Tuneladoras de densidad variable: combinación de dos tecnologías de excavación para suelo blando

Las alineaciones de túneles con condiciones variables del suelo se han convertido en un reto habitual en muchos proyectos subterráneos. Las condiciones a lo largo del túnel a menudo varían desde frentes con rocas estables a suelos blandos con presencia de agua. Las tecnologías estándar de las tuneladoras de escudo (TBM por sus siglas en inglés) se han mejorado para poder trabajar en una gama más amplia de condiciones específicas del terreno. Sin embargo, cuando la variabilidad de las condiciones del terreno es excesiva, a menudo se alcanzan límites técnicos y comerciales.

Las TBM multimodales ofrecen la posibilidad de modificar la tecnología de excavación del túnel para adaptarse a las condiciones reales del terreno y, por lo tanto, hacer funcionar las tuneladoras en modos diferentes. Por ejemplo, las condiciones especiales del proyecto del túnel viario construido por Socatop en París exigían un diseño de la máquina que permitiera cambiar del modo de presión de tierras al modo de presión de lodos dentro del túnel. Otro paso preliminar en el desarrollo de las tuneladoras de densidad variable fue el diseño de la máquina empleada para el proyecto del túnel del puerto de Miami. Esta máquina podía cambiar del modo de presión de tierras a la extracción hidráulica de los escombros con un control total de la presión del frente.

Las denominadas tuneladoras de densidad variable son una nueva generación de máquinas multimodales para suelos blandos con tecnología puntera. Sin grandes modificaciones mecánicas, estas máquinas combinan las dos tecnologías básicas de tuneladoras para suelo blando de modo cerrado, manteniendo un control permanente de la presión del frente.

El principal objetivo de los proyectos actuales de construcción de túneles subterráneos, especialmente por parte de los clientes y los organismos que financian los proyectos, es terminar las estructuras de los túneles de una manera segura, a tiempo y dentro del presupuesto, ya que las desviaciones de costes y plazos minan la confianza de los clientes y las autoridades, así como la aceptación de los grandes proyectos por parte del público. Por ese motivo, las soluciones flexibles y orientadas al futuro, como la tecnología de excavación mecanizada de túneles, son cada vez más importantes para los clientes y los usuarios con el fin de asegurar que el proyecto se termine dentro del plazo y el presupuesto previstos, con la calidad y la funcionalidad deseadas.

Debido a que los proyectos actuales cada vez más se diseñan y se llevan a cabo en regiones y en condiciones geológicas que hubieran sido inconcebibles hace una década, se requieren conceptos de máquinas que estén especialmente adaptadas para excavar con seguridad la infraestructura subterránea donde sea necesario e independientemente de las condiciones existentes en el subsuelo. En este sentido, las estructuras de los túneles se planifican cada vez más en geologías heterogéneas, con secciones que pueden incluir condiciones de roca sólida, suelos blandos y acuíferos, o frentes con condiciones mixtas compuestos por rocas y tierra. Este tipo de condiciones exigen un diseño de la maquinaria especialmente adaptado para excavar y revestir el túnel de una forma segura y fiable, sin necesidad de largos tiempos de conversión para adaptar el equipo a las condiciones específicas prevalentes en el suelo.

Este artículo se centra en la nueva generación de máquinas para suelos blandos que combinan las dos tecnologías básicas para este tipo de superficies en una misma máquina. El diseño de la nueva generación de máquinas multimodales para suelos blandos permite cambiar fácilmente entre los diferentes modos (de presión de tierras y de presión de lodos) dentro del túnel, a la vez que se mantiene un control permanente y completo de la presión del frente y sin la necesidad de realizar intervenciones en la cámara de excavación. Esta nueva generación de máquinas se denominan tuneladoras de densidad variable y ofrecen la máxima seguridad y flexibilidad en la elección del soporte del frente del túnel y la extracción de los escombros.

