CARRERA PROFESIONAL: INGENIERIA DE MINAS
CURSO: MAQUINA Y EQUIPOS MINEROS
TEMA: MAQUINAS TUNELADORAS TBM
DOCENTE: ING. CARLOS YUNGO SUERO
ALUMNO: ENRIQUE MIGUEL CASTILLO GUTIERREZ
AREQUIPA - PERU
INTRODUCCION El ser humano desde tiempos inmemoriales ha hecho uso de cuevas, cavernas u oquedades, hayan sido estas de origen natural, o excavadas a propósito, bien sea para guarecerse de condiciones climáticas o protegerse de peligros. La ejecución de un proyecto minero implica el desarrollo de diversas etapas y en cada una de ellas, se requieren equipos especializados para llevarlas a cabo. Dentro de estas maquinarias, destacan las tuneladoras, una tecnología que es clave en la industria minera. En la construcción de túneles, las tuneladoras tienen cada vez un papel más protagónico ya que garantizan que los riesgos de ejecución del proyecto sean reducidos y más manejables por ofrecer seguridad en el avance sin peligro de derrumbe del frente, techo, o paredes De acuerdo a lo señalado por los expertos, en las tareas de exploración y extracción, que hacen posible que esta actividad minera, es fundamental el uso de tuneladoras y perforadoras.
MAQUINAS TUNELADORAS (TBM) 1. DEFINICIÓN : De acuerdo a lo señalado por los expertos consultados, en las tareas de exploración y extracción, que hacen posible que esta actividad minera, es fundamental el uso de perforadora o tuneladora, T.B.M. (del inglés Tunnel Boring Machine) o minador a sección completa que corresponden a un método mecanizado responsable en el que se debe de ir colapsando el macizo y generando el espacio en donde posteriormente se pueden aplicar otros métodos de construcción para modificar la forma circular que la tuneladora va dejando, siendo una máquina capaz de excavar túneles a sección completa, a la vez que colabora en la colocación de un sostenimiento si este es necesario, ya sea en forma provisional o definitiva. Son maquinarias fundamentales para llevar a cabo de manera adecuada respectivos procesos de exploración y construcción de grandes proyectos mineros.
2. DESCRIPCIÓN : Este equipo permite la posibilidad de equilibrar, durante el trabajo de excavación del túnel, tanto la presión de empuje del suelo, como del agua freática en el frente de excavación mediante la inyección de líquidos de estabilización en el modo EPB (Earth Presure Balance). Son máquinas gigantes, con un peso de 4.366 toneladas, una potencia de 12.000 kilovatios, una longitud de 107 metros, un diámetro de 15,2 metros y una altura de unos 5 pisos, las tuneladoras son capaces de todo .Su precio aproximado es de más de 40 millones de euros.
El túnel recién perforado es recubierto internamente por una estructura (anillo) de concreto prefabricado de metro y medio de largo (1.50 m.). El proceso de excavación y recubrimiento se hace en dos fases. Es decir se procede a la excavación “avance” de 1,50m. Seguidamente se procede con la colocación del
anillo, repitiéndose esta secuencia.
3. TIPOS : 3.1. Tuneladora Escudo de Presion de Tierras (EPB): Las TBM EPB (Earth Preasure Balance) que en español sería Mantenimiento de la Presión de Tierras, también llamadas de Escudo de Presión de Tierras. Están indicadas para terrenos blandos Con escudos de presión de tierras que se utilizan normalmente en la excavación de terrenos cohesivos. Pertenecen al grupo de tuneladoras que denominamos escudos, y que se diferencian de los topos por la carcasa metálica exterior que sostiene provisionalmente el frente de avance hasta que se coloca el sostenimiento definitivo. Los escudos EPB han sido utilizados con éxito en la construcción de túneles, aunque también puede utilizarse con la técnica de hinca de tubos 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. A menudo están preparadas para avanzar bajo el nivel freático.
Si se trata de una tuneladora de cabeza giratoria, suele estar equipada con picas, rastreles o "rippers" (elementos que arrancan los suelos) y cortadores (elementos que rompen por identación la roca). También dispone de una serie de aperturas, frecuentemente regulables, por donde el material arrancado pasa a una cámara situada tras la rueda de corte y desde donde se transporta posteriormente hacia el exterior de la máquina. Tras esta cámara se alojan los motores y el puesto de mando de la máquina, espacios completamente protegidos por la carcasa metálica. Seguidamente está todo el sistema de perforación: primero los cilindros perimetrales (con un recorrido entre 1,20 y 1,50 m). Estos gatos perimetrales se apoyan contra el último anillo colocado de dovelas del revestimiento definitivo del túnel.
