Perforadora de túneles

Una tuneladora ( TBM ), también conocida como "topo", es una máquina que se utiliza para excavar túneles con una sección transversal circular a través de una variedad de estratos de suelo y roca . También se pueden utilizar para microtúneles . Pueden diseñarse para perforar cualquier cosa, desde roca dura hasta arena . Los diámetros de los túneles pueden variar desde un metro (3,3 pies) (realizado con micro-TBM) hasta 17,6 metros (58 pies) hasta la fecha. Los túneles de menos de un metro de diámetro generalmente se realizan utilizando métodos de construcción sin zanjas o perforación direccional horizontal.en lugar de tuneladoras. Las tuneladoras también pueden diseñarse para excavar túneles no circulares, incluidos túneles en forma de U o de herradura y túneles cuadrados o rectangulares. ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6]}

Una tuneladora utilizada para excavar el túnel de base del San Gotardo , el túnel ferroviario más largo del mundo

Una tuneladora que se utilizó en el depósito de desechos nucleares de Yucca Mountain

Las perforadoras de túneles se utilizan como una alternativa a los métodos de perforación y voladura (D&B) en roca y la "minería manual" convencional en el suelo. Las tuneladoras tienen la ventaja de limitar la perturbación al suelo circundante y producir una pared de túnel suave. Esto reduce significativamente el costo de revestimiento del túnel y los hace adecuados para su uso en áreas densamente urbanizadas. La principal desventaja es el costo inicial. Las tuneladoras son caras de construir y pueden resultar difíciles de transportar. Cuanto más largo sea el túnel, menor será el costo relativo de las tuneladoras en comparación con los métodos de perforación y voladura. Esto se debe a que la construcción de túneles con tuneladoras es mucho más eficiente y reduce los tiempos de finalización, suponiendo que funcionen correctamente. Sin embargo, la perforación y voladura sigue siendo el método preferido cuando se trabaja a través de capas de roca muy fracturadas y cortadas.

Historia

Escudo de corte utilizado para el nuevo túnel del Elba

Vista superior de un modelo de la tuneladora utilizada en el túnel base del San Gotardo

Mirando hacia el escudo de corte en los gatos hidráulicos

El primer escudo de túneles exitoso fue desarrollado por Sir Marc Isambard Brunel para excavar el Túnel del Támesis en 1825. Sin embargo, esto fue solo la invención del concepto de escudo y no implicó la construcción de una tuneladora completa, la excavación aún debe ser logrado por los métodos de excavación estándar en ese momento. ^[7]

La primera máquina perforadora que se informó que se construyó fue la cortadora de montaña de Henri-Joseph Maus . ^{[8] [9] [10] [11] [12]} Encargado por el rey de Cerdeña en 1845 para excavar el túnel ferroviario de Fréjus entre Francia e Italia a través de los Alpes , Maus lo hizo construir en 1846 en una fábrica de armas cerca de Turín . Consistía en más de 100 taladros de percusión montados en la parte delantera de una máquina del tamaño de una locomotora, accionada mecánicamente desde la entrada del túnel. Las revoluciones de 1848 afectaron la financiación, y el túnel no se completó hasta 10 años después, utilizando métodos menos innovadores y menos costosos como los taladros neumáticos . ^[13]

En los Estados Unidos, la primera máquina perforadora que se construyó se utilizó en 1853 durante la construcción del Túnel Hoosac en el noroeste de Massachusetts. ^[14] Hecho de hierro fundido, se conocía como la máquina cortadora de piedra patentada de Wilson , en honor al inventor Charles Wilson. ^[15] Perforó 10 pies en la roca antes de romperse. (El túnel finalmente se completó más de 20 años después, y al igual que con el túnel ferroviario Fréjus, utilizando métodos menos ambiciosos. ^[16] ) La máquina de Wilson anticipó las tuneladoras modernas en el sentido de que empleaba discos de corte, como los de una grada de discos. , que se adjuntan al cabezal giratorio de la máquina. ^{[17] [18] [19]} En contraste con el cincelado tradicional o la perforación y voladura, este método innovador de remoción de rocas se basaba en simples ruedas de metal para aplicar una alta presión transitoria que fracturaba la roca.

