Excav.mec.de Tuneles

Laureano Cornejo Alvarez

EXCAVACION MECANICA

TUNELES

LAUREANB CORNEJO ALVAWEZ

Ingeniero de Minas Secretario de la AsocieciOn EspaAola

de Túneles y Obras Subterrhneac

Edito uia i Rueda

PORTO CRISTO, 13 - ALCORCON (Madrid)

APARTADO 43.001 - TELEFONO 61 9 27 79

Copyright O 1988. Editorial Rueda, S.L Porto Cristo, 13 - Teléf.: 6192779 Alcorcón (Madrid)

I.S.B.N.: 84-7207-050-6 Depósito legal: M. 19.473-1988

Imprime: GRAFUR, S. A. Ctra. Paracuellos a Belvis, km. 0,3 Apartado 39.083 .. MADRID

A l@ memoria de mi padre.

1988 sera recordado en Lodo el inundo como un aEo importante en la construcción de tlíne1es:ya ha circul~do elprimer tren por el tl4neE submarino deSeikan en Japón, recono- cido como el proyecto de mds d@cil realización del mundo; se han reemprendido las obras del tlínel del Canal de La Mancha, y esta cuarta ten fativa de los 16Etimos cien a h s permite vislumbrar Pa posibilidad de unir G m n Brecaiia con el continente; se esfdn cons- truyendo muchos y muy importantes túneles ferroviarios, melropo[ihanos, hidráulicos y de aguas res iduale~~ y seplanea una nueva época depegomción de taáneles haciendopro- gmmas p a m el inmediato futuro.

Resulta, pues, hepropiado que sea &te el aEo en que sepublique Ya primera edicidn de Ea excavación mecanica de taíneles, de Laureano Corngo, un libro que sewbrd de constante fuente de refirencias p a m diseKadores y constructores, a los que les es vital com- prender eE rbpido cambio y el permanente crecimiento que se produce en la 'heecnologh de la excavación mecdnica de tabneles.

Se ha venido necesitando durante anos un tmbajo serio sobre este tema: muchos constructores de fdnedes con experiencia,fambliarbrados sólo con uno o dos tipos de mdquinas pe~oradoras, necesitan mbs información para preparar licitaciones de futuros tmbajosp algunos contmtistas, ewerimentados en la pegoración en roca, necesitan conocer las ú.5- timas fkcnB'cas de excavación en terrenos mixtos o en suelos saturados de agua. Acompa- 6ados de buenas ilustraciones, se explican con claridad en este Iibro las abltimas técnicas y los mas modernos equipos.

Los principios defracrumción de Ea roca y sus relaciones fundamentales con la ingenieria estdn expiicados con e( detalle suficiente como para que puedan ser uli%izados por todo ingeniero que desee tener una base clara p a m el razonamiento en la excavación me- canhada. Estos principios bdsicos de ingenieria hacen del libro Ea excavación mecáinica de theles una referencia sin limites temporales y un texto que se podrá usar con con- fianza en el futuro.

AsBpues, aquitenemos unapublicacidn única en /a Eitemtum técnica de túneles: un libro que no so'lo hace referencia a los equiposy a las técnicas, sino que incluye también un emtado didddico de la relación enae ciencia e ingenieria.

Laureano Cornejo es un ingeniero de kaáneles del Departamento Geocécnico de Eapres- tigiosa empresa constructora eespa6ola AGROMAN> de Madrid. Su empresa y él han constmido muchos tzdneles tanto en terrenos montafiosos como urbanos. Este libro está pensado para los que practican Ia pedoracidn de tdneles, los que losplan~>can, los dise- 6an y, sobre todo, Pos construyen. Damos, pues, da bienvenida a esta ayuda ean necesaria para los que hemos elegido este trabCkjo.

Richaad J. Robbins, Presidente de

ñhe Robbins Company

The year 1988 will be remembered around the wor1d as an important year in tunnel construction. The Brst train passed through Japan's undersea Seikan Tunnel mar- king the completion of what must be recognized as the world9s most dificult tunnel project. The Channel Tunnel is again under way and this, the bur th start of construction in the past 100 years, seems certain lo link Great Britain to the continene. May important rail, subway, sewer arad hydropower tunnels are being built and other epoch making tunnels are planned for the near future.

It is appropriate, therefore, that 1988 will be lhe year of publication of the first edi- lion of La Excavacio'n Mecánica de Tdneles by Laureano Cornejo. This book will be a reference iw constant use by tunnel designers and builders to whom it as essential to understand the rapidly growing and changing teehnology of mechanical underground excavation.

A serious work on this subject has been needed for years. Many experienced tunnel builders are familiar with only one or two types of tunneñ boring machines but need more information to prepare a tender for an upeoming job. Some contractors have experience with rock boring but need to know about the latest techniques to ex- cavate in mixed ground eonditions or in water saturaaed soil. The Patese equipment and techniques are explained clearly in this book and accompanied by good illustra- tions.

The principies of rock breaking and hndamental engineering relationships are explained in sufliicient detail to be used by the serious engineea who wishes to have a clear basic understanding of mechanical excavation. These fundamental engineering principies make the book La Excavacis'n Mechna'ca de Thneles a timeless reference and text which can be used with eonfidence many years into &he future.

We have here a uniqjue addition lo the technical literature s n tunneling: a book which is not solely a reference of equipment and techniques but also a scholarly trea- tise on the scientific and engineering relationships.

kaureano Cornejo is a tunnel engineer with the Goetechnical Deparlment of the prestigious Spanish construction firm of AGROMAN, Madrid. He and his firm have built many tunnels in both urban and mountainous terrain. This book is for the practi- tioners of tunneling, the planners, designers and esgecially the tunanel buiiders. We welcome this much needed addition to he%p guide us Pn this our chosen work.

Richard J. Bobbiaas, President

"he Robbins Comgany

dn dice

LISTA DE SIMBOLOS ..........*............. .............................................. . Capitulo 1 FUNDAMENTOS .. 1

1 . 1. Introducción ................... .. ......................................................................... 1 1.2. Utilesdecorte ........................ .. ............................................................. 3 1.3. Picas .................... ... .................................................................................... 4

1.3.1. Relaciones básicas ...................................................................... 5 1.4. Cortadores para roca ........................................................................... 9

1.4.1. Cortadores de disco .............................................................. 9 ........................................... 1.4.2. Cortadores de rodillo dentado 18

1.4.3. Cortadores de botones ............................................................ T. i 19 1.4.4. Rotura por impacto ..........................m.................... 21

................. 1.5. El mecanismo de corte asistido con «Jets» de agua 23 ...................................................................... 4 . 5. P . Picas de fricción 23

........................... 1.5.2. Cortadores de rodillo «rol%ing cutter)) 24

.................................................................................................................... Bibliografia 30

Capitulo 2 . MAQUINAS TOPO (TBM) ..........................o~....... 33

............................ 2.1. Definición general ............ ...........O.....................4

........................................................................... 2.2. Componentes esenciales ..................................................................................... 2.3. Desarrollo histórico

............................................................................. 2.4. Principales fabricantes 2.4.1. Wobbins de Seattíe (USA) ......................... .. ..........O......... 2.4.2. Atlas Copco (Suecia) .................... ................... ...............O........... 2.4.3. Lovat Canadiense ................... .. ................V...........................

......................... 2.4.4. Mannesmam-Demag .. ..................s................ .......................... 2.4.5. Wirth (Alemania) .. ....................................

2.4.6. Bouygues francesa ....................... ................ ..............O.................. ... 2.5. Factores que influyen en el rendimiento de las mhquinas

.................*...... ....O.... 2.5. 1 . Efecto de la Biaerza por cortador ... ............................... 2.5.2. Efecto de Ia separación entre surcos

2.5.3. Efecto del desafilado de los cortadores ...................... ..... ....... 2.5.4. Efecto del número de revoluciones de la cabeza

2.6 Nuevos desarrollos en las mhquinas topo .................... .. .......o... 2.7. La mecánica de rocas y los topos ................... .. ..............m..............

............................................................... 2.8. Estimación de rendimientos .......................................................... 2.8.1. Penetración neta (PN)

...................................................... 2.8.2. Coeficiente de utilización ............................................... 2.8.3. Horas kítiles trabajadasidía

2.9. Estimación de costos de excavación con topo ........................ ..... ........................................... 2.9.1. Costo de mano de obra (CMO)

.................... ...............m....*. 2.9.2. Costo de maquinaria (CMQ) .. ................................................ 2.9.3. Costo de cortadores (CC)

2.9.4. Costo de mantenimiento. reparaciones y energia ............................................................. ...................... (CM=) ... 73

2.9.5. Costo de gastos generales (CGG) ....................... ..... 74 2.9.6. Costo total de ejecución material (CTEM) ................... 74

Capitulo 3 . MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL . ROZADOMS . 77

Introducción ................................................................................................ 77 Sistema de trabajo ..............................~o............................... 78 3.2.1. Ataque puntual .............................................................................. 78 3.2.2. Sistema de corte ...................................................... 78

.............................................................................. 3.2.3. Utiles de corte 80 3.2.4. Sistema de carga de escombros .................e......................... 88 Clasificación de máquinas ................... .. ....................................... 91

.........*.*....... .............................. 3.3.1. Máquinas de peso medio .. 91 .........*......... ....................................... 3.3.2. Máquinas pesadas .. 91

........................................................ 3.3.3. Máquinas muy pesadas 91 Criterios para 1a elección de una rozadora ..........O...................... 97

............................... 3.4. 1 . Resistencia a comprensión de la roca 97 3.4.2. Condicionanates geométricos ......................... ............... . . . . . 98

............. .................... 3.4.3. Condicionantes geomec&nEcos ... 98 3.4.4. Pendientes de trabajo ........................................................ 98 3.4.5. Besi611 transmitida al terreno ............................s.... 100

................. 3 .4.6. Características especificas de cada m6quina 100 Rendimiento de rozado ...................................................................... 100 Costo de utilización ........................ .. .................................................... 105 3.6.1. Costo de excavación .................... .. ...................................... 105

....................... ................... 3.6.2. La abrasividad de las rocas .. 108 Desgaste de picas .................... .. ............................................................ 111 3.7.1. Influencia de Pa resistencia a comprensibn de Ia roca . 113

........ 3.7.2. Influencia de Ba resistencia a tracción de la roca 114 ........................ 3.7.3. Influencia de Ha abrasividad de la roca ..... 115

...... 3.7.4. Influencia del disefio y calidad de los materiales 115 .................................... 3.7.5. Influencia de la velocidad de corte 116

................................................................. La sozabilidad de las rocas 117 ................... ....................................... 3.8.1. EI test de Goodrich ... 117

.. 3.8.2. El test de rozabilidad Voest-Alpine ..........................e 119 ............................ Ventdas que ofrece el empleo de rozadoras 919

.......... La excavación asistida con chorro de agua (Water Jet) 119 Campo de utilización .................... ... ................................................ 120

............................................................... 3 . 11 . B . Limitaciones técnicas 120 ....................................................... 3 . 11.2. Limitaciones econ6micas 121

................... Los mktodos constructivos en t%áneles y rozadoras 12% Principales fabricmtes .... ... .................................................................... 123

Bibliografía .......................... .............. .................................................................................... 128

Capitulo 4 . LA EWCAVACION MECANICA DE TERmNOS ................................................... BLANDOS . LOS ESCUDOS 129

Qué es un escudo .................... .... ....................................................... 129 Evolución histórica ................................................................................... 130 La mechnica de suelos y los escudos ........................................m.. 135

................ Distintos comportamientos de los terrenos blandos 138 .......... ........................... Componentes básicos de un escudo ............. 139

Tipos de escudos ....................... ... ........................................................ 141 Técnicas auxiliares de estabilización utilizadas en la construc- ción de tbaneles ....................... ................. ....................................................... 192

............................................. Criterios para la elección de escudos 204 ............................................................................. Tipos de revestimiento 204

Inyecciones de contacto ...............................o~.................. 2 16 Costos .............................................................................................................. 218

Bibliografia ......................... ........ ......................................................................... 220

Capitulo 5 . LAS TECNICAS DEL MICWOTUNEL .......................o......... 221

5 . B . Definición ...................................................................................................... 221 5.2. Campo de utilizacP6n .............................................................................. 221 5.3. Clasificación segbgn diámetros ..................... .. .................................. 221

...................... 5 - 4 Ea técnica del microtúnel en Jap6n .. ................. 225 5.4.1. Método de empuje ......................................... .............. 226 5.4.2. Método Auger ................................................................................ 229 5.4.3. Método de perforación horizontal ................... .... ...O 231 5.4.4. Método de excavación en túnel con escudo de lodos . 232

5.5. La tkcnica de8 microtbanel en Alemania ..........................................O 236 5.5.1. Sistema Telemole .................................................................. 237 5.5.2. Sistema Hansemole ..................................................................... 239 5.5.3. Escudo articu%ado Dmidag ........................... ... .............. 239 5.5.4. Método de empuje de tubos (Pipe-Jacking) .................. 240

5.6. Tkcnicas de perforación con control direccional para tendido de tuberias ......................................................................................................

5.7. Sustitución de pequefio diámetro mediante un dispositivo «revienta tuberias)) ..................... .. .......................................................... 245

.............................. 5.8. El agua a presión y Ba técnica del microtúnel 247 5.9. Tendencias futuras ...................................................................................... 248

Bibliografia ......................... ...... ....... .. ........................................ 249

Apkndice I . CORmLACIaONES ENTRE MSULTADOS DE EN- SAYOS DE LABOMTORIO Y DATOS J8.EALES OB- TENIDOS DUMNTE EA PERFOMCION CON MA- QUINAS TUNELADOMS ................... ... .......................... 251

Bibllografia ..................................................................................................................... 252

Apkndice II . ENSAYOS DE EABOMTORIO PROPUESTOS POR EA SOCIEDAD BNTEWACIONAE DE MECANICA DE ROCAS PARA DETEMINAR LAS PROPIEDA- DES DE LAS ROCAS EN ELACION CON SUS ME-

.................... TODOS DE EXCAVACHON MECANICA ... 253

......................... Apéndice IBII . LA ROZABIEIDAD DE LAS ROCAS 255 MI1

................. ApCgedice IV . TABLAS DE USO FWCUENTE (ROCAS) 271

Bibliografia ...................................................................................................................... 290

ApCndice V . TABLAS DE USO FRECUENTE (TE SUELOS) .......................................................................................... 29%

LISTA DMSIMBBLOS CAPITULO l.

= Fuerza normal. = Fuerza de corte. = Profundidad de corte. = Ancho de pica. = Angulo de la punta. = Resistencia a ía compresión simple de Ba roca. = Resistencia a la trascidra de la roca. = Resistencia a cortante de la roca. = Wid. = AnguBo de inclinación. = Angulo de deslizamiento. = Angulo de rozamiento interno. = Separacibn entre picas. = Factor de distribución de tensiones (aprox. n = 12 -

éei5). = Angulo de limpieza. = Angulo de inddencia. = Fuerza resultante ejercida por un cortador de disco. = Fuerza de corte ejercida por un cortador de disco. = Fuerza de penetraci6n ejercida por un cortador de

disco. = Fuerza de eodadura ejercida por un cortador de dis-

co. = Diáimetro del disco; fdrmula (6). - Penetracidn del disco; fórmula (6).

K ( e ) -- - tan - q 2

= r h = Radio de la zona triturada. = Profundidad de penetraci6n; fórmula (6) . = Angulo de la cuna. = Espaciamiento entre discos. = Longitud de las fracturas.

= Fuerza media de penetración. = Fuerza media de rodadura. = Angulos que determinan los planos de debilidad. = Fuerza media de rodadura en función de 0'. = Fuerza media de rodadura en función de 0'. --- diáimetro del disco; fórmula (15). = Penetración.

= Radio del paso de avance; fórmula (17). = Penetración media del diente. = Energía especifica de impacto. = Tamafio nominal del fragmento de roca. = Distancia de8 impactador a una cara libre; fórmula

= Semiáingulo de la cufia; fórmula (21). = Angulo de friccidn entre la roca y el acero; fBrmula

(21).

CAPITULO 2.

= Diámetro del t6nel o de meiquiaaa. = Diámetro de máquina modelo reducido. = Fuerza de trituración. = Fuerza de trituración modelo recudldo. = Fuerza de Braacturación en lajas. = Fuerza de fracturación en lajas modelo reducido. =Coeficiente de desgaste (gramos de 6til pérdidosim3

de roca excavada). = Coefi"ncente de desgaste modelo reducido. = Penetración neta de Ba máquina. = Penetración neta de la máquina modelo reducido, = Empuje de Ia mhquina. = Empuje de la mhquina modelo reducido. = Exponente. = Avance medio estimado-dia. = Horas %ítiles trabajadas-dáa. -: Coeficiente de utilizaciépn de la máiquina. = PenetraciBn efectiva. = Penetración neta. = Coeficiente de minoraci6n de Ba jornada laboral. = Coeficiente de estimación del estado de la mhquina

y los cortadores. = Penetraci6n neta en piesihora. = Penetracisn neta en piesihora para discos con áingu-

lo dledro 60". =Penetración neta en piesihora para discos con ángu-

lo diedro 90". = Velocidad de rotación de la cabeza en s.p.m. = Empuje sobre el tallaate en libras. = Empuje por cortador en libras. = Densidad por pie c6bico. = Densidad en gramos por cm3.

sj KS l r u j A. VS ~ M O

d C M 0 coa NHR M

= Móádulo de elasticidad estitlca en Psi. = Dureza Shore. = Resistencia a la compresiésn simple esa Psi x 103

KPsi. = Empuje en libras. = Presiépn en Psi x 103 KPsi. = DiBmetro del teánel en pies. = N6mero de tallanates en contacto con la roca. = Hundimiento en pies del punzón en el primer des-

conchado. = Carga en libras ejercida sobre el punzón en el primer

descascarallado. = Constante. = Constante de formación. = Indice de penetración en libras por pulgada. = Resistencia a la compresión simple en (Psi). = Fuerza vertical sobre el cortador. = Resistencia a compresión de la roca. = Resistencia a cortante de la roca. = Dialmetro del cortador. = Angulo de filo del cortador. = Separacibn entre surcos. = Penetración del cortador. - Drilling Rate Index. = Valor que representa ía fragilidad de una roca; en-

sayo de caBda (drop test). = Resistencia a la Pndentación (ensayo Siever). = Coeficiente corrector de la penetración. = Indice de abrasividad de la roca (Cutter Bife Index). = Valor de abrasión (ensayo de abrasión). = Indice de mano de obra. - Dialmetro del topo. = Costo de mano de obra. - Costo total horario del operario tipo representativo, = Duración del relevo en horas. = Metros avanzados por relevo. = Costo de maquinaria. = Costo del equipo. -. Longitud del túnel. = Amortización del equipo en a5os. = HnterCs del dinero. = Costo de los cortadores. = Costo de un cortador. = Longitud recorrida por un cortador (Km.). = Profundidad efectiva de corte (cm.). = NGmero de cortadores.

