Teoria de Tuneladoras

Recom Re comendación endación escudos escu dos EP EPB B

Recomendaciones principales relativas a la operaci ó n y mantenim mante nimie ient o de lo loss manteni nimi mie ento escudos de frente en presi ppre d e tierra fre fr ente nt e en prresi esió n de tie ti erra

Ram ó n Fe Fern rn án d ez Ma Mar rrtt ín ez Mart Ing. Tc Tco o . Ind ndus ustri tria al (Director de SPICC, S.L) 1


2. OPER OPERACIÓ ACIÓN N DE DE LOS ESCU ESCUDO DOS S DE DE FRE FRENT NTE E EN EN PRE PRESI SIÓN ÓN 2.1 2.1 El cicl ci clo o de avanc avance e o exc excava avaci ción ón.. Al excavar con una tuneladora EPB en un entorno urbano, la principal preocupación es reducir, tanto como sea posible, la perdida de volumen de terreno, de modo que los asientos que se puedan producir se mantengan dentro de unos límites aceptables. Para ello es fundamental operar la máquina de acuerdo a un plan de avance con valores de referencia y rangos de operación de los siguientes parámetros básicos: • Pres Presión ión de sos soste teni nimi mien ento to del del fre frent nte. e. • Densidad del ma material en en la cá cámara. • Peso del materia materiall que se debe debe extrae extraerr en el avance avance de cada cada anillo. anillo. • Presión Presión y volumen volumen en la inyecci inyección ón de mortero mortero para para el el relleno relleno del del “gap”. “gap”. • Adicionalm Adicionalmente, ente, el volume volumen n y la presió presión n de las inyeccione inyecciones s de lodos bentoníticos 2


2.1

Contr ontrol ol de la pre presión sión de sost soste enimi nimie ento nto del del fre frente nte.

Conjuntamente con el control del peso del material extraído en cada avance, el control de la presión de sostenimiento del frente es de importancia vital para garantizar un funcionamiento satisfactorio de una tuneladora EPB y se ha de requerir, además, que la presión de sostenimiento se transfiera, desde el manparo manparo o del tabique tabique estanco estanco hasta hasta el frente frente a través través de partícula partículas s sólidas y no solamente a través de la presurización de la cámara mediante aire comprimido. La consecuencia operacional de que la cámara este llena de material sólido con una densidad adecuada, establecida aproximadamente en 14-15 KN/m3, es conseguir los siguientes compromisos. Aplicar la presión efectiva necesaria en función de las condiciones del terreno (empuje activo + carga freática). Mantener la cámara llena de un material sólido e incomprensible, con lo cual, en el caso de inestabilidad en el frente no hay suficiente espacio vacío para que el terreno terreno se derrumbe derrumbe dentro dentro de la cámara cámara evitando evitando así asientos asientos 3 incontrolados en superficie.


Fig. 1.1.- Ejemplo Ejemplo de un buen buen control control de presión en la cámara

Fig. 2.- Ejemplo Ejemplo de un mal mal control control de presión en la cámara

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2.3

Ac A c o n d i c i o n ami am i ent en t o d el t err er r eno en o en l a cám c ámar ara. a.

Como el terreno natural rara vez posee propiedades que le permitan ser fácilmente moldeado y confinado a nivel de la presión deseada en la cámara, la tecnología EPB depende de manera critica del acondicionamiento del terreno para modificar sus propiedades. Esto se hace comúnmente inyectando espumas, espumas, solucion soluciones es de polímeros polímeros ó una combinació combinación n de estos productos productos en la rueda de corte y en la cámara de excavación . La cantidad de agua en el terreno debe estar comprendida entre un 20-30%. Por debajo de este rango, la mezcla terreno / agua es difícilmente maleable y por encima de un 30% la mezcla es demasiado líquida, con problemas para asegurar la estanqueidad en el tornillo sinfín y dificultades para transportar mezclas tan líquidas en las cintas. La espuma es una mezcla de aire y agua con tensoactivo, producto capaz de producir una burbuja como el jabón, con buenas características de estabilidad bajo presión y a lo largo del tiempo. Los polímeros son productos constituidos de moléculas de cadenas largas, que le dan una verdadera característica mecánica a la burbuja. 5

