09-Maquinas Integrales

Excavacin con Mquinas Integrales: Topos y Escudos E.T.S.E.C.C.P.B.

EXCAVACIN CON MQUINAS INTEGRALES: TOPOS Y ESCUDOS 1. Introduccin Las mquinas integrales para la excavacin de tneles se conocen habitualmente por las siglas T.B.M. (Tunnel Boring Machine) y hacen referencia a una serie de mquinas capaces de excavar un tnel a seccin completa, a la vez que se colabora en la colocacin de un sostenimiento provisional o en la puesta en obra del revestimiento definitivo. Estas mquinas se dividen en dos grandes grupos: topos y escudos. Ambos difieren de forma importante segn el tipo de roca o suelo que sea necesario excavar, as como de las necesidades de sostenimiento o revestimiento que requiera cada tipo de terreno. As, los topos se disean principalmente para poder excavar rocas duras y medias, sin grandes necesidades de soporte inicial, mientras que los escudos se utilizan en su mayor parte en la excavacin de rocas blandas y en suelos, frecuentemente inestables y en ocasiones por debajo del nivel fretico, en terrenos saturados de agua que necesitan la colocacin inmediata del revestimiento definitivo del tnel. A continuacin se detallaran las caractersticas de cada una de estas mquinas.

Fig. 1. Vista de las cabezas de corte de dos TBMs y dos escudos respectivamente (Geo-Enviroment Laboratory Faculty Of Engineering Nagasaki University)

Ingeniera Geolgica. Excavaciones Subterrneas 1


2. TOPOS En lneas generales los topos constan de una cabeza giratoria, dotada de cortadores, que se acciona mediante motores elctricos y que avanza en cada ciclo mediante empuje de unos gatos que reaccionan sobre las zapatas de los grippers, los cuales a su vez estn anclados contra la pared del tnel. En la Fig. 2 se muestra un topo.

Fig. 2. Vista general de un topo (Cortesa Herrenknecht AG)

2.1. Descripcin de la mquina En la Fig. 3, se puede ver una T.B.M. tipo topo. Las partes fundamentales se describen a continuacin, son: la cabeza, los grippers, los cilindros de empuje, el back-up, y el sistema de guiado.

Fig. 3. Esquema de un topo (Fernndez, 1997)



2.2.1. Cabeza Es la parte mvil que realiza la excavacin de la roca (ver Fig. 4). Est dotada de cortadores que normalmente son discos de metal duro que giran libremente sobre su eje, y cuya carcasa se fija a la cabeza. Estos cortadores son de mayor dimetro cuanto mayor sea la dureza de la roca y, hoy da, son normales los de 432 mm (17) de dimetro, existiendo algunas realizaciones con 533 mm (21) para rocas muy duras, en el entorno de los 250 MPa.

Fig. 4. Vista frontal de la rueda de corte que incorpora la cabeza de un topo (Cortesa Herrenknecht AG) Los cortadores, normalmente se disponen en la cabeza de la mquina en forma de espiral, para que, al girar la misma, puedan describir crculos equidistantes, y nicamente hay una concentracin de cortadores en el centro de la cabeza para forzar la rotura de la roca en esa zona a modo de cuele (ver Fig. 5). El mecanismo de rotura de la roca, forzado en la zona central de la manera indicada, progresa en los crculos siguientes hacia el espacio ya excavado, y para facilitar este trabajo se dota a las cabezas de una pequea conicidad. El proceso de corte mecnico se produce inicialmente mediante un proceso de rotura frontal originado por la presin que el cortador ejerce (ver cortador en Fig. 8) sobre el terreno y, posteriormente, en el resto de la seccin, la rotura entre los crculos concntricos anteriormente aludidos se produce por identacin, con la formacin de un escombro lajoso tpico de este tipo de mquinas.

Fig. 5. Crculos concntricos dejados por los cortadores en el frente del tnel



En la Fig. 6 se representa un esquema de rotura frontal, y se pueden apreciar las cinco fases que cronolgicamente se suceden en la misma.

Fig. 6. Fases en la rotura frontal (Fernndez, 1997) La Fig. 7 representa la posterior rotura por identacin al paso de los cortadores por los diferentes crculos descritos.

Fig. 7. Esquema de rotura por identacin (Alonso, 2002)



Fig. 8. Vista de detalle y en perspectiva de un cortador (Robbins Company) Los mecanismos de rotura descritos reflejan la importancia que tiene el estudio para cada tipo de roca de la separacin ptima entre cortadores, el empuje de la mquina y el dimetro de los cortadores. La resistencia a la traccin es uno de los aspectos clave de la roca para explicar la eficiencia del arranque. Naturalmente, el diaclasado de la roca, su fracturacin, la existencia de esquistosidad favorable, as como la de planos de estratificacin con orientacin adecuada, mejoran considerablemente este proceso, favorecindose de forma notable la penetracin del topo.

Fig. 9. Disposicin favorable y desfavorable, respectivamente, de los cortadores vs estratificacin



Para la excavacin de los escombros producidos, la cabeza incorpora adems una serie de cangilones situados en su periferia que recogen el escombro y lo elevan para su descarga en una cinta primaria.

Fig. 10. Vista general de un topo apunto de iniciar el ataque de la excavacin (Trenchless Technology)

El accionamiento de la cabeza es normalmente elctrico y con dos velocidades de giro, una larga, normalmente en el entorno de las 9 rev/min y otra corta, usualmente la mitad. Una medida aproximada para estimar la velocidad de giro (en RPM) puede ser:

DRPM 3832K siendo D el dimetro de la rueda de corte en mts.