DT = Duración del tbPnel en dáas. HTD = Horas trabajadas por dáa. FD = Factor de disponibilidad de la maquina. CU = Coeficiente de utilización de la miquina. o/e: = Vida del cortador en horas. CMWE = Costo de mantenimiento, reparaciones y energía. CGG = Costo de gastos generales. CTEM = Costo total de ejecución material.

CAPITULO 3.

= Resistencia a Ba compresi6n simple de la roca. = Resistencia a Ia tracción de la roca. = Peso especifico de la Muestra Seca de Roca. =Valos medio de los valores obtenidos con el martillo

Schimdt. = Peso de la máquina rozadora. = Potencia de la cabeza de corte. = Potencia total de Ba máiquina. = Coeficiente de calidad del disefio de Ia máquina. = Tenacidad de la roca. = Rendimiento de excavación con rozadora. = Coeficiente de eficiencia. = Rendimiento instantineo de excavaci6n con roza-

dora (sobre perfil). = Horas trabajadas dias. = Coeficiente de tiempos muertos. = Coeficiente de tiempo disponible para el rozado. = Ratio Pc/PT. = Radio Pc/W. = Ratio PM/Pc. = Watio PMlW. -: Precio de la máiquina. = Costo de utilización de la miquina. = Costo de excavación. = Costo de Picas. = Costo de Instalaciones. - Volumen rozado. = Tiempo en rozar 1 m3. = tl 9 e,. = Tiempo invertido en el sostenimiento. = Cceficiente de abrasividad Schimacek. = Porcentaje volumétrico de minerales abrasivos. = Samafio medio del grano de cuarzo. = Velocidad crítica de giro de Ia cabeza.

K = Coeficiente.

= Volumen del sólido excavado (m3). = Tiempo (min). = Peso específico aparente (t/m3). = Peso específico del lodo suministrado. = Peso específico del lodo evacuado. = Caudal del lodo aportado (m3/miam). = Caudal del lodo evacuado (m3/min). = Para de la máquina (Txm). = Diámetro de la máquina (m). = Coeficiente de par. = Coeficiente de rigidez del suelo dentro de %a calmara

de trab-o. = Sección de excavación. = Velocidad de avance del escudo (rn/h). = Voíumeam teórico descargado en una revolución del

sinfln (m3). = Número de revoluciones del sinfin por unidad de

tiempo (Uds/h). = Coeficiente de eficiencia en la descarga del sinfin. = Presión de trabdo. = Presión vertical a Ba profundidad del taínel. = Cohesión de la arcilla sin drenaje. = Cantidad de aire. = Coeficiente de permeabilidad. = Sección de excavación.

Fundamentos

Dentro de Iss mdtodos de excavación de t6neles la excavación mecAnica, entendiendo como tal la que se realiza a plena sección mediante la acción directa y continuada de 6tiles o herramientas de corte sobre el terreno a exea- var (roeas y/o suelos) es, sin duda, la que ofrece mayores posibilidades de desarrollo y expansión.

Los trabaos de construcción de tGneles plantean una paoblematica especifica como consecuencia de las limitadas dimensiones y accesibilidad del frente de trabdo, por una parte, y de las desfavorables consecuencias que puede acarrear en eí medio circundante (roturas, deformaciones, filtraciones) la apertura de un hueco continuo en su interior, por otra parte.

La constmedón con 6xito da un t b e l exige la aplicacidn de unos m6to- dos y una sishemhtica de trabajo que permita la obtención de unos rendimientos adecuados, manteniendo, por otra parte, la estabilidad general del entorno afectado.

La excavacidn mecinica, mediante el progresivo desarrollo de nuevas miquinas con nueva tecnslogia y la ayuda da técnicas constructivas complementarias, es capaz de conseguir esos objetivos aportando altos grados de mecanizacibn y automatización.

Permite tambibn realizar Ba excavación alterando en pequefia medida las caracteristicas resistentes iniciales del terreno, integrando desde el primer momento e% revestimiento al proceso constructivo, mediante la coIocaci6n sistemhtica del mismo detras de la mhquina, con una efectiva interacci6n entre el revestimiento y la excavación.

Sin embargo, en algunos casos estos objetivos no son fkclles de conseguir.

Ea variabáldad de los terrenos y de sus propiedades geomecáinlcas a lo Bargs del tbnel, asi como la de las condiciones impuestas por el entorno (presencia de agua, construcciones próximas...), con frecuencia plantea problemas constmctivos por la falta de adaptación de la maquinaria utilizada a situaciones muy distinhs y dispares.

La versatilidad de las máiquinas debe, por tanto, tenerse muy en cuenta en el momento de hacer su elección.

Actualmente se esth investigando en al desarrollo da miquinas verskti- les, eufemisticamante llamadas «tunedadoras universales», que en un futuro podrhn, con la ayuda da t6cnisas auxiliaras (inyección, congeIaci6n, aire compdmido, abatimiento del nivel Beáatlco), excavar en cualquier tipo da terreno y en cualquier situacidn.

Otra lBmIitas16n da la excavación mechnlca estB en la dureza, tenacidad y abrasividad de las rocas, que pueden hacer el procedimiento antieean6mico e inviable.

En estos casos se hace necesario e! empleo de explosivos, que es otro de los mbtsdss tradicionales de exeavaciCsn en roca y que est& contribuyendo en gran manera a la realización satisfactoria de importantes y nurne-. r080s proyectos subterr&neos.

Cada tipo de maquinaria tiene sus propias limitaciones en relación con la dureza de las rocas que puede excavar.

En Baa figuras Be% y 12 se indican estos limites para las mSquinas topo (TBM) y para las mkquinas de ataque puntual (rozadoras).

Wecisrencia Mpa (N/mrnZ)

1 Pv~N = "!O Tora: 1 MN = 220700 libras

a 50 - Rozadora cabeza rlpping

? 00

- O - O Wozadara

50 cabeza mi111ng

100 150 203 250 300 KW (cabeza d e corte)

CAP. 1. FUNDAMENTOS 3

En la exc~vaci8n macinica se emplean distintas herramientas o dtlles da corte, y que podemos resumir en las figuras 1.3 y 1.4:

- Picas de fricción (drag plcks). - Cortadoras de disco. - Cortadoras de rodi%l~ dentado. - Cortadoras de botones, -- Impactadoaes. - Cortadoras vibrantes.

Para poder analizar los mecanismos de corte de los distintos titiles utiíi- zaremos los tres par&metros fundamentales propuestos por Frank F. Roxbo- sough [2] :

a) Fuerzas de rodaduras, molienda o corte (F, y FR).

b) Fuerzas da empuje (FN y FT).

e) Energda especifica (SE) deh ida como el trabajo realizado pos unidad de volumen de roca excavada; esta es la principal medida de la eficiencia de coste.

La eficiencia de un sistema de excavaci6n mechnica depende no s8io de la eficacia individual de los dtiles de corte considerados aishadamen%e, sino tambkCn, y sobre todo, de ía de todas las herramientas cansederadas como un conjunto cuyos elementos interaccionan entre si.

Pica de desgaste Cortador de

' B F~ ', Cortador de F ~ .

Rueda dentada FT 4

botones

FT

48

Figura 8.3. Utiles de excavación rnechnica. (R Roxborough, 8985.)

EXCAVAGION MECANICA DE TUNELFS

Espaciamiento ancho m

L 1 4 W l S

Espaciamiento estrecho

S<<2 d l g 0 a Angulo de inclinación 0 Angislo de rotura hacia fuera d Profundidad de corte W Ancho de pica C Separación entre picas

Figum 1.4. Geometria de la situacidn de coite con pica de cincel. (E Woxborough, R. Phi%l@s, 1980.)

En la excavación de rocas efectuada con m&quinas de ataque puntual (rozadoras) y/o mAquinas tuneladoras para terreno blando, se utilizan en gran medida como herramientas de corte, las Ijarnadas picas de fricción (drag picks) que bhsicamente consisten en un inserto de metal duro (widia) dentro de una matriz de acero de alta dureza y tenacidad.

El campo óptimo da utllizaci6n de las picas de fricción esta dentro de las rocas cuya resistencia a la compres16n no supera íos 800 $-/cm2, o valores abn menores si la roca es muy abrasiva o masiva.

En el estado actual de la tecnologia los valores mhimos para un rozado económico de la roca con máquinas pesadas y potentes oscilan entre los 80- 120- N/mm2 &800-Im200 kgiem2) para la resistencia a compresión de la roca, con una resistencia a la tracción de 10 N/mm% y un coeficiente de desgaste Schimacek de 0,s NJmm.

Los parametros que influyan en e% proceso de excavacidn mec6nica son los siguientes:

Fpr""Fuer~ai normal. Fc**Fuerza de corte. d*"Profundidad de corte.

CAP. 1. FUNDAMENTOS

W**Ancho de pica. LB**A-ngulo de la punta. &**Resistencia a compresi6n da da roca. R?*Resistencia a tracción de la roca. Rco&**Resistencia a coaante de la roca. K**Wld. a**Angulo de inclnaci6n. y**Angulo de deslizamiento. q**Angulo de rozamiento interno. S**$eparacidn entre picas. ne*Factor de distribuci6n de tensiones (aprox. n=B2-a/5). P**Angulo de limpieza. q**Angulo de incidencia.

1.3. P . Relaciones Básicas

4,3.4.I. En rocas Blandas (Carbbn)

Ensayos realizados en minas de carb6n han puesto de manifiesto algunas relaciones b8sicas que se indican en las grbñcas adjuntas (figura naEmaro 1,5). Los principios fundamentales propuestos por Evans y Pomeroy, 1966 [4] son los siguientes:

1, Las picas en forma de simple cincel son mis eficientes que las de formas complejas; la pica en forma de punta de lhpiz es la menos efectiva ya que concentra menores fuerzas, siendo, por tanto, la producción menor con una geneiadón de polvo mayor.

2. Las picas grandes son mis eficaces que las picas pequeaáas; el ingulo a de inclinación debe ser el mayor gosibBe, pero probablemente no mayor de 20". El ingulo B (back clearance angla) debe estar comprendido entre 5" y 10".

3. La anergia especifica se reduce para cualquier forma de pica, a medida que se incrementa Ba profundidad de corte. Los cortes superfidales son muy ineficaces (Figura 1.5 D).

4. Ea velocidad de corte dentro de un intewalo no tiene efecto ni sobre las fuerzas aplicadas a las picas ni sobre laas eneaga'as de corte.

5. Para una mkima eficiencia de rozado la separación entre picas debe estar entre dos y tres veces el valor de la profundidad de corte deseado (Figura 1.5 E).

6. Profundizar una hendidura mediante una sucesi6n de cortes es muy ineficaz y debe evitarse. Mientras la hendidura se profundiza, la rotura, defi- nida por el Bngullo 8, queda ínhibida y las picas adyacentes no irateraccionan.

---" E m 2

u 3 u u

0 10 20 30 10 20 30 Profundidad mm Angulo a Angulo P

0 10 20 30

Profundidad mm. s/d Profundidad

Figura 1.5. Relaciones bhsicas entre picas de fricción. (A? Roxborough, 1985.)

7. . El rozado en una esquina produce fuerzas elevadas sobre las picas y un consumo elevado de energia. Siempre que sea posible, por tanto, Ba dis- posici6n de picas deber8 proporcionar una secuencia de c o ~ e que comience con %a primera pica atacando sobre una superficie libre existente, exten- diendo progresivamente con las picas sucesivas las superficies libres hasta los limites de la excavacl6n.

1.3.1.2, Bn rocgs duras

Entre ralaciones baásicas obtenidas en carbdn, son validas para rocas duras aunque las fuerzas que han de soportar las picas son mayores y %as relaciones criticas son frecuentemente diferentes. Las mayores fuerzas que son necesarias para ~onseguir el rozado en rocas duras destruyen rgpidame-aente las picas utilizadas en carbón y las rocas abrasivas las desgastan con mucha rapidez redudkndsse drksticamente los rendimientos. Las picas utilizadas en rocas duras son las llamadas «eonical bit» que son un dtil robusto compuesto de un vdstago y una cabeza de acero duro en la cual va un Insefio de punta de widia (Fig. 1.6). Las picas mAs robustas tienen las siguientes carac- kerástlcas s

Diámetro del vástago ................... ..................... ................................................... 38$2 mm Diámetro de la punta ................... .. ........................................................... 30 mm Longitud de /a cabeza ......................................................................................... 68 mm

CAP. 1. FUNDAMENTOS

Pica cónica Para roca dura

Pica radiai (de cincei) Para roca blanda (carbón)

Figura 1.6 Tipos de pica.

F

O O 9-2 0-4 0-6 0-8

Velocidad de corte m.m/s

Figura 1.7. E@c&o de /a velocidad de corte sobre /as fuerzas a aplicar a gna cuarcit~ dum. (Según Cook* 1968.)

En rocas duras y abrasivas se ha puesto de manifiesto la influencia considerable que tiene la velocidad de corte sobre la fuerza normal QF,) y la escasa o nula influencia que tiene en la fuerza de corte (Fc) (Pig. 1-77. Este aumento de la fuerza FN, corno consecuencia del desgasta de la pica, plantea el principal problema de corte a las rozaduras que tienen un empuje y un par limita- dos.

En rocas duras, picas con un ingulo a menor, evitando formas angulosas, proporcionan una mejor durabilidad. Las investigaciones de Murt, Evans (1981) abogan por una forma en punta de tapiz pero con un aingulo 9 bastante inclinado.

El efecto de8 desgaste ha sido medido, encontrhndose que produce un incremento de la fuerza Fc y de la energia especifica en dos o tres veces, mientras que la fuerza FN se incsementa de tras a cinco veces. Sin embargo, el desgaste no es influenciado por el hngulo a ni por la separacidn óptima da las picas, peso si depende de %as propiedades da la roca y, en menor medida, de la forma de la pica.

Ea m-ora de la duaabilidad de las picas se conseguiri con la obtención de nuevos materiales, con la utilizac16n del método de insertos reempáazables mediante soldadura, minimizando la porosidad del carburo y el carbono total, optimizando el contenido de cobalto y el gama60 de grano del carburo e introduciendo nuevos aditivos en la matriz del carburo.

Ea fabricación de materiales de alta resistencia al desgaste puede ser controlada y optimizada mediante programas de computadora.

Se estál investigando actualmente sobre la Ineoag-oraci6n de nuevos materiales como: materiales cerhmicos y diamantes policristalinos.

1.3.2. Fundamentos tedricos de /a rotura

Evans y Nishimatsu proponen las siguientes expresiones para determinar la fuerza de corte y la separación entre picas:

w $E-

2 (Evans, 1972) ( 9 2 )

En 1984 propone una formuladón m6s simple para picas puntiagudas:

16 w: R; d" F, = (Evans 1984) (3)

cosZ f? %

S = a d l / 3 (Evans, 19849 (4)

Las fdrmuías propuestas por Evans asumen que la rotura se produce por tracci6n. En la prálctiea, sin embargo, como el dngulo de inclinaei6n es muy pequefio, se ha comprobado que la fractura de traccidn induce una fractura por cizallamiento. Nishimatsu (1972) propone la siguiente formdacidn para la rotura a cizallamiento para picas de cincel:

2 R ,,,, d w cos (q - a) cos y F, = (Nishinatsu, 1972) (5)

[n + 11 [l - sen (y + q - a)]

CAP 1. FUNDAMENTOS 9

Ya hemos visto la limitación que $Pene la utilizadón de las picas de fric- ción (drag pUs) en la excavación meehnica de rocas, mediante mhquinas de ataque puntual.

Cuando las rocas sobrepasan ampliamente los 1.000 kg/cm2 de resistencia a la compresión y los coeficientes de desgaste superan el valor de F 4 , 5 %-/cm, la excavación se hace económicamea%e inviable.

Este limite se rebasa utilizando la t6cnica de excavacibn de las miquinas da corte a plena secci6n (tuneladora, topo, TBM). Estas miquinas aplican contra la roca mayores energfas (empuje y par) transmitidas a las herramientas de sorte (cortadores).

De este modo se puede abordar la excavación de rocas de resistencias superiores a los 2.500 kg/cm2 con coeficientes de desgaste de hasta F=%,7 kg/ cm.

Seghn la du~eza de la roca se emplean diferentes tipos de cortadores QFPg. 1.8).

Estos tipss son: Para rosas blandas (& < 900 kg/em2)s Cortadores de ruedas dentadas

QTo~thed Rollars).

Para roeas de dureza media (& < 1.700 kg/cm3: Cortadores da disco (diac cutter).

Para rocas duras (& g 2.200 kg/crn"): Cortadores de varios discos con insertos de widia en el filo.

Para rocas muy duras (& < 3.500 kg/cm": Cortadores de rodillo de botones (Roller cutter).

1.41. Cortadores de disco

El cofiador de disco consiste en una base de metal duro en forma de disco con un filo (o varios) recambiable de acero endurecido y montado sobre un soporte de rodamientos (FPgs. 1.9 y 1.10).

1.4-1.1. Fundamentos tedricos: de la rotura

Estudios experimentales han puesto de manifiesto que para que un cos- tador de disco aislado produzca un corte en la roca se requiere una energia especifica diez veces mayor que para el corte con una pica de fricción, para

Figum 1.8. Rango de ap!icacidn de los cortadores. (K. Gehring Zelmeg, 1981.)


