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Construcción de túneles

Megatuneladoras, ¿dónde están los límites?

Enrique Alcanda Renquel y Enrique Fernández González. Dragados

24/11/2016
La construcción de túneles mediante tuneladoras se inició, salvando actuaciones históricas puntuales, en la segunda mitad del siglo XX y se ha manifestado de forma espectacular en los últimos veinticinco años. Este aumento de túneles ejecutados por medios completamente mecanizados es debido, en gran parte, al boom tecnológico en el que nos hallamos actualmente sumergidos, la Era de las Tecnologías. Sin embargo, aunque se haya avanzado mucho en esta metodología de excavación, a día de hoy nos encontramos básicamente en la Prehistoria de las Tuneladoras. Queda mucho camino por recorrer. Ahora bien, ¿dónde están los límites de estas máquinas, hasta qué dimensiones estamos dispuestos a llegar?

1.- Prehistoria de las tuneladoras

Para determinar el inicio de las tuneladoras como método de excavación de obras subterráneas nos tenemos que remontar a principios del siglo XIX, momento en el cual tiene lugar la gesta de la perforación del primer túnel bajo el Támesis entre Rotherhithe y Waping, el primero que se construye con la técnica del escudo, patentada en 1806 por Marc Brunel.

Desde entonces, poco a poco se han ido diseñando tuneladoras capaces de afrontar cualquier tipo de suelo o roca, pero no fue hasta el último cuarto del siglo XX cuando su uso se empezó a generalizar.

En las últimas décadas se ha disparado el uso masivo y sistemático de las máquinas tuneladoras a sección completa lo que ha conllevado una automatización de los procesos, la robotización y, por tanto, una mejora de la productividad. Ahora bien, esto no quiere decir que haya que otorgarle a las tuneladoras el papel de exclusividad como procedimiento constructivo en la excavación de obras subterráneas. Ni mucho menos, la realidad es que estas máquinas tienen unas limitaciones en cuanto a rendimientos que a día de hoy, aún no se ha conseguido solucionar. Actualmente nos hallamos ante un sistema de excavación cuyo porcentaje de aprovechamiento para excavación se encuentra, siendo optimistas, en un 50- 60% del total. Esto hace que, según las condiciones del proyecto, no sea siempre la solución más económica. Aun así cabría pensar que con la evolución tecnológica actual, podamos en poco tiempo optimizar el tiempo útil de excavación de estas máquinas.

La definición del diámetro a partir del cual las TBM son consideradas de gran tamaño ha cambiado a lo largo de las últimas décadas. Mientras que en la década de los 90 túneles de 12 m de diámetro eran considerados el límite a construir, diámetros de 15 m aparecieron en la primera década del siglo XXI. A día de hoy, una década más tarde, tuneladoras de casi 18 m se han convertido en realidad. La necesidad de diámetros cada vez más grandes es impulsada por la demanda de túneles de grandes secciones capaces de incorporar por ejemplo tres carriles de tráfico, integrar calzadas superpuestas (double-decks road tunnel) o de combinar diferentes medios de transporte tanto de servicio rodado y vial como de otros servicios públicos.

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Figura 1. Récords del mundo actuales por tipo de tuneladora.

La realidad es que a día de hoy son muchos los túneles de diámetros mayores de 13-14 m que han sido completados en plazo, con presupuestos razonables y cumpliendo estándares de calidad.

La elección de una Megatuneladora en un proyecto requiere un estudio y análisis exhaustivo de los diferentes aspectos técnicos a nivel de diseño y planificación, las limitaciones y riesgos asociados y el coste-beneficio.

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Figura 2. Consecución de récords mundiales.

2.- Aspectos técnicos de diseño y planificación

2.1.Presión en el frente de excavación

Los túneles de gran tamaño necesitan ser excavados con grandes coberteras por seguridad operacional. Para el caso de máquinas EPB (Earth Pressure Balance), Thewes en su publicación de 2010, dejó patentes las diferencias que existen en las presiones de aire requeridas para el acceso seguro a las cámaras de excavación para diferentes diámetros. Así mismo, demostró que la cobertera necesaria para permitir vaciar completamente la cámara de presión de una EPB y rellenarla con aire comprimido en túneles de 5 m de diámetro es 5 m, mientras que para túneles 20 m de diámetro ascendía hasta los 33 m. En la figura 3 se puede apreciar que para permitir el acceso a una cámara completamente vacía en una tuneladora de diámetro 12 m se requiere una presión de aire cercana a los 4 bar, y para un diámetro de 20 m la presión de aire ascendería hasta los 6 bar. Esto supone un hándicap a superar ya que la presión limite estándar de trabajo en aire no suele superar los 3,6 bar y, además, a mayor presión en la cámara, menor será el tiempo de trabajo permitido al operador en tales condiciones.

