre 2,80 y 3,20 metros en cada voladura 22. Para la perforación y voladura, la sección teórica del túnel se divide en zonas, en las que las exigencias, tanto de densidad de perforación, como de carga específica de explosivo y secuencia de encendido son distintas. Estas zonas son:     

Cuele Contracuele Destroza Zapateras Contorno

a. Cuele. El cuele es la fase de la voladura que dispara en primer lugar. Su finalidad es crear una primera abertura en la roca que ofrezca al resto de las fases una superficie libre hacia la que puede escapar la roca con lo cual se posibilita y facilita su arranque. El cuele es sin duda la más importante de todas las fases de la voladura de un túnel en relación con el avance de la voladura. Existen distintos tipos de cuele, los cueles en V y en abanico, que facilitan la salida de la roca hacia el exterior, pero tienen el inconveniente de que los taladros forman un ángulo con respecto al eje del túnel, por lo que su correcta perforación tiene una mayor dificultad y exige variar el esquema de perforación para cada longitud de avance. En túneles de secciones de excavación reducidas estos cueles no permiten grandes avances por voladura. El cuele más usado por su simplicidad es el cuele paralelo. Consiste en un taladro vacío (barreno de expansión), sin explosivos, de mayor diámetro que el resto (de 75 a 102 mm) y, a su alrededor, tres o cuatro secciones de taladros cargados que explotan sucesivamente siguiendo una secuencia preestableci da. La misión del barreno de expansión es la de ofrecer una superficie libre que evite el confinamiento de la roca de modo que facilite su arranque. Su diámetro varía entre 100 y 300 milímetros. En ocasiones puede sustituirse por dos taladros vacíos de diámetro menor (2 x 75 mm).

22

Sinha R.S.: “Underground Structures. Design and Construction”, Elsevier.

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Gráfica 27.Cuele

Fuente. Métodos de excavación de túneles mediante perforación y voladura/ Recuperado.https://es.scribd.com/doc/112760804/Metodos-de-excavacion-detuneles-mediante-perforacion-y-voladura b. Destroza. La destroza es la parte central y más amplia de la voladura, cuya eficacia depende fundamentalmente del éxito de la zona del cuele y contracuele, que es la zona crítica de la voladura. Gráfica 28.Esquema de bóveda

Fuente. Métodos de excavación de túneles mediante perforación y voladura/ Recuperado.https://es.scribd.com/doc/112760804/Metodos-de-excavacion-detuneles-mediante-perforacion-y-voladura

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c. Zapateras. La zapatera es la zona de la voladura situada en la base del frente, a ras del suelo. Los taladros extremos suelen ir un poco abiertos “pinchados” hacia fuera

con objeto de dejar sitio suficiente para la perforación del siguiente avance. Los barrenos de las zapateras son los que más carga explosiva contienen ya que, aparte de romper la roca han de levantar ésta hacia arriba. Para evitar repiés, van ligeramente “pinchados” hacia abajo y son disparados en último lugar 23. d. Contorno. Los taladros perimetrales o de contorno son importantes pues de ellos dependerá la forma perimetral de la excavación resultante. Lo ideal es que la forma real del perímetro del túnel sea lo más parecida posible a la teórica, aunque las irregularidades y discontinuidades de la roca dificultan dicho objetivo. Existen dos técnicas de efectuar los tiros perimetrales: el recorte y el pre corte. El recorte, que es la técnica más empleada, consiste en perforar un número importante de taladros paralelos al eje del túnel en el contorno, a la distancia conveniente (entre 45 cm y 100 cm) y con una concentración de explosivo pequeña o incluso nula. En la secuencia de encendido son los últimos barrenos en detonar. Por otro lado, la técnica del pre corte se perfora un mayor número de taladros perimetrales y paralelos entre sí unas distancias entre 25 cm y 50 cm, con una concentración de carga explosiva entre 0,1 y 0,3 kg/m. Esta técnica exige una perforación muy precisa que asegure un buen paralelismo y una homogénea separación entre los taladros. En la secuencia de encendido, son los primeros en detonar, con lo que se crea una fisura perimetral que aísla y protege la roca de las vibraciones del resto de la voladura. La técnica del pre corte, por su esmerada ejecución y costo elevado, es de uso poco frecuente en túneles, excepto en casos muy especiales. 3. Maquinaria De Perforación La perforación de los taladros se puede hacer por dos procedimientos: el primero es mediante el uso de martillos manuales accionados por aire comprimido, y el segundo es mediante martillos hidráulicos montados sobre una maquina automóvil denominada jumbo. Martillos manuales. Los martillos manuales de aire comprimido funcionan a percusión, es decir, la barrena golpea contra la roca y gira de forma discontinua entre cada percusión, separándose del fondo del taladro. El detritus es arrastr ado hasta el exterior del taladro mediante agua, que tiene también la finalidad de refrigerar la barrena. Los martillos manuales son actualmente de uso poco 23 Ibíd.,

