Perforadora de túneles

Una tuneladora es una máquina que permite excavar el túnel en el suelo y en varias rocas que van desde la arena hasta el granito . El diámetro de los túneles circulares perforados se encuentra actualmente entre uno y 17,6 metros. Para agujeros con un diámetro de menos de 1,5 o 2 metros, estas máquinas se denominan microtunneladores.

La tuneladora se utiliza como alternativa a la excavación por corte manual, mecánico o explosivo. Tiene la ventaja de limitar las perturbaciones en la roca circundante y producir una pared de túnel suave. Estos factores lo hacen particularmente adecuado para áreas altamente urbanizadas y reducen significativamente los costos de revestimiento de paredes. La principal desventaja de la tuneladora es su alto costo inicial de construcción y transporte. Sin embargo, se vuelve competitivo para túneles largos (más de 1,5  km ) porque excava más rápido que la tala convencional.

Historia

Las tuneladoras aparecieron en XIX °  siglo con la revolución industrial . El primer escudo de túneles fue patentado en 1818 y luego utilizado en 1825 por Marc Isambart Brunel para la construcción del túnel bajo el Támesis . Sin embargo, no era una tuneladora en el sentido contemporáneo del término porque la tala de rocas seguía siendo manual.

La primera tuneladora construida fue la Mountain Slicer , encargada por el rey de Cerdeña en 1845 para perforar el túnel ferroviario de Fréjus entre Francia e Italia . Montado al año siguiente, la creación del ingeniero belga Henri Maus consistió en un centenar de perforadores neumáticos montados delante de una locomotora. Durante dos años la máquina fue probada con éxito pero las revoluciones de 1848 afectaron la financiación y el túnel no se completó hasta diez años después y mediante técnicas menos costosas.

En 1853 en los Estados Unidos , la primera máquina perforadora de túneles de roca dura, llamada Máquina cortadora de piedra patentada de Wilson, que lleva el nombre de su inventor Charles Wilson, fue probada durante la construcción del túnel Hoosac . La máquina de Wilson presagió las modernas máquinas de perforación de túneles, ya que utilizaba ruedas de corte unidas a un cabezal giratorio. Sin embargo, esta máquina de vapor resultó ser demasiado débil para continuar su tarea después de solo 3 metros en el granito . Tras este fracaso, pasará un siglo antes de que las tuneladoras vuelvan a abordar la roca dura.

La primera tuneladora verdaderamente operativa fue inventada en 1875 por Frederick Beaumont y luego mejorada en 1880 por Thomas English. EntreJunio ​​1882 y Marzo 1883, dos "máquinas Beaumont-English" perforaron túneles piloto de 1,8 kilómetros cada uno en la tiza a ambos lados del Canal de la Mancha antes de que el proyecto de un túnel entre Francia e Inglaterra fuera abandonado por razones militares. La tuneladora se reutilizará para excavar un túnel de ventilación de 2  km entre Birkenhead y Liverpool . Como resultado de estos éxitos, la tecnología continuó desarrollándose en los años siguientes, pero a medida que las tuneladoras demostraron ser caras e incapaces de excavar roca dura, el interés disminuyó. Es en las minas de carbón y potasa , o la roca es más suave, que la tecnología va a sobrevivir hasta mediados del XX °  siglo .

En 1952, el ingeniero James Robbins recibió el encargo de adaptar los métodos utilizados por la industria minera para construir un túnel de desvío para la presa de Oahe en Dakota del Sur . Para ello, diseñó la primera tuneladora moderna, una máquina de 125 toneladas equipada con una gran rueda de corte (7,8 metros) rematada con rodillos y dientes capaz de excavar 48 metros de lutita por día. Tres años más tarde, fundó la empresa que lleva su nombre y ensambló la primera tuneladora de roca dura, utilizando solo moletas, para cavar un túnel de alcantarillado en Toronto . La empresa Robbins inventó entonces la primera tuneladora con frente presurizado (por aire comprimido) que permitió la perforación de la línea A del RER de París en 1964. Ese mismo año, el ingeniero inglés John Bartlett patentó la primera tuneladora con un frontal presurizado por presión de lodo, que fue probado con éxito en 1971. En 1972, se desarrolló la primera tuneladora de doble faldón en colaboración con Robbins Jr. y se utilizó para construir un túnel en la planta de Orichella en Italia, en granito fracturado. Este tipo de tuneladora demostrará toda su eficacia con la excavación del Túnel del Canal de la Mancha a finales de los años ochenta .

