máquinas tuneladoras tbm
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8/16/2019 Máquinas Tuneladoras TBM
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Contenido1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 2
2. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................... 3
2.1. Tipos de tuneladoras ..................................................................................................... 5
2.1.1. Topos ..................................................................................................................... 6
2.1.2. Escudos .................................................................................................................. 6
2.1.3. Doble Escudo ....................................................................................................... 10
2.2. Ventajas de la utilización de las tuneladoras .............................................................. 11
2.3. Riesgos en el empleo de tuneladoras ......................................................................... 11
2.4. Estabilidad del frente, movimientos del terreno, y sostenimiento ............................ 14
2.5. Equipos auxiliares por tipo de tuneladoras TBM ........................................................ 15
2.6. Ciclo General de trabajo de tuneladoras TBM ............................................................ 15
3. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 16
4. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 16
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1. INTRODUCCIÓN
Los trabajos de construcción de túneles consisten básicamente en ejecutar una
estructura, el túnel, en el interior de formaciones naturales de terreno. Como
consecuencia de la heterogeneidad del terreno al atravesar roca dura, roca blanda y
suelos, y también de las limitadas dimensiones y accesibilidad al frente de trabajo y de
las posibles afecciones (roturas, filtraciones) que puede ocasionar en su entorno
(edificios colindantes), se plantea una problemática que implicará que, en función de
las características y comportamiento del terreno (inestabilidad, abrasividad de la roca),se aplique el procedimiento de excavación que mejor se adapte a cada terreno.
De este modo, el éxito en la construcción de un túnel se deberá a procedimientos de
trabajo que permitan la obtención de unos rendimientos adecuados, manteniendo la
estabilidad general del entorno afectado.
La excavación mecánica logra esos objetivos, consiguiendo dotar de altos grados de
mecanización y automatización a todo el proceso, mediante el sucesivo desarrollo denuevas máquinas con nuevas tecnologías y la ayuda de técnicas constructivas
complementarias.
Dentro de los procedimientos mecánicos de excavación de un túnel, el sistema de
tuneladoras ofrece mayores posibilidades de desarrollo y expansión en comparación
con otros métodos convencionales de excavación.
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2. MARCO TEÓRICO
Este sistema de excavación de túneles consiste en la utilización de máquinas
denominadas tuneladoras integrales, conocidas habitualmente por las siglas en inglés
T.B.M. (Tunnel Boring Machine), en tanto que son capaces por sí solas de excavar el
túnel a sección completa (en general la sección de la excavación es circular) a la vez
que colaboran en la colocación de un sostenimiento provisional o definitivo para
garantizar la estabilidad de la excavación y además retiran los escombros. La máquina
avanza dejando detrás de sí el túnel terminado.
La variabilidad de los tipos de terrenos y de sus propiedades mecánicas (abrasividad de
las rocas, inestabilidades) a lo largo del túnel, así como las distintas condiciones
impuestas por el entorno (presencia de agua, construcciones próximas) implican que
las necesidades de sostenimiento y revestimiento y los problemas que puedan surgir a
medida que se realiza la excavación sean diferentes de un terreno a otro. Esto, con
frecuencia, plantea problemas constructivos por falta de adaptación de la maquinaria
utilizada a situaciones muy distintas y dispares; la máquina puede tener gravesproblemas si el terreno cambia demasiado.
Por todo ello, no se puede hablar de una tuneladora “universal” que solucione todos
los problemas derivados de la heterogeneidad del terreno que deseamos atravesar
(roca o suelo). Siendo así, la tuneladora debe adaptarse al tipo de terreno y, según sea
el comportamiento geotécnico de éste, ésta puede presentar diferencias que se
reflejan tanto en su diseño como en las operaciones que sea capaz de realizar.
Son las características del terreno, por tanto, las que determinan el tipo de tecnología
que debemos aplicar o las modificaciones que debemos solicitar al fabricante. Por
ejemplo, en el caso de que el terreno que tenemos que atravesar sea roca en la que se
detecte presencia de fallas o terreno fracturado, con el consiguiente riesgo de
atrapamiento de la tuneladora, se puede pedir al fabricante un incremento de la fuerza
de empuje en la rueda de corte, y que la T.B.M. venga provista de equipos de
perforación en cabeza.
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Como consecuencia, las tuneladoras son prototipos adaptados a cada tipo de terreno,
por tanto, no suelen ser reutilizables salvo en caso de que se produzca una similitud de
las características de los suelos.
Actualmente existen innumerables proyectos de túneles con TBM en diferentes
diámetros y longitudes. En América del Sur, existen proyectos de envergadura
hidroeléctricos y urbanos donde se han utilizado y se siguen utilizando TBM. Entre los
países de Sudamérica se pueden citar Venezuela, Brasil, Perú, Ecuador, Colombia y
Argentina.