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frecuente, sólo se usan, obviamente, en túneles muy pequeños o de forma accidental, pues tienen rendimientos muy inferiores a los jumbos y requieren mucha mano de obra. a. Martillo Manual Jumbos. La máquina habitual de perforación es el jumbo, como se muestra en la imagen que incluimos más abajo. Consta de una carrocería de automóvil dotada de dos o tres brazos articulados, según los modelos. En cada brazo puede montarse un martillo de perforación (perforadora) o una cesta donde pueden alojarse uno o dos operarios y que permite el acceso a cualquier parte del frente. El funcionamiento de los jumbos es eléctrico cuando están estacionados en situación de trabajo y pueden disponer también de un motor Diésel para el desplazamiento. Los martillos funcionan a roto percusión, es decir, la barrena gira continuamente ejerciendo simultáneamente un impacto sobre el fondo del taladro. El accionamiento es hidráulico, con lo que se consiguen potencias mucho más elevadas que con el sistema neumático. El arrastre del detritus y la refrigeración se consiguen igualmente con agua. 24 Los rendimientos de perforación que se consiguen en los jumbos hidráulicos modernos, pueden superar los 3,5 m/min de velocidad instantánea de perforación. Los jumbos actuales tienen sistemas electrónicos para controlar la dirección de los taladros, el impacto y la velocidad de rotación de los martillos e incluso pueden memorizar el esquema de tiro y perforar todos los taladros automáticamente. En este caso un único maquinista puede perforar una pega completa en unas pocas horas. b. Jumbos Accesorios de perforación. Los accesorios de perforación comúnmente usados son las varillas o barrenas y las bocas de perforación. Además, se emplean manguitos y otros adaptadores para el ensamblaje de las piezas. Las barrenas de perforación son simplemente barras de acero con un conducto interior para el paso del agua de refrigeración y unas roscas en los extremos donde se acoplan las bocas o los manguitos. La boca de perforación es la herramienta de corte, que generalmente es de metal endurecido (carburo de tungsteno) o widia, dispuesto en formas diversas: en cruz, en X o botones, con unos diámetros habitualmente comprendidos entre 45 y 102 milímetros. La elección de un tipo u otro de boca, así como de sus diámetros, depende del tipo de maquinaria de perforación, de las características de la roca y del diámetro de los cartuchos del explosivo a introducir. Generalmente las bocas de botones son las que proporcionan un mayor rendimiento, al golpear la roca de forma más homogénea y ser más fácil la evacuación del detritus de roca. Para tal fin se pueden disponer varias entradas de agua frontales y también laterales. 24 Ibíd.,

Opcit

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Para la elección del material de perforación y sus accesorios se recomienda el uso de los manuales especializados facilitados por los fabricantes. c. Explosivos y detonadores Los tipos de explosivo que deben utilizarse en túneles dependen de las características de la roca, principalmente de su densidad, resistencia a compresión y velocidad de propagación sónica de la roca. Además, los explosivos, durante la detonación, deben generar gases no tóxicos, lo que limita el tipo de explosivos en interior. El tipo de explosivo también depende del grado de humedad existente en la roca 25. El explosivo más utilizado para el cuele y contracuele, destroza y zapateras, es la GOMA-2 E-C o RIOMEX E20/40. El diámetro de los cartuchos deberá ser lo más próximo al diámetro de perforación de los taladros, compatible con su introducción dentro del barreno. La iniciación de la explosión en cada barreno se realiza en el cartucho cebo instalado en el fondo del barreno y que contiene un detonador. La activación de los detonadores puede ser eléctrica o por impacto; en el primer caso se utilizan detonadores eléctricos. Por razones de seguridad, contra corrientes parásitas, se utilizan exclusivamente detonadores de alta insensibilidad (Al). Unas mayores seguridades ofrecen los detonadores de iniciación no eléctrica, tipo Nonel, cuyo uso sería especialmente aconsejable. Atendiendo a los tiempos de retardo, los detonadores pueden ser: instantáneos, de microretardo (retardo de 25 ó 30 mseg), o de retardo (retardo de 0,5 seg). El resto de los elementos que se utilizan para la voladura son los siguientes: Cañas. Son tubos de PVC (tubos omegas) abiertos longitudinalmente en cuyo interior se colocan los explosivos, cordón detonante, etc. Permiten introducir fácilmente todos los elementos en su disposición correcta dentro del taladro. Retacador. El retacador es el material que cierra o tapona el taladro y de este modo impide que la energía debida a la explosión se escape por la boca del mismo. Normalmente se usan unos cartuchos de arcilla muy plástica. Explosor. Es el mecanismo que produce la corriente eléctrica que da lugar a la explosión. Suelen estar basados en un condensador que se va cargando con una manivela o una batería y que cierra el circuito manual o automáticamente Cables. Los cables eléctricos que transmiten la corriente desde el explosor hasta los detonadores son los usados habitualmente en trabajos eléctricos.