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Figura 3. Presión de aire requerida para diferentes diámetros de excavación.

Una tendencia reciente consiste en aprovechar el tamaño de la tuneladora para diseñar una cabeza de corte accesible a presión atmosférica que permita el cambio de herramientas con el objetivo de minimizar el número de intervenciones hiperbáricas, evitando así actuaciones bajo altas presiones. La tuneladora Bertha actualmente operativa en la obra de Seattle-SR 99 Tunnel Project cuenta con este diseño de rueda de corte.

2.2. Mejora del acondicionamiento del frente

Parece razonable pensar que a mayor diámetro de excavación, mayor será la probabilidad de tener un frente de excavación heterogéneo con posibles variaciones de suelo y roca, lo que hace tener una distribución geológica en el propio frente y a lo largo del trazado más incierta. En terrenos cohesivos, se pueden producir obstrucciones que se pueden solventar con un adecuado acondicionamiento del terreno. Esta situación es especialmente más delicada en el área central de la cabeza de corte donde la propia estructura de la cabeza suele tener menos porcentaje de abertura resultando más dificultosa la entrada del material en la cámara. Diferentes líneas de inyección de aditivos como polímeros y espumas son instalados en la rueda de corte para evitar el ‘clogging’ en las zonas más céntricas y para evitar el mayor desgaste de las herramientas periféricas, así como líneas que alimenten de aditivos a la cámara de presión de las EPBs para conseguir un material más trabajable a la hora de excavar.

2.3. Bitubo-Unitubo

Un túnel de un único tubo pero de gran diámetro con posibilidad de incorporar doble tablero puede convertirse en una alternativa a dos túneles de menor tamaño en paralelo ya que se eliminaría la excavación de las galerías de conexión. En terrenos blandos con grandes niveles freáticos la eliminación de dichas galerías de conexión suponen un importante argumento en contra de los túneles en paralelo. Además, en países como EE UU donde existe el llamado right-of-way y la propiedad privada se extiende al subsuelo, la solución de un único túnel de mayor diámetro frente al bitubo puede convertirse en una ventaja ya que se reducirían las expropiaciones que, dependiendo del país, pueden llegar a dar lugar a demoras y retrasos en las aprobaciones pertinentes al involucrar en estas negociaciones a un mayor número de afectados.

2.4. Diseño de la cabeza de corte. Desgaste de las herramientas de corte

Esta última opción de diseñar un único tubo de gran diámetro en lugar de dos túneles en paralelo es un argumento sólido que puede hacer frente al déficit de rendimiento de las grandes tuneladoras. La velocidad de rotación de la cabeza de corte de una TBM es menor a medida que el diámetro aumenta y, en consecuencia, también lo será la velocidad de avance de las TBM.

  • Para representar la variación de velocidad de avance de las TBM en función del diámetro se ha estudiado el siguiente caso:
  • Suponemos que las velocidades periféricas típicas en TBM trabajando en cerrado en terrenos blandos es de 40 m/min y trabajando en abierto sobre terrenos rocosos homogéneos es de 180 m/min. 
Asumimos una penetración razonable de 25 mm/rev para terrenos blandos y de 8 mm/rev para terrenos duros. 


Con todo ello, obtenemos los siguientes resultados:

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Figura 4. Relación velocidad de avance y diámetro tuneladora.
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De esta forma se puede apreciar que para no superar la velocidad de 40 m/min de los útiles de corte de la periferia, las tuneladoras de diámetro de 5 m podrían girar hasta a una velocidad de 2,55 rpm, mientras que tuneladoras de 20 m de diámetro no podrían superar los 0,64 rpm. Para compensar esta limitación, se aumenta el número de herramientas de corte permitiendo superar los 40 m/min sin aumentar el rango de penetración. De esta forma se consiguen velocidades de avance mayores. Sin embargo, debe quedar claro que en la zona central no son posibles instalar, por razones geométricas, muchos útiles de corte y, combinando este hecho con una estructura de cabeza de corte cerrada que no facilita el flujo de material hacia el interior de la cámara, puede repercutir en un exceso de carga sobre dichas herramientas de corte, o incluso en una penetración menor a la normal.