También en 1853, el estadounidense Ebenezer Talbot también patentó una tuneladora que empleaba discos de corte de Wilson, aunque estaban montados sobre brazos giratorios, que a su vez estaban montados sobre una placa giratoria. ^[20] En la década de 1870, John D. Brunton de Inglaterra construyó una máquina que empleaba discos de corte que estaban montados excéntricamente sobre placas giratorias, que a su vez estaban montadas excéntricamente sobre una placa giratoria, de modo que los discos de corte se desplazaran sobre casi todos los cara de roca que se iba a quitar. ^{[21] [22]}

La primera tuneladora que hizo un túnel a una distancia considerable fue inventada en 1863 y mejorada en 1875 por el oficial del ejército británico, el mayor Frederick Edward Blackett Beaumont (1833-1895); La máquina de Beaumont fue mejorada aún más en 1880 por el oficial del ejército británico, el comandante Thomas English (1843-1935). ^{[23] [24] [25] [26] [27]} En 1875, la Asamblea Nacional Francesa aprobó la construcción de un túnel bajo el Canal de la Mancha y el Parlamento Británico permitió que se hiciera una prueba; La tuneladora de Major English fue elegida para el proyecto. El cabezal de corte de la TBM de English consistía en una broca cónica detrás de la cual había un par de brazos opuestos en los que se montaban discos de corte. Desde junio de 1882 hasta marzo de 1883, la máquina hizo un túnel, a través de tiza, un total de 6,036 pies (1,84 km). ^[12] Un ingeniero francés, Alexandre Lavalley , que también era un contratista del Canal de Suez , utilizó una máquina similar para perforar 1.669 m (5.476 pies) desde Sangatte en el lado francés. ^[28] Sin embargo, a pesar de este éxito, el proyecto del túnel a través del Canal de la Mancha fue abandonado en 1883 después de que el ejército británico planteara temores de que el túnel pudiera usarse como ruta de invasión. ^{[12] [29]} Sin embargo, en 1883, esta tuneladora se utilizó para perforar un túnel de ventilación ferroviario, de 2,1 m de diámetro y 2 km de largo, entre Birkenhead y Liverpool , Inglaterra, a través de arenisca bajo el Río Mersey . ^[30]

Durante finales del siglo XIX y principios del XX, los inventores continuaron diseñando, construyendo y probando tuneladoras en respuesta a la necesidad de túneles para ferrocarriles, subterráneos, alcantarillas, suministros de agua, etc. Se patentaron tuneladoras que empleaban conjuntos rotativos de taladros o martillos. ^[31] Se propusieron tuneladoras que se parecían a sierras de corona gigantes . ^[32] Otras tuneladoras consistían en un tambor giratorio con dientes metálicos en su superficie exterior, ^[33] o una placa circular giratoria cubierta con dientes, ^[34] o correas giratorias cubiertas con dientes metálicos. ^[35] Sin embargo, todas estas tuneladoras resultaron caras, engorrosas e incapaces de excavar roca dura; por tanto, el interés en las tuneladoras declinó. Sin embargo, el desarrollo de tuneladoras continuó en las minas de carbón y potasa, donde la roca era más blanda. ^[36]

The Robbins Company fabricó una tuneladora con un diámetro interior de 14,4 m (47 pies 3 pulgadas) para el proyecto del túnel Niagara de Canadá . La máquina se utilizó para perforar un túnel hidroeléctrico debajo de las Cataratas del Niágara . La máquina recibió el nombre de "Big Becky" en referencia a las represas hidroeléctricas Sir Adam Beck en las que está excavando un túnel para proporcionar un túnel hidroeléctrico adicional.

En 2013, Hitachi Zosen Corporation fabricó una tuneladora de equilibrio de presión de tierra conocida como Bertha con un diámetro interior de 17,45 metros (57 pies 3 pulgadas). ^[37] Se entregó a Seattle , Washington , para su proyecto de túnel Highway 99 . ^[38] La máquina comenzó a funcionar en julio de 2013, pero se detuvo en diciembre de 2013 y requirió reparaciones sustanciales que detuvieron la máquina hasta enero de 2016. ^[39] Bertha completó la perforación del túnel el 4 de abril de 2017. ^[40]