Parhrnetios que definen la mhquina: Peso de la rnhquina: 10-1 1 t/rn2

Empuje: 4 000-4 4 00 KN/m. de diáimetro Potencia: 7-8 KW/disco

Empuje por cortador: 5-26 'i/disco Potencia: 1 KW/crn2 de superficie de

contacto

Figura 1.9. Cortador de disco. (2% Sirnons et al., 1980.)

Sin embargo, cuando se obsewa el fendmeno de corte como un conjunto de discos y picas cuya separación óptima asegura su interacción, las energias especificas utilizadas son pricticamente las mismas, Esto es debido a que el efecto de una buena interaccidn entre cortadores es mucho mayor que el conseguido entre picas.

Ea razón es que la fuerza desarrollada por el cortador, derivada de la muy elevada fuerza de empuje (FTIs es mucho mayor y su aecidw es lateral.

Figura 1.10. Cortador de disco, fuerzas actuantes. (2% HendRk, %969J

Fs Fuerza resultante Ff Fuerza de corte Ft Fuerza de penetraclbn Fr Fuerza de rodadura

12 EXCAVAGION MECANICA DE TUNELES

El trabajo de corte es desarrollado por las fuerzas de rodadura FR, ya que las fuerzas de empuje no sufren desplazamiento.

Sobre la base de un anhlisis matemhtico simplificado y de ensayos expe- dmentales realizados se admite que en el mecanismo de formación de lajas (ehips) juega un papel preponderante la rotura a tracción de la roca frente a la rotura de cizallamiento (H. P. Sanio, 1985), en contraposición con la teoráa da Roxborough, Philláps, Ozdenir y otros, en la que se concede un papel preponderante a la rotura de clzallamients o cortante sobre Ba rotura a tracción.

Esta ~ r m a e i d n se justifica, de una parte, por las superficies de rotura de íos «chips», caracteristicas de una tipica fractura a tracción, y de otra porme %os resultados experimentales pueden correlacionaase mejor con la resistencia a tracción de la roca. Este proceso de corte puede explicarse de8 siguiente modo (Fig. 1.11).

Como resultdo directo de la alta concentracidn de tensiones, la roca su- fre primeramente una triturac16n en una zona debdo del dtiB de corte; un estado de tensiones cuasi hidrostático existe dentro de la zona triturada que genera unas tensiones tangeneiales de tracci6n en la zona circundante da roca no dafiada. Cuando estas tensiones alcanzan el valor de Ba resistencia a traccidn de la roca se desaarolan roturas de tracción que se extienden radialmente desde el filo de corte. Una vez que una fractura alcanza la superficie libre de la roca se forma ((una laja» (chip) que arranca la roca entre dos cortadores contiguos.

En base a este concepto resulta la expresión siguiente para la fuerza de pe- netración (FN) a aplicar al cortador (Fig. 1.12). Seg6n B. P. Sanio.

En la que:

d-diámetro del disco, p-penetracldn del disco.

K PN=- cR5 fuerza de penetraci6n puntual pasa un ancho unidad. 9

K=Factoa de intensidad critica de tensidn, que depende de la roca y del ndmero de fracturas.

a-radio de Ba zona triturada. h=profundidad de penetracidrrn. e-ángulo de la cufia.

CAP. 1. FUNDAMENTOS

S-espaclamiento. c-longitud da las fracturas.

Ea fuerza de rodadura (HR) se calcula a partir de la fuerza (FN) y su valor es (H. P. Sanio, 1985):

Zona

Figura 1.11. Wepreseataeidn esquemática de la penetracidn de ka cuna y de& proceso deformacidn de un d<chip)~. (H. Pa Sanio, 1985.)

Figum 1.12. F u e ~ a s actuarates en el proceso de corte de un cortador de disco. (H. P. Sanio, 1985.)

EXCAVAGION MECANICA DE TUNELES

Figura 1.13. Equilibrio defuerzess en un cortador de disco. (H. P* Sanio, 1985.)

2'K - SK9 se obtienen las cx- Si se considera d/" t.$, dp + p2 y se hace -

presiones simplificadas: -B q

El procesa de corte es prlncipaln~ente dinimico; casa vez que se produce un «chipa se produce una dlsminuc9Qn de la presión dentro de la zona & r i t ~ - rada por raoaes be equilibrio; esto conduce a una oscilación da las fuerzas ap%iaadas por !os 6tiles de costa. Hemos de considerar, por tanto, unos valo- ras medios para las fuerzas be modo que las expresiones $8) y (9) se converti- HA^ en:

En las expresiones anteriores el parhmelro E depende fuertemente del grado y da la oíientacidn de la anisotropia de resistencia de 1a roca debida a su estratificaci6n o a su esquástosldad.

Los planos de debilidad vienen determinados por los d-ngulos a9 y y9 . p9 es e1 hnguio entra los planos de estratificacibn o esquistosidad y al frente del tcnel; el Bngulo a' es el formado por la direeci6n Instantinea de rodadura de un disco aislado y la direccibn aparente de los planos de debilidad en el frente del ttinel (Flg. B .14).


Durante una ravolucigBn de %a cabeza de corte, a' vaaja entre O" y 90", mientras que p9 viene inkuaclado solamente por la rotaci6n de Ha cabeza cuando $sta es cbnica.

Mediante ensayos de laboratorio se ha dderminado que existe una rala- ción entre la constante da corte SK obtenida mediante la ecuación (10) y Iss hngnlss a' y b'; esto prueba que las ecuadonas (8) y (8) son aplicables tam- bién para rocas eestatificadas o esqulstssas,

Figura J%.?$. Angaios a s y que beterminan la oifieniackdn de los p6n;nos: be debdiidad

Ensayos da laboratorio 1141 han puesto de manifiesto $a escasa Saia,Bneneia que tiene el BnguLo a9 en la fuerza norrn89 sin embargos 18 influenci~ del Zngnlo b3, es decir, ía Pnfiaaneia de Ea oriantaci6a da los plaaos Se dlscsntl- nuidad es n ~ u y grande en la fuerza da penetnaciba (F,), cuyo vaior viene dado por Ba expresión:

e PNpv= SICp* ( d ~ ~ ~ ~ ~ ) " ' tan - (KA-) (12) 2

Para Ha fuerza da rsdadura se obtienes

expresiones slmiHares a las (10) y $11) en las que:

16 EXGAVACION MECANICA DE TUNELES

3 f = - [W/ (H. P' Sanio, 1985) 2 5

lis 5 0 ~ = point Boad para P'= O" Is 50 II = point load para P'=== 90"

das.p. - cte. (Fig. 1.15).

Rotura paralela a los planos de debilidad

3

Constante de corte Sk O

Rotura perpendicular a los planos de debilidad

Constante de corte Sk 90

Figura 1.15. Goorespondencrn entre /a conslante de corte y el ensayo {(polnt Goad)). (H* P. Sanio, 1985.)

Las expresiones (12) y (13) permiten determinar h s fuerzas (G) y (g) con una desvkacibn media del 20 por ciento dentro del rango de aplicación sl- guiente:

Indiee ~pesánt-load» de la roca Indice de resistencia DiAmetro del disco Angulo de la cufia Penetración Espaciamiento

1-22 Mpa 1-6,5

200-400 mm 60"-105"

2-20 mm 10-150 mm

Por otra parte, la variación mhima de la penetración neta de una miquina TBM, que depende de la orientación de la anisotropá'a de la roca, es iddntica a la variación de la resistencia a tracción de la roca que ha de excavarse. En pizarras, por ejemplo, Ba tasa de avance puede ser seis veces mayor para una dirección pevendicular a la esquistosldad que para una dirección paralela a la misma.

CAP. 1. FUNDAMENTOS

Ensayos efectuados b puesto de manifiesto la relaciéin existente entre (F,) y (Fd y que dsta d w a b e de la profundidad de penetración del disco y de su dihmetro. En cumta d. ingulo del filo del disco (e) y el tipo de roca, unos investigadores dimn *e no tienen influencia y, sin embargo, otros sostienen justmente 10 ~@&rapEo.

Un sencfilo an8Esis m - á $ t ~ c o de las Baaerzas que acNan sobre un disco muestra que ka relación F,R, es una propiedad fundamental del mismo. Roxborou& y PhiUips (lim y Roxborough (1978) han propuesto ]la siguiente emresión:

en la que:

D-Dihmetro del disco, p-Penetracl6n.

En la figura 1.16 se h{dB~m grs~camente algunas relaciones b%gsicas para %os cofiadores de disco.

Los ensayos e f e c h d ~ s con discos han puesto de manifiesto que:

E. La velocidad de @ d e no afecta a los rendimientos; aunque si au- menk el desgate.

2. El sistema de t r w ó de un coHaado~ de disco es un proceso eficaz [17] U81

3. La relación cuando la profundidad del surco disminuye y puede dete una extensi6n de la ecuación (15) me- dimte la ewresión:

D - P B d

m> en %a que:

d-Profundidad totd ddl -arco. p-Penetracidn por p&&

4. El espaci&en@ S e r n o entre co~adores de disco está, entre 5 y 15 veces la pmkndidad t d &% surco; el espaciamiento no es critico siempre que los coibadores pu profundizar el surco suficientemente para pro- mover %a rotura entre

5. La bhacturaci6n de la roca tiene un efecto beneficioso en el rendimiento de los discos cumdo 189 junas están abiehfas y espaciadas entre D y 2

18 EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

6. El desgaste de coaadores causa un menor incremento de la fuerza del que cabria esperar y los efectos se reducen con el incremento de la pene- traci6n. La fr-mentación de la roca aumenta cola el desgaste pero la reIaci6n FTB& y el espaciamiento óptimo de los cofiadores no se ven afectados [Rad(1975), Phillips y otros (í978), Kutter and Sawio (%980)]

Penetración mm. Diámetro del disco mm. Angulo a

I I I I I J 2 4 6 8 1 0 O 20 760 2100 380

Penetración mm. Diámetro del disco mm.

Figgra 1.16 Relacio~w BkásJcas pam cortadores de disco. (E Roxborough? 1985.)

1.4.2. Cortadores de rodillo dentado

Son Gtiles de corte m&s complicados qUe los discos y se componen de una serie de elementos individuales de corte (dientes) interactivos. Es un di- seño compuesto, con caracteristicas comunes a las picas y a los discos.

Su diseño implica limitaciones impuestas por las relaciones geom6tricas entre el Angulo y el dihmetro del cortador y entre el ángulo y Ba penetracidn del diente.

Se ha propuesto las siguiente expresión por Hay y otros (1966) 1241:

R = Radio del paso de avance. A = Penetración media del diente.

CAP. l . FUNDAMENTOS 19

Las principales conclusiones obtenidas a partir de ensayos con discos dentados realizados por Teíe (19641, Takaoka y otms (1973). Smits (1980) son.

1. Las fuerzas de empuje y rodadura aumentm con %a penetración con valores mis altos pero similares a las de los discos.

2. La eficacia de corte aumenta con la penetracidn, g para csnseguia una interacción entre los dientes la relación entre e% paso de avance y la pe- netración deberi exceder la relackdn entra la resistencia al corte (E&) y la resistencia a csmprssibn de ?a roce IB&.

Con una relacldn menor los dientes no interacci~n-iad. y el cortador ten- dera a seguir la huella.

3. El hnguño del diente deberá minimizarse de acuerdo a su durabilidad menecknica.

4 La rotura lateral de fa roca as paquefia. Pata conseguir una Inteaac- ción efectiva, los cofiadores adyacentes necesitan estar muy juntos,

5. E1 cofiador dentado, como un disefis compuesto, con caracteiksticas da discos y picas. muestra alguna de las caracteristicas favorables da ambos 82itEles.

1.4.3. Cortadores de botones

LOS cortadores de botones se usan en rocas duras; la in~iestiga~ón se raa- Biza mediante estudios te6ricos y empiricos de pa9etraci6n de Iss insertos da varias formas y ttamafios dentro de las superficies de la roca (Fig, 1,17).

La penetrasi6n del inserto ha sido estudiada por muchos investigadores y todos ponen de manifiesto que la fuerza de penetracidn se inerementa con la profundidad da un modo altamente desgrogsrcionado caracterizado por una sucesión de fuerzas de pico que aumentan progre~1~~mente en magni- tud y en su coeficiente de incremento.

Cada pico se identifica con una mayor produceidn da «chips» de roca y con el aumento de tama-gado da los mismos. Se ha encontrado que la resistencia a la penetración es mucho mayor que la resistencia a la eompresibn de la roca, estando su relación entre 5 y 45, dependiendo del tipo de roca y de la forma del inserto,

Eindqvis"p1981) investigó con discos y botones e identificó tras formas de energia que son muy relevantes en e3 proceso de rotura: energia elás-

eica, energr'ea de supe#cie y e n e ~ i a de dzsrass. Llega a la conclusiQna que Bss comdores de discos impgcm proporcisr%aImenle una mayor pérdida de erzerde, que los cofiadores de botones Y que son nems&w dmns pasada de un cofiador de botones para producb «chippipng» (fomación de laas) efectivo entre botones. Liradqvist sugiere que para rocas durm debe darse una m ~ m a relaci6n entre el espaciamiento y la penetración entre bobones.

Savidis (1982) da pwa esta relaciéin un vdoa entre 8 y 12.

El dlgmetro de% botón tiene irngsofimcia ya que Cste y el espacimiento se iagbiiuyen mutuamente.

La sepaación aeqbaenda entre Iss comdoáes de botoneme relaciona con la separiáaciéin entre los botones hdividudes.

Sepaíacion enir- ! cortadores - 1

L :. Zorz de l Zona ds

ro!iii3 r i a x l a ' rotura E i'acc:sn ianinuia mAx.mi12 de chip,)

R p s a 1.17. Proceso de fomrsción de idas.

En la figura 1.18 se establece una compañacibn entre los rendimientos obtenidos con co&adores de disco, dentados y de botones.

Figura 1.18. Rendimientos rekabivos entre coaadores de discos, dientes y botones. {F. Roxbo~ough, 1985.)

1.4.4. Rotum por impacto

EweRencim d a " ~ ' i ~ con heaeegahs de hpacto, como mzi-$aos rom- pedores y maIquinam de pedoración a percusión, k d i m que este metodo de rotura puede ser muy efectivo en r o w durw y puede tener un papel hpor- m t e en 1% excavaci6n mecwca.

a) UtUa" baja ener@a de golpe gp vibraciones swe-uesbs de alta frecuencia sobre u n a hemdentw de m a e m6vües (m-dores ~brmtes) .

b) UUtfia Ata efner@a de golpe y b-a frecuencia de hpactos donde, unos pocos hpactos repetidos, crem una gm fracwra en la roca (rompedo- res de iapado).

Cook y J o m (1990) dísthguen entre rotura p b ~ a y secui-nda~a.

Ea rotum p~ppáada se produce cuando la roca solmente puede a b c m e desde una G&ca e s a fibre; @emplo, el frente de un tdnel.

La rotum seo~ndada se produce cumdo k rocas puede a%sPcase dede ca- ras opuesm.

Existe una situaeióás h temedia cimdo la roca presenta dos a r ~ Ebres pe~endiculares entre si. Ejemplo, robra en banw de mnbera. Estos aztsres han demostrado que e ~ s t e una estrecha relación entre la enegia especifica (SE) y el bm&o nomhd del framento de roca (a) para ambos pos de rotura.

Para la rotura primaLr%a ~E==ka-"/' (181, Para Ea rotura secnnd-s$ia S~-ka"(19).

La conc9us95n es que u- sistema de rotura disewado para producir grandes fragmentos uaiEiz~B efiaentemente Ea energia.

6t"antmyre y M-íf~vkes (1973) han hvestigada en las cuarcitas aiiariferas duras y abrmivas de SurhSrPca, y han encontrado que exist.5 una relación entre la enersia del golpe (BE) expresada en julios y la energa especifica (SE) en P' MJlrn" p a a un tipo de rotura p n m d a dada por 18 exyresB6n:

SE = 3,s x x BE-'."(~G)~

Spies y Rother01(1983) indicm que una energia especifica de 70 M J J ~ ' podda obtenerse a partir de una energia de Irnpacm de 2.500 J,

Esta anergh especifica es de orden similar a la obtenida con cofiadores de disco en c-paarciw masivas, lo que prueba que la rotura mediante impacto es un procedimiento adecu~do,

Cuando las rocas se presentan fracturadas, se lsroducen roturas secunda- rias que aumentan la producción y ek rendimiento del procedimiento.

Trabajas de laboratorio han puesto de manifiesto que:

1. Un dncel rectangular ancho, con un radio da filo suficente para mi- nimizar el desgaste y la rotura, es varias veces m&s eficaz que otras formas notablemente redondeadas.

2. Hay un umbral da energia de golpeo de aprs~1madamsEate 1.500 J, por debajo de% cual no se produce unug-oture masiva en euarcitas y rocas duras, sino despu6s de haber dado muchos golpes repetidos.

Ea energia óptima de golpes para paflimn bloque de 500 mm de espesor es 4.000 9; con mayores enesgáas se producen pequedos beneficios adicionales.

3. EI ndmero de impactos repetidos para provocar la rotura sucesiva puede reducirse a la mitad, lin~piands e% cr%er formado entre sucesivos impactos.

4, Ea mmma transferencia de anergia se produce cuando las masas del pist6n y de la herramienta de impzaeeos son Iguales, Para una energia de golpe dada, se favorece la rotura cuando en la pulsacEQn de impacto se combinan una mayor amplitud con una menor duraci6n.

5. Una fuerza de empuje aplicada a Ea herramienta impactadoraa no tiene efecto significativo sobre e1 rendimiento de. rotura.

6. Para romper cuarcita masiva a un rendimiento aceptable se requiere una enargia de goipe en el entorno de &os 13.000 9.

Evans, en 19'74, propuso Ea siguiante expresión para la rotura a tracción:

SE-Energáa de impacto. d=Disbancia de% impactadoi a una cara libre redangular. 8-SamiBngulo de la cuila. v=Angaolo de fricción entra la roca y el acero.

Datos experimentales obtenidos en SudBfrkca indican que para gana roca dure se necesita una eaaergia total de impacto de 28.000 J aplicable mediante 10 Erocrpa.ctos de 2-800 J limpiando el erbter despu6s de cada impacto.

Un6 ecuelca6n alt~efisstiva &ge Evzns postula que puede producirse una rotura L ct&;a~la.n::en~c. :da t a cosisnmo Fle znargia total de impacto menor.