Actualmente, se empiezan a utilizar accionamientos elctricos con regulacin de velocidad mediante la variacin de frecuencias. La regulacin de esta velocidad, as como la del par, es esencialmente valiosa cuando se excavan rocas de muy distinta calidad, debido a que:

Para excavar rocas duras, no es necesario un par demasiado elevado, pero s interesa una velocidad alta que permita utilizar toda la potencia de la mquina.

En terrenos ms blandos, donde la penetracin de la mquina puede alcanzar altos ndices, ser necesario disminuir la velocidad para no sobrecargar el sistema.

En el caso de terrenos con bloques, puede igualmente ser aconsejable una disminucin de la velocidad para evitar el movimiento o derrumbe de bloques en el frente o en la clave del tnel.



Las ventajas principales de este sistema elctrico de frecuencia variable se pueden condensar en las siguientes: a) Permite una regulacin continua de la velocidad con par constante entre 0 y 50 Hz. Por encima de los 50 Hz, se mantiene constante la potencia, disminuyendo el par a medida que aumenta la velocidad, cumplindose en este caso que el producto de par por velocidad es igual a potencia constante. b) Se dispone de todo el par a velocidades reducidas, incluso en el arranque con velocidad cero. Esto es muy importante en terrenos que tienden a atrapar la cabeza de la mquina, ya que el par de desbloqueo puede aumentarse hasta un 150% del par nominal durante unos 30 segundos. 2.2.2. Grippers Como ya se ha indicado, son las zapatas que acodalan a la mquina contra la roca durante el avance, siendo su superficie mayor cuanto menor sea la resistencia de la roca, y existiendo, como es lgico, unos lmites en ambos sentidos (ver Fig. 11). Normalmente, los grippers no pasan de 0.70 m de anchura, para que puedan apoyarse entre cerchas. En algn caso, cuando se prev trabajar en terrenos blandos, pueden llegar a tener una acanaladura central que aloje en su momento el glibo de una cercha en caso de ser necesario.

Fig. 11. Vista en perspectiva de la cabeza de un topo. A la derecha, en color rojo, se destacan los grippers (Cortesa Herrenknecht AG)



2.2.3. Cilindros de empuje Son normalmente 2 4 y proporcionan a la mquina el empuje necesario contra el frente para realizar la excavacin. Su recorrido, comprendido entre 1.50 y 2.00 m, marca la longitud de cada ciclo de avance, ya que una vez agotada su carrera es necesario soltar los grippers y retraer los cilindros de empuje para conseguir el avance de la parte fija de la mquina (ver Fig. 11). 2.2.4. Back-up Se denomina as al conjunto de plataformas posteriores que arrastra la mquina en su avance y que, normalmente, incorporan los siguientes equipos (ver Fig. 12):

Transformadores y carretes de mangueras elctricas. Captadores de polvo, constituidos la mayora de veces por una cortina de agua

que capta el polvo en la tubera de aspiracin del mismo y permite su posterior evacuacin en forma de lodos

Casetes de ventilacin que almacenan habitualmente 100 m de tubera soplante.

Polipastos para manejo de vas y dovela de solera, ya que, en la actualidad, la

mayora de los tneles incorporan una dovela en solera de hormign prefabricado, que se va colocando simultneamente al avance del tnel.

Fig. 12. Vista trasera del back-up de una tuneladora (Trenchless Technology)



De esta forma, el tnel dispone a lo largo de toda su longitud de una solera de hormign que le proporciona las siguientes ventajas:

Permite disponer de una va bien colocada, y en consecuencia los trenes alcanzan con seguridad velocidades elevadas (entorno a los 30 Km/h).

Se dispone de una solera del tnel limpia, ya que facilita considerablemente el

drenaje.

Se facilita tremendamente la colocacin del revestimiento de hormign defi-nitivo si lo hubiere, ya que no sera necesario el encofrado de solera y no se interrumpe nunca la va.

El sistema de evacuacin de escombros, de importancia primordial en el mtodo, ya que es necesario evacuar con rapidez grandes cantidades de material. Los modernos sistemas de evacuacin de escombros pueden adoptar diversas configuraciones, siendo las ms frecuentes: a) Tren de tolvas: est constituido por una batera de tolvas en nmero igual al de los vagones de cada tren y con idntica geometra y colocacin. Estas tolvas sirven como regulacin y acopio, y se cargan mediante una cinta repartidora del material, no siendo necesaria la presencia del tren que puede estar viajando. Cuando el tren regresa vaco, se sita debajo de las tolvas y mediante la apertura simultnea de todas ellas se carga ste de forma prcticamente instantnea, repitindose el ciclo. b) Cinta puente: puede alojar en su interior el tren completo y lo carga mientras ste pasa por debajo de la misma. Un cambio californiano, previo a la cinta, permite la espera de un segundo tren. Es necesario realizar las maniobras mediante la locomotora. Todo el conjunto va montado en plataformas que ruedan sobre la va principal del tnel arrastradas por el topo en su avance. c) Sistema Rowa: consiste en un conjunto de dos vas paralelas, una para vagones vacos y otra para vagones cargados. Los vagones se mueven sin la locomotora mediante cadenas de arrastre y el cambio de va se efecta mediante un sistema hidrulico. Todo el sistema se controla por un operador situado ante un monitor de TV. d) Cintas convencionales: que transportan el escombro desde la mquina hasta el exterior, eliminndose el transporte sobre va. Este procedimiento de transporte continuo cada vez se utiliza ms frecuentemente, porque aumenta el rendimiento al eliminarse tiempos muertos (descarrilamientos, esperas, ...). La cinta dispone de 125 150 m, que permite realizar el avance semanal sin necesidad de empalmarla.



