“AÑO DE LA INTEGRACIÓN NACIONAL Y RECONOCIMIENTO DE NUESTRA DIVERSIDAD” UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE INGENERIA DE MINAS
CURSO: TUNELES Y MOVIMIENTOS DE TIERRA TEMA: MAQUINAS TBM PARA TUNELES DOCENTE: INGº GLICERIO TAYPE QUINTANILLA ALUMNO: CRISTHIAN CRISTHIAN KEISER MORALES MORALES CAMCHO CICLO:
X
SEMESTRE: 2011 - II
SULLANA - PERU
EL
INTRODUCCION El presente trabajo de investigación es darles a conocer sobre las maquinas TBM, usadas para hacer túneles, galerías, etc; dirigido a todos los técnicos, estudiantes, ingenieros y púbico en general que desea ampliar su conocimiento en este campo, para poder estar actualizado en esta materia. De este modo, el éxito en la construcción de un túnel se deberá a procedimientos de trabajo que permitan la obtención de unos rendimientos adecuados, manteniendo la estabilidad general del entorno afectado. La excavación mecánica logra esos objetivos, consiguiendo dotar de altos grados de mecanización y automatización a todo el proceso, mediante el sucesivo desarrollo de nuevas máquinas con nuevas tecnologías y la ayuda de técnicas constructivas complementarias.
OBJETIVOS Establecer los criterios de selección de las máquinas tuneleras, “TBM”, y las longitudes económicas de excavación y hacerlo en el menor tiempo posible. Demostrar técnica y económicamente, el sistema más conveniente de excavación de túneles.
MAQUINAS TBM PARA TUNELES Los principales fabricantes actualmente, son: Robbins, wirth, Herrenknecht, Hitachi Ltd., Kawasaki Heavy Industries, Okomura, NFM Technologies y LOVAT Inc. Robbins clasifica a las TBMs, como: tipo Kelly, viga principal, doble escudo, simple escudo y “EPB TBM” (The Robbins Co. 1995, 1999). Para TBMs precisa hacer un análisis y evaluación de todos los factores que influyen en su operación y rendimiento, empezando por la geología a fin de elegir la máquina más apropiada. Las máquinas tuneleras (Tunnel Boring Machine, TBM) son equipos de minado continuo que se utilizan para la excavación de labores subterráneas de gran longitud, como túneles, galerías, rampas, etc., sin usar explosivos. Estos equipos realizan simultáneamente el corte, remoción y transporte de la roca arrancada. La fabricación de estos equipos, demanda 9 á 12 meses, después de las pruebas y ajustes, son desmontados para su traslado y montaje en el lugar de operación, donde realizará la excavación. El ensamblaje del equipo, se realiza normalmente en el pórtico del túnel, para luego ser empujado al frente de la excavación; el montaje demanda alrededor de 3 meses. La TBM entrará en operación al menos 1,5 años después de hecho el pedido.
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. El rendimiento de las maquinas TBM, está determinado básicamente por el tipo de roca u otros factores. A pesar de ello, no se tiene a disposición estudios preliminares en nuestro medio que permitan predecir su rendimiento, porque al conocer el tipo de terreno que atravesará durante su operación se puede planificar mejor el avance, los problemas logísticos, tiempo disponible, mantenimiento, disponibilidad del equipo, etc.
MODELO MK –50 DIÁMETRO DEL CABEZAL: 4100 mm Capacidad instalada: 1000 kW Velocidad de rotación: 12,2 RPM Tipo de cortador Disco Robbins de 17”. Disposición de cortadores 4 CENTER, 18 FACE y 5 GAUGE (total 27) CARRERA (stroke): 1500 mm FIJACIÓN (Gripping) Fuerza máxima de fijación: 18 770 kN (1 914 014,44 Kg) Carrera del gripper fuera: 165 mm y Dentro: 190 m Presión específica de terreno: 28,5 bar, máxima.