1.4.4.2. Cortadores vibrantes

Se ha comprobado experimentalmente que mediante un movimiento vi- bratorio se pueden conseguir reducciones significativas de las fuerzas de corte para una pica.

Gottlieb y Moore (198%) hablan de reducciones entre el 15 por ciento y el 35 por ciento empleando una eneagia de 5 J a una frecuencia de 50 HaZ, cuando se corta a una velocidad lineal de 75 mm S-" a una profundidad de 10 mm en carbón duro.

La frecuencia de la vibración, para que 6sta sea eficaz, debe ser de 1.000 vibraciones por metro de distancia lineal de corte.

La importancia tecnoldgica de la energia hidraiulica a alta presión (water Jet) mediante la aplicación de «Jets» coherentes de agua a alta presión, ha abierto unas expectativas nuevas muy favorables a las tdenicas de perfeccidn y .excavacH6n mecinicas.

Las ventdas que esta tkcnica introduce pueden resumirse en:

- Reduccidn de la energia especifica. - Aumento de los rendimientos. - Reduccidn de vibraciones pedudiciales para las miquinas, - Menores desgastes de Gtiles de co&e. - Reducción de la producción de polvo. - Eliminacidn de chispas.

La eficacia de la técnica «water jet» aplicada en mAqjuinas de arranque en minas ha sido ampliamente de'mostrada por Wang y otros (1976), Bauman, Wenneke (1980) y Gayson (1983).

Las picas de fricd6n (drag bit), aunque teasricamente son mis eficientes que los cortadores de rodillo (rolling cutters), est&n expuestas a fracturas mecainiicas y a un excesivo desgaste en zonas duras y abrasivas.

Básicamente hay tres niveles de presión:

Presión alta: 360 Mpa. Presidn media: 70 Mpa. Presión baja: 15-25 Mpa.

24 EXCAVACEON MECANICA DE TUNELES

Flow Industries (Reichman 1999) ha invest&&@ sobre <<jets» de agua a 50.000 psi (3.500 kg/cm2) dirigidos a la punh de Iim picas y ha comprobado que las fuerzas aplicadas a las mismas se reducim @%m& del 60 por ciento en relación con el rozado sin agua.

Bauman, en 1980, empleando ajets» de Wuaa 3,m k&cm2, consigui6 reducir el empknJe en un 55 por ciento.

Posteriormente, Gayson, en calizas de l.í@ wcrn2, ap8cmdo <(jets» de agua a 700 kg/cm2 con un consumo de 45 ld d u j o el par en un 30 por ciento y el empuje en un 50 por ciento.

Esta técnica pemite aktualmente a h c a r de mis de 2.0W kg/cm2 con m89julnas de daque puntual de 35 Tm da p w .

Las investigaciones actuales limibn la presga a 7W kgcm2 por dScuH- tades de transmisión de energia a muy db pr-Bdq en la que se producen unas pkrdidas impofiantes de enegfa.

Presiones de agua entre 150 y 250 kg/cm2 s m d c i e n t e s para elimina el polvo y conseguir una buena refrigeraci6n de has Meas, con Ia consiguiente disminución del desgaste (Fig. 1.19).

Jets cortadores laterales oor

(E) Jet dirigido a l

punto de contacto

(C) Inyección de agua

delante de la oica

Figura 1.19. Excavación mecdnica asistida coa chorro de agua a presión.

1.5.2. Cortadores de rodillo (rolllng cuiter)

El consumo de cortadores en rocas muy duras y abrasivas es el capitulo m&s importante del coste y puede llegar a s u p a u ei 65 por ciento del costo total (Norman and Dye, 1978). Por tanto, c u a l q ~ e r mbtodo, como el uso de% «Water Jet» que permita aumentar la vida econdmim de los cofiadores y los rendimientos de la excavaci6n mecáinica, ser& &1 m w m o interCs para hacer el procedimiento mis econ6mico.

El cofiador de rodillo inicialmente es menas eficaz que la pica de fric- ci6n, pero resiste mejor los embates de las rocas duras, con un menor des-


gaste y una menor BnadencPa en el rendimiento del rozado; son, por tanto, para rocs durm unos ~biles m& adecuados.

Se ha hvestigado Ha técaaPca «Wder Jeb) sobre dos tipos de comdores de rodao:

a) Discos de acero (Steel disc). bl Insedos de botones de cw @%i#on cutter).

El sistema de agua a presión estk a m e n b d o por una bomba de pistón de desplmmienbo ~d ceonsmhe a 45 MPa y 82 Iitros/min, con un motor de 55 Kw (Fig. 1.20).

La rosa sobre Ba que se hicieron 1% hvestigasiones h e una nonQab muy dura y abrmiva, con 10s simientes pahe t ros :

Wc 254 Mpa k 61,9 Mpa

4493 Mpa E 91,8 GPa v 0,23

La enerda especaca (SE), enerda consumida por u~iidad de volumen de roca excavada ( M J / ~ ' ) , se e s t h ó medémte la emresión:

Valor medio de Ba kerza de rodadura x Iongátud de co&e SE =

Volumen de roca excavadora

No se incluya en este cómputo el suplemento be ener@a eíbct~ca apor- tada por el sistema «Water JeW, que sea& mucho mayor que la energia med- nica sumi~strada al comdor. Ea PncomoraMbn de la energfa el$ct~csa en el c6mputs antePaor enmascara~a cualquier reducción en el suministro de energfa mechica al codador que se produjera como consecuencia de la utili- zación de% «Water Jet».

Se utilizaron caJets» de agua entre 5 y 400 Mpa; el consumo de agua fue entre 9 y 18 litros/min.

l 4.0 rnm b

D;rección del fluido 1.2

Figura 9.20, Tobera para productora delgee de agua. (0. Fenn, E* Brian, 1985.)


Para los ensayos con co~adores de disco se utilizaron «Jetsb~ de 40 MPa. (La profundidad de corte se fija en 2 mm). Los resultados de las investigaciones fueron ("ag. 1 .2 1):

1. Las fuerzas FT y FR han resultado ser un 53 por ciento y un 66 por ciento menores, respectivamente (Rgs. 1.21 a, 1.21b)i.

2. El Jet no tiene efecto en la producción ( m 3 / h ) (Fig. I.2lc).

3. El rendimiento aumenta cuando el espaciamiento aumenta y tiende hacia un máuaimo para 6,25 > S/XP > 5 ; S , espaciamiento; ZP, prodaendidad de corte acumulada (Fig. 1.21~).

Estos valores dan una configuraci6n óptima de los codadores para una profundidad de code acumulada de 12 mm.

Cuando la relación es mayor de 6,25, el rendimiento se reduce y la inte- racción entre los surcos adyacentes disminuye (Fig. á.21c).

4. La energia especifim tiene un mfnimo de 65 MJ/m3 frente a los 185 MJBm3, lo que representa una reducción del 40 por ciento, y que supone un incremento significativo en la eficacia del mecanismo de corte con discos (Fig. 1.2ád).

5 En la figura 1.22 se pone de manifiesto el efecto de la presidn del <<Jet» de agua sobre las fuerzas de corte para una profundidad de corte de 2 mm y una separación entre cortadores de 30 y 60 mm-

La fuerza de empuje depende de la presi6n de los «Jets» de agua. Se obsema que Ha fuerza de empuje P, disminuye con la presión de agua

para una separación de cortadores dada; una separación entre coaadores de 30 mm da fuerzas FT menores que una separación de 60 mm.

Para una separación entre cofiadores de 30 mm la fuerza de empuje Fa en una excavación no asistida es un 20 por ciento mayor que la fuerza de empuje necesaria en una excavación asistida con chorro de agua a 5 Mpa. y un 60 pos ciento mayor que la necesaria cuando la presibn del chorro se eleva a $0 Mpa.

Las fuerzas de rodadura FR, a partir de una presión de 5 Mpa, parmane- cen invariables para una separación dada.

La influencia de la separadón entre cortadores en Ba reducción de la fuerza F, es menor que en el caso de la fuerza FT, siendo FR menor a medida que Ia separación disminuye.

6. El rendimiento y la energáa específica pemanecen constantes con presiones del «Jet» de agua entre 5 y 40 Mpa.

Los resultados ponen de manifiesto que no se producen importantes mejoras con «Jet» de agua a presiones mayores de 40 Mpa. Ea mayor ventaja sa produce en el rango de 8-5 Mpa.

CAP. 1. FUNDAMENTOS

Separación entre cortes (mm) Separación entre cortes (mm)

Separación entre cortes (mm) Separación entre cortes (mm)

Figura 1.21. Efecto de dets» de agua a 40 Mpa, sobre los pavimentos de corte con disco P C / M una profundidad de corte de 2 mmm y distintos egaciamientos de corte.

(O. Fenn et al., 1985.)

e S=60rnm

m S=30mrn

Fuerzas de rodadura (FR)

o 1 l l I I 1 1 1 l (

O 5 10 15 2C 25 30 35 40 45 presión del Jet de agua (MPa)

Fdgum 1.22. Efectos del «jet» sobre las fuerzas de corte de un coriador de disco de 2 mrn de profundidad de corte y 33 mrn y 60 mrn de sepamcidn entre 'ecortes.

(0. FeP2P2 et d., 1985.)

28 EXCAVACION 34ECANICA DE TISKELEC

Estm conclusiones no son vaidas para el rmgo de presiones (250- 450 Mpa).

En la fimra 1.23 se &dicm Iss pmhetms phcipdes o b t e ~ d o s en eB uso de <de&» de ama a uaa presiQn comprendida entre 3.WO-4.8M bm.

Parámetros del Jet Presión del agua: 300C)-$000 Bar Velocidad del Jet 500-1000 m/seg Energía aplicada 12-3 3 Kw Sección sobre la que actúa 0.5-1 rnmi Energía específica Máxima ..................................... 1500 Kw cm12

Jei ae agua

Figura 1-23. Ea exmvadón con discos asistida con @e&» de agwn. IH~ Slmo~as ef al., 19841.1

Se han hecho ensayas para deteminw la i&uencia de% chono de agua a uca presión de $0 Mpa sobre los resuHkados del proceso de corte con cofiadores de botones (Higs. 1.24 y 4 -25). Se pueden destacar las siwientes coi1~2.1- sisnes:

3, La '"nserza Fs se reduce por tCmPno medio en un 28 por ciento c~ando se utiliza <<jet» de agua con una separa~B6n de 30 mm.

2, La fuerza P,, asi como Ea energia especGca no sufien modZcaciones ~ l m ~ c a t i v a s con el empleo de% «Water Jet».

Estas conclusiones $LO son vdidas pasa el rmgo de altas presiones (250- 4dC Mpa).

Es imporhnte sefiaba- 1a Snhencia que tiene sobre la eficacia de8 mecanismo de corte la retirada del material excavado. EE rendimienb del proceso de eone aumenb arohblemente cumdo se produce una adecuada retirada del material a medida que se va produciendo la rotura del mismo.

CAP. 1. FUNDAMENTOS

Corrador d e botones Figura 1.24. Corrt~do~ de botones. (H~ Fenn et d . , f 985, j

Fuerza d e empuje

Fuerza d e rodadüaa

Sin J e t

O Con J e t

Profundidad d e corte (mm)

F i ~ r a 1.25. Efectos de jet de agua sobre i a s j u e ~ a s de wr fe en un cortador de botones pam una sepamción entre cortes de 30 mm y varias profundidades de corte.

(H. Fenn ef al., 1985.1

30 EXCAVACION MECANICA DE TUNELE -i

Se ha comprobado que en un proceso de corte en seco las fuerzas FT y FR disminuyen en un 115 y un 98 por ciento, respectivamente, cuando se limpian manualmente los productos de corte.

Si el proceso de co&e se e fec t~a con asistencia de chorros de Wua a pre- sión, las fuerzas PTs FR, asi como la energia especifica se reducen en un $0,36 y 24 por ciento, respectivamente. Esto pone de manifiesto la influencia im- pofiante que tiene el chorro de agua sobre los rendimientos de corte de un ccs~ador de botones.

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De un modo general podemos decir que, las miquinas TBM (tuneladoras o topos) excavan el frente de roca a plena sección mediante la accieán coima%- binada de la rotaci6n y el empuje continuados de una cabeza provista de herramientas de corte convenientemente distribuidas en su superficie frontal.

Todas las mhquinas TBM (Tunel Bonng Machine) y en particular, los topos, disponen de herramientas (6tiles de corte) para romper el material en fragmentos cuyo tamafio permita la fBcil retirada de los mismos.

Estas herramientas van montadas en la cabeza da corte en una disposi- ción conveniente para que la ewcavacidn sea eficaz. DetBs de la cabeza va el cuerpo de mhquina que ~eamanece fijo, mientras la cabeza gira y empuja contra Ha roca mediante mecanism-ess dispuestos al efecto,

Dispone tambikn de un mecanis~ao de autoavance de cabeza y chasis para continuar la excavacidn.

En La mayoria de los casos, el escombro es cargado en el frente mediante unos cangilones situados sobre Ea cabeza y llevado sobre una cinta transportadora. Por medio de otros sistemas de cintas, es trasladado a la parte de atris de la mBquina donde es transferido a otros sistemas de transporte que lo ex- traen al exterior,

Todas las mhquinas TBM constan, de un modo o de otro, de estos elementos anteriormente descritos, sin embargo, sus earacte-isticas espedficas y su disposick6n genera8 dependen de si Ba miquina ha de ser disefiada para excavar en roca dura o en suelos. Los detalles de dáseiio son caracteristicos de cada fabricante.

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

Los topos han tenido en los últimos agáos un gran desarrollo; sin em- , bargo, la idea original no es nueva. La primera mhquina se fabricó en USA por John Wilson en 1856, y fue probada en el t ~ n e l ferroviario de Hoosac en Massachusetts; el tePneH era de 4,7 millas de largo y se invirtieron veintiún años en su construcción.

La miquina Wilson solamente perforó 10 pies (3 metros). Otras dos m&- quinas fueron utilizadas en el mismo ttiaael sin ning6n éxito notable.

La primera mhquinaa fabricada y utilizada con éxito fue la del coronel Beaumont en Inglaterra en el afio 1880.

La mgquina excavó parte de un ttinel piloto bajo el canal de La Bdancha en 1882. Este tdnel tenia una milla de largo entre ambas orillas; se consiguió un avance medio de 49 piesidia en cretas (chalk) durante un periodo de ein- cuenta y tres dias de trab-o.

Ea miquina de Beaumot utilizaba el aire comprimido como sistema de energia para mover la cabeza de corte que llevaba solidarios con ella unos 8átiles de corte c(kerfing>>. El proyecto se interrumpió por motivos politicos, no por causa de la mhquina.

Durante los setenta años siguientes se construyeron 115 miquinas mis, pero ninguna tuvo el Cxlto suficiente como para iniciarse un rhgido incremento y desarrollo en la construcción de este tipo de máquinas.

Una nueva etapa comienza en la mitad de 1950, suando James S, Robbins de Seattle entró en el campo del dise60 y fabricación de las mkquinas topo.

El primer resultado fue una mkquina que trab-6 en la presa Ohae, en Da- kota del Sur, en 1952. Ewcav6 un ttinel de 25 pies y 9 pulgadas de dikmetro (3,32 metros) a trav6s de una roca lutita (shale) fallada y fracturada, con una resistencia a la compresidn entre 200 y 400 psP (14-28 Rg/cm2). La cabeza de corte tenia una potencia de 400 HP, y un empuje de 100.000 lb. (45.360 Kg.).

Esta miquina, junto con otra similar construida en 1855, hicieron la per- foración de un total de 22.500 pies en tcnel, consiguiendo avances diarios de 140 pies (42 metros) y avances semanales de 635 pies (190,5 metros).

La firma Robbins alcanzó un notable bxito, cuando una de sus mhquinas perforó un túnel colector en la dudad de Toronto, atravesando calizas, areniscas y lutitas con resistencias a la compresión entre 8.000 y 27.000 psi (560- í .890 Kg/em4). Esta mkquina fue la primera que incorporó como herramientas de corte, los cortadores de disco (24 uds,); su diimetro era de 10 pies y 9 pulgadas, y la potencia de la cabeza de corte de 340 BP., con un empuje de 314.000 lb.

Los avances obtenidos fueron superiores a 18 pies/hora, atrayendo la cu- riosidad y la expectacibn hacia este tipo de mgquinas, Inieiindose, a partir de entonces, un periodo de intenso desarrollo con la incorporación de nuevos fabricantes y diseñaadores de m8quinas.

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EXCAVACION MECANICA DE SUNEEF,S

Aqui hablaremos de los principales fabricantes, de 80s dos primeros tipos de mkquinas TBM de cabeza rotativa para roca dura y de brazos rotativos ar- ticulados, sefialados en la figura 2.11.

4.1. Rsbbins de Sedle (USA)

Este fabricante inició sus actividades en 1951 y ha contribuido muy consi- derablemente al gran desarrollo actual de este tipo de máquinas, gracias al éxito alcanzado por una de sus miquinas en la excavación de un t h e l en To- ronto (1956).

ActuaPmente ha desarrollado mhquinas que incorporan en su disefio un doble escudo y que permite excavar rocas muy fracturadas y formaciones he- terogdneas bmixed greaunds).

Forman parte de esta generación de máquinas los modelos 118-224 y 188- 227. Flg. 2.2.

figura 2.2. Mdquina Robbins, modelo 188-227.

CAP. 2. MAQUINAS TOPO (SBM)

Algunas de las recientes mkquinas fabricadas son (tabla 2.1.):

TABLA 2.1

MAQUINAS TBM WOBBINS

DLAMETRo 2.59 3.35 3,93 5,49 5.53 5,80 1.8 10,80

(m )

TIPO 95-225 1 110-2301.212-228 189.229 138-227 193-214 252.226 353-196

WTENCLA 198 IOV 671,l KU/ 800 I 305 Kd 895 KW 671 KW ' 1 640KW 1790 KV

40 39 35

CORTADORES

TABLA 22

MAQUINAS TBM ATLAS COPCO

El Mobile Miner es una nueva miquina Robbins de gran movilidad; consiste en una rueda giratoria muy fina con mhltiples cortadores de disco montados en su periferia.