La capital de Malasia, Kuala Lumpur, está aumentando constantemente su red subterránea de tránsito rápido masivo. Dos máquinas perforadoras de túneles suministradas por CREG han excavado dos túneles con un diámetro de perforación de 6,67 m en lutitas arenosas saturadas de agua, lutitas esquistosas, lutitas altamente erosionadas y aluviones con una tasa de avance máxima de más de 345 m / mes. ^[41]

La tuneladora de roca dura más grande del mundo , conocida como Martina , (diámetro de excavación de 15,62 m (51 pies 3 pulgadas), longitud total 130 m (430 pies); área de excavación de 192 m ² (2070 pies cuadrados), valor de empuje 39,485 t, peso total 4.500 toneladas, capacidad instalada total 18 MW; consumo de energía anual alrededor de 62 millones de kWh) fue construido por Herrenknecht AG . Es propiedad y está operado por la empresa de construcción italiana Toto SpA Costruzioni Generali (Grupo Toto) para la galería Sparvo de la autopista italiana Pass A1 ("Variante di Valico A1"), cerca de Florencia. La misma empresa construyó la tuneladora para pulpa de mayor diámetro del mundo, con un diámetro de excavación de 17,6 metros (57 pies 9 pulgadas), propiedad de la empresa de construcción francesa Dragages Hong Kong (subsidiaria de Bouygues) y operada por ella para el enlace Tuen Mun Chek Lap Kok en Hong Kong. .

Descripción

Las tuneladoras modernas suelen constar de una rueda de corte giratoria, denominada cabezal cortador, seguida de un cojinete principal, un sistema de empuje y mecanismos de soporte de arrastre. El tipo de máquina utilizada depende de la geología particular del proyecto, la cantidad de agua subterránea presente y otros factores.

Tuneladoras para roca dura

Las estructuras de soporte en la parte trasera de una tuneladora. Esta máquina se utilizó para excavar el túnel principal del depósito de desechos nucleares de Yucca Mountain en Nevada.

Gatos hidráulicos que sostienen una tuneladora en su lugar

En roca dura, se pueden utilizar tuneladoras blindadas o de tipo abierto. Las tuneladoras para roca dura excavan la roca con cortadores de disco montados en el cabezal cortador. Los cortadores de disco crean fracturas por esfuerzo de compresión en la roca, lo que hace que se desprenda de la cara del túnel. La roca excavada (estiércol) se transfiere a través de las aberturas del cabezal de corte a una cinta transportadora, donde pasa a través de la máquina hasta un sistema de cintas transportadoras o carros de estiércol para su extracción del túnel.

Las tuneladoras de tipo abierto no tienen protección, lo que deja el área detrás del cabezal de corte abierta para soporte de rocas. Para avanzar, la máquina utiliza un sistema de pinzas que empuja contra las paredes del túnel. No todas las máquinas se pueden dirigir de forma continua mientras las zapatas empujan las paredes, como ocurre con una máquina Wirth, que sólo se dirige sin agarrar. Luego, la máquina empujará hacia adelante fuera de las pinzas ganando empuje. Al final de una carrera, las patas traseras de la máquina se bajan, las pinzas y los cilindros de propulsión se retraen. La retracción de los cilindros de propulsión reposiciona el conjunto de pinzas para el siguiente ciclo de mandrinado. Las pinzas se extienden, las patas traseras se levantan y se reanuda el aburrimiento. La tuneladora de tipo abierto o de viga principal no instala segmentos de hormigón detrás con otras máquinas. En cambio, la roca se sostiene utilizando métodos de soporte del suelo como vigas anulares, pernos para roca, hormigón proyectado , correas de acero, acero anular y malla de alambre. ^[42]

En roca fracturada, se pueden utilizar tuneladoras de roca dura blindadas, que erigen segmentos de hormigón para soportar las paredes inestables del túnel detrás de la máquina. Las tuneladoras de doble escudo tienen dos modos; en suelo estable se agarran a las paredes del túnel para avanzar. En terreno inestable y fracturado, el empuje se desplaza a cilindros de empuje que empujan contra los segmentos del túnel detrás de la máquina. Esto evita que las fuerzas de empuje impacten en las frágiles paredes del túnel. Las tuneladoras de escudo único funcionan de la misma manera, pero solo se utilizan en terrenos fracturados, ya que solo pueden empujar contra los segmentos de hormigón. ^[42]

Tuneladoras para terreno blando

Tuneladora en el emplazamiento del túnel de Weinberg Altstetten-Zürich-Oerlikon cerca de la estación de tren de Zürich Oerlikon

Instalación urbana para alcantarillado de 84 pulgadas en Chicago, IL, EE. UU.