Recom Re comendación endación escudos escu dos EP EPB B 2.3.1 2.3.1 PARAMETRO PARA METROS S GENERALES GENERALES PARA EL ACONDICIONAMIENTO ACONDICIONAMIENTO DEL TERRENO TERRENO La selección del tipo de estos aditivos depende principalmente de la clase de terreno y de las características de la tuneladora y como parámetros generales de los mismos, para el acondicionamiento del terreno, puede comentarse lo siguiente:

Solución espumante : La concentración de la solución espumante (CF) se encuentra en el rango del 0,5 al 5%, en la mayoría de los casos alrededor del 3%. Estas concentraciones dependen fuertemente de la cantidad de agua que se inyecta o la que ya esta presente en el terreno.

Ratio de expansión: El ratio de expansión de las espumas (FER) debe estar comprendido entre 5 y 30, en la mayoría de los casos alrededor de 10. Cuanto más alto es el FER, la espuma generada debe ser tanto más seca. Cuanto más húmedo sea el suelo la espuma deberá ser muy muy seca seca y viceversa. viceversa.

Ratio de inyección: El ratio de inyección de las espumas (FIR) suele estar comprendido entre el 10% y el 80%, en la mayoría de los casos del 30% al 60%. Para determinar el mejor valor del FIR deben realizarse ensayos de laboratorio.

Polímeros: En algunos casos se agregan polímeros para mejorar la estabilidad de la espuma o para ajustar la consistencia del suelo que circula a través de la cámara o del tornillo sinfín. Un ejemplo típico podría ser el de en los suelos arenosos saturados y con poca cohesión. La concentración suele estar entre el 0,1 y el 5% en la solución espumante pero también pueden 6 inyectarse directamente en su versión sin diluir.


Fig.3. Fig.3.-- Limit es para excavar excavar un tú nel con un escud o EPB EPB

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2.4

Contr ontrol ol del del pe peso de esc scom ombr bro o ext extra raíído en ca c ada avanc vance e

Siempre Siempre habrá habrá dificultade dificultades s para para el el control control del peso peso del del material material excavado excavado que se deberá deberá evalua evaluarr en cada cada avanc avance, e, debi debido do a las variac variacion iones es de de la densid densidad ad del material excavado en la cámara y a la cantidad de aditivos inyectados para el acondicionamiento del terreno. Para la medida del peso del material excavado se utilizan dos básculas que se ubican en la cinta del back-up back-up (error máximo máximo en la pesada del + 2,5%). El dato del peso que dan las básculas se le suele considerar como peso bruto del que hay que sustraer el peso de los agentes acondicionadores añadidos durante la excavación para poder comparar con el valor de referencia o estimación del peso teórico del material excavado.

Fig.4. Fig.4.-- Curva de la evolu evolu ción de los pesos con r elación elación al avance avance

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2.5 Cont Control rol de las las inyeccion in yecciones es para el relleno de d el “ gap” El relleno relleno del “gap” “gap” o espacio espacio entre el trasdós trasdós de los anillos anillos y el terreno se realiza empleando un sistema de inyección continua de mortero de cemento por cola, procedimiento de inyección que ha de controlarse por presión y no por volumen, y las presiones en la inyección se deben elegir teniendo en cuenta: •

Evit Evitar ar que que las las agua aguas s subt subter errá ráne neas as o el mate materi rial al excav excavad ado o ent entre ren n en en el el espacio anular.

•

Inye Inyecta ctarr de de for forma ma cont contin inua ua por por cola cola y a med medid ida a que que avanza avanza la máqu máquin ina, a, manteniendo la presión de la inyección de 0,3 bares a 0,5 bares por encima de la presión de tierras (medida en la célula de la parte superior de la cámara).