Es una m6quina disefiada para excavar en roca dura o muy dura en com- petencia con los explosivos. La forma de la sección que excava es rectangular.

En cuarcita dura y abrasiva ha conseguido una penetración de 1,s rn/h., en una secci6n de 22 metros cuadrados.

3 8 EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

CAP. 2. MAQUINAS TOPO (TBM)


CAP. 2. MAQWINAS TOPO (TBM) 41

Recientemente la f ima Atlas Copco se ha asociado con Za Crma americana Jawa y ha lanzado al mercado en 1986 la serie Foro, que incorpora mejoras importantes sobre los modelos anteriores, figura 2.4.

Estas mejoras se concretan en: Una menor longitud de ia mmáquina que permite trabajar en cunas de radio

menor de 100 metros. Mas fAc&Bes y mis económicos costos de transporte e instalación.

Un sistema doble defijación y empuje que permite: - Aumenta; la estabilidad de la cabeza mejorando la penetración y Ia

vida de los cortadores. - Excavación continua sin pérdidas de tiempo de posicionamiento. - Posibilidad de efectuar maniobras de alineación en cualquier mo-

mento durante la ewcavaci6a.n. Control aut~mQtIco del emp-e que asegura: una utkllzaci6n óptima de la

potencia de la cabeza de corte, Opcionalmente puede incorporarse un programa que controle las opera-

ciones da la n~hquina que consigue: - El control automhtico de todos los parametros que intewienen en lia

perforación, reajuste, posicionamiento o avance. - La eliminacibn del riesgo por sobre fatiga, - El control ren%-poto de Ios parametros de la m8quina y el avance, con lo

que se consigue una mejor utiliización de la potencia en relaci6n con las ea- racteristrcas cambiantes del terreno.

En las tablas 2.2. Y 2.2. bis se indican las caracterishicas principales de algunas de las miquinas mas representativas.

4.3, Lovd canadiense

En fechas recientes se han introducido en el mercado europeo (Alema- nia) (1984) las mAquinas kovat que aportan una nueva concepci6n en la eje- cución de tbneles (Fig. 2.5.). Estas miquinas pueden dafinirse como <chopos>> con escudo incorporado. La aportación tecnológica principal de estas miquinas consiste en su versatilidad, pudidndose adaptar a situaciones muy diversas, desde formaciones poco coheslvas, hasta rocas semiduras (1.500 kg/ cm2). La cabeza de corte permite la utilización de diferentes herramientas de corte (dientes de acero, picas, discos de acero), pudiendo efectuarse este cambio desde el interior de la miquina. Se pueden adoptar distintos sistemas de sostenimiento y80 revestimiento, desde arcos metilicos a dovelas prefabricadas, que son colocados mediante un dispositivo erector solidario con la mhquina,


BBsicamente estas miquinas, al igual que las de otros fabricantes, se construyen atendiendo a las necesidades concretas de las obras.

4.4. Manmssmm-Demgg (Alemania)

Esta firma fabrica miquinas desde hace mis de veinte afios y se han utilizado con éxito, junto con las m8quinas Wlrth, en importantes proyectos en Europa Central (Fig. 2.4.).

Los modelos que se fabrican son los siguientes (Tabla 2.3.):


44 EXCAVAGION MECANICA DE TUNELES

Figura 2.6 Mcéquina TBM Demag.

Otra de las firmas aueng.eas importantes es Ha Wirth de Alemania; fabrica diversos tipos de mhquinas TBM, adaptandose a las necesidades planteadas por la ewcavaciáln de la obra subterrhnea QFig. 2.7.).

Ha desarrollado, con un disedo original, una mhquina tuneladora que obtiene eá diimetro final de excavaddn del túnel, mediante el ensanche de un time1 piloto previo (Fig. 2.8.),

Los modelos esthndar que fabrica son (Tabla 2.4.):

C A P . 2. M A Q U I N A S T O P O (TBM)

TABLA 2,4

MAQUINAS TBM WHWTH

TIPO TB 011 TB 012 TB 1 TE II TB HHI TB IV TB V TB VI -

POTENCIA 2x132 Kw3xlPO Mw4wEIO Kw4xP32 Rw4x200 Kw4x240 Kw6x200 h 8 x 1 8 0 K

(C.C.) (C.C.) (C.C.) (C.C.) (C.C.) (C.C.) (C.C.) (C.C.)

EMPUJE 3.000 Kn 1.10 ~n 5.500 ~n 6.400 ~n 8.300 ~n / l 0 . ~ 0 ~ n ~ l 2 . 7 5 0 ~ n ~ l 6 . 7 ~ K

PAR 200 270 420 540 1.000 1.600 2.400 3.400

(KNm) (KNm) (KNrn) (Wdm) (gc;Fm) (IiWm) ( W m ) (Wm]


Figura 2.8. Cabeza ensanchadom Wirth.

Posibilidades de ufilizacidn en gaberias inclinadas.

CAP. 2. MAQUINAS TOPO (TBM) 47

4.6, Boaygues francesa

Esta firma ha desarrollado una mhquina de concepción diferente al resto de h s existentes en el mercado. Consiste en una cabeza giratoria sobre la que van montados tres deflectores y tres brazos oscilates, cada uno de los cuales lleva un cortador de disco de 12" (Fig. 2.9).

Este tipo de m8quina ha sido utilizada 6ltimamente con 6xito en No- ruega.

Las principales ventdas de estas mhquincas son: menor costo, su pequefia dimensión y peso en relación con otras mAquinas, el espacio libre que permite en el frente y que pormite Ia posibilidad de instalar un equipo de perfo- ración para efectuar inyecciones sistem8ticas por delante del frente. Estas m8quinas perforan desde rocas blandas hasta rocas duras de rnhs de 2.000 Kg/cm2. Las principales características de una mhquina Bouygues son:

Tipo-TB 300 c Diimetro- 3,00 m Potencia- 440 KW (cc.) Empuje- 120 Tm P a r 37 a m Carrera- 0,48 m Peso- 35 Tm Noo de cortadores- 3

48 EXCAVACION MECAKICA DE SUNELL5

La mayor economia en el proceso de excavación mecáinica con m8qulna topo se obtiene cuando se desarrolla adecuadamente el principio de corte Ilamado «Kerf cutting~, mediante el cual la roca se fractura en lajas (chlps); cuanto mayor sea el tamafio medio y el volu~men de estas lajas, mas econó-

~ r mico resultara el proceso de excavac~on. En este mecanismo se producen dos tipos de fracturación en la roca:

Unkafractumción primaria, en la que las presiones concentradas en el filo de los cortadores produce la indentación de la roca con la tritura- ción de la roca prdxima al filo. Una fracturacidn secundada inducida por las roturas de tracción y cizallamiento entre dos cortadores contiguos. Esta fracturación es la económicamente deseable y la que hace econ6micamenk rentable el proceso de excavación. Para que Bsta se produzca en la medida necesaria, hay que tener en cuenta la influencia de las cuatro variables Hn- dependientes que antemienen en el proceso: empuje sobre el filo del cortador, separadón entre surcos, grado de desafilado de los cortadores y revoluciones de la cabeza.

Cuando el efecto «kerf cuttingp no se desarrolla en la medida adecuada se producen desgastes muy importantes de los cortadores y una dismknuci6n importante de la penetracibn y, por tanto, del rendimiento de la excavacádn.

Seguidamente pasaremos a analizar el efecto de cada una de estas variables.

Para que se produzca %a fracturacidn secundaria es necesario que Ea fuerza aplicada a cada cortador alcance un valor umbral, especifico para cada roca, manteniendo eE resto de las variables er-, valores constantes y adecuados.

Bsta fi~erza un~brai. se alcanzarái cuando conzkencen a producirse lajas de rocan

La relaci6n entre el empuje por cortador y 12 penetracidn conseguida en cada vcelta es una cuma que, a partir de un determinado valor del empuje se convierte en una recta, en cuyo tramo se cumple Ba proporcionalidad entre el empuje por cortador y la penetrac16n. Cuando esta proporaionajidad se hace lineal decimos que la perforabllidad es eficiente.

En rozas muy duras puede ocurrir que e2 empuje n~inlms por cortador necesario para que se produzca el «chipping» sea tan elevado que sobrepase el limite de resistencia del cortador (rodamiento). Por este lado tendremos un limite -miximo de dureza de la rocq por endma de% cual no será posible su excavad6n mecánica.


En rocas muy duras es necesario emplear cortadores de mayor didmetro, 15,5 pulgadas 9394 mm.) para los centrales y 17 pulgadas (432 mm.) para el resto de los cortadores. De este modo aumentar8 la vida del cortador y dis- mbnuir6 el tiempo de cambio de los mismos.

En las modernas mgquinas, para rocas muy duras, se trabda con empujes por corhador de 25 toneladas.

El empuje necesario por cortador debe ser, por lo menos, el doble de Ba resistencia a compresión simple de la roca y hasta tres veces, cuando se trata de rocas graniticas, viniendo el empuje expresado en libras y la resistencia de Ba roca en unidades Bsi.

5 2 , Efecto de la segaraci6n entra surcas

Ensayos efectuados en Ba Colorado School of Mines, han puesto de manifiesto que, reduciendo la separación entre surcos, se reducen las fuerzas normales que es necesario aplicar a cada corkadoi, para una profundidad de penetracidn fijada.

Reduciendo, por tanto, la sepafaci6n entre surcos, se reducen los empn- jes necesarios en Iss cortadores para conseguir una perforabllldad eficiente.

En rocas muy daras (3.300 ~ g l c r d ) , es necesario proyectar 3na separa- ci6n enare surcos del orden de los 3'7,s mn2.

E"ssspaciamiente critico es ftnci6n de la resistencia de la roca y del mh- ximo empuje admisible por cortador,

Desde un punto de vista tedrico deberkan proyectarse todas las mdquinas de roca dura, de modo que la separación entre surcos fuera lo suficientemente pequefia para que se produjera el efecto «herf cutting~ en cualquier roca, sin sobrepasar ni el empuje ni el par de la mhquina.

La reducci6n excesiva de la distancia incrementa los costos de perfora- aidn, aumentando la energfa necesaria y el -?_Limero de cortadores,

5." Efedo del desafilado de Iss coadores

EB efecto del desafilado de los cortadores es menos conocido que los anteriores. De siempre es sabido que los cortadores desgastados necesitan mayores empdes que los cortadores afilados para conseguir una. misma profundidad de penetracidag. Esto es debido a que, con e1 aumento de la anchura del filo, aumenta la superficie de contacto del mismo.

En la figura 2.10 se muestran distintos disefios para los filos de los cortadores.

En Ia figura 2.14 se muestran íos tipos de cortadores usados ganeral- mente


Figura 2.80 Cortadores de disco. Anguaos. delfiEo.

Cortador de disco

Cortador de dable fila de botones

Cortadores Robbins

Cortadores Wirth

Figum 2-11 Distintos tipos de cortadores.


Para un mismo emphage por cortador, la presión sobre %a roca en contacto con el filo decrece a medida que aumenta el ancho del filo, pudiendo quedar este empuje por debgo del umbral en el que se produce el efecto «chipping». EB desgaste de los cortadores reduce la penetración; en base a ensayos

realizados se demuestra que para un empuje determinado por cortador y para una roca determinada hay un desafikdo critico a partir del cual no se produce el efecto «kerFcutting». Para mantener un nivel constante de la pe- netración, hoy se tiende a utilizar cortadores de ancho de filo constante, con independencia del grado de desgaste de los cortadores; esto resulta particularmente eficaz en rocas muy duras y abrasivas (FBg. 2.BO., disefio Bado dere- cho).

5.4. Efedo del w~mero de revolndomes de la mbeza

Las miquinas topo para roca dura tienen generalmente un n ~ m e r o fijo de revolucBones/mlnuto.

Para un empuje constante, h penetración (mjmin.) es directamente proporcional al néamero de vue%tas. No obstante, el n6mero de revoluciones viene condicionado por el desgaste

de los cortadores, ya que 6ste aumenta a la par que lo hace el nidmero de revoluciones.

Las revoluciones de 18 cabeza expresadas en vue8tas por minuto, son del

orden de: RPM=E~ viniendo el dikmetro (D) de la cabeza expresado en D

pies. Otras expresiones para determinar las revoluciones de la cabeza son: 32 WM=-; R ~ M = = ~ viniendo (D) expresado en metros. D D

B. Nuevos desmollos en las m&qninas topa

Los nuevos desarrollos en el dise" y fabricación de m8quinaas topo van encaminados a ampliar su campo de utilización y a reducir los costos del proceso de excavaci6n.

Tres son los frentes en los que se trabaa actualmente para conseguir estos objetivos.

- Puesta a punto de un m6todo de predicción 8&le que tenga en cuenta %a interacción.m&quina-roca para que el sistema de perforación pueda adaptarse adecuadamente y los costos queden dentro del rango estimado para cada proyecto.

--- Desarrollo de miquinas mhs ligeras, flexibles y controlabíes. - Reducción de los costos de miquinas y cortadores en la excavación de

rocas duras o terrenos diGciles, incrementando la investigaci6n de nuevos materiales para las herramientas de corte, incorporando una nueva geo-

5 2 EXGAVACION MECANICA DE SUNELES

metria para las mismas y mejorando los sistemas de trabajo.

Esta investigación es solamente posible si se dispone de un mecanismo fiable de dise50 para optimizar has espedficaciones de 16- miquina a partir del conocimiento de la roca. Un buen camino de Bnvestigadón puede ser efectuar pruebas con miquinas de pequefias dimensiones (escala 1/5-1/10), en las que Ios parametros de diseño de las mismas, asB como íos tipos de roca, puedan varáarse con facilidad.

Como ya hemos dicho, la fracturación mechnica se produce por la com- binación de unaJTract~racis'n pnmarla (rock crushing) y una fractumcidn secundaria (brlttíe crack) [%]. En la fracturación pPimaria se produce una rotura de la roca en contacto con el filo, bajo compresión triaxiail, viniendo 6sta re- gida por 18 resistencia a compresión triaxial de la roca. La fuerza de tritura- ción necesaria, que debe aplicarse a cada cortador (P3 depende principalmente de la superficie de contacto entre la herramienta de corte y ]la roca y es proporcional al cuadrado de la dimensión lineal D; admitiendo que todas las dimensiones lineales estan a la misma escala en relaci6n con D, se obtiene:

-- FT - - ( D I D ~ ~ (1) F:, Do son condiciones tipo del modelo reducido; se- F ,~

g6n esto, conociendo F: para una mhquina de modelo reducido Do, es posa- $le conocer el valor de FT que debe propordonar una mhquina de dimensibn D a escala normaB.

Ea fracturación secundaria es %a responsable de la fracturación en lajas de la roca (chips), depende de la tenacidad de la roca y se demuestra mediante un simple analisis da frackuracibn meeinica, que la fuerza necesaria (F" que debe aplicarse a un cortador para que se produzca Ba frasturaci6n frhgil es proporcional a Ea dimensión lineal elevada a la potencia 1,5, es decir:

FL -(D/D0)k5 (2) [Broak, 19741 FL

Puesto que eH fenómeno de rotura. involucra ambos tipos de fractura, pa- rece Idgico suponer para la fuerza total de empuje por cortador (F), un exponente variable entre 1,6 y 1,8, en funci6n del tipo de herramienta de corte que se emplee (discos de acero, discos de botones, picas, etc.).

Para discos de corte se ha propuesto la siguiente expresión de la fuerza total de empuje:

P -==(D&D,)L75 (3) [Dubugnon-Jaanach, 198%] Fo

El exponente de esta expresión es especifico de cada tipo de herramienta y de cada tipo de roca; mediante su determinación cuidadosa, este exponente se convierte en una poderosa ayuda para la predicci6n del diseño de miquinas.

En cuanto al desgaste da Pátiles de corte cabe utilizarse una aproximación empfrica. Para el desgaste de cortadores de disco, Dubugnon y Janach (1981)


han propuesto la siguiente expresión:

Iv -(~/~~)0,75-1,15 (4) siendo W el coeficiente de desgaste (gramos de Gtil wo

perdidoskm3 de roca excavada). El exponente depende del material del disco, de la resistencia y abrasivi-

dad de Ba roca y de los parametros de corte (empuje, par y nGmero de revoluciones).

Otro paráimetro que puede obtenerse mediante la utilizaci6n de mhquinas en modelo reducido, es la penetración que puede determinarse mediante la expresión:

-- - (TITO)" (5) en la que Po, T, son la penetración y el empuje para una Po

maquina de modelo reducido. El exponente (n) depende de las caracteristicas de la roca y de la geo-

rnetrlía de los cortadores; n-2 para una arenisca y n=2,5 para el granito [4]. Otro factor importante a tener en cuenta en los futuros desarrollos de

máiquinas, es %a estabiiidad de 1a cabeza de corte por la importancia que tiene en la consecuci6n de una buena penetracidn.

Cada cortador tiene que pasar por el mismo surco un n ~ m e r o determinado de veces, antes de que se produzca la fracturación secundaria; es Bm- portante, por tanto, que el cortador regrese centrado exactamente en su surco en cada pasada.

Seguidamente, sefialaremos algunas de las caracteristicas de las modernas mkquinas y que son:

- Mayores rendimientos; superiores en un 30-40 por 100. - Menor peso. - Menor longitud. - Posibilidad de adaptarse a cuwas de menor radio. - Alto grado de automatización. - Mejor fijación de la mhqulna. - Trabajo continuo, eliminando las paradas de reposicionamiento. - Ndmero de revoluciones de la cabeza de corte variable, para adaptarse

a las caracterásticas del terreno, - Variación automitica del empuje y del par mediante microprsce

sador. - Reducción de costo de cortadores. - Mayores potencias instaladas.

Por su propia naturaleza, las mhquinas topo son menos adaptable% a los cambios en las condiciones del terreno que los equipos convencionales.

54 EXCAVACION MECANICA DE SUNELEC

Los rendimientos de excavacidn serapa, por tanto, muy sensibles a: las variaciones de los tipos de roca, hllas, avenidas de agua, zonas de rotura, zonas alteradas y otros defectos estructurales. Es, por tanto, necesaria una mayor definición de las condiciones geol6gicas a %o largo del tdnel en comparación con la ejecución por medios convencionales.