Desde la década de 1990 , el progreso técnico ha permitido tres grandes innovaciones:

Marcha

Una tuneladora realiza varias funciones:

Para realizar estas diferentes funciones, la tuneladora está equipada con equipos especializados:

El cabezal cosechador

El cabezal de la cosechadora es el extremo delantero de la tuneladora. La mayoría de las veces, es una rueda de corte giratoria que, presionada contra la cara de trabajo, asegura la remoción de la roca por medio de herramientas que se le adjuntan. Para rocas duras, estas herramientas son moletas que, al girar, excavan surcos debilitando la roca hasta que se rompe. Para las rocas blandas, son los dientes y los cuchillos los que raspan la cara del tamaño.

Las máquinas de perforación de túneles más pequeñas pueden emplear un brazo de excavadora, que es menos costoso que una rueda de corte. Las tuneladoras utilizadas para desmontar el soporte de los túneles existentes también están equipadas con un brazo de demolición articulado.

El escudo

Cuando la roca en la que se excava el túnel es impermeable y resistente ( basalto , granito , gneis ), es la única que da soporte a los muros. El cabezal de la tuneladora no necesita protección. En ocasiones, su parte superior todavía está protegida de deslizamientos de tierra por una tapa y se coloca un soporte primario para el muro (atornillado, doblado o hormigón proyectado ).

Cuando una tuneladora excava roca impermeable pero blanda o fracturada, se deben colocar anillos de segmento para sostener las paredes del túnel. Además, entre la rueda de corte y el sistema de montaje de estos segmentos, el cuerpo de la tuneladora debe garantizar el mantenimiento de la roca. En tal caso, esta parte de la máquina se denomina "escudo". El escudo consta del escudo frontal, que aísla la rueda de corte, y el faldón, que protege el equipo y los trabajadores.

Tuneladora frontal presurizada

Para excavar en rocas sólidas no es necesario estabilizar el paramento de trabajo, pero para excavar en terreno inestable o debajo de las capas freáticas es necesario compensar la presión ejercida sobre el disco de corte de la máquina para evitar la infiltración de agua y el hundimiento del terreno en el superficie ( asentamientos ). Luego, varias técnicas de contención permiten presurizar el espacio entre la cara de trabajo y el escudo de una tuneladora:

  • EPB ( Equilibrio de presión de la tierra ). La presión de confinamiento puede ser proporcionada directamente por la roca excavada, cuya cantidad frente a la tuneladora está regulada por el sistema de extracción. Este tipo de tuneladora es adecuada para suelos sueltos y de baja permeabilidad ( arcilla , limo );
  • Presión del aire. La presión se puede asegurar mediante la inyección de aire comprimido siempre que el suelo no sea muy permeable;
  • Presión de lodo ( Slurry Shield ). En suelos muy permeables y dispersos (arena, grava), la presión puede ser proporcionada por un lodo formado a partir de una mezcla de agua y bentonita . Este lodo de baja permeabilidad mejora la estabilidad del frente de trabajo, facilita el transporte de los recortes evitando que se deposite y lubrica el faldón de la tuneladora.

Los operadores que necesitan mantener la rueda de corte están sujetos a altas presiones y deben pasar a través de una cámara de alivio de presión para obtener acceso.

El sistema de extracción

Si la roca es lo suficientemente dura, se evacúa mediante cangilones unidos a la periferia de la rueda de corte que la levantan y la descargan sobre una cinta transportadora .