2.3. Guiado El guiado de un topo se suele hacer materializando con un rayo lser un eje paralelo al del tnel. El operador de la mquina ve constantemente la seal en la diana cuadriculada que facilita el guiado manual de la mquina. En cualquier caso, es necesario cada vez que se adelante el lser y en las tangentes de entrada y salida a las curvas verificar el eje y la rasante con topografa convencional. 2.4. Limitaciones de utilizacin La mayora estn ligadas a la geometra del tnel. En efecto:

La seccin debe ser circular y la longitud tal que permita asumir una inversin elevada y unos gastos igualmente importantes de transporte y montaje en obra.

El radio de curvatura mnimo est alrededor de los 300 m, aunque son deseables

al menos 500 m.

La pendiente mxima debe ser tal que permita una circulacin fluida de trenes y est en un entorno mximo del 3.5-4 %. Esta pendiente se puede superar en el caso de extraccin de escombros por cintas, pero no hay que olvidar que, an en este caso, es necesario disponer de va para poder introducir al frente del tnel materiales, repuestos, etc.

Otras limitaciones se refieren a la geologa y la geotecnia de los terrenos a atravesar. As, en terrenos excesivamente blandos o con problemas de sostenimientos podran desaconsejar el sistema, ya que se podra encarecer considerablemente. Las fallas son un enemigo mortal de los topos, ya que los sostenimientos no pueden actuar como pronto hasta el paso de los espadines de proteccin y como en estos casos de fallas el avance suele ser lento, los tiempos que transcurren son demasiado largos, favorecindose el desprendimiento del terreno. La alta abrasividad de algunas rocas as como los contenidos elevados de slice pueden producir elevados desgastes en los cortadores y cangilones de la cabeza, pudiendo llegar a invalidar la solucin topo por puro problema econmico. 2.5. Rendimientos Los rendimientos de este tipo de mquinas son normalmente muy elevados. La penetracin pura de la mquina en el terreno puede oscilar entre 3 y 6 m/hora e incluso ser superior. Sin embargo, los rendimientos puros vienen afectados por las paradas necesarias para realizar el mantenimiento de la mquina o de su back up, para el cambio de cortadores,



averas y sobre todo para colocar los sostenimientos que fueran necesarios. En consecuencia, el coeficiente de utilizacin real de una mquina rara vez supera el 50 %. Se define dicho coeficiente (CU) como:

trabajode efectivas horasmquina la de trabajode reales horas=CU

En la tabla siguiente se muestran valores de CU segn las condiciones de trabajo:

CONDICIONES DE TRABAJO DEFINICIN VALOR DEL CU

ptimas

Roca, dureza media Equipos de apoyo

ptimos No sostenimiento

0.46

Buenas Roca, dureza media No sostenimiento 0.42

Normales

Roca dura no muy abrasiva

Sostenimiento muy ligero

Poca filtracin de agua 6 l/seg

0.34

Duras

Rocas muy duras y abrasivas

Sostenimiento ligero Mediana filtracin de

agua < 32 l/seg

0.34

Muy duras

Rocas extremadamente duras y abrasivas

Rocas con fluencia Sostenimiento

considerable Alta filtracin de agua >

32 l/seg

0.20

Tabla I. Valores del CU, segn las condiciones de trabajo (a partir de casos reales)

2.5.1. Factores que controlan el rendimiento de las mquinas tuneladoras Existen distintos factores que controlan el rendimiento de los topos. Los ms impor-tantes son la resistencia y la composicin qumica del macizo rocoso.



En el caso de la resistencia, es muy importante conocer el grado de dureza de la roca. Si para rocas duras denominamos por v la velocidad de avance, para rocas blandas dicha velocidad se multiplica por tres: 3v; lo que hace que el rendimiento se incremente considerablemente. Adems, la resistencia del macizo controla el diseo de la cabeza: empuje de los cortadores, espaciamiento de los mismos, etc. La composicin qumica resulta de vital importancia, pues el contenido en cuarzo de la roca marcar de forma decisiva el desgaste de los cortadores. Para un qu constante, si el contenido en SiO2 es bajo se define un cambio de discos a ritmo r, mientras que para una roca con un contenido alto de SiO2 el ritmo de cambio de los discos se dispara a 10r. Otros factores, aunque de menor importancia, son la presencia y disposicin de discontinuidades, la presencia de agua y el recubrimiento del tnel. Este ltimo de carcter irrelevante. En lo que concierne a las discontinuidades son determinantes. La fisuracin densa incrementa la velocidad de avance. Pero una fracturacin excesiva requerira un soporte adicional que nos conducira a utilizar otras alternativas de excavacin como la que ofrece el escudo. El agua es casi siempre perjudicial. Dificulta la extraccin y transporte del material excavado y puede generar dao en las instalaciones elctricas que incorpora la mquina. 2.6. Estimacin del avance en roca dura El NGI (Barton) propone la estimacin del avance como una funcin que depende de los siguientes parmetros: el ndice de perforabilidad (D.R.I., Drilling Rate Index), el empuje y dimetro del cortador y, el ms importante, el grado de fisuracin de la roca. 2.6.1. ndice de perforabilidad (D.R.I.) Este ndice definido por el Instituto Noruego de Geotecnia se determina a partir de una serie de ensayos que miden la fragilidad y la tenacidad superficial. Dichos ensayos son: el ensayo de cada y el ensayo de perforacin en miniatura. Seguidamente se explica en que consiste cada uno de ellos. El ensayo de cada consiste en medir el porcentaje de muestra de roca que pasa por el tamiz 11.2 mm tras 20 impactos de una masa de 14 Kg lanzada desde una altura de 25 cm (parmetro S20). El ndice S20 para una determinada muestra de roca se determinar a partir de la media obtenida con 3 o 4 ensayos (vase Fig. 14)



Fig. 14. Ensayo de cada (Drop test). ( T. Mouinkel, O. Johannssen, 1986) El ensayo de perforacin consiste en medir la profundidad (en 1/10 mm) del hueco dejado por un taladro de carburo-tungsteno, tras 200 revoluciones sobre una muestra de roca y bajo un peso de 20 kg (parmetro SJ). Para determinar el valor correspondiente a una determinada roca es necesario realizar de 4 a 8 ensayos con muestras del mismo tipo de roca y realizar la media de los valores obtenidos de SJ (ver Fig. 15).