Los actuales metodos de prospeccibn Incluyen el levantamiento de ma- pas geológñcos y la perforación de sondeos de reconocimiento en zonas es- pecíficas a Io largo de la traza y en las zonas de los portales, completando todo ello con ens-os de laboratorio sobre probetas seleccionadas. Tambikn es frecuente utilizar de un modo complementario las tecnicas geofisicasg actualmente estan comenzando a utilizarse las modernas t6cnicas del sónar y del raidar. En algunos casos se llega hasta Ba perlforación de un taladro piloto horizontal en Ia dirección de% tdnel, técnica que cada dia se utiliza mis cuando se trata de grandes proyectos subterráineos.

Ea figura 2.12 que se adjunta indica, en función de la profundidad del t6- nel, el ncmero de sondeos que debe efectuarse para una. longitud determinada de tbneí; puede obsenarse que, cuanto mias superficial es el tcnel, mayor ndmera de sondeos es necesario realizar.

PROFUNDIDAD D E L TUMEL ( H A S T A COTA DE SOLERA)

Figura 2.62. Relacidn entre el nz4mero de sondeos de reconocimiento y la profundidad de! bdnel. (J Leonard, IM8a.B


Las condiciones ideales para la utilización de un topo se resumen en el siguiente cuadro (Tabla 2.5), debido a Don. U. Deere.

TABLA 2.5

CONDICIONES IDEALES (D. U. D E E m , 198%)

Masa de roca no alte-

Desgraciadamente, estas circunstancias tan favorables no suelen presentarse frecuentemente en Ba prgctica.

cuando el RQD, en un tramo significativo del túnel es menor de 50, se harg necesaria la colocación de sostenimiento con la consiguiente redurcáón del tiempo 6tiH dedicado a la excavación. Este problema se incrementa a medida que el diimetro de la excavación es menor. Cuando el RQD esta entre el 25 y el 50 es necesario utilizar otro tipo de mdqulna que permita la coloca- ci6n del sostenimiento de un modo inmediato detris de la cabeza de corte; en este caso puede resultar una buena solución adoptar un revestimiento de dovelas prefabricadas, colocadas inmediatamente detris de Ba máquina.

Que la excavaci6n con topo resulte económica depende de una serie de factores que deben tenerse siempre presentes para no adoptar una solución que podráa llegar a ser catastrófica, desde el punto de vista económico.

Los principales factores que hay que considerar y cuyos valores limite se indican vienen resumidos en Ba (Tabla 2.6).


HACTOWS DE LOS QUE DEPENDE LA EGONOMIA DE LA EXCAVACHON

haetor / Tipo de rom

Resistencia a la 5 3.000 ~ ~ / c r n ' compresión simple 5 2.000 K ~ / ~ ~ ~ de la roca.

Calizas Granitos

l l

Diámetro del t6nel 1 D < l l m .

Longitud del t h e l 2 4.000-6.000 m.

En la figura 2.13 se muestra la variación de la resistencia a compresibn de algunas rocas.

Por otra parte, la utilización de las máquinas topo exige una resistencia minima de la roca para evitar que la miquina pueda quedar clavada; una regla prgéctica seria exigir que la roca tuviera siempre una resistencia a la com- presión al menos tres veces superior a la covertura del túnel sobre Ba clave, expresada la primera en (psi) y la última en pies. Es decir: para una cobertura de 2.500 pies (750 metros), la resistencia mbnima de la roca deberia ser de: 7.500 psl (525 Kg/cm2).

1 i ARENISCAS -77 2.- P IZARRAS I 1 l l I

Figura 2.13. Variación de %a wsistencia a compresión de algunas rocas.


Los factores adversos para la utilizaci6n de los topos son:

a) El agua

El agua puede ser un factor condicionante cuando son de esperar caudales en el. frente importantes. Caudales superiores a 32 B/seg. dificultan gran- demente el avance con topo. A modo de ejemplo, diremos que en el tGnel Vat en la central de Utah,

donde la afluencia de agua lleg6 a ser de 11.000 g.p.mO (64 I/s) en el fiente, fue necesaria una inyección previa.

Las modernas técnicas permiten efectuar inyecciones en el frente sin necesidad de retirar %a miquina, como se hizo en los tcneles perforados debajo de un lago en la ciudad de Oslo, donde se hicieron perforaciones en abanico Ileghndose a perforar unos 200 kilómetros de taladros para inyección.

b) Tensiones de campo @/evadas

Cuando %as tensiones tangenciales en las paredes de Ba roca se aproximan al valor de la resistencia a compresión de la roca, se produce la rotura en lajas (Síabbing) de los hastiales. En cualquier caso, la resistencia de Ba roca debe ser suficiente para soportar la presión de apoyo de los gripers.

c) Heterogeneidad en el fren te

Ea presencia en el frente de estratos duros junto con estratos m8s blandos produce vibraciones de la cabeza y rotura de cortadores.

d) Fractura de la roca en bEoques o lajas

Algunas masas rocosas se fracturan en bloques o lajas, como consecuencia de la intersección de juntas y planos de estratificación y foliación.

Rocas sedlmentarias con estratificadón horizontal de espesores de estratos muy delgados, dan frecuentemente rotura en lajas en el techo, principalmente cuando existen tensiones altas o cuando hay planos de debilidad entre los estratos. Estas roturas en hastiales y techo pueden prevenirse con la colocación de un sostenimiento (cerchas, pernos de anclaje); sin embargo, cuando la rotura se produce en el propio frente de excavadón, el problema puede ser mayor, ya que dichos bloques taponan el punto de carga y el transportador, produciéndose frecuentes paradas para demoler los bloques y retirarlos. Para evitar estos inconvenientes se han disefiado mhquinas con b19n- dado de la cabeza da corte.

58 EXCAVAGION M E C A N I C A DE SUNELEC

e) Fiuencm'a de la roca

La rotura en lajas y el fenómeno de fluencia de la roca ocurren cuando las tensiones tangenciales de pico son mayores que Ba resistencia a compre- sión de la roca; este fenómeno puedz'oosrrir tanto en rocas de alto RQD, sometida a altas tensiones, como en zonas de roca de mala calidad muy fracturada o en rocas arcillosas. Algunas rocas, por otra parte, pueden ser muy sensibles al agua libre, pudiendo presentar fenómenos de hinchamiento (rocas con contenido de arcilla, formaciones de arcilla-lutita, filitas esquistosas, $0-

$as volcánicas, etc.).

Cavernas y conductos kdrsticos

g) Pmencia de gases

Para hacer una evaluación de los costos de ejecución con mhquinas topo, es necesario partir de una estimación de los rendimientos que podran obtenerse en cada uno de los tipos de terreno presentes en el proyecto.

El avance medio estimado vendra dado por la expresidn: AMD = (A x HRD) x CU x (B x PN) (6 ) siendo:

Avance medio estimado-dia. Horas útiles trabajadas-dáa.

Coeficiente de utilización de la miquina. Penetración efectiva.

Penetración neta. Coeficiente. Coeficiente.

8.1. Penetración neta (PN)

Es la velocidad con la que penetra una maquina topo en la rasca cuando esta trabdands. Se expresa generalmente en man/revolucción o en mlhora.

Existen muchos criterios de determinación de esta penetración neta. To- dos ellos se basan en Ia caracterización de las propiedades mecanicas de las rocas; para ello es necesario realizar ensayos diversos en el laboratorio.

En Ba Tabla 2.7 se recogen algunos de los criterios mas conocidos y de uso mas frecuente.


6 E 8 3 5 3 e 8 .2

2 E 0 * T3

8 .g SJ +& f i " 3 3 8 !4 3 0 g ". 0 CI " E. z 3 a .e a T3

B 4 8 8 .e - 0J .S &3 Q S

d .a 8 -3 k3 2 2 .S ta

% 0 8 Z !4 5 ;a e B

.o0 8 8 2 a .S 8 g a 4 0 kl- ..

-3 0 g 0 :ci 3 ~4 -g

8 E 2 42

Q-$2 ba

s.." e g;


R = Penetmcidn neka en piesihora RóOo = Penetmcidn neka en pieslhom pam discos con ángu1o diedro 6P. R900 = Penetmcr'dn neta en piesihora para discos con ángulo diedao 90". IV = Velocidad de rofaclón de la cabeza en r.p.m. F = Empuje sobre eel tallante en Hibras. F = Empgje por cortador en Iibms. - p -: Densidad por pie cúbico. p = Densidad en gmmos por cm3. E = Módulo de eiaseicidad ~ f á t i c a en psi- S - - Durezashoae. Co = Resistencia a la compresión simple en P ~ i x l d - ~ p ~ i . FV = Empuje en libras. - W = Pmidn en p s k d d Kpsi. @ = Diámetro del aunel en pies. 1 = N ~ m e r o de tallantw en contacto con la roca. P' = Hundmkento en piw del punzdn en el primer desca$caRliado. E = Coga en libras Qercida sobre elpunzón en elprimer descascaHllado. E = Constante. K = Constante de deformación., d = Indice de penaamcidn en libms por pulgada. o = Resistencia a la compresión simple en (psi).

La Colorado School of Mines sugiere la siguiente relación te6rHca para determinar la (PN) por revolución.


VF = Fuerza vertical sobre el cortador. C = Resistencia a compresi6n de la roca. T - Resistencia a cortante de la roca. D - Diimetro del cortador. a = Angulo de filo del cortador. s = Separadón entre surcos. PN = Penetración del cortador.

El Nomegian ánstitute of Technology ha publicado en el afio 1983 un modelo de prediccádn de la penetración neta o basica (PN).

Esta predicción se realiza mediate el indice de perforabilidad (DRH), Dri- lling Rate Index, obtenido en el laboratorio y la csrrelacidn establecida entre este indice y los avances obtenidos en casos reales.

El DRI se obtiene a partir de dos ensayos de BaborahsrSo: - El ensayo de caida ('drop test) que da una medida indirecta de la energia

necesaria para triturar la roca (Fig. 2.14). El valor de la fragilidad S,, rapre- senta el porcetaje de material que pasa por un tamiz de 1 i,2 mm. de abertura despuks de 20 impactos y se obtiene determinando el valor medio de tres o cuatro ensayos.

- El ensayo depe@omción "ieve8- miziadure dril% test) que da a;na medida indirecta de la dureza de la superficie de la: roca, representativa de Ba resistencia a la identacidn (Fig, 2.15).

El valor SJ se define como la profundidad del taladro, medido en dCclmas de milirnetrs, despues de 200 rotaciones efectuadas por una pequeña $a- rrena sometida a un empuje de 20 kklsgramos.

El valor SJ se obtiene como valor medio de cuatro a ocho ensayos,

1 2 5 cm. 20 x

Figum 2.64. Ensayo de caida (Drop test). (.Mouinkeb 0. Johannssen, 1986.)


Figura 2.15. Ensayo de pe$oraciBn (Siever test). GMouirekeR O. Joharenssen, 1986)

Con los par8metaos (S,,, SJ) correspondientes a los ensayos anteriores, se determina el DRI mediante el gñ8fico de Ba figura 2.16.

Figura 2.16 Determinación del DRI* (T*Mouinkel O. Johannssen, 1986.)

En base a Ba recopilación de datos se han obtenido correlaciones entre Ea resistencia a compresibn simple de las rocas y el DRI, como pueden verse en las figuras 217 y 2.18.


en- w z CEW

Figura 2. 1 7. Correlacidla entre e% DRI y la resistencia ea compresidn de Ea roa . (TMoulnkeb 0. Johalanssen, 1986.)

GRANITO BE GRANO MEDIO F I N O

Flgedm 2.18. Correbacldn entre e% DRIy la resistencia a compresidn de la roca. QTMouinkeb O. Johannsse~, 1986)

Del ándice DRI se obtiene, mediante el grkfico de la figura 2.19, la pene- tración neta o básica (PN), para distintos empujes por cortador, utilizando el coeficiente corrector segcn el dihmetro del cortador.

Figura 2.19. Deteimarmacibn de /a pefielracibn neta (FAV. (Te AdouinkeL O. Johannssen, 1986,)

Por otr ;~ parte se ha com-probado que el grado de fracturacléan de la masa rocosa tiene mayor importancia que le perforabllidad de la roca representada por DRE a la hora de predecir la penetra"i6n.

El mismo Nomregian InstP&ute of Technolsgy ha desarrollado unos cm- ficientes (&) correctores de la penetración nela, según la elase de junta y al tipo de fisura, en fimcidn del kngulo formado entre el eje del t h e l y los pEa- nos de debilidad (Fig. 2.28).

5 cm. b

3

Figura 2.10. Relacddn entre eel dngulo formado por e! eje del teaasel y los planos de debilidad y el coeficiente Ks. (TeMouinkeB, O. Johannssen, d986J


Para ello, con objeto de facilitar %a toma de datos de la fracturación de la roca, ha definido las siguientes clases de fracturas (Tabla 2.7 bis).

TABLA 2.7 bis

CLASE DE F M C T U M EN WLACION CON LA SEPAUCION E N T m PLANOS DE DEBILIDAD

(T. MOUINmL, O. JOHANNSSEN, 1986)

Clase de fractura (Juntas SP/Fraact. ST)

Separaci6n entre Fracturas planos de debilidad por metros

-

160 cm. 80 cm. 40 cm. 20 cm. 10 cmo 5 cm.

Siguiendo el modelo de predicción propuesto por el Instituto Noruego de Tecnologia, la abrasividad de la roca viene determinada por el ándice (CLI) (Cutter Life Index) obtenido a partir del valor de abrasión (AVS), mediante el ensayo de abrasión en laboratorio (Fig. 2.21) y el valor SS, utilizando la expresibn: CLI=13,84 (SJ/AVS)Q,3"7

1 PESA DEJO KGS SILO PAW POLVO DE ROCA<$ mm.1

Figura 2.21. Ensayo de abrcasión. (T. Mouinkeb 0. Johannssen, 1986.)


EB valor AVS es igual al peso perdido por el cortador expresado en mili- gramos despanes de 20 revoluciones de la masa giratoria.

En la figura 2.22 se establecen valor de QCLI) para las rocas que han sido ensayadas.

-- 1 2 P I Z A R R A 3 ESQUISTO VERDE & F l L l T A 5 MICA ESQUISTO 6 GNE l S MlCACEO 7 GNElS GRANITICO 8 GNEIC ANFIBOLICC O CUARZO ESQUISTO

1 0 CUARClTA f 1 CUARZO DIOWITA

-. - .-

Figura 2.22. Va/or del (CLI) para diversas rocas. (T. Mouinkeb O. Johannssen, 1986)

Mediante multitud de datos se han obtenido correlaciones entre el indice CLI y la vida del cortador expresada en horas, y los costos por hora y cortador (Figs. 2.23 y 2.241,

Figura 2.23. Relación entre el (C') y el costo por cortador en coronas noruegas (hora y cortador). (T. MouInke%, 0. Joha~nssen, 1986)


I INDICE C L I

Figura 2.24. Relacidn entre el (CLI) y la vida de los cortadores de disco en homs. (T. Mouinkel 0. Johannssen, 1986.)

- E P L

N W m 5 20

18 POTENCIA D E L A 5 16 CABEZA DE CORTE (H P l W l 4 o 12

o 10

2 ", X ii 2 > o

- e

Nota: No se ha tenido en cuenta en este ábaco las deficiencias de funcionamiento de /a máquina, fallas o esquistosidades en la geologi'a del terreno, ni alteraciones en la resistencia a la rodadura de dferentes coHadores. Deberd comprobarse que no se excede /a capacidad de los rodamientos de Ios cortadores que se pretenden

utilizar-

Figura 2.25. Abaco de rendimientos de una máquina TBM [Boretec]. Los datos mínimos pam utilizar este ábaco estdn en las especi$caciones de la

máquina y son: potencia, ve/ocidad de Ia cabeza y diámetro. También se mqzdieren las condiciones de roca esperadas.

68 EXCAVACION MECANIGA DE TUNELES

Para estimaciones previas suelen utilizarse áibacos, como el de la figura 225. En el ejemplo que se presenta, la penetración neta conseguida por una miquina de 18 ft de diáimetro y una potencia de la cabeza de corte de 2.000 HP perforando una roca de dureza media, es de 18 piesihora.

Este paráimetro báisico depende de las caracteristicas mecáinicas y estructurales de la roca, asá como de las caracteristicas de la mhquina y del grado de desgaste de los cortadores.

Para poder cuantificar estos Gltimos factores se define el coeficiente B, cuyos valores pueden estimarse en (Tabla 2.3.):

TABLA 2.8

VALOWS DE COEFICIENTE B EN FUNCION DEL ESTADO DE LA MAQUIWA Y DE LOS CORTADOmS [L. COWEJO]

Máiquinan en muy buen estado.

Cortadores nuevos.

MhquPna en buen

horas reales de traba0 de la máiquina Se define como el cociente: CU- Horas efectivas de trabajo

El tiempo real de trabajo de la mdquina varia en función de las inciden- cias del resto de actividades que antemienen, corno son:

Tiempo neto de perforación. Cambio de cortadores. Mantenimiento y reparaciones del TBM. Matenimiento y separaciones de8 back-up.

- Tiempo de transporte de escombros no soilapable. Tiempo de sostenimiento. Otras causas.

CAP. 2. MAQUENAS TOPO (TBM) 69

Podemos definir unos valores para el CU en hnción de las condiciones de tsabdo tomando como base datos estadisticos sacados de casos reales, los valores para el CU serán:

TABLA 2.9

VALOWS DEL [CU], SEGUN LAS CONDICIONES DE T U B A J O

CONDICIONES DE TUBAJO

Roca, dureza media Equipos de apoyo 6ptimos.

No sostenimiento. Buenas Roca, dureza media. 0,42

No sostenimiento. Normales Roca dura no muy

abrasiva. Sostenimiento muy 0,34 ligero.

Poca filtración de agua 6 HBseg.

Duras Rocas muy duras y 1 abrasivas.

Sostenimiento lige- 1 ro. Mediana filtrasP6n de agua < 32 l/seg.

Rocas extremadamente duras y abrasivas. Rocas con flueeecia. Sostenimiento considerable.

Alta filtracisbn de agua > 32 B/seg.