En el caso particular de la excavación en la Cordillera de los Andes, varios proyectos de
túneles con TBM han sido completados desde 1980, reportándose un total de 12proyectos, de los cuales únicamente en 2 se tuvieron inconvenientes que produjeron
significativos retrasos o incluso llevaron al abandono de la TBM.
La siguiente tabla muestra una lista de los proyectos más relevantes.
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Las partes de una tuneladora TBM son:
2.1. Tipos de tuneladoras
Las tecnologías básicas que pueden ser aplicadas en función del tipo de terreno que
deseamos atravesar se pueden dividir en tres grandes grupos: Tuneladoras de roca
dura (topos) y tuneladoras de rocas blandas o suelos (escudos). Durante los últimos
años se han desarrollado modelos que podrían denominarse máquinas mixtas, al
combinar elementos de los modelos anteriores.
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2.1.1. Topos
Los topos son tuneladoras diseñadas para excavar rocas duras o medianas, sin
demasiadas necesidades de sostenimiento. Su diferencia fundamental con los escudos
es que no están dotados de un cilindro de acero tras la rueda de corte que realiza la
función de entibación provisional.
La fuerza de empuje se transmite a la cabeza de corte mediante cilindros (cilindros de
empuje). La reacción producida se transmite al hastial del túnel mediante los grippers
(fuerza de anclaje). Los grippers también compensan el par producido por la cabeza de
corte, que se transmite a éstos a través de la viga principal.
Cuando se ha terminado un ciclo de avance, se necesita reposicionar las zapatas de
agarre (grippers), para la cual se apoya la viga principal en el apoyo trasero. Una vez
anclados los grippers en su nuevo emplazamiento, se libera el apoyo trasero y se inicia
un nuevo ciclo de avance.
2.1.2. Escudos
Los escudos son tuneladoras diseñadas por excavar rocas blandas o suelos, terrenos
que necesitan sistemáticamente la colocación de un sostenimiento. A diferencia de los
topos, los escudos cuentan con una carcasa metálica exterior (que da el nombre a este
tipo de máquina) que sostiene provisionalmente el terreno desde el frente de avance
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hasta algo más allá de donde se coloca el sostenimiento definitivo, normalmente
consistente en anillos formados por unas 7 dovelas. De este modo, se garantiza en
todo momento la estabilidad del túnel. A menudo están preparadas para avanzar bajo
el nivel freático.
Si se trata de una tuneladora de cabeza giratoria, suele estar equipada con picas,
rastreles o "rippers" (elementos que arrancan los suelos) y cortadores (elementos que
rompen por identación la roca). También dispone de una serie de aperturas,
frecuentemente regulables, por donde el material arrancado pasa a una cámara
situada tras la rueda de corte y desde donde se transporta posteriormente hacia el
exterior de la máquina. Tras esta cámara se alojan los motores y el puesto de mando
de la máquina, espacios completamente protegidos por la carcasa metálica.
Seguidamente está todo el sistema de perforación: primero los cilindros perimetrales
(con un recorrido entre 1,20 y 1,50 m). Estos gatos perimetrales se apoyan contra el
último anillo colocado de dovelas del revestimiento definitivo del túnel. Cuando
finaliza el recorrido de los cilindros de avance, se coloca un nuevo anillo de dovelas (en
el interior de la carcasa, que se extiende algo más allá, de forma que el túnel siempre
está sostenido) y se empieza un nuevo ciclo de excavación. Una inyección de mortero
o grasa es necesaria para llenar el vacío de 7 a 9 cm de grueso entre las dovelas y el
terreno excavado.
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Se distinguen dos grandes grupos de escudos, de entre los que se distinguen las
tipologías que se explicitan a continuación:
Escudos de frente abierto: se usan cuando el frente del túnel es estable. El sistema
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 a de ser circular. tiene varios tipos:
Escudos con cierre mecánico: la entrada y salida de material en el cuarto de
tierras se regula mediante dos puertas de apertura controlada hidráulicamente.
La máquina tiene limitaciones con presencia de agua.
Escudos presurizados con aire comprimido: prácticamente no se usan.
Escudos de bentonita o hidroescudos: con la inyección de bentonita se consigue
estabilizar el terreno por sus propiedades tixotrópicas y facilitar el transporte dematerial mediante bombeo. Son adecuados para terrenos constituidos por
arenas sueltas o gravas arenosas, que dificultan el amasado. Son similares a los
escudos de presión de tierras, pero presentan dos grandes diferencias: la presión
de tierras en la cámara se logra mezclando el terreno excavado con un lodo de
agua y arcilla (slurry).