Si la tuneladora está equipada con una pantalla, el espacio entre esta última y la rueda de corte se denomina "cámara de tala". Las aberturas en la rueda de corte concentran el material talado en este espacio. Dependiendo de la naturaleza de los recortes, estos son evacuados de la cámara de tala mediante un tornillo de Arquímedes o mediante bombas después de haber sido mezclados con lodo bentonítico (tuneladora a presión de lodos).

El sistema de propulsión

La propulsión de una tuneladora es proporcionada por gatos hidráulicos que se apoyan, ya sea en la pared del túnel mediante montantes (apoyo radial) cuando la roca es lo suficientemente dura, o en el apoyo del túnel ya colocado (apoyo longitudinal) .

La progresión de una tuneladora se realiza en dos etapas. Primero, los cilindros de empuje presionan la rueda de corte contra la cara de trabajo para hacer que se clave en la roca. En un segundo paso, la excavación se detiene y los gatos se retraen para permitir el avance de los crampones o la instalación de nuevos segmentos.

Algunas tuneladoras tienen doble faldón, lo que les permite ser más rápidas. Un faldón es telescópico con respecto al otro lo que permite la instalación de segmentos durante la fase de excavación.

El siguiente tren

  • Al comienzo del siguiente tren, el final del tornillo de Arquímedes es visible.

  • Alimentación (agua, electricidad), ventilación y cinta transportadora.

  • Segmentos de vehículos de transporte .

Una tuneladora es una planta de varias decenas de metros de longitud.

Cuando una tuneladora ha terminado de cavar su túnel, puede cavar un túnel corto divergente en el que se abandona pero, en la mayoría de los casos, se recupera (desmantelamiento en el túnel).

Ejemplos de

Algunos de los túneles más largos del mundo se han excavado con tuneladoras. La realización del túnel del Canal de la Mancha (50  km ) requirió la acción de 11 tuneladoras diferentes que en conjunto perforaron 148  km de galerías de 1987 a 1991. Los 152  km de galerías del túnel de base de Saint-Gothard (57  km ) fueron excavados en su mayoría por cuatro tuneladoras de roca dura entre 2003 y 2011.

Es especialmente para la construcción de líneas de metro que la tuneladora se ha convertido en la herramienta de elección porque es rápida, evita tener que utilizar zanjas y limita los hundimientos y las vibraciones. El túnel de la primera línea Crossrail , que cruza Londres , fue así construido en dos años por ocho tuneladoras que excavaban hasta 72 metros por día. La construcción de las tres líneas del metro de Doha supuso el uso simultáneo de 21 tuneladoras. La línea 15 del Metro de París , a su vez, requiere nada menos que diez tuneladoras para excavar su tramo sur, de 33 km de longitud  .

Tuneladoras gigantes

Las tuneladoras más espectaculares suelen aparecer en los medios de comunicación durante los grandes proyectos de ingeniería civil, principalmente en el sector del transporte. Su diámetro, que supera los 14 metros, permite superponer los carriles de circulación en un solo túnel.

Tuneladoras gigantes
apellido Fabricante Diámetro Años

activo

Distancia

excavado

Proyecto Comentarios
Máquinas de perforación de túneles para roca dura
Gran becky Robbins 14,4  m 2006-2011 10,4  kilometros Túnel de Beck Conducción forzada .
Tuneladoras de escudos
Herrenknecht 17,6  m 2015- 4.2  kilometros Túnel de Tuen Mun - Chek Lap Kok Autopista. Tuneladora a presión de tierra.
Berta Hitachi Zosen 17,4  m 2013-2017 2.8  kilometros Túnel de Alaska Way Autopista. Tuneladora a presión de tierra.
Mitsubishi / IHI 16,1  metros 2017- 9  kilometros Autopista Tokio Gaikan Tramo Oeste. 4 tuneladoras idénticas.
Herrenknecht 15,8  m 2016- 7.5  kilometros Túnel de Santa Lucía Autopista. Tuneladora a presión de tierra.
Tecnologías NFM 14,8  m 2000-2004 7,1  kilometros Túnel Groene Hart LGV . Tuneladora de presión de lodo.