1. Rueda de Corte. 2. Accionamiento. 3. Cámara de excavación. 4. Sensor de presión. 5. Esclusa de aire comprimido.
6. Erector de dovelas. 7. Dovelas. 8. Cilindros de propulsión. 9. Cinta transportadoras 10. Sinfín de extracción.
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. Se distinguen dos grandes grupos de escudos, de entre los que se distinguen las tipologías que se explicitan a continuación:
Escudos de frente abierto: Se usan cuando el frente del túnel es estable. El sistema de excavación puede ser manual, mediante brazo fresador, con un brazo excavador o con una cabeza giratoria. En algunos casos, se puede colaborar con la estabilidad del frente una vez acabado cada ciclo con unos paneles a modo de reja. Con este tipo de máquina, si la cabeza no es giratoria, es posible trabajar con secciones no circulares.
Escudos de frente cerrado: Se usan cuando el frente del túnel es marcadamente inestable, por ejemplo en terrenos no cohesivos, saturados de agua, etc. La sección excavada ha de ser circular. tiene varios tipos: a) Esc ud os c on c ierre mecánic o: la entrada y salida de material en el cuarto de tierras se regula mediante dos puertas de apertura controlada hidráulicamente. La máquina tiene limitaciones con presencia de agua. b) E s c u d o s p r e s u r i za d o s c o n a i r e c o m p r i m i d o : prácticamente no se usan. c) E s c u d o s d e b en t o n i t a o h i d r o e s c u d o s : con la inyección de bentonita se consigue estabilizar el terreno por sus propiedades tixotrópicas y facilitar el transporte de material mediante bombeo. d) Escu dos d e balance de presión de tierras o EPBs : el material es extraído del cuarto de tierras mediante un tornillo de Arquímedes. Variando la fuerza de empuje de avance y la velocidad de extracción del tornillo, se consigue controlar la presión de balance de las tierras, para que ésta garantice la estabilidad del frente y se minimicen los asentamientos en superficie. Para facilitar la evacuación de productos poco plásticos con tornillos, a menudo se han de inyectar productos químicos por aumentar la plasticidad de los terrenos. Hoy en día, las EPB son la tecnología predominante en cuando a excavación de túneles bajo nivel freático.
3.2. Tuneladoras topos de roca dura T.B.M (Tunnel Boring Machine): Su desarrollo inicial se orientó a resolver la construcción totalmente mecanizada de los túneles hidráulicos, en los que la sección circular de excavación resulta la más apropiada. Las tuneladoras de roca dura son máquinas relativamente simples, pero muy robustas, que realizan los procesos elementales del ciclo de trabajo en la forma que se expone a continuación. Los topos son tuneladoras diseñadas para excavar rocas duras o medianas, sin demasiadas necesidades de sostenimiento. Su diferencia fundamental con los escudos es que no están dotados de un cilindro de acero tras la rueda de corte que realiza la función de entibación provisional.
Rueda de Corte. 2. Accionamiento. 3. Erector de dovelas. 4. Cinta transportadora.
5. Cilindros de empuje. 6. Dovelas. 7. Cuadros de distribución.
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.
El topo ensanchador es, como su propio nombre indica, aquel topo que se utiliza para agrandar túneles y así evitar las consecuencias de las fuerzas de agarre en la excavación finalizada, ya que los topos ensanchadores tienen los grippers delante de la rueda de corte.
1. Rueda de corte para roca 2. Rodamiento principal 3. Escudo para la rueda de corte 4. Kelly interior 5. Kelly exterior
6. Cinta transportadora 7. Accionamiento rueda de corte 8. Soporte delantero 9. Soporte trasero 10. Motor eléctrico
Los topos para planos inclinados están especialmente diseñados para la realización de túneles con pendientes mayores de 10% y que han llegado al 50%. Estos topos han sido utilizados en la construcción de funiculares subterráneos a estaciones de esqui, túneles de centrales eléctricas, minas, etc.
4. PARTES PRINCIPALES : Esta máquina puede dividirse en tres partes principales: El escudo y rueda de corte, el back up y el tren de avance. El escudo es la parte principal, donde se encuentra la rueda de corte, los cilindros de empuje y los de guía; también se aloja en esta parte el tornillo sinfín y el erector de dovelas, entre otros. El back up, que normalmente tiene más de 80 m de longitud, aloja la cabina de mando, los motores principales, la cinta de extracción de tierras, la ventilación, el transformador eléctrico, el equipo inyector de espuma y mortero así como las vías del tren. Por último, el tren dispone de vagones para el escombro, un vagón para el mortero de relleno y algún vagón para el transporte de material o personal.