La primera tuneladora multimodal se diseñó en la década de 1980 para un proyecto de perforación de túneles que se realizó en condiciones variables del suelo, que incluían desde suelos estables a rocas blandas, terrenos mixtos y acuíferos. Desde entonces, la tecnología se ha perfeccionado y actualizado constantemente hasta alcanzar el alto grado de madurez en el diseño de las máquinas que están disponibles actualmente, las denominadas tuneladoras de densidad variable. [1]

En 2000, se empleó con éxito una tuneladora multimodal para el proyecto del túnel viario de Socatop en París. El proyecto incluía la construcción del túnel oeste de la A86, que forma el enlace final de la circunvalación A86 de 80 km alrededor del Gran París. El túnel se construyó para aliviar la congestión del tráfico y mejorar las conexiones viarias entre los suburbios de París. La TBM multimodal empleada para la construcción de este túnel tenía un diámetro de 11,56 m y fue en su momento la primera tuneladora innovadora que podía funcionar en los modos de presión de tierras y de presión de lodos.

La construcción del túnel la realizaron tres de las mayores empresas del sector de la construcción y las infraestructuras viarias de Francia: Vinci, Eiffage Construction y Colas. Para justificar el importante esfuerzo que supone diseñar una máquina capaz de cambiar completamente del modo de presión de tierras al modo de presión de lodos en el túnel, el proyecto debe presentar unas condiciones especiales. El proyecto de Socatop en París cumplía esas condiciones. El túnel tiene una longitud de 10 km, en los cuales las condiciones del subsuelo eran aproximadamente en un 60% suelos adecuados para el uso de un escudo de presión de tierras. El 40% restante de la alineación presentaba las condiciones óptimas para el funcionamiento de la tuneladora con presión de lodos, ya que un frente del túnel se apoyaba en lodos. El concepto de la tuneladora y el proyecto de excavación tenían presente en particular que las respectivas formaciones geológicas se producían en largas secciones asociadas. Tanto los escudos de presión de lodos como los escudos de presión de tierras funcionaban con una cámara de excavación llena y una presión de soporte controlada para el frente del túnel.

Las principales diferencias entre los dos modos de funcionamiento eran las propiedades del relleno de la cámara, como la viscosidad, la resistencia al corte, la densidad, el tipo de cámara y el control de la presión del frente. En los escudos de presión de lodos, la presión del frente se controlaba mediante una burbuja de aire presurizada remota que, en la mayoría de los casos, se obtenía al dividir la cámara de excavación en dos compartimentos mediante un muro sumergido. En el escudo de presión de tierras, la presión del frente se controlaba mediante la velocidad de avance, y el volumen de extracción de los escombros mediante la velocidad del transportador de tornillo.

El diseño de la rueda de corte y la cámara de excavación no limita en ningún caso los modos de funcionamiento. Las principales diferencias mecánicas radican en el transporte y manejo de los escombros en la cámara de excavación y en el túnel. Los escudos de presión de lodo usan un circuito cerrado de lodo presurizado con una planta de tratamiento de lodos en la superficie; los escudos de presión de tierras utilizan un transportador de tornillo para la extracción controlada de los escombros fuera de la cámara de excavación, y un sistema de transporte de túnel abierto con carros o cintas transportadores de escombros. La generosa cantidad de espacio disponible gracias al gran diámetro de la tuneladora para suelo blando empleada en el proyecto de Socatop permitió la disposición paralela de ambos sistemas de retirada de los escombros en el área invertida de la cámara de excavación, con algunas pequeñas limitaciones funcionales. Si fuera necesario el uso del modo de presión de lodos en las condiciones geológicas prevalecientes con posibles bloques, rocas o piedras más grandes, era posible desplazar una machacadora de mandíbula desde una posición de estacionamiento y activarla frente a la rejilla de succión. Esto requería una intervención manual y un esfuerzo mecánico adicional para cambiar el modo de funcionamiento. En una tuneladora con un diámetro de menos de 8 metros, esto resulta aún más difícil.

Si bien el proyecto de Socatop se mantendría durante bastante tiempo como la única solución de este tipo existente, demostró de manera concluyente que una combinación compleja de diferentes tecnologías puede tener sentido si las circunstancias del proyecto son las adecuadas.

En mayo de 2013, Bouygues Civil Works Florida concluyó con éxito la excavación del túnel viario del puerto de Miami en Florida. El proyecto incluía túneles de doble tubo de 1,2 km de largo que cruzan directamente el canal de navegación y la terminal de cruceros. Sus extremos se curvan para unir las alineaciones existentes de las carreteras en las islas de Watson y Dodge. Los túneles incluyen dos carriles para el tráfico, bordillos, pasillos, ventiladores y otras medidas de seguridad adicionales.