25

Cornejo, L.: “Excavación Mecánica de Túneles”, Ed. Rueda.

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d. Control de las vibraciones Las vibraciones producidas por las voladuras se transmiten por el terreno y pueden llegar a producir daños en edificios y estructuras próximas al túnel, así como a la roca circundante y al revestimiento. Por este motivo tiene interés el estudio de la ley que rige la propagación de las ondas sísmicas y los valores máximos de vibración admisibles en cada proyecto 26. El factor principal que provoca los daños es la Velocidad Pico de Partícula, que se define como la velocidad máxima que alcanzan las partículas del terreno al vibrar por acción de la onda sísmica. Tabla 4.Proceso de detonación

Fuente. Método de excavación de túneles perforación y voladura II. Recuperado.http://es.slideshare.net/freddyramirofloresvega/6metodo-de excavación-de-túneles-perforación-y-voladura-II 4. Factores incontrolables Se denomina factor incontrolable a todas aquellas condiciones naturales que no fueron creadas por la mano del hombre. Por lo tanto, requieren de un extraordinario tratamiento, tanto en el diseño como en la c onstrucción misma del túnel. Estos factores son: la geología de la zona de influencia del proyecto y la condición de aguas subterráneas presentes en dicho proyecto La Geología de la Zona. Las características geo mecánicas del macizo rocoso presentes en dicho proyecto y las propiedades físicas mecánicas de las rocas es un factor no controlable desde el punto de vista de cambio y/o remplazo del lugar de trabajo. 26 Ibíd.,

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Pero eso no quiere decir que se puedan estudiar sus características para optar por un adecuado manejo del comportamiento del macizo rocoso luego de producirse la excavación. Para ello existen una serie de técnicas y metodologías de estudio y tratamiento de datos obtenidos de mapeos geo mecánicos y geotécnicos con el objetivo de determinar la calidad de dicho macizo rocoso y su comportamiento frente a una perturbación. Una vez que se determinada la calidad del macizo rocoso y la orientación de las estructuras o discontinuidades principales, se opta por diseñar una sección típica en función, precisamente, del tipo de no sale el arranque no sale todo el disparo, por lo tanto, la voladura del túnel es deficiente a este efecto, se le llama disparo soplado o disparo fallado . En resumen, la presencia de las estructuras geológicas en el frente de ataque en la construcción de túneles, conlleva a los siguientes efectos 27. a. Frente de ataque En resumen, la presencia de las estructuras geológicas en el frente de ataque en la construcción de túneles, conlleva a los siguientes efectos: Estructuras muy amplias Nos va generar, fallas de confinamiento, sopladura de los taladros por escape de los gases (ósea, la energía se libera sin realizar trabajo de rotura), bajo rendimiento en la perforación y mayor desviación de los taladros, fragmentación muy gruesa. Las medidas preventivas que se deben tener en cuenta en el diseño de la voladura en este tipo de macizo rocoso son: la malla de perforación debe reducirse, la columna de carga explosiva debe desacoplarse y emplear explosivos más veloces. Estructuras apretadas. Cuando las estructuras presentes e el frente de ataque tienen mayor densidad, es decir, están en mayor cantidad y de apertura cerrada, entonces, son favorables para la transmisión de las ondas de tensión, generando una mejor fragmentación (menuda) por ende un mejor resultado del disparo. Algunos aspectos técnicos pueden bajar costos en estas condiciones: 

Explosivos y cebos de menor velocidad y densidad son efectivos en estas rocas (areniscas, lutitas, esquistos, etc.).