En cuanto al control de las resistencias e inicio y final de fraguado del mortero, lo conveniente es moverse en los siguientes s iguientes rangos de valores •

•

RCS 1 día RCS 28 días

≥ ≥

1,25 N/mm2 7,50 N/mm2

Inicio de de fr fraguado …… ……….Entre la las 5 y 8 horas. Fin de fraguado…………..Entre + 1,5 y 3,0 horas después des pués del inicio .

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Fig.5.Fig.5.- Ejemplo Ejemplo de consumos consumos de mortero mortero

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2.6

Tapona ponami mie ento nto de de la rue rueda de cort corte e en te terre rrenos nos arc arcilillo loso soss

Cuando se excavan terrenos arcillosos, su pegajosidad, que llega al taponamiento de la tuneladora EPB es un problemas real y potencialmente muy grave. Inicialmente tiene lugar en la rueda de corte por acumulación de material en las herramientas, particularmente en el centro de la rueda que cierra las entradas del material hacia el interior de la cámara. La consecuencia consecuencia de de un área central central de la rueda de corte taponada, taponada, es que los suelos son desplazados en lugar de ser cortados, fluyendo paralelos al frente de excavación durante una cierta distancia, lo que se traduce en altas presiones para poder excavar excavar y, en el peor de los casos, grandes incrementos incrementos de par, generación de calor y el riesgo de que acabe colmándose la cámara y el no poder avanzar. El taponamiento potencial causado por una arcilla se puede definir como la interacción de los cuatro mecanismos siguientes: • • • •

La “peg “pegaj ajos osid idad ad”” de las las part partíc ícul ulas as de arc arcil illa la que que pro produ duce ce su “ad “adhe hesi sión ón”” a los componentes de una superficie metálica. La “for “forma maci ción ón de puen puente tes” s” de part partíc ícul ulas as de arci arcill lla. a. La “coh “cohes esió ión” n” de las las par partíc tículas ulas de arc arcilla illa.. La baja baja ten tende denc ncia ia de de las las arc arcil illa las s a dil dilui uirs rse e en en agua agua.. 11


Fig.6. Fig.6.-- Diagrama Diagrama del taponamiento taponamiento p otencial de las arcillas en en funci ón de su plastic plastic idad y consis tencia.

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2.6.1

Principa rincipale less medida medidass para para preve prevenir nir el el tapona taponamie miento: nto: • Empl Emplea earr adit aditiv ivos os quím químic icos os con con des deses estr truc uctu tura rant ntes es en la solu soluci ción ón espumante que se inyecta en la rueda de corte. • Optimizar Optimizar la penetraci penetración ón de las las herrami herramientas entas de corte corte para para consegui conseguirr un óptimo tamaño de desmenuzamiento de las arcillas. • Inyectar Inyectar agua agua a presión presión (400-5 (400-500 00 bares) bares) en en el centro centro de la cámara cámara a través de barras batidoras y en el centro de la rueda de corte a través del paso giratorio.

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2.7 2.7

Diseño is eño del anillo. anill o.

En la ejecución con tuneladoras EPB, donde el grueso de la excavación se hace en suelos y con carga freática es prioritario elegir un revestimiento que permita una buena adaptación del anillo para dar curvas tanto en el plano horizontal como en el plano vertical, y el sistema que mejor cumple esta condición es el Anillo Universal.

Fig. 7.7.- Anillo Universal Universal

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Fig.8. Fig.8.-- Anil lo uni versal de 6+1 6+1 piezas piezas con unio nes atornill adas, adas, barras de guiado entre dovelas dovelas y centradores centradores entre anillos Fig. 9.9.- Detalle etalle de las barras de gu iado de la unión entre dovelas

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2.8 2.8 Reco Recomend mendacion aciones es práctic pr ácticas as para la opera op eraci ción ón de una un a tuneladora EPB En un escudo EPB, el material de la cámara (un suelo cohesivo mezclado con agua y aditivos) debe tener las siguientes propiedades, de cara a que se pueda emplear como medio de sostenimiento del frente: • • • •