La perforación del túnel del puerto de Miami en la bahía Vizcaína se realizó en condiciones de subsuelo poroso y variable, formado principalmente por arena y lodos subterráneos de piedra caliza y cloruro. Debido a la alta permeabilidad del suelo en la formación porosa y a las preocupaciones medioambientales relacionadas con la posible pérdida de lodos en la reserva acuática de la bahía Vizcaína, se seleccionó una tuneladora (Ø de 12,87 m) de Herrenknecht para excavar y revestir los túneles de doble tubo. La tuneladora permitía la adaptación para hacer frente a las condiciones variables del terreno local de alta permeabilidad, que requerían controlar el agua y extraer la roca en el frente del túnel.

La máquina podía funcionar en el modo de presión de tierras, con extracción del material a través del tornillo sinfín mediante un sistema de manejo de los escombros a través de una cinta transportadora de túnel continua; y en un modo de procesamiento controlado por agua (WCP) con una extracción hidraulica cuando la máquina pasó por debajo del canal y llegó a rocas altamente permeables.

En el modo WCP, se omite la compuerta de descarga y los escombros se procesan directamente desde el tornillo sinfin mediante una trituradora y una tubería de lodos, para bombearlos a una planta de separación en la superficie. A diferencia de una máquina de presión de lodos estándar, el sistema no incorpora una trituradora en la cámara de excavación. La configuración de las herramientas de la rueda de corte está diseñada para limitar las partículas que pueden entrar en la cámara de excavación a un tamaño adecuado para el tornillo sinfín instalado.

El modo WCP diseñado para la tuneladora de presión de tierras que excavó los túneles del puerto de Miami es un sistema simplificado o un paso preliminar en el desarrollo de la TBM de densidad variable, para la que se diseñó una caja giratoria de la trituradora-mezcladora (Slurryfier box) en combinación con la salida del tornillo sinfin. Es necesario situar la caja giratoria de la trituradora-mezcladora en una posición de estacionamiento antes de poner en funcionamiento la cinta transportadora.

La exigencia de las condiciones específicas de los proyectos actuales, en los que cada vez es más común encontrarse con cambios frecuentes de los suelos, rocas y condiciones mixtas de suelos y rocas en el frente del túnel, además debajo del nivel freático, ha llevado también al desarrollo de tuneladoras pequeñas y medianas que permiten cambiar entre los modos de funcionamiento, por ejemplo desde un frente soportado por presión de lodos hasta un frente soportado por presión de tierras, con un control total de la presión del frente también durante la transición entre ambos modos. Esta nueva generación de TBM multimodales, las tuneladoras de densidad variable, combina las ventajas individuales de cada uno de estos sistemas en una sola máquina. El desarrollo de las tuneladoras de densidad variable se centró en el objetivo de cambiar entre los modos de funcionamiento cerrados (soporte en el frente de presión de lodos y de presión de tierras) dentro del túnel sin necesidad de realizar modificaciones mecánicas en la cámara de excavación o detrás de los remolques en el área del túnel.

La TBM de densidad variable se puede utilizar como una tuneladora de presión de lodos clásica mediante un sistema de burbujas de aire para controlar la presión del frente, y en un modo de presión de tierras completo. El cambio entre los modos se puede hacer gradualmente con un control permanente y total de la presión del frente del túnel y sin necesidad de realizar intervenciones en la cámara. Esta máquina también puede funcionar utilizando una alta densidad en la cámara de excavación, que sería demasiado densa para el funcionamiento clásico de presión de lodos, pero demasiado fluida para un funcionamiento clásico de presión de tierras.