La primera tuneladora de más de 15 metros de diámetro se utilizó para construir el túnel de la autopista de circunvalación M-30 de Madrid en 2005. En 2013, la tuneladora "Bertha" atravesó la barra de 17 metros de diámetro en el solar del túnel. Autopista de reemplazo del viaducto Alaskan Way en Seattle .

En 2007 se propuso una tuneladora de 19 metros de diámetro para la construcción de un túnel de carretera debajo del Neva en San Petersburgo, pero debido a la falta de financiación, el proyecto se abandonó en 2011.

En Europa, las mayores tuneladoras se utilizaron en Italia . Endiciembre de 2010se puso en marcha una tuneladora de 15,62 metros de diámetro, denominada “Martina”, para la construcción del túnel de la autopista Sparvo, en la autopista Variante di Valico de los Apeninos . Desde 2016, este récord se ha batido por poco con una nueva máquina construida por Herrenknecht . Con 15,87  m de ancho y 4.800 toneladas de peso, esta tuneladora está excavando actualmente el túnel de la autopista de Santa Lucía.

Microtúneles

Se puede utilizar una tuneladora para construir una red de suministro de agua, para alcantarillado y para enterrar líneas eléctricas de muy alta tensión. Estos tipos de realización tienen diámetros más pequeños.

Tuneladoras verticales

Una tuneladora vertical, o máquina de eje vertical (VSM), consiste en un brazo excavador telescópico que excava el suelo en el fondo de un pozo. En lugar de detrás del cabezal de corte como en una tuneladora tradicional, las paredes del eje se ensamblan en la parte superior de este último y empujan el conjunto hacia abajo. Esta configuración permite mantener la compleja maquinaria que ensambla las paredes en el exterior. La excavadora se puede operar bajo el agua para evitar el descenso del nivel freático y los asentamientos inducidos durante la perforación.

Tuneladoras diagonales

En San Petersburgo , se utilizó una tuneladora a presión de tierra para perforar las rampas de acceso a la estación de metro Admiralteiskaïa , de 102 metros de profundidad, sin dañar los edificios patrimoniales circundantes. Aunque la distancia excavada fue corta (menos de 200 metros), el uso de la tuneladora resultó ser económico porque esta última, además de su rueda de corte, se reutilizó tres veces. En lugar de hacerlo horizontalmente en la parte inferior de un pozo, la tuneladora se lanzó desde la superficie con una inclinación de 30  grados y se sujetó mediante cables.

Tuneladoras rectangulares

La construcción de pasajes próximos a la superficie requiere túneles de sección rectangular. Tradicionalmente construido en zanjas, este tipo de túnel se puede realizar mediante una tuneladora rectangular cuyo cabezal de corte está equipado con múltiples taladros. Al igual que con las tuneladoras verticales, los segmentos se pueden ensamblar fuera del túnel y empujar el ensamblaje. Esta tecnología se utilizó en 2014 para completar cuatro túneles de carretera en Zhengzhou y luego acceder a los túneles a las estaciones de metro el año siguiente en Singapur y Nueva Delhi .

Notas y referencias

Nota

  1. Wilson mejorará su máquina en 1875 para hacer un trépano para cavar un agujero anular en la roca para facilitar la voladura con explosivos.
  2. Cavar en el suelo saturado de agua de París había resultado imposible para la tuneladora Campenon Bernard lanzada con gran fanfarria en 1962 y la RATP tuvo que recurrir a la compañía estadounidense.
  3. La tuneladora Martina, con un coste de 53 millones de euros, fue fabricada en Schwanau ( Alemania ) por la empresa Herrenknecht para la empresa TOTO Costruzioni Generali . Sus características fueron las siguientes: diámetro de perforación de 15,62  m , longitud de 130  m , empuje en la cabeza de perforación de 39.485 toneladas, peso total de 4.500 toneladas y capacidad instalada de 18  MW .

Referencias

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Ver también

Bibliografía

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Artículos relacionados

enlaces externos