SISTEMA HIDRÁULICO Presión máxima del Sist. Hidráulico: 345 bar (34,5 Mpa) Máxima presión normal de trabajo: 276 bares (circuito de empuje). REMOCIÓN DE ESCOMBRO Transportador (conveyor) Ancho de faja: 600 mm Velocidad de la faja transportadora 0 – 2,4 m/s, mando hidráulico SISTEMA ELÉCTRICO Suministro de energía: 7 200 V / 60 Hz Circuito del motor principal : 660 V, 3 fases, 60Hz Circuitos de motores eléctricos: 460 V, 60 Hz Iluminación y tomacorrientes: 120 V, 60 Hz Sistema de control: PLC 24 V DC Transformadores 2 x 630 kVA, 6 000 V / 660 V 1 x 600 kVA, 7 200 V / 400 V CONTROL DE POLVO 3 Capacidad del limpiador: 130 m /min Flujo de agua para la supresión 130 l/min para el cabezal nominal PESO DE LA MÁQUINA: 190 Tons Longitud de la TBM 15,30 m (incluyendo el transportador, faja).
Uso de tuneleras TBM en SUDAMERICA PROYECTO
UBICACIÓN
AÑO
LONGITUD(KM) DIAMETRO(M)
YACAMBU QUIBOR
VENEZUEL A
1975- 2008
24
4.5
CARHUAQUERO
PERU
1990 - 1992
6.5
3.8
ROSALES
COLOMBIA
1991 - 1992
9.1
3.5
RIO BLANCO
CHILE
1992 - 1993
11
4.6
PAPPALLACTA
ECUADOR
1988- 1990
6.2
3.2
MISICUNI
BOLIVIA
1998 - 2003
19.5
3.5
CHIMAY
PERU
1998 - 1999
4
5.7
MANUBI
ECUADOR
2000 - 2002
11.4
4
YUCAN
PERU
2000- 2005
6.7
4.1
SAN FRANCISCO
ECUADOR
2006 - 2007
9.7
7.1
9.7
7.1
2008- EN TRANVASE OLMOS
PERU
CURSO
Este sistema de excavación consiste en la utilización de máquinas denominadas tuneladoras integrales, conocidas habitualmente por las siglas en inglés T.B.M. (Tunnel Boring Machine), en tanto que son capaces por sí solas de excavar el túnel a sección completa (en general la sección de la excavación es circular) a la vez que colaboran en la colocación de un sostenimiento provisional o definitivo para garantizar la estabilidad de la excavación y además retiran los escombros. La máquina avanza dejando detrás de sí el túnel terminado.
La variabilidad de los tipos de terrenos y de sus propiedades mecánicas (abrasividad de las rocas, inestabilidades) a lo largo del túnel, así como las distintas condiciones impuestas por el entorno (presencia de agua, construcciones próximas) implican que las necesidades de sostenimiento y revestimiento y los problemas que puedan surgir a medida que se realiza la excavación sean diferentes de un terreno a otro. Esto, con frecuencia, plantea problemas constructivos por falta de adaptación de la maquinaria utilizada a situaciones muy distintas y dispares; la máquina puede tener graves problemas si el terreno cambia demasiado.
TIPOS DE TUNELADORAS
Topos Escudos Doble escudo
LAS TOPOS Los topos son tuneladoras diseñadas para excavar rocas duras o medianas, sin demasiadas necesidades de sostenimiento. La fuerza de empuje se transmite a la cabeza de corte mediante cilindros (cilindros de empuje). La reacción producida se transmite al hastial del túnel mediante los grippers (fuerza de anclaje). Los grippers también compensan el par producido por la cabeza de corte, que se transmite a éstos a través de la viga principal. Cuando se ha terminado un ciclo de avance, se necesita reposicionar las zapatas de agarre (grippers), para la cual se apoya la viga principal en el apoyo trasero. Una vez anclados los grippers en su nuevo emplazamiento, se libera el apoyo trasero y se inicia un nuevo ciclo de avance.
LOS ESCUDOS Los escudos son tuneladoras diseñadas por excavar rocas blandas o suelos, terrenos que necesitan sistemáticamente la colocación de un sostenimiento. A diferencia de los topos, los escudos cuentan con una carcasa metálica exterior (que da el nombre a este tipo de máquina) que sostiene provisionalmente el terreno desde el frente de avance hasta algo más allá de donde se coloca el sostenimiento definitivo, normalmente consistente en anillos formados por unas 7 dovelas. De este modo, se garantiza en todo momento la estabilidad del túnel.
