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Mecanizado de túneles y galerías

Máquinas para perforar la roca

Xavier Borràs09/12/2010

16 de diciembre de 2010

Existen diferentes equipos y accesorios para realizar un barrenado o perforación en roca, que de acuerdo con la forma en que desarrollan su trabajo, se dividen en máquinas rotativas y de percusión. Su elección viene determinada tanto por el tipo de obra como por las características geológicas y geométricas del terreno donde esta se va a desarrollar.

Las máquinas rotativas realizan la perforación por medio de una herramienta cortante giratoria en forma de corona, que puede estar revestida de materiales en movimiento granallas. El efecto cortante es determinado por la velocidad de rotación, el poder abrasivo de la corona, la presión ejercida por el mecanismo de avance y el peso de varillaje y de herramientas. La naturaleza de la roca, además de los factores señalados determina la velocidad de avance.

Las máquinas de percusión realizan su trabajo por medio de una herramienta cortante, o trepano, que golpea sobre el fondo de la perforación; los bordes agudos de la herramienta cortan la roca y el mecanismo de rotación de la máquina hace girar la broca a una nueva posición por cada golpe. Los factores que fundamentalmente determinan la velocidad de avance son: el número de golpes por minuto y la naturaleza de la roca.

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El número de golpes por minuto y la naturaleza de la roca determinan la velocidad de avance de la máquina de percusión. Foto: Sandvik.

Perforadoras de Percusión

Las perforadoras de percusión son de distintos tipos:

‘Jacklegs’ 5:

Debido a su facilidad para barrenar en cualquier posición, esta máquina fue la más utilizada en las galerías de Ralco y Pangue. Además es liviana, fácil de manejar y basta con un solo operario para realizar barreno.

‘Guagua’: es una máquina liviana equipada con mangos, para trabajar con ella a pulso. Debido a su poco peso y pequeño tamaño, es muy apropiada para barrenar en lugares estrechos. Este tipo de perforadora es de uso general en trabajos de superficie y en el interior de túneles.

Perforación mecánica

Los sistemas de perforación están fundados en dos principios distintos: el sistema de percusión (directa o de martillo), los sistemas de rotación (que pueden ser de presión débil y gran número de revoluciones, o de presión fuerte y rotación lenta). En relación con el sistema motor, las perforadoras pueden ser neumáticas, hidráulicas o eléctricas. Las perforadoras corrientemente empleadas en la construcción de túneles son neumáticas de percusión; requieren una presión de aire de aire de 5 a 8 atmósferas; y el aire comprimido se produce en compresores, generalmente móviles.

Las perforadoras hidráulicas se utilizan principalmente en excavación de galerías de avance de los túneles con roca de gran dureza; trabajan con una presión de aire de 25 a 100 atmósferas.

Las perforadoras eléctricas son más económicas que las neumáticas, pero hasta ahora solo son utilizables para roca de pequeña dureza

Las perforadoras eléctricas pueden ser de percusión o de rotación; son más económicas que las anteriores, pero hasta ahora solo son utilizables para roca de pequeña dureza. En cuanto a las perforadoras neumáticas, para poder realizar la labor completa tienen que ejecutar los siguientes movimientos: Un movimiento de ida y de vuelta del émbolo al cual va unida la barra. Un movimiento de rotación de la barrena. Un movimiento de avance de la perforadora, en su conjunto, para seguir el avance del agujero. Un movimiento de retirada de la barrena en el agujero.

Métodos de excavación

La excavación mecánica con máquinas integrales no presurizadas se realiza a sección completa empleando las máquinas integrales de primera generación o no presurizadas. Otro rasgo común es que, en general, la sección de excavación es circular.

En cuanto la excavación mecánica con máquinas integrales presurizadas, la baja competencia del terreno suele asociarse a casos de alta inestabilidad y presencia de niveles freáticos a cota superior a la del túnel la primera solución aplicada a los escudos mecanizados abiertos para trabajar en estas condiciones fue la presurización total del túnel.