En terrenos blandos, hay tres tipos principales de tuneladoras: máquinas de equilibrio de presión de tierra (EPB), protección de lodos (SS) y tipo de cara abierta. Ambos tipos de máquinas cerradas operan como tuneladoras de escudo simple, utilizando cilindros de empuje para avanzar empujando contra segmentos de concreto. Las máquinas de equilibrio de la presión de la tierra se utilizan en terrenos blandos con menos de 7 bar de presión. El cabezal de corte no usa solo cortadores de disco, sino una combinación de brocas de carburo de tungsteno , cortadores de disco de carburo, picos de arrastre y / o cortadores de disco de roca dura. El EPB recibe su nombre porque utiliza el material excavado para equilibrar la presión en el frente del túnel. La presión se mantiene en el cabezal de corte controlando la tasa de extracción de escombros a través del tornillo de Arquímedes y la tasa de avance. Se pueden inyectar aditivos como bentonita , polímeros y espuma por delante del frente para aumentar la estabilidad del suelo. También se pueden inyectar aditivos en el cabezal de corte / tornillo de extracción para garantizar que los desechos permanezcan lo suficientemente cohesivos para formar un tapón en el tornillo de Arquímedes para mantener la presión en el cabezal de corte y restringir el flujo de agua.

En terrenos blandos con una presión de agua muy alta o donde las condiciones del suelo son granulares (arenas y gravas) tanto que no se podría formar un tapón en el tornillo de Arquímedes, se necesitan tuneladoras Slurry Shield. El cabezal de corte se llena con lechada presurizada que aplica presión hidrostática a la cara de excavación. La lechada también actúa como medio de transporte al mezclarse con el material excavado antes de ser bombeada fuera del cabezal de corte de regreso a una planta de separación de lechada, generalmente fuera del túnel. Las plantas de separación de lechada son sistemas de filtración de múltiples etapas, que eliminan las partículas de desperdicio de la lechada para que pueda reutilizarse en el proceso de construcción. El límite al que se puede "limpiar" la lechada depende del tamaño de partícula del material excavado. Por esta razón, las tuneladoras de lechada no son adecuadas para limos y arcillas, ya que los tamaños de partícula de los desperdicios son menores que los de la arcilla bentonita a partir de la cual se fabrica la lechada. En este caso, la lechada se separa en agua, que se puede reciclar y se extrae del agua una torta de arcilla, que puede estar contaminada.

Las tuneladoras de cara abierta en suelo blando se basan en el hecho de que la cara del suelo que se está excavando se mantendrá de pie sin apoyo durante un corto período de tiempo. Esto los hace adecuados para su uso en tipos de rocas con una resistencia de hasta 10 MPa aproximadamente y con bajas entradas de agua. De esta manera se pueden excavar caras de más de 10 metros. La cara se excava utilizando un brazo de retroceso o un cabezal cortador hasta 150 mm del borde del escudo. El escudo se levanta hacia adelante y los cortadores en la parte frontal del escudo cortan el suelo restante con la misma forma circular. El soporte del suelo se proporciona mediante el uso de hormigón prefabricado, u ocasionalmente SGI (Hierro de grafito esferoidal), segmentos que se atornillan o apoyan hasta que se haya erigido un anillo completo de soporte. Un segmento final, llamado llave, tiene forma de cuña y expande el anillo hasta que está apretado contra el corte circular del suelo dejado por los cortadores en el escudo de la tuneladora. Existen muchas variaciones de este tipo de tuneladora.

Si bien el uso de tuneladoras alivia la necesidad de un gran número de trabajadores a altas presiones, a veces se forma un sistema de cajón en el cabezal de corte para las tuneladoras con protección de lechada. ^{[43] [44] Los} trabajadores que ingresan a este espacio para la inspección, el mantenimiento y la reparación deben ser autorizados médicamente como "aptos para bucear" y capacitados en el funcionamiento de las esclusas. ^{[43] [44]}

Herrenknecht AG diseñó una tuneladora de terreno blando de 19,25 m (63 pies 2 pulgadas) para el túnel de Orlovski , un proyecto en San Petersburgo , pero nunca se construyó. ^[45]

Método de escudo de micro-túnel

El método de protección de micro túneles es una técnica de excavación que se utiliza para construir pequeños túneles y reducir el tamaño de la protección general de túneles . La máquina perforadora de micro túneles es bastante similar al escudo de túneles general, pero en una escala más pequeña. Estas máquinas perforadoras de túneles generalmente varían de 1 a 1,5 m (3,3 a 4,9 pies), demasiado pequeñas para que los operadores puedan caminar.