Tiempos de intervalo más largos resultan más efectivos para el desplazamiento y son favorables para reducir las vibraciones.

27 MÉTODO DE EXCAVACIÓN DE TÚNELES PERFORACIÓN Y VOLADURA II.

Recuperado.http://es.slideshare.net/freddyramirofloresvega/6metodo-de excavación-de-túnelesperforación-y-voladura-II

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

Se consiguen mayores rangos de velocidad de Perforación.



Se puede incrementar la producción ampliando el burden y el espaciamiento e incrementando el diámetro de taladro, pero debe controlarse la vibración

Rumbo paralelo al eje del túnel. Cuando se tiene este caso, las condiciones son desfavorables para el óptimo rendimiento de la voladura, por ello es recomendable el empleo de reducir la longitud de perforación y realizar el arranque en un el extremo más favorable del frente del túnel (zona con macizo rocoso competente) y diseñar los demás taladros en la matriz rocosa fuera de las discontinuidades 28. Rumbo perpendicular al eje de túnel. En este caso, quiere decir, que las discontinuidades están presentes en forma perpendicular al eje del túnel, esta condición es muy favorable para la v oladura, ya que los taladros cortarían en forma perpendicular a las discontinuidades principales ello permite un óptimo rendimiento del trabajo del explosivo, al c rear una fractura miento secundario en forma perpendicular a las discontinuidades mencionadas, generando una excelente fragmentación y un óptimo avance de la excavación. a) b) c) d) e)

Estratificación o bandeamiento Esquistosidad Fracturas Fallas Contactos Gráfica 29.Rumbo Perpendicular

Fuente. Métodos de excavación de túneles mediante perforación y voladura/ Recuperado.https://es.scribd.com/doc/112760804/Metodos-de-excavacion-detuneles-mediante-perforacion-y-voladura

28 Ibíd.,

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b. Parámetros o factores controlables Diámetro de taladro Este parámetro es controlable por que el diseñador tiene la opción de elegir que diámetro de taladro usar, considerando por su puesto un rango29. Por otro lado, el diámetro del taladro es el diámetro de la broca y este elemento de perforación está en función directa del tipo de equipo empleado en la perforación. Influye mucho en la elección del equipo perforador y naturalmente en el avance del disparo. Por otro lado, las características geo mecánicas del macizo rocoso va a ser fundamental para elegir la longitud de la perforación Gráfica 30.Distribucion de los taladros en la malla de perforación

Fuente. Métodos de excavación de túneles mediante perforación y voladura/ Recuperado.https://es.scribd.com/doc/112760804/Metodos-de-excavacion-detuneles-mediante-perforacion-y-voladura 5. El Costo De La Excavación En Roca El coste de la excavación en roca varía ampliamente con sus características, la diferencia de metros lineales de barreno precisos para excavar un metro cúbico es muy grande , de unos tipos de rocas a otras; puede ser más del doble cuando la roca parte mal; como el rendimiento por hora de la perforación también varía 29 Ibíd.,

Opcit

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ampliamente de 0.5 a 5 m. Lineales, y el consumo de explosivos también es muy distinto, se comprende que la variación del coste de la excavación en roca pueda oscilar grandemente, según el tipo de roca, e incluso, dentro de la misma clase, entre que parta bien o mal, característica que depende del número o situación de los planos de rotura. Al fijar el precio de una excavación en roca, hay que proceder, por tanto, con la máxima prudencia, y previo un reconocimiento cuidadoso del terreno.

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CONCLUSIONES 

De acuerdo a estadísticas, se observa que la aplicación de minadores continuos para la excavación de rocas en minería y construcción civil, es cada vez más predominante, respecto a la perforación y voladura, que tiene una secuela de efectos negativas producidos por las voladuras.

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El conocimiento de la productividad de las TBM en función del tipo de roca, permitirá hacer un planeamiento más certero del avance de la excavación en un período a fin de tomar las previsiones operacionales en un pro yecto tunelero.

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Con la evolución de los estudios en voladura de rocas, las técnicas empleadas dejan de ser totalmente empíricas y empezaran a incluir principios técnicos que tornan estas obras más seguras e eficaces.