Todo el sistema de perforación: primero los cilindros perimetrales (con un recorrido entre 1,20 y 1,50 m). Estos gatos perimetrales se apoyan contra el último anillo colocado de dovelas del revestimiento definitivo del túnel. Cuando finaliza el recorrido de los cilindros de avance, se coloca un nuevo anillo de dovelas (en el interior de la carcasa, que se extiende algo más allá, de forma que el túnel siempre está sostenido) y se empieza un nuevo ciclo de excavación. Una inyección de mortero o grasa es necesaria para llenar el vacío de 7 a 9 cm de grueso entre las dovelas y el terreno excavado. Entre ellas tenemos las siguientes clasificaciones: a) Escudos de frente abierto: Se usan cuando el frente del túnel es estable. El sistema de excavación puede ser manual, mediante brazo fresador, con un brazo excavador o con una cabeza giratoria. En algunos casos, se puede colaborar con la estabilidad del frente una vez acabado cada ciclo con unos paneles a modo de reja. b) Escudos de frente cerrado : se usan cuando el frente del túnel es marcadamente inestable, por ejemplo en terrenos no cohesivos, saturados de agua, etc.
ESCUDO DE PRESIÓN DE TIERRAS EPB En aquellos estudios geotécnicos donde se detecten terrenos cohesivos, es recomendable el empleo de un escudo EPB (Earth Preasure Balance). Sus ventajas: un elevado rendimiento de extracción, la rentabilidad de su funcionamiento y su respeto al medio ambiente. Los escudos EPB utilizan la tierra excavada como medio de sostenimiento del frente. El acondicionamiento del terreno con espuma amplía considerablemente el campo de aplicaciones del escudo. La fuerza de los cilindros de propulsión, transmitida a través del mamparo estanco, actúa sobre la tierra plastificada en la cámara de extracción, consiguiendo así un equilibrio de fuerzas y evitando derrumbamientos del frente. El material excavado se transfiere a una cinta transportadora a través de un sinfín. El transporte del material al exterior se realiza mediante vehículos sobre raíles o camiones.
1. 2. 3. 4. 5.
Rueda de Corte. Accionamiento. Cámara de excavación. Sensor de presión. Esclusa de aire comprimido.
6. Erector de dovelas. 7. Dovelas. 8. Cilindros de propulsión. 9. Cinta transportadoras 10. Sinfín de extracción.
EL ESCUDO MIXSHIELD Es un escudo muy polivalente. La idea básica consiste en perforar en diferentes tipos de geología con una misma máquina, pero con diferentes modos operativos. Funciona como hidroescudo, escudo con control de presión de tierra EPB, aire comprimido o escudo abierto. Hoy en dia, es el tipo de escudo más utilizado en la construcción de túneles en ciudades para líneas de metro, ferrocarril, carreteras, etc. El sostenimiento del frente mediante fluidos es el método de operación más frecuente. Como medio de soporte y de transporte se utiliza una suspensión de bentonita. La mezcla agua/tierra/bentonita se trata en una planta separadora y La suspensión recuperada, se vuelve a introducir en el circuito.
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Rueda de Corte. Accionamiento. Suspensión de bentonita. Sensor de presión. Esclusa de aire comprimido. Erector de dovelas.
7. Dovelas. 8. Cilindros de propulsión. 9. Burbuja de aire comprimido. 10. Mamparo sumergible. 11. Machacadora. 12. Tubería de extracción.
ESCUDO PARA ROCA DURA También denominados topos escudados ya que son utilizados en las mismas condiciones geológicas que los topos. Estos escudos se diferencian muy poco en la rueda de corte y en el sistema de extracción del escombro de los topos estándar. Sin embargo, son totalmente diferentes en el sistema de propulsión y en el escudo de protección. La seguridad es la ventaja fundamental que ofrece el topo escudado con relación al topo estándar y es que la excavación y el sostenimiento del túnel
tienen lugar dentro del escudo protector, eliminándose el riesgo continuo que se corre en las instalaciones libres de sostenimiento. Otra ventaja importante que ofrece el escudo para rocas duras en contraste con el topo es, que el escudo permite colocar el revestimiento definitivo del túnel. De este modo con la colocación de las dovelas prefabricadas de hormigón armado el túnel queda totalmente finalizado con el paso de la tuneladora.