Herrenknecht, para hacer frente a esta limitación de número de herramientas en la zona central de la rueda de corte, ideó para la EPB TBM de la M30 de Madrid (2005) un sistema que permitía operar dos cabezas de corte concéntricas e independientes, una en el centro y otra en la periferia. De este modo, se conseguía aumentar la velocidad de giro de la rueda de corte interna respecto de la externa y no acentuar la penetración de las herramientas. Incluso este aspecto técnico es demandado a nivel mecánico, ya que proporciona efectos adicionales para una mejor dinámica de la mezcla en la zona central y de compensación parcial en el par cuando giran en sentido contrario las dos cabezas de corte. El concepto es correcto, pero presenta varias complicaciones adicionales. Con este sistema se crea una junta rotativa entre la zona de contacto de las dos cabezas concéntricas. El desgaste de los útiles en esta zona es mayor debido al diferencial de velocidad (suma de velocidades en sentido contrario). Sin embargo, la otra tuneladora de la M30 de Mitsubishi no apostó por el sistema de ruedas concéntricas independientes. Montó una única rueda y, para hacer frente al posible aglomeramiento de la zona central y facilitar el flujo de material, montó un agitador central hidráulico capaz de mezclar y adecuar el material excavado para desescombrar por cinta. A su vez, para compensar el aumento del par de la rueda única respecto a las concéntricas de Herrenknecht instaló unos cilindros de empuje regulables y unos perfiles de acero a lo largo de la zona inferior del escudo que permitía cambiar el sentido de giro de la cabeza de forma sistemática e impedía el giro de la propia TBM en caso de bloqueo.

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Figura 5. Izquierda: Tuneladora Mitsubishi M30 Madrid 2005 / Derecha: Tuneladora Herrenknecht M30 Madrid 2005.

Una posible línea de trabajo para hacer frente a la baja penetración de los útiles de corte de tuneladoras que excavan en terrenos de roca muy dura, con penetraciones habituales de 2-3 mm/rev, puede ser la de diseñar herramientas económicas y de otros materiales capaces de soportar mayor desgaste a abrasión. A día de hoy y para tuneladoras de más de 15 m de diámetro, en terrenos de más de 250 MPa de resistencia a compresión simple, que conllevan penetraciones menores de los 3 mm/rev, se obtienen avances en el entorno de los 2 metros al día, lo que hace que esta opción sea antieconómica.

Como se ha comentado, grandes diámetros permiten la instalación de múltiples herramientas a lo largo de la rueda de corte y por lo tanto existe una mejor distribución de la fuerza de trabajo entre las piezas. Sin embargo, ruedas de corte de gran tamaño provocan un desgaste diferente entre los útiles de corte del centro de la rueda y los que están más en la periferia, ya que la velocidad lineal de estas últimas es mucho mayor. Es necesario tener un sistema de detección de desgaste de dichas herramientas y de la estructura metálica del escudo para conseguir una eficiente excavación. La monitorización electrónica o con circuitos hidráulicos capaz de proporcionar datos de las picas y rastreles de la cabeza de corte a tiempo real, es una realidad actual en los diseños de todos los fabricantes.

2.5.Diseño y manipulación de las dovelas

En máquinas EPBs, el empuje necesario para excavar es aplicado directamente sobre las dovelas de revestimiento. Éstas, teniendo en cuenta las distribución, número y tamaño de los gatos de empuje, deben ser diseñadas para recibir la fuerza necesaria para hacer avanzar la TBM. Las dovelas se dimensionan para hacer frente a las diferentes solicitaciones a lo largo de su vida: fabricación (volteo, sistema de izado, acopio), transporte, instalación, empuje de la tuneladora, acciones debido al relleno del trasdós del anillo, acciones del terreno y solicitaciones posteriores. El empuje de la tuneladora aumenta casi cuadráticamente con el diámetro, por lo tanto en las máquinas de gran tamaño la acción de empuje de los gatos puede ser la situación crítica para el dimensionamiento.

La restricción del peso para la manipulación y el transporte de las dovelas desde la planta de fabricación hasta el erector de la tuneladora a menudo dictan el número de segmentos que forman un anillo completo. En consecuencia, el número de dovelas por anillo crece con el diámetro del túnel, habiendo alcanzado las 10 dovelas tal y como se refleja en la siguiente tabla:

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Figura 6. Relación segmentación del anillo y diámetro exterior del anillo.