Si la tuneladora de densidad variable está completamente equipada, se requieren dos sistemas de transporte de escombros en el túnel. En un modo clásico de burbuja mixta (una burbuja de aire para el control activo de la presión del frente) se requiere un circuito cerrado para los lodos, y si se trabaja en un modo de presión de tierras completo (sistema seco), se requieren vagones de escombros o una cinta transportadora continua de tunel. La tuneladora de densidad variable también se puede utilizar con un soporte de presión de tierras clásico en la cámara de excavación y un transporte cerrado dentro del túnel, por ejemplo en suelos contaminados. En función de las condiciones específicas del proyecto, se puede seleccionar uno de los dos sistemas como sistema primario de alto rendimiento y emplear el otro como sistema secundario de rendimiento reducido. En todos los modos de funcionamiento de la tuneladora de densidad variable, los escombros se extraen de la cámara de excavación mediante un tornillo sinfin. El procesamiento posterior de los escombros depende del modo de funcionamiento elegido y de la elección de la logística para el transporte del material. Es posible cambiar desde el transporte hidráulico a través de tuberías hasta el transporte por cinta transportadora o el transporte mediante vagones de escombros.

La primera tuneladora de densidad variable se usó para perforar el tramo subterráneo de 9,5 km de longitud de la primera línea del proyecto del metro de Klang Valley en el Gran Kuala Lumpur. Cuando entre en servicio, esta línea 1 de metro funcionará en el subsuelo como tubos de túnel gemelos que discurren en paralelo y como tubos de túnel apilados debido a las restricciones de espacio en el área de la ciudad.

El túnel se construyó en la formación de piedra caliza de Kenny Hill y Kuala Lumpur. La estructura del suelo de piedra caliza de Kuala Lumpur es exigente debido a sus características cársticas altamente variables, con la presencia de roca caliza erosionada debajo de la capa de suelo superior. Para un total de 8,6 km, se suministraron seis tuneladoras de densidad variable (Ø de 6,62m) a MMC-Gamuda KVMRT. El tramo restante de aproximadamente 1 km se excavó mediante escudos de presión de tierras. Las máquinas de densidad variable se adaptaron especialmente a las condiciones específicas de la supsuperficie, con un riesgo potencial de presentar súbitas cavidades.

En caso de usar el principio del frente del túnel soportado por líquido con una presión de soporte controlada automáticamente a través de la burbuja de aire que permite un control preciso de la presión del frente, podía suceder que la suspensión normal de bentonita se drenase continuamente en el suelo o hasta la superficie. De modo que se planteó la idea de utilizar una suspensión más densa y pesada para equilibrar la presión de la tierra y el agua en el frente del túnel. El uso de suspensiones más densas y pesadas requiere adaptaciones del diseño, como la instalación de una planta de mezcla de material de lodo de alta densidad (HDSM) en la superficie, donde se prepara el material de alta densidad.

Tras la positiva utilización de las tuneladoras de densidad variable para los desafiantes tramos subterráneos de la formación de piedra caliza de Kuala Lumpur por las que discurre la línea 1 del metro, a mediados y finales de 2017 se entregarán cuatro tuneladoras de densidad variable en Kuala Lumpur para excavar y alinear los aproximadamente 7 km de longitud de la nueva línea 2 de metro.

El consorcio constructor de la línea 2 del metro de Lima, compuesto por ACS y FCC de Madrid, Salini de Milán y COSAPI de Lima, adquirió dos tuneladoras de Herrenknecht, una de presión de tierras y otra de densidad variable, para la construcción de 35 km del nuevo ferrocarril urbano de la línea 2 del metro de Lima en Perú. Las dos tuneladoras excavarán un importante eje que discurre de este a oeste (Ate-Lima-Callao) en la región metropolitana de Lima-Callao.

Un tramo de la nueva línea ferroviaria urbana de 11,6 km que discurre por condiciones geológicas altamente variables, las cuales incluyen principalmente grava gruesa mezclada con arena, arenas limosas y arcilla y limo, se excavará mediante la tuneladora de densidad variable. La máquina tiene un diámetro del escudo de 10,21 metros. La tuneladora de densidad variable puede funcionar en el modo de presión de tierras y de presión de lodos, y puede alternar entre los modos de funcionamiento con un ajuste continuo del soporte de la presión del frente en función de la geología predominante, sin necesidad de realizar intervenciones en la cámara.