Representan la duraci6n de Ba actividad laboral diaria; normalmente se trabaja de un modo continuo durante las veinticuatro horas del dia. Estas


veiwticuatro horas no son enteramente aprovechables para el trabajo, ya que se producen tiempos muertos: un ejemplo de estos tiempos muertos seria el tiempo perdido entre cambio de relevos.

Por este motivo afectamos dicho parámetro de un coeficiente (A) de mi- noración de la jornada laboral.

El valor de este coeficiente, para una jornada de veinticuatro horas seria:

TABLA 2.10

COEFICIIIEN" (A) DE MINOMCION DE JOWADA LABOUL

Ejemplo: Se trata de estimar el avance medio de un topo de 5,40 metros de diámetro de 2.000 HP en una caliza de dureza media; se supone una jornada laboral de veinticuatro horas y Ba necesidad de colocar un sostenimiento ligero.

Para este caso, los valores de los parámetros ser6-n:

A = 0,85. BTD = 24 h. CU = 0,34. B = 0,85. PN = 3 m/h.

El avance medio estimado-dá'a serti: AMD -: 0,85 x 24 x 0,34 x 0,85 x 3 = 17,68 m/dia.

9.bstimación de costos de excavnefóm con tsps

En una primera aproximación puede decirse que la estructura del costo en porcentaes es la siguiente:

Mano de obra: 15-28 por 100 (hasta el 36 por 100 cuando se trabas con inyección en el frente o el sostenimiento que se coloca es muy importante).

Maquinaria: 40-50 por 100 (25 por PO0 cuando la incidencia de mano de obra es muy grande).

Materiales: 30-45 por 100. Energia eléctrica 5-10 por 100. Desgaste de cortadores 15-35 por 100.

Pasemos a analizar cada uno de los conceptos que intewienen en el costo.

Los costos de la mano de obra varian de unos proyectos a otros, en ellos infiuyen principalmente el avance medio de excavación obtenido por la miquina TBM y que depende fundamentalmente del tipo de roca y del coeficiente de utilización (@U) de la miquina. Definimos el ñndice de mano de obra (IMQ) mediante la expresión:

[N.O operarios8turno] [neo de turnos] [duración del turno] m

HMO- - [Sección de excavación] [ k a n c e medio/día]

- - Horas a Hombre M3

A título indicativo diremos que durante Ba excavación de varios t69neles para la realización del proyecto ferroviario Bugalo-New York, el indice medio de mano de obra imputable a la excsavación varió, segcn los tGneles, entre 1,126 y 1,512, con túneles de 6,70 metros de diimetro.

De un modo aproximado puede estimarse que el avance medio de asna mhqanina TBM es del orden del 40 por 100 de la penetración neta ("N).

Para determinar el nGmero de operarios deberin evaluarse Has necesidades de cada proyecto; no obstante, como f6rmnla aproximada para un tanteo r-ido puede utilizarse la siguiente:

NGmero de operarios/t~rno=8+(d-2~8) 1,s donde d es el diimetro del topo.

El costo de la mano de obra puede determinarse de un modo aproximado, mediante la expresión:

donde COH-costo total horario del operario tipo representativo. NHR=duración del relevo en horas. M=metros avanzados por relevo.

Viene dado por Ha expresión:

CEC x d CMQ= = Ptas/m. (19)

L"

7 2 EXCAVACION MECANICA DE TUNEEES

donde: CEC-costo del equipo completo (incluido fletes y tmnsportes) para un di& metro de 2,8 m. d-diáimetro de8 túnel. LT-longitud del talnnel. N-amortización del equipo en aHaos. i=inteaks del dinero (i=8,1-0,2).

Viene dado por la expresión:

u CC- 581 $/m. (20) (B. Maidl, 1984).

L Ab

L.== longitud recorrida por un cortador. Ab-Profundidad de corte efectiva.

Para una caliza: k 4 0 8 h. bb=0,5 cm.

Otra f6rmula para determinar el costo de los cortadores es la siguiente:

en la que: NC=N~mero de cortadores. CUC=Costo da un cortador. DT-Duración del taíinel en dias. HTD=Horas trabajadas por dia. FD-Factor de disponibilidad de la miquina (0,8). CU-Coeficiente de utilización de Ba mhquiaaa. VC=VHda del cortados en horas (500 horas en caliza de 1.000 kg/cma).

El producto FDxCUx100 representa el tiempo que la miquina esta aplii- cando el málliimo empuje.

A continuación se incluyen algunos datos estadisticos de desgastes de cortadores extraidos de proyectos realizados.

Terrenos del láas-0,00335 co&adores/m3. Terrenos del flysch-0,00485 cortadores/m3. Terrenos del trias=0,00666 cortadores /m3.

CAP. 2. MAQWINAS TOPO (TBM)

Gneis=0,0 123 cortadores/m3. Calizas (800-2.108 #g/cm2)=0,0 15 costadores/m3-

8.4. Costo de mmtenfmiento, repamciones y eneqla C M E

Viene dado por Ba expresión:

Se incluyen algunos datos estadásticos de consumos de enesgia extraidos de proyectos realizados

WABEA 2.10 DATOS DE CONSUMO DE ENERGIA

Tipo de terreno Consumo de energia Resistencia de Ba roca ~ ( ~ r i r h l r n ~ Compresidn simple Point-Load

Terrenos del Lías 14,658 "rreaios del Flysch 16,411 Tedrrenos del Trías %0,40 Gneises 3,s Rocas sedimentarias 2,s 500-800 ~ g / c m ~ 2,7 - 3,% Rocas ígneas 3,8 B.500/2.500 ~ g / c m ' 10,& - E8,6

Ea la figura adjunta 2.26, obtenida por K. Gehslng, pueden obse~arse 10s cosaos de 10s distintos Gtiles de corte (picas, cortadores de disco y cortadores de rodillo) en función de la resistencia a compresión de la roca.

O 50 100 150 200 2 5 0 300 350 400

RESISTENCIA DE LA R O C A

Figura 2.26. Costo de los útiies de corte. (K. Gehring, 1982.)

74 EXCAVACION MECANICA DE TUWELES

9.5. Costo de gastas genedes (CGG)

Viene dado por la expresión:

9.6. Costo tohl de ejecndón mdedd ( a E M )

El costo total seri: CTEM = CM0 + CMQ + C M W + CC + CGG (24)

En la figura 2.27, debida a D. Prader, se comparan los costos de excava- ción con topo y con sistema convencional con explosivos, para distintos di& metros de excavación y para distintas profundidades de penetración. Ea roca es una caliza.

8 O

7 O

60

5 0

L O

3 O

2 O

1 O

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0

DIAMETRO D E L TUNEL E N M .

Figura 2.27. Costos de excavacldn con TBM en función del avancelwvolueidn.

En %a figura 2.28, debida a K. Gehring, se comparan los costos de excava- ción con distintos sistemas (explosivos, rozadora, topo y escudo), para una sección de excavación de 26 m" cuatro kilómetros de longitud.


5 0 100 150 200 2% 300

RESISTENCIA DE L A ROCA

Figura 2.2& Costos de excavación con distintos sistemas. (K. Gehring9 1982.)

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Mhwina~ de ataque pumtaal Rozadoras

Dentro de la amplia gama de maquinaria que se utiliza en Mineria y Obras P~blicas para la excavación mec8iaica de rocas, hablaremos ahora de las llamadas miquinas rozadoras,

Una rozadora es una miquina excavadora que desarrolla un sistema de trabajo mediante un cabezal rotatorio, provisto de herramientas de corte de metal duro que incide sobre la soca y que va montado sobre un brazo articulado; un sistema de recogida y transporte de escombros desde el frente hacia la parte trasera de la miquina completa, mediante el ensamblado de los mecanismos descritos a un chasis móvil sobre orugas, el sistema de traba0 de estas miquinas.

El desarrollo de este tipo de mhqosinaas comienza en la ddcadaa. de los 60 con las PK-3 rusas capaces de atacar rocas de hasta 35 Mpa (figura 3.1).

EXCAVACION A S I S T I D A CON CHORRO DE

a 0 0 0 0 3 s t o n @ A G U A A L T A P R E S I O N ( W A T E R J E T )

RDE/ E l M C O E 2 0 0 1 1 0 ton5

NGLO-SOVIET 40 t o n 5

M K ? A 2 5 t o n s

O 1 9 6 0 7 0 0 0 87

A Ñ O S

DESARROLLO D E S P U E S D E Z ~ A ~ O S D E L A S ROZADORAS

Figum 3.1. Desarrollo después de 25 anos de las rosadoras. (A. H* Morris> W* Harrison, 1985-1


En los afios 70 se produce un gran auge en el desarro110 de estas máqui- nas, ya es posible atacar rocas de hasta 80 Mpa. Se fabrica Ba primera máquina de 80 Tm.

En los afios 80 el desarrollo va por el camino de incrementar el peso y Ba potencia de las máquinas; se construyen máquinas de 110 Tn. U de 400 KW de potencia en Ba cabeza de corte (EICKHOFF ET-480). Se incorpora a estas máquinas la tecnologia del agua a alta presión (Water Jet), que mediante la aplicaci6n de chorros de agua a la punta de h pica, se consiguen reducciones en las fuerzas de empuje, lo que permite atacar rocas muy duras con miquinas menos potentes y pesadas. Con miquinas de 35 Ton. asistidas con Jets de agua a alta presión se pueden atacar rocas de hasta 150 Mpa. de resistencia .a compresB6n uniaial.

El desarrollo de estas máquinas proviene de su utilización en Ba mianeria del carbón en el Reino Unido, Alemania y Estados Unidos, entre otros. Valga como ejemplo que en %a mineria alemana del carbón se perforan anualmente mhs de 500 km. De galerias de 21 metros cuadrados de secci6n. EB 52 por ciento de esta longitud se excava con rozadora; de este 52 por ciento el 12 por ciento se excava en rocas de durezas comprendidas entre 100 y 140 Mpa. de resistencia uniaxial.

La utilización de estas m8quinas en la ingenieria civil es cada vez mis importante y se extiende a la construcción de tdneles en terrenos principalmente poco abrasivos y de resistencias inferiores a 100 Mpa., en los que la longitud de los mismos hace prohibitivo el empleo de mhquinas TBM de ex- cavación a plena sección.

2. SISTEMA DE TMBAJO

Estas m8quinas utilizan el sistema de ATAQUE PUNTUAL, en el cual la potencia total del motor de corte y el peso de la mhquina (fuerza de reacción) se concentran en una hita punta cortadora, Bo que permite atacar rocas bastante duras.

2.2, Sistema de co&e

Dos son los sistemas de corte empleados y que vienen representados en la figura nlamero 3.2:

ATAQUE FRONTAL (RIPPING) ATAQUE LATIEML (MILLING)

2.2.1. Ataque frontal

CAP. 3 . MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS 7 9

En este sistema el cabezal de corte gira perpeiadicu8armenita al brazo soporte y las herramientas de corte (picas) golpean la roca utilizando todo el peso de la miquina, por lo que el rendimiento de excavación aumenta y posi- bilita «el rozado» de rocas mis duras. La fuerza de corte se aplica principalmente de un modo frontal-

2.2.2. Ataque Batemi

En este sistema el cabezal de corte cilindrico o tronco cónico gira en Iánea con el eje del braio soporte y la fuerza de corte se aplica lateralmente, por lo que no se aprovecha todo el peso de la máquina como fuerza de reacción.

2.2.3. Ventajas e inconvenientes de ambos sistemas

Ambos sistemas tienen sus ventdas e inconvenientes y cada uno tiene sus aplicaciones especificas. Existen miquinas en el mercado que permiten la uhilizaci6n de ambos sistemas con la simple sustitución del cabezal de corte.

En minern'a puede tener una buena aplicación el sistema? MILLING, ya que, al ser el cabezal de corte de dimensiones mis reducidas permite su utill- zacidn en capas estrechas de mineral que puede ser rozado sin afectar a la roca encdante.

SISTEMAS DE C O R T E

MILL lNG RIPPING

Figura 3.2: Sistemas de corte

Figura 3.3.: ~ i i o s de cabezal

Son las herramientas de trabajo que, aplicando en un punto la energáa desarrollada por la m&quána, producen Ba indentcacidn de Ba roca y su rotura, Figura 3.4.

Figura 3.4.: Herramienta de corte (pica)

GAP. 3. MAQUPNAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

2.3.2. Elementos de que se componen

Los elementos de que se componen los aítiíes de corte son: -. BLOQUE-PORTAPICALI, (lugar donde va alejada la pica). - VASTAGO (parte de la pica que se introduce en el portapicas). - PUNTA (punto de contacto de widia entre Ia pica y Ia roca).

En la tabla n6mero 3.1 se indica el campo de utilización de algunos de los tipos de éatiles de corte en función de la potencia de la cabeza de corte de la miquina.

TABLA 3.1

CAMPO DE UTILHZACION DE ALGUNAS PICAS Y PORTAPICAS

D i h e t r o

del v$s&go

S (mm.)

U 47 HD U 47-52

BBS 30.65. 30,2 K1-52 K1-55

D i h e t r o

del

mrbaro

i (mm.)

Longitknd

de La

cabeza

Potencia

de las

mhqknhas

El contacto entre el útil y Ba roca se realiza mediante una pastilla o punta de metal duro (carburo de tungsteno) que va inserto dentro de una matriz de acero que ha sido sometido a tratamientos de endurecimiento.

El carburo de tungsteno (CW) es una aleación que se obtiene por reduc- ci6n a 900" del metal en polvo con hidrógeno. Seguidamente, mediante la mezcla del metal con carbón, se producen granos de tungsteno de dimensiones entre 0,s y 8 p. La sintetización de los granos se realiza mediante metal cobalto que es disuelto por el carburo, efectuándose un primer calenta- miento a 900' y un segundo posterior a 1.400'.

U47HDVA 38,2 22 BBV 38.80 U47-55VA 38,2 25

U47-55- 30VA 38,2 30

EXCAVACION MECANICA DE TUWELEC

TABLA 3.2 ALGUNAS ALEACIONES DE COBALTO Y CAR5UIPO

DE TUNGSTENO (SEGUN J. A. TALOBRE)

DUREZA 1 eo / ew

ALEACION / (010) 1 Vicher ( Mohn (

Algunas de las aleaciones que se pueden obtener con este proceso vienen indicadas en la (tabla 3.2,).

El cobalto disminuye un poco 1a dureza del carburo de tungsteno, pero en cambio le confiere una menor fragilidad.

2.3.3. ParQmeeros angulares principaies

Los principales parhmetros angulares que definen la posición da los úti- les en la cabeza de corte y que influyen de un modo- importante en la eficacia de 1a operadón de corte, son:

2.3.3.1. El Qngulo de ataque

Viene definido en la figura 3.5; su valor oscila alrededor de los 45" con un margen de variación de +- 2"; de este hnguBo depende la buena penetración o indentación, la buena rotación de 1a cabeza y, por consiguiente, la eficacia del rozado.

2.3.3.2. BH ángulo de oblicuidad

Viene definido en 1a figura 3.6; su valor oscila entre 5' y %O0. Este ángulo contribuye a una mejor rotación del conjunto de la cabeza de corte en com- binación con el Bngulo de ataque.

CAP. 3. MAQUPNAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

Figura 3.5 Angekjo de ataque. (Cortesia KennametaL)

Figura 3.6. AnguBo de oblicuidad. (Cortesia Kennametal.)

84 EXCAVACION MECANICA DE TUNELEl

2.3.3. El &ángulo de B'nclinacHdn del soporte

Viene definido en la figura 3.7, su valor oscila entre 10" y 20' y permita la limpieza del material que ya ha sido excavado.

2.3.4. T@os de picas Hay dos tipos bálsicos de picas: picas radiales y picas tangenciales. Las picas radiales, figura 3.8, se usan exclusivamente en la excavación de

rocas blandas (carbón, sal): el filo de corte Bo proporciona una pastilla de CW.

Las picas tangenciales son de forma cónica y estin especialmente disefia- das para resistir la fricción entre ella y Ia roca; son por tanto herramientas de fricción (drag pick).

Figura 3.7. AnguPo de inclinacidn del soporte. (Corfesia KennamebaL)

Rcas radiales.

En las figuras nhmeros 3.9,3.10,3.%1 y 3.12 se muestran algunas de las picas cónicas más representativas entre las usadas por las miquinas rozadoras.

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

U 40 K U 40 KHD

-39 . t i c *

VA 46-M2 AUS U 47-1 U 47-55-30

2,S.S. Elección del tipo de pica

Ea elaccidn del tipo de pica esta en relacibn con la potencia de ia cabeza de corte y con la dureza y abrasividad de la roca. En la tabla 3.1 se indica el campo de uli1izac46n de los distintos tipos da picas atendiendo a la potencia instalada en la cabeza.

86 EXCAVACION MECANICA DE SUNELES

BBS 30.65

BBV 38.80

Dentro de estos tipos, la elección del di6metro de la punta de widia se harh teniendo en cuenta la dureza y el grado de abrasividad de la roca; como regla bisica diremos que cuanto mis dura y abrasiva sea una roca, mayor de- berA ser el dihmetro de Ba punta.


Figum 3.13. Relación entre /a compresidn uniaxial de la roca, el diámetro de la el consumo de picas y la eficacia de rozado. (Cortesia Kemnametal.)

Sin embargo, hay que tener también presente que en rocas blandas, cuanto mayor sea el dihmetro de la punta de widia, menor serol el rendimiento de corte.

En la figura 3-13 obsemamos que para una roca de un coeficiente de abrasividad determinado y de una resistencia a la compresión uniaxial de 100 Mpa, es mAs adecuado elegir una pica cuyo diolmetao de la punta sea de 30 mrn que elegir otra que tenga un dihmetro de 25 mm, ya gue la economáa que se produce en el consumo de picas, compensa con creces la reducción en el rendimiento de rozado.

Sin embargo, para una roca de 50 Mpa., debe elegirse la pica que tenga un diimetro de punta de 17,s mrn en lugar de otro cuyo dadmetro sea 30 mm, ya que la economáa en el consumo de estas cltimas no compensa la disminu- ción de los rendimientos en relación con los que se obtendrian usando las primeras.


2.3.6. Disposición secuencia1 y n ~ m e r o óptimo de picas en /a ccabezw

La eficacia en el rozado no depende únicamente del adecuado dlsegáo y colocación de cada pica considerada esta aisladamente, sino tambiCn, y de un modo fundamental, de Ba disposición secuencial de $seas en la cabeza de corte.