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El tipo de obra y las características geológicas y geométricas del terreno determinan la elección de la máquina. Foto: Atlas Copco.

Mecanizado según la sección del túnel

Túneles de pequeña sección

La sección transversal de un túnel de pequeña sección puede ser alrededor de 4 metros cuadrados. Esta área proporciona espacio para poder instalar la tubería de ventilación y el uso de equipos pequeños de excavación. El diagrama de perforación para un túnel tan pequeño comprende perforaciones de corte y contorno y el número de perforaciones puede ser del orden de 26 + 1 perforación de escariado, si la periferia es cargada con explosivo amortiguado o liviano. Si la periferia no es cargada con explosivos amortiguados, el número de perforaciones es de 21 + 1.

Túneles de sección 4 – 6 metros cuadrados

En este tipo de sección normalmente se puede utilizar perforadoras manuales neumáticas con empujadores. Atlas Copco fabrica tres máquinas para diferentes características de rocas: la Puma BBC 16 W, la Leopardo BBC 34 W y la Pantera BBC 94 W. La primera es muy eficaz para la perforación frontal en todo tipo de roca. Esta diseñada con un control centralizado tanto para la perforación como para controlar la fuerza de avance del empujador. La Leopardo BBC 34 W es una perforadora para trabajar en todo tipo de roca, con un sistema de rotación apropiado para taladros largos. La Pantera BBC 94 W es una perforadora semipesada con un sistema de rotación apropiado para taladros largos.

Túneles de sección 6 – 20 metros cuadrados

Cuando aumenta la sección transversal de una galería es posible usar un equipo de perforación más eficiente. Atlas Copco provee tres equipos de perforación para túneles pequeños: Rocket Boomer H 104-38 COP 1238, de un brazo, equipo pequeño para áreas de túneles de 6 a 20 metros cuadrados; Boomer H 281-38 COP 1238, de un brazo, equipo de alta capacidad para áreas de túneles de 6 a 31 metros cuadrados; y Boomer H 282-38 COP 1238, de dos brazos, equipo de alta capacidad para áreas de túneles de 8 a 45 metros cuadrados.

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Los sistemas de perforación están fundados en dos principios distintos: percusión y rotación.

Túneles de mediana sección

Los túneles de sección entre 20 a 60 metros cuadrados son comúnmente empleados en la construcción de plantas hidroeléctricas, construcción de caminos, ferrocarriles minería cavernas o depósitos subterráneos, etc. Atlas Copco provee una amplia gama de equipos de perforación para el desarrollo de túneles de mediana sección: destacan el Rocket Boomer 282, equipo de perforación electro hidráulico con dos brazos paralelos para secciones de túneles de 8 – 45 metros cuadrados; el Rocket Boomer M2, equipo de perforación electro hidráulico de alta potencia con dos brazos paralelos para secciones túneles hasta de 45metros cuadrados, y el Rocket Boomer L2, equipo de perforación electro hidráulico de alta potencia para áreas de túneles hasta de 90 metros cuadrados.

Túneles de gran sección

Los túneles gran sección, sobre 60 metros cuadrados, son comúnmente empleados para la construcción de caminos, líneas férreas, plantas hidroeléctricas, galerías de avance cavernas de almacenamiento subterráneo etc. La cobertura mayor que es posible perforar en sección completa es de 168 metros cuadrados, pero normalmente a ningún túnel de dicho tamaño se le vuela la sección completa debido a otros factores que limitan el área práctica, uno de los factores a considerar es el número de períodos de los sistemas de iniciación existentes. Los sistemas eléctricos normalmente poseen 12 periodos mientras que los sistemas con cargas de tubos o cordón detonante alcanzan a 25. La sección práctica de un túnel de tamaño grande es alrededor de 100 metros cuadrados. Los métodos de perforaciones y voladuras para túneles de gran sección son iguales a los métodos para túneles de mediana sección.

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