Fig. 15. Ensayo de perforacin (Siever test). (T. Mouinkel, O. Johannssen, 1986) La siguiente figura (Fig. 16) proporciona el ndice D.R.I. en funcin de los parmetros anteriormente descritos.



Fig. 16. Determinacin del DRI. (T. Mouinkel, O. Johannssen, 1986) Existe una forma alternativa de hallar el DRI utilizando las figuras 17 y 18 deducidas empricamente por T. Mouinkel y O. Johannssen (1986). stas permiten determinar dicho ndice a partir de la resistencia a compresin simple de la roca a estudiar.

Fig. 17. Correlacin entre el DRI y la resistencia a compresin simple de la roca (T. Mouinkel, O. Johannssen, 1986)



Fig. 18. Correlacin entre el DRI y la resistencia a compresin simple de la roca (T. Mouinkel, O. Johannssen, 1986)

Conociendo dicho ndice podemos hallar la penetracin neta y a partir de esta, la pene-tracin total segn la siguiente ecuacin:

SDNT kkPP = siendo: PT: Pentracin total PN: Penetracin neta que es f(DRI, Empuje por cortador) kD: Correccin por dimetro del cortador kS: Correccin por fracturacin de la roca Con esto podremos hacernos una idea aproximada del avance previsto que podemos tener por da para la tuneladora que como veremos depender de las litologas a atravesar. El ndice PN se puede determinar con la ayuda de la Fig. 19. Conociendo el empuje por cortador en KN (Toneladas) y el valor de DRI para la roca nos proporciona directamente el valor de penetracin neta de avance en mm por revolucin. En esta ltima figura tambin es posible determinar el valor del coeficiente kD que debe corregirse en funcin del dimetro del cortador que viene dado en pulgadas (eje de abcisas)



Fig. 19. Determinacin de la penetracin neta (PN). (T. Mouinkel, O. Johannssen, 1986) Finalmente, el coeficiente kS se determina de forma similar a los anteriores. En este caso, este depende del tipo de clase de roca definida por Mouinkel y Johannssen y que clasificaron en tres categoras: Joint Class (SP) y Fissure Class (ST) y Non-fractured Rock Mass (Class 0) (ver Fig. 20).

Fig. 20. Rocas pertenecientes a la clase SP y ST respectivamente

Esta ltima nos indica que no es necesario aplicar ningn factor de correccin, lo que es equivalente a decir que kS = 1.



En la tabla siguiente se indican las caractersticas de cada una de las clases mencionadas:

Joint Class (SP) Fissure Class (ST) Non-Fractured Rock Mass (Class 0) Includes continuous

joints that can be followed all around the tunnel profile. They can be open (e.g. bedding joints in granite), covered with clay or weak / slippery minerals, e.g. calcite, chlorite or similar minerals.

Includes non-continuous joints (can only be partly followed around the tunnel profile).

Filled joints with low shear strength.

Bedding plane fissures (partings), e.g. in mica schist and mica gneiss

Massive rock without joints or fissures. May appear in intrusive dykes, sills, batholiths, etc.

Filled joints with high shear strengths, e.g. joints filled with hydrothermal minerals such quartz, epidote, etc., may approach Class 0

Tabla II

Por ltimo y relacionado de forma indirecta con la velocidad de avance debemos mencionar la abrasividad de la roca, puesto que este factor, controla el desgaste de los cortadores situados en la cabeza rotatoria y por tanto la frecuencia con la que hay que sustituirlos. La abrasividad se mide mediante el ndice C.L.I. (Cutter Life Index) ideado tambin por Mouinkel y Johannssen y cuyos valores dependen de las variables AVS y SJ, esta ltima definida con anterioridad. Segn estos autores se define el C.L.I. como:

3847.0

84.13...

=AVSSJILC

Asimismo, establecieron el AVS (Abrassion Value Steel) como el peso perdido del cortador (acero) expresado en mg tras 20 revoluciones de la mesa giratoria de acero (ver Fig. 21). Conocidos AVS y SJ hallar C.L.I. es inmediato. De la misma manera que vimos para el ndice DRI, para CLI tambin existen correlaciones de los mismos autores (ver Fig. 22). En ella se aprecia claramente como en cuanto aparece el SiO2 (Cuarzo) los valores de CLI caen hasta valores muy bajos, por lo que en tal situacin se recomienda recurrir al uso de explosivos.



Fig. 21. Ensayo de abrasin (T. Mouinkel, O. Johannssen, 1986)

Fig. 22. Valor de CLI para distintas litologas (T. Mouinkel, O. Johannssen, 1986)

Finalmente, a ttulo orientativo, se muestran un par de figuras en los que se puede calcular el tiempo de vida en horas de un cortador y el coste en Coronas Noruegas (1 = 8.3635 Coronas Noruegas) por hora y cortador en funcin del CLI (Fig. 23)

Fig. 23. Vida del cortador y coste en Coronas Noruegas en funcin del CLI

(T. Mouinkel, O. Johannssen, 1986)



3. ESCUDOS Los escudos disponen tambin de una cabeza giratoria igualmente accionada por motores elctricos, pero en este caso, normalmente incorpora picas o rascadores, y avanza mediante el empuje de una serie de gatos perimetrales, que se apoyan sobre el revestimiento definitivo de forma inmediata, ste se puede incorporar al retraerse los gatos despus de cada avance. Todos estos trabajos se realizan al amparo de una coraza que da el nombre a este tipo de mquinas, tal y como se muestra en la Fig. 24.