La tuneladora está diseñada con un transportador de tornillo sinfín doble de DN1150. La disposición de tornillo doble incluye una compuerta plana entre el primer y el segundo tornillo, y una compuerta de descarga de escombros situada al final del primer tornillo, para la descarga de los escombros en una cinta transportadora en el modo de presión de tierras presurizado o abierto. En el modo de presión de lodos, la compuerta de descarga del primer tornillo se cierra y la compuerta plana entre el primer y el segundo tornillo se abre para que el lodo pueda descargarse en un mezclador de lodos (con una capacidad de 36 m³) instalado al final del segundo tornillo. El mezclador de lodos (Slurryfier box) contiene una machacadora de piedra (machacadora de mandíbula) que reduce las partículas más grandes a un tamaño adecuado para el transporte líquido a través del circuito de lodo que conecta con la planta de tratamiento de lodos de la superficie. En el modo de presión de lodos y alta densidad, la transferencia del lodo a lo largo del tornillo sinfín se realiza mediante una combinación de transporte mecánico e hidráulico.

En caso de que se requiera simplificar el mantenimiento de la trituradora, debe cerrarse la compuerta plana del transportador de tornillo y se puede acceder al mezclador de lodos al aire libre.

La línea de Shatin a Central Link (SCL) en Hong Kong es una infraestructura ferroviaria estratégica que se extiende desde Tai Wai hasta Admiralty. Conecta diversas líneas ferroviarias existentes y atraviesa varios distritos de Hong Kong. Cuando esté terminada, dará servicio a áreas de East Kowloon que actualmente no tienen ningún servicio de metro y también reforzará las conexiones entre los Nuevos Territorios y la isla de Hong Kong.

La empresa conjunta de Dragages-Bouygues se adjudicó el contrato para construir 2 x 2 túneles que formarán parte de una ampliación de 6 km de la línea de Shatin a Central Link. Las obras de perforación comprenden dos túneles en el tramo este (ascendente y descendente), cada uno de aproximadamente 590 m de longitud, que discurrirán desde el edificio de ventilación sur y la nueva estación de Exhibition de la línea de Shatin a Central Link; y dos túneles en el tramo oeste (ascendente y descendente), cada uno de aproximadamente 510 m, que se excavarán entre el punto de salida de emergencia de Fenwick Pier y la actual estación de Admiralty. Los túneles ascendentes son muy profundos; los túneles descendentes son poco profundos. Todos los túneles deben construirse en condiciones geológicas complejas, que incluyen una geología muy variable compuesta principalmente de granito completamente descompuesto (CDG) con la presencia de cantos rodados, piedras duras y zonas de transición en condiciones mixtas del frente y secciones de aluvión y depósitos marinos. Estas condiciones heterogéneas a lo largo de las secciones específicas requieren el uso de dos tipos diferentes de tuneladoras, una de presión de bentonita (Mixshield) en el frente del túnel y la primera TBM de densidad variable empleada en la ciudad.

Con la tuneladora Mixshield está previsto excavar tres tramos: los dos túneles del tramo oeste y el túnel ascendente del tramo este. La primera tuneladora Mixshield comenzó a funcionar en marzo de 2016. El 19 de agosto de 2016 se puso en marcha la nueva generación de TBM multimodales de suelo blando, las tuneladoras de densidad variable (Ø de 7,41m), para excavar el tramo poco profunda de los túneles del tramo este. Este tramo se caracteriza por grandes cantidades de material de relleno que a menudo se componen de bloques de relleno de roca procedentes de la antigua zona del rompeolas. La tuneladora de densidad variable se puede adaptar continuamente a la densidad del frente para afrontar las exigencias que plantean las condiciones de suelo variables y de poco recubrimiento previsto.

La tuneladora puede funcionar tanto en el modo de presión de lodos como en el de alta densidad. Este último modo se utiliza para afrontar una geología muy variable asociada con poco recubrimiento, localmente inferior a 1D, en la que los posibles riesgos como blow outs y asentamientos podrían suponer un problema al usar el modo de presión de lodos. Como la tuneladora también se puede utilizar con HDSM, la planta de tratamiento de lodos de la superficie está diseñada para suministrar HDSM a la TBM.

La empresa conjunta formada por Salini Impregilo S.p.A. y NRW Pty Ltd fue contratada para construir los túneles ferroviarios de doble tubo del proyecto del enlace del aeropuerto de Forrestfield en Perth, Australia. El enlace del aeropuerto de Forrestfield es una nueva línea ferroviaria que incluye dos túneles gemelos con una longitud perforada de aproximadamente 7,14 km. Esta nueva línea de ferrocarril conectará Bayswater Junction con Forrestfield. Un tramo principal del túnel cruza por debajo del recinto del aeropuerto de Perth. Esto incluye la delicada área que pasa por debajo de las pistas del aeropuerto, los carriles de circulación y los edificios.