Sistemas de respaldo

Detrás de todos los tipos de tuneladoras, dentro de la parte terminada del túnel, hay plataformas de apoyo arrastradas conocidas como sistema de respaldo. Los mecanismos de soporte ubicados en el respaldo pueden incluir: cintas transportadoras u otros sistemas para remoción de estiércol, conductos de purines en su caso, salas de control, sistemas eléctricos, remoción de polvo, ventilación y mecanismos para el transporte de segmentos prefabricados.

Túneles urbanos y túneles cercanos a la superficie

La construcción de túneles urbanos tiene el requisito especial de que la superficie del suelo no esté alterada. Esto significa que debe evitarse el hundimiento del suelo . El método normal de hacer esto en terreno blando es mantener la presión del suelo durante y después de la construcción del túnel. Existe cierta dificultad para hacer esto, particularmente en estratos variados (por ejemplo, perforar una región donde la parte superior del frente del túnel es arena húmeda y la parte inferior es roca dura). ^{[ cita requerida ]}

En tales situaciones se utilizan tuneladoras con control facial positivo , como EPB y SS. Ambos tipos (EPB y SS) son capaces de reducir el riesgo de hundimiento de la superficie y huecos si se operan correctamente y si las condiciones del terreno están bien documentadas. Al realizar túneles en entornos urbanos, es necesario abordar otros túneles, las líneas de servicios públicos existentes y los cimientos profundos en las primeras etapas de planificación. El proyecto debe incluir medidas para mitigar cualquier efecto perjudicial a otra infraestructura. ^{[ cita requerida ]}

Ver también

• Aburrido
• Túnel del Canal
• Nuevo método de construcción de túneles austriaco
• Roadheader
• Subterreno
• Túnel
• Escudo de tunelización
• Tecnología sin zanjas

Notas

1. https://www.tunnel-online.info/en/artikel/tunnel_U-shape_First_Shield_Machine_for_horseshoe-shaped_Cross_Sections_2643821.html
2. http://www.creg-germany.com/products_tunnel-boring-machines_special-application-tbm.php
3. http://global.kawasaki.com/en/industrial_equipment/construction/civil/special.html
4. https://www.straitstimes.com/singapore/transport/new-tunnel-boring-machine-makes-cutting-corners-perfectly-sound
5. https://home.komatsu/en/products/construction-machine/um.html
6. http://global.kawasaki.com/en/industrial_equipment/industries/Tunnel_Boring_Machines_E.pdf
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26. FEB Beaumont, Patente de Reino Unido no. 4.166 (publicada el 2 de diciembre de 1875). (Véase: Patentes de invención. Resúmenes de especificaciones. Clase 85, Minería, canteras, túneles y pozos (Londres, Inglaterra: Oficina de Patentes, 1904), pág. 169. )
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    • En los EE. UU., McKinlay Entry Driver, una tuneladora montada sobre orugas o "minero continuo", se inventó en 1918 para su uso en minas de carbón. Su cabeza aburrida consistía en púas de metal en dos brazos giratorios uno al lado del otro. Ver: Thomas W. Garges (13 de noviembre de 2003) Conferencia de William N. Poundstone: "Evolución de la tecnología minera subterránea", p. 8. Disponible en línea en: Benjamin M. Statler College of Engineering and Mineral Resources, West Virginia University
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Referencias

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Otras lecturas

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• Bilger, Burkhard (15 de septiembre de 2008). "The Long Dig: Pasando por los Alpes suizos por las malas". The New Yorker .
• Foley, Amanda (mayo de 2009). "Vida a la vanguardia: Dick Robbins". Túneles y tunelización internacional .

enlaces externos

• 2.M-30 EPB Tunnel Boring Machine - la más grande construida en el mundo
• Vídeo sobre cómo funciona una tuneladora
• Animación Herrenknecht TBM