Fig. 24. Vista frontal y lateral de un escudo (Fernndez, 1997)

Fig. 25. Vista general de un escudo (Trenchless Technology)



Seguidamente se describen cada una de las partes. 3.1.1. Cabezas o elemento excavador Est incluido en un primer cuerpo de la coraza, e incorpora el elemento excavador, que puede ser manual, una rozadora, una cabeza giratoria, etc. En este ltimo caso la cabeza giratoria est accionada por motores hidrulicos que permiten una variacin constante de la velocidad de giro, entre 0 y 9-10 RPM y la reversibilidad de la misma. La cabeza, en este caso, normalmente monta cinceles o picas, y en ocasiones puede incluso incorporar discos. En terrenos muy variables se pueden colocar discos y picas a la vez, aunque siempre los primeros adelantados 2 3 cm sobre las picas. Los cortadores trabajan en terreno duro, sin intervencin de las picas y, en terreno blando, se embotan y dejan la responsabilidad de la excavacin a las picas. La cabeza, cuando es giratoria o de rueda, dispone de una serie de aberturas, frecuentemente regulables, por las que el escombro arrancado pasa a una cmara en la que una cinta primaria se ocupa de su evacuacin. Como ms adelante se ver, en los escudos cerrados que trabajan con presin en el frente, esta cinta primaria se sustituye por un tornillo sin fin o por un sistema de transporte hidrulico del escombro. En la Fig. 26 se presenta un escudo de rueda abierta, con picas, mostrando las aberturas para el desescombro.

Fig. 26. Vista frontal de la cabeza de un escudo (Cortesa Herrenknecht AG)



3.1.2. Cuerpo de mando y controles Estn alojados, al igual que los motores, en un segundo cuerpo de la coraza. 3.1.3. Cilindros de empuje y erector de dovelas Estn situados en un tercer cuerpo de la coraza, tambin llamado cola del escudo. Los cilindros de empuje estn distribuidos en toda la periferia de la mquina, y estn equipados con zapatas articuladas que permiten un apoyo uniforme sobre las dovelas del revestimiento. Su recorrido marca el ciclo de avance, estando normalmente comprendido entre 1.20 y 1.50 m (ver avance de un escudo en la Fig 28). Cuando ha finalizado cada ciclo de excavacin, se retraen estos cilindros y, al amparo del tramo de coraza que queda libre, se procede a colocar un nuevo anillo de revestimiento. Para ello, las dovelas que han llegado hasta el back-up de la mquina en mesillas especiales, se transfieren mediante dispositivos adecuados hasta el erector, el cual las coloca una a una hasta completar el anillo. Cuando este est totalmente cerrado, se puede iniciar un nuevo ciclo de excavacin, apoyando los cilindros de empuje contra el nuevo anillo colocado. El accionamiento del erector suele ser hidrulico, de velocidad variable, muy sensible y preciso para poder aproximar correctamente cada dovela a su situacin definitiva.

Fig. 27. Vista del interior de un escudo abierto mecanizado (Cortesa Herrenknecht AG)

La coraza del escudo, en la zona en que se coloca el anillo de dovelas, lleva en toda su periferia unos sellos (cepillos de grasa) que en nmero de 2 3 impiden que la inyeccin de mortero que rellena el hueco existente en el trasds de la dovela pase al interior de la mquina. Este hueco, generado como mnimo por el espesor de la coraza del escudo y por las propias juntas de grasa, tiene habitualmente un espesor entre 7 y 9 cm y su inyeccin se puede hacer de forma discontinua, es decir, anillo por anillo cada vez que ste queda liberado de la coraza de la mquina o bien, en los casos de gran responsabilidad en cuanto a asientos del terreno, de forma continua, a medida que la mquina avanza y el anillo va saliendo de la coraza.



Fig. 28. Avance de un escudo mediante los cilindros de empuje situados en la cola del escudo (Cortesa de Herrenknecht AG Espaa)



3.1.4. Back-up Como en el caso de los topos, est constituido por una serie de plataformas que, deslizndose sobre el propio revestimiento de hormign, se mueven arrastradas por la mquina simultneamente a su avance (vase Fig. 27 y 29). El Back-up incorpora los transformadores, casetes de cable, casetes de ventilacin, depsitos para el mortero de inyeccin, etc, y el sistema de evacuacin de escombro normalmente est formado por una cinta puente que aloja en su interior el tren completo.

Fig. 29. Vista general del Back-up del escudo que construir el tnel este de Guadarrama (Madrid) (Cortesa Herrenknecht AG)

En el caso del escudo hay que tener en cuenta que despus de cada ciclo de avance, ineludiblemente viene la colocacin de un anillo de dovelas. El tiempo empleado en ello, normalmente entre 20 y 35 minutos, segn el tipo y el nmero de dovelas, permite el cambio de trenes sin interferencias con el avance y, por tanto, los sistemas de desescombro suelen ser ms sencillos que en el caso de los topos. 3.2. Tipologa actual Se ha visto anteriormente el esquema general de funcionamiento de un escudo, que en lo bsico es idntico para cualquier tipo de mquina.



Una primera y muy importante diferenciacin entre los diferentes tipos de escudos estriba en las caractersticas del frente de trabajo y sobre todo en la estabilidad o inestabilidad del mismo, dudosa en el caso de suelos. La frmula de Peck aplicada a suelos, establece que el factor de estabilidad n, se puede calcular de la siguiente forma:

c

pn

a = 0

donde: = Presin geosttica en el eje del tnel

0

pa = Presin que se ejerce contra el frente c = Cohesin

* OBS: Si n < 5 el frente es estable y si n > 5, inestable. En funcin de este coeficiente se podr hablar de escudos abiertos para frentes estables y de escudos cerrados para aquellos frentes que puedan presentar seales de inestabi-lidad. En la Tabla III se representa la tipologa actual de estas mquinas, partiendo de una divisin general en escudos abiertos y cerrados, indicando adems las caractersticas principales en cada uno de ellos.