Las condiciones esperadas del subsuelo a lo largo del trazado del túnel excavado se caracterizan por ser variables. Se espera que en la alineación propuesta del túnel probablemente prevalezcan las capas de arena, arena arcillosa y cemento, con diferentes grados de resistencia y cimentación. Está previsto que la mayor parte de los túneles esté formada por condiciones mixtas en el frente debajo del nivel freático.

Teniendo en cuenta la variabilidad de las unidades geológicas previstas, se ha planteado la utilización de dos tuneladoras de densidad variable. Las TBM, con un diámetro de 7,05 metros, se utilizarán a lo largo de todo el trazado del túnel en el modo presurizado cerrado, para garantizar la estabilidad del terreno durante la perforación. Cuando estén listas, las máquinas se introducirán en el portal de Forrestfield, extendiéndose hacia el oeste y terminando en el portal de Bayswater.

Las tuneladoras de densidad variable para el proyecto del aeropuerto de Forrestfield están configuradas para operar en el modo de presión de tierras cerrado y en el modo de presión de lodos, con una cámara de excavación llena y un soporte controlado de la presión del frente del túnel. Tanto en el modo de presión de tierras como en el modo de presión de lodos, se extraen los escombros de la cámara de excavación presurizada mediante el tornillo sinfin y se procesan posteriormente con lodo líquido y el transporte hidráulico del material a través de un circuito de lodo cerrado y presurizado, en función de si se emplea el modo de presión de lodos o de HDSM, hasta una planta de tratamiento de lodos situada en la superficie. Para permitir el transporte hidráulico de los escombros, al final del tornillo sinfín estos se transfieren a un mezclador de lodos (Slurryfier Box) para el licuado del material excavado. Se ha instalado una trituradora de rodillos en el mezclador de lodos que procesa el material hasta reducirlo a un tamaño adecuado para su evacuación hidráulica mediante el circuito de lodo.

Las dos tuneladoras de densidad variable de Perth empezaron a excavar el túnel a mediados de 2017.

En el pasado, se han llevado a cabo con éxito una gran cantidad de proyectos de túneles en áreas delicadas. Las máquinas utilizadas hasta la fecha ofrecen los más altos estándares técnicos y de calidad de la tecnología de túneles mecanizados para superar los desafíos y las tareas individuales del proyecto en interés de los clientes, los usuarios y el medio ambiente.

Con la introducción inicial de la tecnología de tuneladoras multimodales en la década de 1980 y su posterior desarrollo para ofrecer la posibilidad de cambiar entre varios modos de funcionamiento dentro del túnel, por ejemplo entre el modo de presión de tierras abierto y cerrado o el modo de presión de lodos, y también entre los dos modos de suelo blando, se sentaron las bases para la nueva generación de TBM de suelo blando multimodales, las denominadas tuneladoras de densidad variable. Estas máquinas, incluso las tuneladoras pequeñas o medianas, pueden cambiar fácilmente entre los modos de funcionamiento de presión de tierras y de presión de lodo con un ajuste continuo de la presión del frente.

Una gran ventaja tecnológica de estos tipos de máquinas es que la presión ajustada del frente también se puede mantener durante el cambio del modo de funcionamiento, lo cual evita las intervenciones en la cámara de trabajo. La gran cantidad de aplicaciones de esta nueva generación de tuneladoras de suelo blando multimodales muestra la ventaja de disponer de una solución segura incluso para áreas de alto riesgo potencial, con el fin de apoyar los trabajos de asentamiento controlado con un menor impacto para las personas y el medioambiente.

La mayoría de los proyectos de túneles actuales presentan una geología y un entorno heterogéneos y complejos, con la exigencia adicional que supone pasar por debajo de estructuras importantes y delicadas. Con la tecnología de tuneladoras de densidad variable más reciente, estos proyectos se pueden llevar a cabo de una forma segura y fiable.

Referencias

[1] K. Bäppler, W. Burger, Evolución de las máquinas multimodales para condiciones de suelo complejas, Congreso de Túneles de Suiza 2016, p. 122-129