Buena Buena deform deformaci ación ón plásti plástica. ca. Consis Consisten tencia cia blan blandada-vis viscos cosa a Baja Baja fri fricc cció ión n inte intern rna a Baja Baja perm permea eabil bilid idad ad

Y mediante la inyección de espumas, y dentro de ciertos límites, también se puede acondicionar un suelo no cohesivo y permeable para poder excavar con una tuneladora EPB. La espuma se inyecta a través de lanzas, preferentemente delante de la rueda de corte para conseguir conseguir una buena mezcla con el terreno, creando en la masa de tierras un terreno esponjoso con las burbujas de aire incorporadas a la estructura granular del terreno y disminuyendo el rozamiento entre partículas, de modo que el terreno adquiere unas optimas propiedades elásticas que 16 hacen posible el control de la presión de sostenimiento del frente.


2.8.1

Otra tras reco recome mend nda acion cione es

Para conseguir con una tuneladora EPB un buen nivel de acabado en la ejecución, hay que procurar que se cumplan las siguientes condiciones básicas: • Extre Extremar mar el cuid cuidado ado en el el guiad guiado o de la máqu máquina ina.. • Montar Montar el anill anillo o centr centrado ado en la cola cola de la la máqui máquina. na. • Consolidar Consolidar rápidament rápidamente e el anillo a base base de de morteros morteros de relleno relleno del trasdós, con muy pocas horas para el inicio de fraguado, evitando así ovaliz ovalizaci acione ones s o desc descolo olocac cacion iones. es. El buen control en el guiado de la máquina facilita el montaje de los anillos, evitando que al avanzar dichos anillos salgan forzados de la cola de la máquina, lo que conlleva recolocaciones con resaltes entre dovelas.

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2 .9

Recome comendaci ndacione oness rela relati tiva vass al dise diseño ño de las las tune tunelador ladora as EPB.

En función de de las características características de de los terrenos a excavar habrá que empezar por fijar unos mínimos imprescindibles en los parámetros básicos de operación de acuerdo con lo que hoy día es exigible para una máquina de última generación. En cuanto a otras condiciones condiciones complementarias complementarias con las que convienen convienen diseñar estas estas máquinas cabe destacar:

Manip Manipul ula ación ci ón de dovelas • Sistema Sistema de de descarg descarga a rápida rápida y alimentador alimentador de dovelas dovelas en el frente frente con con ventosa para el agarre por vacío tanto en el erector como en la grúa de dovelas. • Pasarelas Pasarelas dimensiona dimensionadas das para para cubrir cubrir los riesgo riesgos s del personal personal que que trabaja en el montaje de las dovelas que conformar el anillo.

Sistemas istemas “ antirrolling” ntirrolli ng” Barras batidoras Sistemas istemas de d e inyección de bentoni bentonita ta Control Contro l del peso del d el materi material al exc excava avado do Sistemas istemas de control cont rol en la inye iny ección cció n de morte mort ero 18


Fig. 10.- Detalle Detalle de de una barra batidora

Fig. 11.- Barras batidoras batidoras en el centro de la cámara

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3.

EL MAN MANT TENIMIENTO DE LOS ESCUDOS EPB

3.1 Mantenimi ntenimie ento de equipos quipos Como idea general puede decirse que hay que formar el equipo básico del contratista, que ha de responder del cumplimiento de las normas de Mantenimiento, mediante el conocimiento de todo lo correspondiente al Mantenimien Mantenimiento to Preventiv Preventivo o de la máquina, máquina, así como al Mantenimient Mantenimiento o Correctivo, Correctivo, es decir, a los incidentes que puedan surgir en los elementos principales de la tuneladora. Dicho Dicho Plan Plan de Formac Formación ión deberá deberá establ establece ecerse rse condicionantes similares a los siguientes:

de

acuerd acuerdo o

con con

unos unos

Duración del Plan: la duración del Plan de Formación será, como mínimo, la del Montaje en Obra de la máquina + la Curva de Aprendizaje (usualmente el mayor de los tiempos siguientes: Colocación de los primeros 250 anillos / 2 meses de excavación). En máquinas nuevas, es conveniente añadir el tiempo de premontaje y pruebas de 20 la máquina en factoría.