Tabla III. Tipologa actual de escudos (Fernndez, 1997)



3.3. Escudos abiertos Se utiliza normalmente cuando el frente del tnel es estable y las afluencias de agua reducidas, bien por trabajarse por encima del nivel fretico o bien por ser terrenos impermeables.

Fig. 30. Vista de un escudo manual de frente abierto con sistema para contencin del frente en terrenos inestables (Geo-Enviroment Laboratory Faculty Of Engineering Nagasaki University)

En este tipo de escudos, el elemento excavador puede ser manual (por ejemplo, a base de martillos picadores), o estar constituido por un brazo excavador, Fig. 31, o un brazo rozador (Fig. 32), y en estos casos es frecuente disponer de algunos elementos, generalmente en forma de paneles de rejillas que, aproximados al frente mediante gatos hidrulicos, pueden colaborar en la estabilidad del mismo una vez realizado cada ciclo de avance (Fig. 33).

Fig. 31. Imagen del frente visto desde el interior de un escudo de frente abierto. La excavacin se realiza a mano con martillo picador (pica pica) y pala para retirar el escombro (imagen de la parte izquierda) y con pala mecanizada que acta como excavadora y como pala de carga (imagen derecha).

Dentro de este grupo, se deben incluir tambin los escudos mecanizados con cabeza giratoria, dotada de picas, rascadores u otros elementos de corte, que en ocasiones



pueden ser cortadores de discos o combinaciones entre distintos tipos, convirtindose la mquina en verdaderos topos escudados (Fig 34).

Fig. 32. Escudos de frente abierto con rozadora y pala excavadora mecanizada (Geo-Enviroment Laboratory Faculty Of Engineering Nagasaki University)

Fig. 33. Escudos de frente abierto con panel de rejilla para ayudar a sostener el frente y pala excavadora

mecanizada (Geo-Enviroment Laboratory Faculty Of Engineering Nagasaki University)



Fig. 34. Imagen de un escudo de tipo abierto con mtodo de excavacin mecanizado (rueda) (Geo-Enviroment Laboratory Faculty Of Engineering Nagasaki University)

En cualquier caso, son mquinas relativamente sencillas, que se adaptan bien a condiciones variables del terreno, siempre que stas no sean extremadamente dificiles. Este grupo de escudo permite la colocacin de revestimientos de muy variada ndole, admitiendo cualquier tipo de dovela, o incluso la puesta en obra de cerchas metlicas con forro de madera o metlico. Lgicamente, y exceptuando los escudos de rueda, es posible trabajar en secciones diferentes de la circular, lo que constituye la nica excepcin a la geometra en este tipo de mquinas. 3.4. Escudos cerrados Estn diseados para trabajar en terrenos difciles, no cohesivos y con frecuencia bajo el nivel fretico y saturados de agua, en frentes claramente inestables.

Fig. 35. Maqueta de un escudo tipo EPB de frente cerrado (Cortesa Herrenknecht AG)



Caractersticas comunes a todos ellos son la obligatoriedad de la excavacin en seccin circular y la necesidad de un revestimiento de dovelas de hormign atornilladas entre s, con garantas de impermeabilidad. Se pueden distinguir entre los siguientes conceptos o tipos de mquinas, que se describen a continuacin. 3.4.1. Escudo mecanizados de rueda con cierre mecnico En estas mquinas, se dispone de unas puertas de abertura controlada hidrulicamente, que en caso necesario se pueden cerrar totalmente, quedando el tnel sellado. Mediante la regulacin de la apertura de estas puertas, se puede controlar la cantidad de material excavado y que penetra en la cmara. Un segundo nivel de control imprescindible para complementar el anterior, consiste en otras puertas situadas justo por detrs de las anteriores, a la salida de la cmara, y cuya apertura se puede preseleccionar para que se realice nicamente cuando se supere una determinada presin del terreno. De esta manera, se puede regular de modo muy preciso el flujo de material procedente de la excavacin, que se puede evacuar mediante una cinta transportadora convencional, Fig. 36.

Fig. 36. Esquema de un escudo de rueda con cmara abierta (Fernndez, 1997) En cualquier caso, la mquina trabajara de forma parecida a un escudo de presin de tierras, aunque lgicamente con limitaciones, sobre todo en presencia de agua.



3.4.2. Escudos presurizados con aire comprimido El aire comprimido se ha utilizado desde hace bastantes aos para presurizar totalmente los tneles construidos bajo freticos no muy importantes (0.1 o 0.2 Mpa), entre la esclusa inicial de entrada y el frente, en cifras ligeramente superiores a la carga agua + terreno. En el frente del tnel se podan utilizar simples escudos de entibacin u otros con rueda abierta, ya que la nica condicin era disponer de un terreno con coeficiente de permeabilidad al aire bajo, constituido en su mayora por arenas finas, arcillas y limos. El sistema, tericamente sencillo, hoy en da est prcticamente abandonado, ya que cualquier prdida de aire, ya sea en el frente del tnel o a travs del propio revestimiento, podra originar una catstrofe. Adems, el cumplimiento de las Normativas vigentes en materia de Salubridad, que regulan las horas de trabajo y de descompresin para el personal que trabaja en estas circunstancias, encareceran notablemente el proceso, al multiplicar al menos por dos los turnos de trabajo, y lo haran prcticamente inviable con cargas de agua superiores a 0,3 MPa, como requieren algunos proyectos modernos. La tendencia actual, como consecuencia de lo anterior, se encamina a limitar la puesta en presin a la cmara frontal del escudo, de forma que el personal siempre puede trabajar en condiciones de presin atmosfrica. De igual forma, queda mitigado, aunque no totalmente resuelto, el problema del riesgo de rotura del terreno provocado por las posibles prdidas sbitas de aire. En este caso, la extraccin del escombro se realiza hasta la presin atmosfrica por medio de un tornillo sinfn, que en ocasiones puede descargar en una vlvula esfrica rotativa. La manejabilidad del producto, para su evacuacin final hasta el vertedero por procedimientos convencionales, se consigue cuando inicialmente existen dificultades, con la adicin de espumas o polmeros en cantidad adecuada para formar una especie de gel viscoso que resulte manejable. En realidad, en la prctica, la presurizacin de la cmara frontal del escudo con aire comprimido ha quedado reducida a situaciones de emergencia en escudos de bentonita o de presin de tierras (EPB), para, mediante una esclusa incorporada en la cabeza de la mquina, poder pasar al frente a cambiar picas, realizar reparaciones o solucionar alguna situacin inesperada. 3.4.3. Hidroescudos o escudos de bentonita (Slurry Shield) Los hidroescudos o escudos de bentonita utilizan la propiedad tixotrpica de los lodos bentonticos para conseguir la estabilizacin del frente del tnel.