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5. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES :
Peso: 4.364 toneladas Longitud: 100 m (aprox.) Diámetro exterior: 15,20 m
Capacidad de empuje: 316.000 kN Rendimiento máximo: 36 m/día Longitud túnel excavado: 3.526 m Potencia instalada: 22.000 kW
6. VENTAJAS Y DESVENTAJAS : 6.1.
VENTAJAS:
Como ventajas se encuentran sus elevados rendimientos, trabajando incluso bajo el nivel freático, su versatilidad y respeto medioambiental, aunque requieren de una elevada inversión económica.
Mayor rendimiento en el avance de la excavación, además de quedar el túnel prácticamente terminado al colocarse el revestimiento al mismo tiempo que se va perforando el terreno
El topo escudado mejora con relación al topo estándar, dado 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
Las tuneladoras ofrecen las ventajas en términos de seguridad y tiempo. Además, es extremadamente precisa, lo que a su vez, reduce el costo de revestir el túnel.
La mecanización y automatización de la excavación (transporte de escombros mecanizado, operación de corte, etc.) han reducido considerablemente el esfuerzo físico de los operarios
La gran ventaja de las tuneladoras es que permiten construir largos túneles sin que su paso se note en la superficie, con lo que pueden horadar hasta 30 metros por debajo de edificaciones sin provocar la más mínima afección. Los rendimientos conseguidos con tuneladoras de cabeza giratoria son elevadísimos. Suele estar entre: 1.5 m/h a 2.5 m/h.
Son máquinas que han sido diseñadas teniendo en cuenta medidas preventivas de seguridad (barandillas de paso de operarios, cámaras de supervivencia, sistemas de extinción de incendios). Y gracias a su aplicación los accidentes laborales en el frente casi han desaparecido y existe un control riguroso de acceso a la obra
6.2.
DESVENTAJAS:
Cuando la roca contiene un porcentaje alto de minerales con respuesta elástica (como yeso o la mica) los cortadores pueden tener muchas dificultades para fracturar la roca.
Si se encuentran arcillas expansivas la tuneladora puede quedar atascada dentro de la perforación.
Su uso está limitado en curvas cerradas.
Posibilidad de asientos del terreno que puedan suponer un colapso del túnel, por lo que se intentará siempre que por encima del túnel haya suficiente montera.
Posibilidad de presencia de agua que pueda suponer problemas en la excavación, tales como derrumbes.
Pérdida de terreno que hace que en ocasiones aparezcan chimeneas.
Bloqueo de la tuneladora en el terreno
7. CONCLUSIONES :
La mecanización y automatización de la excavación (transporte de escombros mecanizado, operación de corte, etc.) han reducido considerablemente el esfuerzo físico de los operarios.
Son las características del terreno las que determinan el tipo de tecnología que debemos aplicar o las modificaciones que debemos solicitar al fabricante del equipo a utilizar. Por ejemplo si se selecciona una tuneladora, se puede dar el caso de que el terreno que tenemos que atravesar sea roca en la que se detecte presencia de fallas o terreno fracturado, con el consiguiente riesgo de atrapamiento de la tuneladora, se puede pedir al fabricante un incremento de la fuerza de empuje en la rueda de corte, y que la T.B.M. (Tunnel Boring Machine) venga provista de equipos de perforación en cabeza
Considerando esta tendencia en el aumento del uso de máquinas tuneladoras para la excavación de túneles, este nuevo escenario trae las temáticas asociadas a la excavación mecanizada de túneles a un lugar de destaque en la industria local de construcción de túneles, donde nuevas experiencias y conocimientos técnicos específicos asociados a esta metodología pasan a ser de interés para clientes, contratistas, consultores, proveedores y demás actores involucrados en la industria local y regional minera.
Los métodos que son utilizados por las TBM, dependen de las características particulares del proyecto, por lo que no existe un procedimiento absoluto que sea más eficiente.
8. REFERENCIAS:
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
http://www.machinedesign.com/article/the-art-of-digging-.empresa LOVAT.
http://www.microtunel.com/24_escudoepb.htm; Cardona M. “Microtunel”
https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/4777/06.pdf?sequence
=6&isAllowed=y
https://es.wikipedia.org/wiki/Tuneladora
ANEXO