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BIBLIOGRAFIA 

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Geominero de España.

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CUESTIONARIO 1. Un minador continuo es: a) Equipos que, en sus diversas formas y aplicaciones, sirven para fragmentar y excavar la roca b) Sección transversal de un túnel de pequeña sección puede ser alrededor de 4 m2 c) Excavación que se realiza a sección completa empleando las máquinas integrales de primera generación o no presurizadas d) Ninguna de las anteriores Escriba si es Falso o Verdadero según el caso 2. La excavación continua de una galería de gran sección, mediante tuneladoras o excavadoras continuas (tipo topo), se ha ge neralizado en todo el mundo a. Falso b. Verdadero 3. Los minadores continuos NO son equipos de excavación rápida que no requieren perforación y voladura a. Falso b. Verdadero 4. Los minadores continuos se clasifican en a. b. c. d.

Perforador de chimeneas (rbm) Perforador de piques (sbm) Minador escarificador Ninguna de las anteriores

5. Cuando se afirma: Su uso principal es en corrida de chimeneas en roca dura o semidura de operaciones mineras subterráneas. Tritura la roca en compresión y puede perforar chimeneas de abajo hacia arriba o de arriba hacia abajo. La aparición de este equipo agilizó la minería sin rieles se refiere a: a. b. c. d.

Perforador de piques (sbm) Minador escarificador Perforador de chimeneas (rbm) Todas las anteriores

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6. Un minador continuo horizontal es a. Minador escarificador (rm): b. Minador de túneles y galerías (tbm). c. Perforador de chimeneas (rbm) d. Ninguna de las anteriores 7. Cuando se afirma: Existe variedad de modelos y marcas y se usa en la minería del carbón desde la década de 1950. Fueron perfeccionadas en flexibilidad y elementos de corte del cabezal para su uso en roca semidura, se hace referencia a: a. Rozadora (rh). b. Minador móvil c. Excavación que se realiza a sección completa d. Ninguna de las anteriores 8. Dentro de los sistemas de minería superficial encontramos el cargador Holland ya que este excava y carga material del piso o de un talud de hasta 5 m de alto. a. Falso b. Verdadero 9. La Rueda de Cangilones es el equipo de minado continuo más grande construido por el hombre hasta la actualidad, principalmente en Alemania, para la explotación de grandes depósitos de lignito en dicho país. a. Falso b. Verdadero 10. Cuando se afirma: Este equipo está montado sobre 4 orugas, y consta de un tambor de corte que gira oponiéndose al avance de la máquina y está provisto de los elementos de corte hace referencia a: a. Perforador de chimeneas (rbm) b. Perforador de chimeneas (rbm) c. Minador superficial 11. Dentro de los Minadores de aplicación subterránea están: a. b. c. d.

Tuneleras a sección completa (TBM) Mobile miner Roadheader Todas las anteriores

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12. En la siguiente afirmación: Las máquinas tuneleras tipo TBM son equipos de minado continúo diseñados para la excavación de túneles circulares hasta más de 15 m de diámetro actualmente a. Falso b. Verdadero 13. Las partes de una TBM son a. Cabezal, porta rodaje y escudo de polvo, instalador de concreto y sistema de transporte. b. Eje interno, 2 porta ejes con escudos de sujeción y cilindros de ajuste accionamiento del cabezal. c. Soporte posterior, Faja transportadora, equipo de perforación para anclaje. d. Todas las anteriores 14. Cuando se afirma: Los métodos de excavación de túneles mediante perforación y voladura dependen fundamentalmente en primer lugar, del tipo de terreno a atravesar. De este modo cabe destacar por separado la excavación de túneles en roca y la excavación de túneles en suelos o terrenos blandos. En este artículo nos centraremos siempre a la excavación en roca, que es lo más habitual en los túneles de carretera se hace alusión a: a. b. c. d.

Excavación con explosivos Rocas con resistencia a la compresión desde 80 MPa Roca de calidad media Ninguna de las anteriores

15. Para la perforación y voladura, la sección teórica del túnel se divide en zonas, en las que las exigencias, tanto de densidad de perforación, como de carga específica de explosivo y secuencia de encendido son distintas. Estas zonas son:     

Cuele Contracuele Destroza Zapateras Contorno

a. Falso b. Verdadero

Metodos Constructivos Para Tuneles-Elkin Eduardo Gomez

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