Desde el punto de vista de la manipulación y colocación, y teniendo en cuenta el tiempo de colocar estos anillos de tal magnitud, se podría considerar un posicionamiento semiautomático y un doble erector de dovelas usando el espacio adicional disponible, permitiendo un montaje más rápido y más eficiente del anillo de revestimiento. Este sistema se instaló en la tuneladora Mitsubishi de la M30 de Madrid con el fin de aumentar la productividad en la excavación. Sin embargo, toparon con una limitación tecnológica ya que para hacer accionar uno de los erectores debían apagar el sistema del opuesto y viceversa. Este sistema de accionamiento requería mucho tiempo, incluso superando el tiempo de traslación de la dovela con un solo erector. No obstante, se mantuvieron instalados ambos erectores pero solo funcionando uno de ellos, de tal forma que cuando este se averiaba, se activaba el de reserva, reduciendo así los tiempo muertos hasta en un 5-6%.

Por este motivo, una posible línea de mejora podría ser la de idear un sistema que permitiera accionar un erector u otro de manera independiente. La robotización y montaje automático del anillo de dovelas ya es una realidad en los fabricantes japoneses y el futuro debe ir encaminado en esa dirección. De este modo, se evitarían los errores humanos en la colocación, que generalmente son la causa de demoras y retrasos por rotura de las dovelas por impacto durante el montaje así como de posteriores filtraciones de agua en el interior del túnel debidas a una inadecuada colocación de las dovelas que componen el anillo. Los resaltes y descentrados en la colocación suelen ser la causa más habitual de estas patologías.

2.6. Consideración del fenómeno de flotación

En terrenos donde el nivel freático es muy alto se da la situación de que el peso propio del revestimiento es generalmente menor que la fuerza de flotación ejercida sobre el túnel sumergido. La diferencia entre la fuerza de flotación y el peso propio de revestimiento aumenta con el diámetro del túnel. Por ello se debe proporcionar suficiente cobertera de terreno para resistir dicha flotación. 

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Figura 7. Relación cobertera mínima y diámetro de excavación.

2.7. Logística de Megatuneladoras

El creciente tamaño de los túneles presenta desafíos ambientales para la eliminación del material excavado, el transporte, manejo y tratamiento in situ del escombro, o el enfriamiento y descarga de agua de las instalaciones. La ‘escala’ fuerza los límites del aparato logístico de abastecimiento. Considérese un anillo de revestimiento de dovelas prefabricadas: el tamaño y el peso de éstas desafían la fabricación, el almacenamiento y el transporte a su lugar correspondiente. Esto produce una enorme demanda de personal, de equipos especiales para su manipulación y transporte, descarga y entrega al erector de dovelas, etc., que ha de preverse en el diseño de una tuneladora.

A su vez, el transporte, montaje y desmontaje de tuneladoras de estas dimensiones pueden dar lugar a grandes problemas logísticos con inversiones altas para solventarlos. El cojinete principal de este tipo de tuneladoras tendría que dividirse por partes durante el proceso de fabricación para posteriormente poder ser transportado bien por vía fluvial o por carretera. Además hay que diseñar grúas pórticos especificas capaces de manipular piezas de gran tamaño y peso.

Por ejemplo, tras finalizar las pruebas pertinentes en suelo japonés, la tuneladora Bertha, que se está empleando actualmente en el proyecto del AWV de Seattle, fue desmontada y transportada en barco en grandes piezas de hasta 900 toneladas de peso, lo cual hizo de su transporte y posterior montaje un reto de ingeniería. Para la carga de la TBM en el barco se utilizó inicialmente una grúa flotante de 3600 toneladas que colocaba las piezas de la tuneladora sobre una pontona para facilitar su posterior traslado al barco de transporte (Figura 8).

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Figura 8. Grúa flotante para la carga de la tuneladora Bertha de Seattle.
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Figura 9. Descarga de la Tuneladora Bertha en Seattle.
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Figura 10. Transporte de la Tuneladora Bertha. Seattle-SR 99 Tunnel Projectc.