Son mquinas adecuadas para trabajar en terrenos difciles, constituidos principalmente por arenas y gravas u otros materiales blandos y fracturados bajo presin de agua, en los que la inyeccin de lodos, adems de contribuir a la estabilidad del terreno, ayuda al transporte mediante bombeo de los productos de excavacin, Fig. 37. Su campo de aplicacin ptimo se relaciona con granulometras comprendidas entre 0.1 y 60 mm, que conjuguen una eficaz recuperacin de la bentonita con la facilidad del transporte hidrulico.

Fig. 37. Esquema de un escudo de bentonita (frente presurizado) (Fernndez, 1997)



En efecto, la separacin de la bentonita, Fig. 38, perfectamente conseguida en las modernas plantas de tratamiento, se encarece muchsimo cuando los materiales finos, que pasan por el tamiz 200 (0.074 mm) superan cifras en el entorno del 20%. Con el 30%, aunque se trate nicamente de arenas finas, la solucin es en general econmicamente inaceptable. Si, adems, hay partes apreciables de limos o arcillas, la separacin es tcnicamente imposible, tenindose que recurrir a perder bentonita con las consecuencias econmicas y de contaminacin que invalidan totalmente el sistema.

Fig. 38. Esquema de una planta de separacin de bentonita Por otra parte, un exceso de tamaos superiores a los citados, as como la presencia en el terreno de bolos puede encarecer notablemente el transporte, aunque el problema tcnicamente se soluciona incorporando una trituradora a la cabeza de la mquina. 3.4.4. Escudos de frente en presin de tierras En este tipo de escudos, llamados E.P.B. (Earth Pressure Balance) se abarcan prcticamente la totalidad de los terrenos que pueden presentar inestabilidades. La idea de estas mquinas, cuyo esquema puede verse en la Fig. 39, viene en parte de los hidroescudos y en parte de los escudos de rueda presurizados con aire comprimido.



Fig. 39. Esquema de un escudo tipo E.P.B. (Fernndez, 1997) Del primero toma el principio del sostenimiento del frente mediante un equilibrio de la presin del terreno ms el agua con la presin que se mantiene en la cmara de la cabeza del escudo, y del segundo el principio de evacuar el escombro en un estado prximo al slido mediante un tornillo sinfn en la fase de paso a la presin atmosfrica y por medios convencionales (cintas, vagones, etc) en la fase final (ver Fig. 40).

Fig. 40. Esquema de presiones ejercidas por el escudo sobre el frente (Cortesa Herrenknecht AG)

En efecto, el escombro desplazado por el cabezal de corte pasa a una cmara situada tras l, y se va comprimiendo a medida que sta se va llenando. Un transportador de tornillo procede a desalojar el material excavado, siempre de forma controlada para mantener la presin en la cmara que previamente se ha prefijado.



En la mayora de los terrenos en los que se utilizan estos tipos de mquinas, y sobre todo en aquellos arenosos o con gravas que presentan una plasticidad muy baja o nula, es necesario disponer de una mezcla plstica y viscosa que satisfaga ciertos requerimientos de impermeabilidad y transmisin controlada de la presin en toda la seccin del tnel, a la vez que los productos excavados puedan ser manejados a travs del tornillo de desescombro.

Fig. 41. Vista general de un escudo tipo E.P.B. (Cortesa Herrenknecht AG) Esto se consigue mediante la inyeccin en la cabeza de la mquina, a travs de unas aberturas especiales, de una serie de productos que, en forma de polmeros o espumas, se mezclan con el terreno y el agua que contiene mejorando la plasticidad del terreno que se introduce en la cmara de la cabeza, colaborando eficazmente en la estabilidad del frente. Adicionalmente, estos aditivos, en caso necesario, pueden igualmente inyectarse en la cmara del escudo e incluso en el tornillo sinfn. Para controlar el sistema de equilibrio por presin de tierras es necesario el control del volumen de escombro desalojado en el tornillo estableciendo un equilibrio con el excavado, lo que se consigue controlando y manteniendo constante la velocidad del tornillo sinfn en relacin con la presin de tierras dentro de la cmara. La presin de tierras se establece inicialmente en funcin del tipo de terreno y de la carga de agua correspondiente y se va ajustando de forma constante en funcin de mediciones continuas de subsidencias antes y despus de la excavacin. La mquina dispone de detectores de presin en la cabeza, cmara y tornillo cuyas lecturas recogidas y procesadas en un ordenador permiten el control de la estabilidad del frente.