Consiguen un excelente control de la presión, y el coste energético es mucho
menor. La extracción del material se hace mediante una tubería, bombeando la
mezcla hacia el exterior. La desventaja de este tipo de máquinas es el
tratamiento del terreno extraído, mezclado con los lodos, que exige plantas de
gran superficie para la separación de las partículas más finas
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Escudos de balance de presión de tierras o EPBs: el material es extraído del
cuarto de tierras mediante un tornillo de Arquímedes. Variando la fuerza de
empuje de avance y la velocidad de extracción del tornillo, se consigue controlar
la presión de balance de las tierras, para que ésta garantice la estabilidad del
frente y se minimicen los asentamientos en superficie. Para facilitar la
evacuación de productos poco plásticos con tornillos, a menudo se han deinyectar productos químicos por aumentar la plasticidad de los terrenos. Hoy en
día, las EPB son la tecnología predominante en cuando a excavación de túneles
bajo nivel freático.
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2.1.3. Doble Escudo
Otra modalidad de tuneladora es la denominada Doble Escudo, capaz de trabajar como
topo o como escudo, en función de la calidad del macizo rocoso, siendo la mejor
solución para macizos con tramos de tipología variable suelo-roca. En este tipo de
tuneladoras el escudo está dividido en dos partes, la delantera en la que se encuentra
la cabeza de corte, y la zona trasera en la que se realiza el montaje del anillo de
dovelas.
El movimiento de estas dos partes del escudo es independiente, situándose los
"grippers" en un hueco abierto entre ambas, por lo que la cabeza puede excavar
mientras que en la cola del escudo se van montando los anillos de dovelas. De estamanera los rendimientos alcanzados con este sistema son mucho mayores que con un
escudo simple. Este sistema se aplica en aquellos terrenos capaces de resistir la
presión que transmiten los “grippers”. Al mismo tiempo que los cilindros de empuje
principal impulsan hacia delante el escudo de cabeza y la rueda de corte realiza la
excavación, en el escudo trasero se procede al montaje de un nuevo anillo de dovelas
de sostenimiento al abrigo del mismo.
Cuando el terreno es más débil y no es capaz de resistir la presión de los “grippers”, la
tuneladora funciona como escudo simple, cerrándose el hueco de los "grippers", y
apoyándose la tuneladora, mediante unos cilindros auxiliares, en el último anillo
colocado, para así obtener la reacción necesaria para el empuje de la cabeza de corte
(es decir, como trabaja un escudo normal). Por ello, trabajando en modo escudo, no es
posible simultanear la excavación con el montaje del anillo de dovelas.
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2.2. Ventajas de la utilización de las tuneladoras
La utilización de tuneladoras presenta una serie de ventajas frente a los métodos
tradicionales:
Mayor rendimiento en el avance de la excavación, además de quedar el túnel
prácticamente terminado al colocarse el revestimiento al mismo tiempo que se
va perforando el terreno.
La mecanización y automatización de la excavación (transporte de escombros
mecanizado, operación de corte, etc.) han reducido considerablemente el
esfuerzo físico de los operarios.
Al tratarse de una máquina integral que abarca la sección completa, esto
supone una protección de la clave y se disminuye el posible riesgo derivado de
la inestabilidad del frente de excavación; como consecuencia de aplicar la
T.B.M. un empuje relativamente constante en la roca, lo que supone un
incremento de la seguridad. A esto hay que añadir que son máquinas que han
sido diseñadas teniendo en cuenta medidas preventivas de seguridad
(barandillas de paso de operarios, cámaras de supervivencia, sistemas deextinción de incendios). Y gracias a su aplicación los accidentes laborales en el
frente casi han desaparecido y existe un control riguroso de acceso a la obra.
2.3. Riesgos en el empleo de tuneladoras
El empleo de tuneladoras mejora la seguridad. Esto no significa que se esté exento de
riesgos; aun con las T.B.M., una construcción de túneles es una obra dinámica, en la
que siempre ocurren imprevistos.
Además, se ha de tener en cuenta que se está ante una máquina de alto coste y que es
un prototipo diseñado para responder a las necesidades de un terreno de
características determinadas. Una inadecuada elección o mal diseño de la tuneladora o
un equipo humano no especializado en su manejo supondrán un fracaso en su correcta
utilización, puesto que una vez comenzada la obra, no se pueden realizar cambios en la
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máquina. En caso de atrapamiento, los trabajos de liberación son lentos, difíciles y
peligrosos, y provocan paradas durante meses.
Esta situación puede suponer, en algunos casos, un coste tan elevado que hace que el
sistema deje de presentar ventajas. Por tanto, la versatilidad de las máquinas debe
tenerse en cuenta en el momento de elegirlas. Para hacer una selección correcta de la
tuneladora, resulta imprescindible tener un conocimiento preciso y a tiempo de las
características del terreno que debemos atravesar para una definición correcta de
dicho terreno. De tal modo que podamos establecer todas las medidas que prevengan
la aparición de tipos de suelos imprevistos y evitar peligros que afecten tanto al equipo
humano como a los medios técnicos.