3. Análisis del coste-beneficio

En todo proyecto debe de haber un estudio del coste-beneficio favorable, que complemente al análisis de funcionalidad del proyecto, para que pueda salir adelante. Mientras que la mayoría de los proyectos de transporte por superficie tienen un gran impacto en la comunidad circundante, la construcción de túneles conlleva mejores beneficios que otras alternativas. Para este tipo de proyectos con Megatuneladoras, un estudio del coste del proyecto durante toda la vida útil representa mejor el impacto sobre el cliente que un estudio del coste de construcción.

Las comparaciones de los costes entre las alternativas de un proyecto son un proceso complejo que dependen de muchas variables y suelen realizarse sobre la base de los costes de construcción de cada una de ellas. Sin embargo, cada vez está más ampliamente reconocido que, los costes a largo plazo asumidos por el propietario de la obra están fuertemente influenciados por los costes de explotación en los que figuran también los incurridos en el mantenimiento y conservación de la infraestructura. Es en este tipo de comparativa, donde la alternativa de ejecución de túnel suele presentar la solución más rentable en detrimento de la ejecución de un viaducto o del falso túnel. El bajo coste de mantenimiento, la mayor durabilidad y la menor afección a las comunidades durante y después de su construcción, hacen que cada vez se vayan construyendo más túneles de gran diámetro.

Existen dos aspectos determinantes a considerar cuando se compara el impacto socio- económico de un túnel con el de una obra a nivel de superficie o viaducto:

  1. Los túneles tienen el coste más bajo gracias a diseños de mayor vida útil. 

  2. Cuando se toma en consideración el coste de la contaminación medioambiental, devaluación de la propiedad, división social y costes de mantenimiento, el coste anual de un túnel puede llegar a ser la mitad del coste de la solución de obra en superficie urbana y la tercera parte de la de una estructura elevada. 


4. Conclusiones

Las futuras líneas de trabajo deben ir encaminadas hacia la consecución de una tuneladora auto-regulable, una tuneladora todoterreno. La TBM más completa de la actualidad es la EPB ya que modificando las herramientas de corte y jugando con los posibles tratamientos del terreno puede llegar a excavar terrenos rocosos y terrenos blandos. Actualmente el resto de TBMs presentan un rango de actuación más limitado. De este modo, los hidroescudos están destinados a suelos más granulares y las TBM de roca no pueden trabajar con presiones en el frente de excavación.

Hemos comenzado el artículo preguntándonos por los límites de estas Megatuneladoras y situando la actualidad de las TBMs en la Prehistoria. Y así es, actualmente lo que conocemos de las tuneladoras es “poco”: una rueda de corte que gira alrededor de un eje, que extrae el material excavado, y que en ocasiones, cuenta con una cámara de presión de tierras para estabilizar el frente. Esta estabilidad depende principalmente de dos variables:

  1. La penetración y giro de la rueda de corte, lo que representa el flujo de entrada del material a la cámara.
  2. Y el volumen de material extraído, el flujo de salida.

En la actualidad estos dos parámetros son controlados “manualmente” por un operador que va variando la entrada y salida de la cámara, el tratamiento del terreno y la fuerza de empuje y de giro de la tuneladora en función de unas premisas dictadas por los ingenieros al cargo. Por ello, la línea de desarrollo de estas máquinas debe ir dirigida hacia una mejor interpretación del comportamiento del terreno en el frente de excavación, así como a conseguir previsiones más certeras de dichos comportamientos para que, de manera automática y robotizada, la propia TBM sea la que regule los parámetros de su funcionamiento.

Quien sabe, quizá en un futuro no muy lejano seremos capaces de ver tuneladoras con geometrías no circulares capaces de colocar un revestimiento con otros materiales y sin armaduras, incluso equipadas con sistemas informáticos que permitan conocer el comportamiento del terreno por anticipado para adelantarse a los posibles contratiempos geológicos. Al fin y al cabo, es el fruto de la Era de las Tecnologías.

Bibliografía

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  • Álvaro Serís-Granier Sánchez, Tesina Master Aetos: Tuneladoras De Gran Diámetro, Una revisión con vistas al futuro. 

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  • Tracking the world ́s mega-TBMs. TunnelTalk, 2014. 

  • Cost of benefit of large diameter tunnels. TunnelTalk 2015. 

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  • Enrique Fernández González, Alejandro Sanz Garrote, Juan Luis Magro. 2011. Technical approach on bid preparation to succeed on the Alaskan Way project. Rapid Excavation 
Proceeding 2011. 


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