1. Rueda de Corte. 2. Accionamiento. 3. Erector de dovelas. 4. Cinta transportadora.
5. Cilindros de empuje. 6. Dovelas. 7. Cuadros de distribución.
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° 215, 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). 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, ll evan 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.
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. La mayor parte del peso es concentrado en la parte delantera, donde están ubicados los motores principales y los reductores planetarios de engranajes. El cabezal descansa sobre una zapata de soporte que se desliza sobre el túnel invertido, y además es estabilizado por los soportes laterales y de techo accionados hidráulicamente. La remoción de escombro es eficiente, las cucharas de escombro de bajo perfil proporcionan limpieza eficiente en el frente del cabezal, de esa forma los cortadores siempre encuentran roca fresca, reduciendo su desgaste causado por retrituración. Entre sus principales características se pueden destacar que los motores de accionamiento y reductores planetarios de engranaje, están montados en conexión directa con el engranaje de anillo de reducción terminal. Con el frente soportado sobre la zapata deslizante, solamente un par de grippers es requerido para reacción de empuje. El transportador del desmonte corre por la parte interior de la viga principal e ingresa al centro del cabezal, de donde puede ser retraído para proporcionar acceso y espacio para la limpieza y servicio.
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 improduct iva.
TBM CON DOBLE ESCUDO Son tuneladoras con características mixtas entre el topo y el escudo. La característica principal es que está dotado de dos sistemas de propulsión independientes donde el primero de éstos corresponde al sistema de propulsión del escudo y el segundo con el del topo. El doble escudo es un escudo telescópico articulado en dos piezas que proporciona un sostenimiento continuo del terreno durante el avance del túnel. Las distintas posibilidades de trabajo que ofrecen los dobles escudos permiten conseguir unos rendimientos próximos a los de los topos, que los escudos para roca dura no podrían conseguir. Al igual que los escudos para roca dura los dobles escudos permiten realizar túneles a través de terrenos con geología cambiante e inestable que los topos no podrían realizar.
El escudo delantero: Sirve como estructura soporte de la cabeza de corte, contiene el rodamiento principal, la corona de accionamiento y los sellos interno y externo. El escudo trasero: Llamado “escudo de anclaje”, incorpora las zapatas de los grippers operables a través de ventanas. En su parte posterior incorpora el erector de dovelas y los cilindros de empuje para la propulsión en modo escudo normal .
CONCLUSIONES Para seleccionar una adecuada TBM intervienen muchos parámetros, siendo el principal lo geológico. El factor que más afecta la productividad de las TBMs descubiertas en el tipo de terreno. Por ejemplo La TBM MK 12 alcanzó avances hasta de 32,45 m/Gdia y 48,60 m/día en roca tipo B y en roca mala (C-L), 0,18 m/día. En rocas duras y poco fracturadas, estas máquinas alcanzan su mayor performance; pero en terrenos fracturados y deleznables, su rendimiento es sumamente bajo e inclusive cero metros por día.
BIBLIOGRAFIA http://es.scribd.com/doc/52694481/Tunelera-TBM http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/silviorojas/tuneles/Clase10_TunelesMetr oValencia.pdf http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/12036/1/Tesina_Jorge_Puertas _Herranz.pdf http://www.srk.cl/files/File/Chile%20PDFs/TBM.pdf http://www.adif.es/en_US/ocio_y_cultura/fichas_informativas/ficha_informativa_ 00018.shtml http://www.microtunel.com/24_escudoepb.htm. http://www.srk.cl/files/File/Chile%20PDFs/TBM.pdf http://dpicuto.edu.bo/proyectos/mineria/Tunel%20trasvase%20bocatoma%20po zo%20intermedio%20TBM.pdf.