No hay que olvidar que el trabajo se desarrolla bajo tierra (ambiente subterráneo) y
que, además, existe desplazamiento a medida que excavamos. Es por ello que, durante
la ejecución de la obra y a su terminación, se pueden presentar riesgos. Así, en el
estudio del terreno se deben tener en cuenta factores como:
Posibilidad de asientos del terreno que puedan suponer un colapso del túnel,
por lo que se intentará siempre que por encima del túnel haya suficiente
montera.
Posibilidad de presencia de agua que pueda suponer problemas en la
excavación, tales como derrumbes.
Pérdida de terreno que hace que en ocasiones aparezcan chimeneas.
Bloqueo de la tuneladora en el terreno.
La dureza y abrasividad de las rocas se traducen en una reducción importante
del rendimiento y un aumento considerable del mantenimiento de la máquina;
por ejemplo, el cambio de los discos de corte que, debido a la abrasión del
terreno, se desgastan con mayor facilidad. Y como consecuencia de ello puede
pasar que el procedimiento deje de ser económicamente rentable o incluso
resulte inviable.
Presencia de gases.
Posibilidad de que se produzca un incendio. Este riesgo se incrementa en
túneles de gran longitud, y puede disminuir, sobre todo si se van construyendo
a la vez las necesarias vías de emergencia.
Imposibilidad de realizar tratamientos del terreno desde el interior del túnel.
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Las tuneladoras son máquinas complejas que requieren para su manejo y buen
funcionamiento de un equipo humano especializado, que pueda sacar el máximo
provecho de la tuneladora y tenga capacidad de reacción sobrada para encontrar
soluciones a todos los problemas e imprevistos que puedan surgir.
El coste de mantenimiento de una tuneladora es muy elevado, y se compensa con el
aumento del rendimiento que la utilización de ésta supone ante otros métodos de
excavación. En ocasiones y debido a circunstancias ajenas a la excavación en sí, pueden
producirse riesgos financieros (fundamentalmente “Pérdida de Beneficio”), debidos a
un retraso en la obra por problemas tales como aumento del tiempo invertido en
recambios, atrasos logísticos y de abastecimiento, y mantenimiento. Por ejemplo, la
tuneladora necesita ser abastecida de forma continuada con energía eléctrica y un
retraso en la logística del proceso supone largos tiempos de parada de la excavación
por razones ajenas a la misma que, además, pueden suponer un riesgo financiero.
La rutina en la tarea puede suponer un inconveniente al olvidar el personal los riesgos
presentados en el entorno de trabajo.
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2.4. Estabilidad del frente, movimientos del terreno, ysostenimiento
Para tener éxito a la hora de diseñar y construir un túnel es necesario tener
dominados estos tres aspectos básicos: estabilidad, movimientos del terreno y
sostenimiento.
La estabilidad del frente es esencial desde el punto de vista de la seguridad durante la
ejecución, tanto dentro del túnel como en superficie. Antes de instalar el
sostenimiento existe una porción de terreno que se debe mantener estable.
El estudio de los movimientos en el terreno y su consecuente afección a las
construcciones es de particular importancia en el entorno urbano. Por un lado se han
de establecer los límites admisibles para no causar daños a estructuras y servicios
cercanos al túnel y por otro lado se han de prever los posibles asientos y sus causas.
Contrastando ambas informaciones se adoptarán las medidas constructivas necesarias
para ejecutar el túnel con la mayor garantía de seguridad.
El sostenimiento del túnel debe ser diseñado para que funcione correctamente
durante toda su vida útil. Se diseñará para que sea capaz de resistir todas las
solicitaciones a las que se pueda ver sometido: las cargas del terreno, del agua, las
deformaciones que puede llegar a sufrir y las cargas aplicadas tanto en fase
constructiva como de servicio.
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2.6. Ciclo General de trabajo de tuneladoras TBM
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3. CONCLUSIONES
Las máquinas tuneladoras TBM son muy útiles para la construcción de túneles, ya
que poseen mayor rendimiento de avance que ofrecen otros sistemas de excavación.
Para poder elegir la tuneladora correcta para un lugar específico, se debe tener en
cuenta las características propias del lugar, como son las propiedades geológicas,
características de sostenimiento, tiempo requerido para el término de la obra,
recursos disponibles, etc.
La calidad de la roca determina las características que debe tener la TBM, no se podrá
utilizar cualquier tipo de tuneladora que no sea apropiada a las características del
macizo rocoso.
4. BIBLIOGRAFÍA
Análisis del rendimiento y parámetros de una tuneladora - Miguel ÁngelRequena Molano
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