3.2 Persona rsonall que impa imparte rte el Pla Plan: n: Usualmente un equipo completo de especialistas, que cubren las fases señaladas en el apartado anterior. Solo en el caso de máquinas existentes en el Contratista y supuesto que este tenga personal con experiencia en ellas, el Plan puede hacerse con la organización interna de la Contrata.

Personal a formar: El equipo básico del Contratista, que debe recibir la Formación es el que corresponde a los puntos de trabajo siguientes: •

El Ing Ingenie eniero ro resp respon ons sable able de la tune tunela lad dora ora.

•

Los Los Ing Ingen enie iero ros s sub subal alte tern rnos os enca encarg rgad ados os de la máqu máquin ina a en en cad cada a tur turno no..

•

El Espe Especi cial alis ista ta de máxi máximo mo nive nivell en en Mec Mecán ánic ica a e Hidr Hidráu áuli lica ca..

•

El Es Espec peciali ialis sta de máxim áximo o niv nivel el en Elect lectri ric cida idad.

•

El Espe Especi cial alis ista ta de máxi máximo mo nive nivell en en Info Inform rmát átic ica a (PL (PLC) C)..

•

Los Los oper operad ador ores es de la máqui áquina na en cada ada tur turno. no. 21


3.3

Pr o g r am a d e Man t en i m i en t o :

Para el Mantenimiento de los diversos equipos que componen el conjunto Escudo / Back-up se suelen adoptar uno de estos dos métodos: • Progr Programa amarr una una parad parada a siste sistemát mática ica diaria diaria de dura duració ción n máxim máxima a un relevo. • Hacer Hacer el el mante mantenim nimien iento to simu simultá ltáneo neo con la oper operaci ación ón de de la máqu máquina ina,, aprovechando los tiempos de parada en el ciclo de avance. El Programa de Mantenimiento debe estar muy relacionado con los tiempos de parada. Así, en obras con un porcentaje de paradas alto (revisión de herramientas y/o varios del funcionamientos de equipos) lo aconsejable es seguir el segundo sistema, mientras que, cuando se trata de obras de alto riesgo riesgo ó con un porce porcentaje ntaje bajo bajo de parada paradas, s, lo usual usual es es seguir seguir el primer primer sistema. En En el caso concreto de los escudos EPB, lo recomendable es hacer el el Mantenimiento simultáneo con el avance y cuando hay trabajos que no se alcanzan con el Mantenimiento simultáneo se programan paradas de mantenimiento para llevar a cabo dichos trabajos. 22


3.2

Desga sgaste de herr herra amie mienta ntas y revis revisió ión n de d e la cabe cabezza de corte corte..

De la experiencia desarrollada en obras en las que se han utilizado tuneladoras EPB, por lo que se refiere al Mantenimiento de la máquina y a la revisión de herramientas, lo recomendable es: Hacer un mantenimiento general de conjunto Escudo / Back-up cada 10001500 m aprovechando el cruce de estaciones o generando espacios protegidos que permitan este tipo de intervención. Hacer revisiones periódicas de herramientas. Cuando las máquinas se equipan con herramientas de última generación, el intervalo suele estar en los 150-200 anillos (270-360 m) lo que debe reducirse en terrenos muy abrasivos, llegando, incluso, a establecer el intervalo en 80 anillos (144 m). Para estas intervenciones se requiere el vaciado parcial de la cámara, para lo que, en función de las características del terreno, caben las intervenciones hiperbáricas en terreno con empuje activo y carga freática 23


Figuras 14.14.- Detalle Detalle de un rastr el de últi ma generación generación con plaquitas de carbu carbu ro de tungsteno.

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Figuras. 15. 15.-- Detalle Detalle de picas de última generación con plaquitas de carburo tungsteno y soldadura de protección.

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