Hoy en da, el sistema depresin balanceada de tierras se corresponde con la tecnologa predominante en todo el mundo para la excavacin de tneles en suelos bajo nivel fretico. 3.4. Guiado El sistema de guiado de un escudo se compone de una diana para analizar la posicin en la misma de un rayo lser, complementado con un distancimetro y un inclinmetro que permita fijar la posicin y el giro de la mquina. Estas seales se procesan con ordenador para determinar la posicin y tendencia de la mquina, basando su comparacin a travs de un programa con la posicin real y la terica prevista en cada anillo del revestimiento. Este programa da las desviaciones en una pantalla con nmeros gua, de forma tal que permiten al operador corregir la alineacin, posibilitndole el clculo del nuevo trazado que debe realizar para regresar a la alineacin primitiva. La correccin de las desviaciones, as como el trazado de las alineaciones curvas previstas, se consigue variando el flujo de aceite en los cilindros de empuje. 3.5. Limitaciones de utilizacin De la misma manera que en los topos, las principales limitaciones en la mayora de los casos se centran en la geometra del tnel, seccin circular, longitud mnima del tnel y pendiente adecuada al transporte sobre va. Los radios de curvatura mnimos se encuentran entorno a los 200 m. 3.6. Rendimientos Como en el caso de los topos, los rendimientos suelen ser muy elevados, aunque sean muy variables en funcin del tipo de dovela a colocar y del tipo de escudo a que se refiera (abierto, EPB, etc). Puesto que la colocacin del revestimiento de dovelas es ineludible, el coeficiente de utilizacin de estas mquinas contempla en su conjunto la excavacin y el revestimiento y, por tanto, con frecuencia es superior al 75%.



4. DOBLES ESCUDOS 4.1. Descripcin de la mquina Es una mquina concebida basndose en un escudo telescpico articulado en dos piezas, que adems de proporcionar un sostenimiento continuo del terreno durante el avance del tnel, de forma similar a como trabaja un escudo, permite en aquellos casos en que el terreno puede resistir la presin de unos grippers, simultanear las fases de excavacin y sostenimiento, con lo que se puede conseguir rendimientos muy elevados. Son mquinas que pueden trabajar en terrenos de muy diferente naturaleza y que presentan caractersticas conjuntas de los topos y los escudos. Sus componentes principales son los siguientes: cabeza de corte, el escudo delantero, el escudo trasero y el sistema principal de empuje. 4.1.1. Cabeza de corte Su diseo viene impuesto por las condiciones geolgicas de los terrenos que se pretende excavar, siendo ms o menos cerrada en funcin de la calidad del mismo. La Fig. 15 muestra una vista general de una mquina de estas caractersticas. Normalmente son cabezas mixtas que incorporan cortadores de disco y picas simultneamente. Los cortadores de glibo, si es necesario, pueden aumentar el dimetro de la excavacin en el entorno de los 10 cm, lo que es muy til en el caso de terrenos expansivos, mxime teniendo en cuenta que al ser mquinas con doble escudo, su longitud es elevada en comparacin con las mquinas convencionales (ver Fig. 16). La cabeza est igualmente equipada con los cangilones que aseguran el transporte del material excavado hasta las cintas de extraccin. El accionamiento de la cabeza puede ser electrohidrulico con velocidad variable y reversible o bien elctrico, pero con regulacin de velocidad por variacin de la frecuencia. La reversibilidad de la cabeza a velocidades bajas ayuda a liberarla en terrenos heterogneos o con bolos, aunque lgicamente la extraccin de escombro slo puede realizarse en una nica direccin. 4.1.2. Escudo delantero Adems de servir como estructura soporte de la cabeza de corte, contiene el rodamiento principal, la corona de accionamiento y los sellos interno y externo.



En cada uno de los dos cuadrantes superiores incorpora las zapatas estabilizadoras que aseguran la mquina durante el ciclo de perforacin e incrementan la fuerza de anclaje durante la maniobra de avanzar los grippers principales. 4.1.3. Escudo trasero Tambin llamado escudo de anclaje, es el que incorpora las zapatas de los grippers operables a travs de ventanas. Su extremo delantero se proyecta hacia delante dentro de una carcasa sujeta al escudo delantero, permitiendo una accin telescpica que proporcionan un sostenimiento continuo del terreno. La parte posterior de este escudo incorpora en su interior al erector de dovelas y a los cilindros auxiliares de empuje, similares a los de un escudo normal. 4.1.4. Sistema principal de empuje Est constituido por una serie de cilindros dispuestos alrededor de la zona telescpica y anclados entre la parte trasera del escudo delantero y a la parte delantera del escudo de anclaje. Esta disposicin proporciona el empuje durante la perforacin , as como el control en la direccin de la mquina. La compensacin del par en este tipo de mquinas se puede conseguir bien disponiendo los citados cilindros en forma de celosa de modo que cada pareja proporciona una componente contraria a la fuerza rotacional o bien mediante dos cilindros adicionales que, anclados entre los escudos delantero y trasero, pueden generar un par de torsin. 4.2. Modo de operacin En terrenos que permiten a la mquina fijarse con la ayuda de los grippers (sistema topo), la mquina avanza mediante el empuje de los cilindros principales. En este caso, la mquina puede avanzar incluso prescindiendo del revestimiento de dovelas, ya que el avance de la misma se consigue reaccionando sobre las zapatas de los grippers. Sin embargo, si se monta el revestimiento prefabricado, su colocacin se puede simultanear con la fase de excavacin y el cambio de anclaje se hace mediante la retraccin de los cilindros auxiliares. En el caso de terrenos inconsistentes, incapaces de absorber la reaccin al empuje con los grippers, el avance se realiza mediante el empuje de los cilindros auxiliares que reaccionan contra el obligado revestimiento prefabricado del tnel (sistema Escudo).



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