La excavación debe producirse por la acción secuencial de las picas, de modo que cada una incida sobre Ha roca en una posición que permita incrementar la rotura. Esta disposición secuencPa1 es susceptible de ser analizada mediante computadora de modo que se determine aquella que suponga un consumo específico de energia menor.

En cuanto al ndmero de picas, diremos que hay un neíimero óptimo que no se debe sobrepasar.

Si el ndrnea.0 de picas es escaso, aumentarhn las tensiones especificas en ellas, aumentando las roturas, aumentarhn los desgastes y se producirin vibraciones nocivas para la vida de la mdnaiquina.

Por el contrario si el número de picas supera el valor óptimo, disminuir8 el rendimiento de rozado como consecuencia de una peor rotación de la cabeza y aumentar8 la generación de polvo. Como efecto positivo se reducirhn los desgastes de picas.

2,4. Sistema de carga de escombros

El sistema de carga de escombros es diferente de unas m8quinas a otras, y presenta bhsicamente cuatro variantes:

1.4.1. Carga mediante brazos recolectores

El material rozado cae sobre una bandeja y es recogido mediante unos brazos que 1s cargan a los transportadores (tipo Alpine y otros). Figura 3.14.

Figura 3.14. Meseo de recogida

non brazos recolectores.

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS 89

2.4.2. Mesa recolectora

Eá material cae sobre una mesa recolectora cuya parte superior tiene un movimiento alternativo hacia los lados empujando el material hacia los transportadores (tipo Westfalia WAV 178, 170, etc.) Figura 3.15.

Figura 3.15. Carga d e escombros con mesa recoEectom


El material es cargado mediante un transportador continuo de paletas circulantes (tipo Dosco). Figura 3,116.

Figura 3.16 Carga de escombros mediante carrusel de paletas.

2.4.4. Rozado y carga en una mhma opemción

Este sistema ha sido desarrollado por la firma alemana Westfalia, en el que el cabezal de corte girando de abajo hacia arriba, a la vez que corta, carga el material y alimenta un transportador central colocado en el mismo brazo articulado. Figura 3.17.

CAP. 3 . MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS 91

Este sistema permite efectuar excavaclones puntuales de dimensiones muy reducidas de aplicación en tcneles en terrenos blandos cuya'estabilidad asn' lo aconseje. Este sistema se emplea cnicamente en las máiqaainas ligeras y de potencia media (100 KW tipo Luchs) siendo los dos sistemas primeramente descritos los utilizados para mhquinas de mayor potencia.

3, Clasilmci6n de las mAqninas

La variedad de m6quinas existentes en el mercado es muy abundante; para facilitas el estudio y la eleccidn de la miquina máss adecuada a un proyecto determinado, se propone Ia siguiente clasificacidn, basada en el peso y la potencia de las mismas:

Caracteristieas: Peso: 20 Tn. Potencia de Ba caikPeza de corte: $0 KW Dureza mhasgima de roca: a, - 30 Mpa. Las mBquPnas m&s representativas figuran en Ba tabla 3.3.

L." Miquinas de peso medio

Caracterásticas: Beso: Entre 20 y 40 Tn. Potencia en cabeza de corte: q 110 KW. Dureza mbima de la roca: o, 80 Mpa. Las másquinas mals representativas figuran en la tabla 3.4.

33 , Mgquinas pesadas

Caracteristicas: Peso: entre 40 y 60 Tn. Potencia en la cabeza de corte: 220 KW Dureza mkima de la roca: a, 5 100 Mpa. Las másquinas m6s representativas figuran en la tabla 3.5.

3-4. Mlquinas muy pesadas

Caracteristicas: Peso: entre 60 y 80 ñn. Potencia de la cabeza de corte: 200-300 KW. Dureza mbima de la roca: o, S 120 Mpa. Las miquinas mals representativas figuran en la tabla 3.6. En Ba tabla 3.7 figuran mkquinas que incorporan chorro de agua.

EXCAVACION MECANPCA DE TUNELEC

EXCAVACION MECANICA DE SUNEEES




4,f, Resistencia a eompresi6~ de %a rsca

Ea elección de la potencia de Ba rozadora esta en estrecha relación con la resistencia a compresión simple de la roca, %a tabla adjunta 3.8 indica esta re- lación basada en la prkctica.

TABLA 3.8

mLACION E N T m WSIISTENCIA DE EA ROCA Y POTENCIA DE LA MAQUINA

POTENCIA DE LA CABEZA

(awj

Ea resistencia a compresión de la roca no es de f&ii determinación, ya que el dato obtenido en laboratorio sobre probeta puede no reflejar la reala- dad de Ia matriz rocosa.

El grado de fracturaci6n y la orientaci6n de la estratPficaci6n influyera so- bremanera en la resistencia real del macizo, en el momento de ser rozado; es necesario por tanto hacer una corrección sobre el valor determinado sobre probeta sopesando el grado de fracturación y diaclasado de Ba roca, determinando el número de familias de diaclasas que daráiaa como resultado una re-


sistencia real inferior a la calculada. La estimación de esta resistencia exige la obsewación del frente de roca y experiencia para su interpretación. Un mktodo sencillo de determinación de Ha resistencia de Ia roca, es utilizar el martillo Schmidt haciendo una serie de medidas y tomando su valor medio. Ea resistencia se determina utilizando la siguiente expresión propuesta por Hendron [8].

Eog. o, = 0,00014 y R + 3,163; (1) siendo: y peso de la muestra seca (lb/ft3), R media de los valores obtenidos con el martilo.

El ghlibo del túnel a excavar determina las m8quinas que por dimensio- i lZaF8e. nes, pueden ut;l'

Dentro de las máquinas que por gilibo pueden emplearse, cabe una segunda elección en funcidn de las fases en las que se piensa excavar el tdneE.

Si la excavación se hace en una Cnica fase deberhn seleccionarse Bas LTIB- quinas de modo que la altura mhxlma de corte sea igual o mayor que la altura de la secci6n a excavar.

Cuando la excavación se hace en fases, una vez definidas éstas, se haah la elección como se indica en el pirrafo anterior.

En la eiLaccl6n de la rnhquiála más idónea hay que tener en cuenta la varia- bilidad de las carackrásticas gesmechnicas del terreno. La ekecdón será 5 s - tinta s e g h se trate de terrenos con fuerte, mediana o leve incidencia de los tramos de terreno malo dentro del conjunto. U n ~ s mdquinas se adoptan mejor que otras a la problemática que plantean los terrenos de mala calidad; siempre hay que buscal en Ea elecci6n una mejor versatilidad y adaptaeibn cuando se trata de formaciones de caracteristécas muy ~radables.

Cuando los terrenos presentan varacteristieas an2-s o menos homogéneas y suficientemente conocidas, la elección de la mhquina seguiri otras pautas de decisión.

En muchos casos las pendientes de trabajo superables por las mhquinas pueden ser decisivas en la elección.

En la tabla adjunta 3.9 se recogen las pendientes mhximas de trabajo de algunas de las mhquinas.


TABLA 3 3

PENDIENTE DE T U B A J O Y PRESION SOBRE EL SUELO DE LAS MAQUHNAS ROZADOMS

RLPINE

AM-50 AM-75 AM-100

WESTFAEIA FL-3R-40 FE-3R-50 FL-4R-53 FL-SR1-904110 FL-6R-110 FE-SR-90 WAV-170 WAV-178 MTAV-300

Angalo con la Pendiente PresiBn bod~@ntal bQ/@B (kg/@m2)

EXCAVACION MECANICA DE TUNEEEJ

4,s. PresMn transmitida d temeno

En algunos casos, en terrenos de mala calidad en presencia de agua es muy importante que la presidn transmitida por la máiquina a 1a solera sea la menor posible, ya que una presión inadecuada puede imposibilitar la utilización de la mkquina.

En la tabla anterior 3.9 se recogen algunos datos relativos a presiones sobre el terreno.

4 - 6 Caaaetedsticas especiñcas de cada m&qnina

Cada mhquina tiene sus peculiaridades que la pueden hacer mhs apta para un trabajo concreto.

En Ba elección debe tenerse en cuenta: a) Velocidad de traslación. b) Energias alternativas en la traslación. c) Si es apta o no para trabajar en ambientes potenciamente explosivos. ha) Si dispone de brazo telescópico. e) Si dispone de brazo articulado. $p Los mecanismos de seguridad. g) La robustez de Ba máiquina en las partes que mks estin sometidas a es-

fuerzos. e) Si dispone de sistema de chorro de agua a alta presión, g) Si dispone de un sistema adicional de dirección y control automhtico

del perfi"nle la excavacibn. h) Asistencia tCcniica a pie de obra. i) Profundidad de excavacidn por debdo del nivel de orugas. j) Otras prestaciones.

El rendimiento de rozado es otro de los parimetros cuya predicción es esencial para establecer la comparación econdmlca con otros métodos de ex- cavación.

El rendimiento instantáneo depende de dos tipos de parhmetros: Pwrdmetros relativos w Ha máquina: peso de la máiquina (W), potencia de la

cabeza de corte P, y coeficiente de calidad de disefio de la misma (CCD). Parámetros de ba roca: resistencia de compresión uniaxial (o,), resisten-

cia a traccl6n (o,) y coeficiente de desgaste (F) de la roca. Para valores determinados (o J= cte., F = cte., el rendimiento instantk-

neo depende de (P,) y de a,.

CAP. 3 . MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS 101

En las tablas 3.18 y 3.11 1 se indican valores de este rendimiento instan$&- neo QR,), para distintas potencias de la cabeza de corte y para rocas con distintos valores de a,.

Otro factor que afecta a este rendimiento es la tenacidad de la roca expresada como la relación ot/o,.

Para valores de esta tenacidad mayores de 0,11 las rocas son dificilmente rozables y sus rendimientos disminuyen drhsticamente y e% consumo de picas aumenta.

Un alto grado de desgaste influye en el rendimiento de rozado. La pér- dida de material en Ba-punta hace que se modifiquen los aingulos de filo y de incidencia, llegando éste a valores negativos, lo que obliga a incrementos de la fuerza aplicada.

Desgastes de décimas de milimetro, afectan seriamente al rendimiento de corte, por lo que es necesario cambiar las picas muy frecuentemente. Esto es principalmente importante cuando se trata de rocas duras. Este cambio continuo de picas afecta muy negativamente al rendimiento de rozado.

Otro factor que afecta al rendimiento instantáneo es la habilidad del ope- rador y la técnica de rozado del frente.

Por tiltimo, el grado de fracturación y la estratificacisin de la masa rocosa influyen en el rendimiento, aumentando este en relación con una roca masiva, aunque algunos espedalistas aconsejan no sobreestimar este efecto.

NABLA 3.10

MEACION ENTW POTENCIA Y mSISTENCIA DE LA ROCA (CORTESIA WESTFAEIA)

Resistencia a eompresibn simple

Potencia de Ba cabeza

EXCAVACION MECANICA DE SUNELES


Para calcular el rendimiento real que puede obtener una maiquina rozadora es necesario conocer todos los factores que pueden afectar al mismo.

Para su cilculo se propone la siguiente expresi6n:

Donde: R,,,=Wendimiento de excavacidn8dia en m3 (sobre perEl)). C, -Coeficiente de eficiencia (tabla 3.13). R, =Rendimiento instantgneo de excavación en m3/hora (sobre perfil)

(tabla 3.10). n = Npamero de horas trabdadas al dia. C, =Coeficiente de tiempos muertos, que representa el tiempo perdido en

cada relevo. e, -Coeficiente de tiempo disponible para el rozado (tabla 3.12).

El coeficiente C, se define del siguiente modo:

TABLA 3,82

COEFICIENTE DE TIEMPO DISPONIBLE

CL? 1 CONDICIONES DE T U B A J O

Condiciones pésimas

Terrenos malos con varias fases de ejecución realizadas con Ha misma rozadora, en los que se coloca un sosteni-

Cuando se trabaja por un frente en una sola fase y con un sostenimiento de cuantia ligera.

el trabajo de la miquina. (Situación no real.)

Los rendimientos que figuran en las tablas 3.10-3.11 y Bgura 3.18 hay que efectuarlos de un coeficiente que Ilamaremos de eficiencia, definido del siguiente modo:


"ABLA 3,ñ3

COBFHCIENTE DE EFICIENCIA

Coeficiente Condiciones del trabajo de eficiencia

1 Buenas condiciones en la solera. Se produce poco polvo.

2 ( Solera en malas condiciones. Poco polvo. 1 0,86

3 Mucho polvo a veces hay que interrumpir el trabajo.

La tabla 3,14 incluye los ratios mBs importantes de las distintas mAquinas que hay en el mercado; Cstos son:

W,=Potencia motor de corte/potencia total. R,=Potencia motor de corteipeso m8quina. R,=Precio máiqulsna$potencia motor de corte. &=Precio m&quina/peso de mBquina.

Ejemplo: Supongamos un t h e l carretero cuyo terreno presenta unas caracte-istk-

ms geomechnicas muy malas (tipo E. De LauEer), siendo necesaria Ba exca- vación en fases.

Suponiendo que se trabaja en tres turnos y que los coeficientes que inter- vienen en la expresión son:

EH rendimiento de excmaci6n ser&:

Si la superficie rozada es de 60 m2 el avance dáa sera de:

GAP. 3. I\IIAQUiNAC DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS 105

Los sumandos que componen el costo de utilización de una rozadora son:

ea C, = C,, + CP + - V

ptas/m3 (2)

GEW =- Costo de excavación que comprende: Costo de mdquina (depreciacibn e intereses) Repuestos y reparap' dones kubñicantes, aceite hidrhulico, etc. Energia Mano de obra.

CP Costo de pieas CI Costo de instalaci6n V m3 totales rozados

El costo de excavacibn se obtiene de la expresión: D

P = pesetas/dia; KEXD se obtiene usando las tablas 3.10,3.11,3.12 y 3.13. BI valor R, se puede determinar también utilizando el Bbaco propuesto

por B. J. Mandewlth. (Pig. 3.18.)

1 SO 4 -I i a s W B g !O0 2 2 y * 75 W V

Figura 3-18. Relacidn entre el rendimiento de rozado y la resistencia a csmpresidn de la roca, en funcidn de su abmsividad (segaín .fe Hsward Handwith, 1983).

EXCAVACION MECANICA DE TUNELE6

TABLA 3-14 PATIOS COMPARASTIVOS ENTRE ROZADORAS

MODELO 1 ROZVO, P.:""

Alpine-Miner 1 F6-A

Wesfalia

Salzgitter 125-E

Dosco LH-100

Mitsui 1 S-50

Westfalia FL-3R-50

Westfalia FE-4R-53 tt Dosco 1 MK-2A

Mitsui

Westfalia FL-5W1-90f100

175 nao

Westfalia FL-5R-90

Alpine-Miner AM=50

Westfalia FL-6W-110 ¡ Mitsui

Salzgitter STM-160


TABLA 3.14 QContinnsacibn)

108 EXCAVACION MECANICA DE TUNEEEC

El coeficiente CD se obtiene de la tabla 3-12 o mediante el. grkfico de Ba figura 3.19 propuesto por Karl H. Gehring, que determina, para un m', el tiempo invertido en la colocación del sostenimiento en funci6n de la calidad del terreno.

t l - Tiempo en rozar un m3. Tablas 3.10 y 3.11 t2 = tl + t8 t O = Tiempo invertido en el sostenimiento por m3 (Fig. 19).

C A L I D A D GE ROCA Y G U N PACKEW - R A B í E W I C Z

Figura 3.19. Tiempo dedicado a& sostenimiento en función de la calidad de Ha roca (segun K H. Gekrlng, 1981).

6,2, La abrasividad de las roeas

La abrasividad de las rocas es &a propiedad que tienen de desgastar un material por rozamiento contra 61.

62.2. Factores de los que depende

La abrasividad de las rocas depende de los siguientes factores: a) Del contenido de minerales abrasivos. b) Del tamafio medio de sus granos. e) De las características del cemento que los une.


Todos los minerales contenidos en una roca son, en mayor o menor medida, abrasivos; su grado de abrasividad estan en relaci6n con el lugar que ocupan en la escala de dureza MOH.91.

El mineral abrasivo que mis abunda en las rocas es el de silice, SiO,. Cuanto mayor es el contenido de minerales abrasivos, mayor seral la abrasividad de la roca.

En relación con su contenido en silice, las rocas pueden clasificarse en: Sobresatearadas: Contienen silice y todos los minerales presentes están

saturados de S18,, las asociaciones mineralógicas son: cuarzo, feldespato próximo a ortosa, biotita, hornblenda, piaoxenos.

Saturadas: no contienen silice libre. Aunque todos los minerales presentes estan saturados de &O,. Las asociaciones mineralógicas son: ortosa, plagioclasa sódica, hornblenda.

No saturadas: asociaciones maaineralógicas: plagioclasas chlcicas, pirsxe- nos, olvinos, feldespatoides.

En la tabla 3.15 se incluye una clasificación de rocas según su abrasividad en función de su contenido en S102.

TABLA 3-15

CLASñFICACION DE LAS ROCAS SEGUN SU CONTENIDO EN SILICE

Arenisca silácea 1 98

Otras areniscas

Arcosas 1 40-80

Basalto, gabro l 50

Arcilla 1 40

Caliza, dolomia


62.2.2. Tamaño medio de gmnos:

El tarnafio medio del grano del mineral abrasivo es otro de los factores decisivos en Ia abrasividad de las rocas; cuanto mayor es el tamafio medio del grano mayor es su abrasividad; los tamaáos menores de 20 y se denomi- nan filosilacatos y, sea cual sea el mineral de que se trate y su contribución a la abrasividad de la roca es muy escasa.

62.2.3. Camcteri~ticos de% wmento de unión:

Otro de los factores decisivos es la naturaleza del cemento de unión entre %os granos abrasivos; cuanto mayor sea el grado de cohesión, la dureza del mismo $7 el tamaño de los granos que Bo forman mayor ser8 la abrasividad de la roca.

Esta cohesi6n del cemento puede cuantificarse mediante el ensayo a tracci6n de la muestra de roca.

62.2.4. Ensayos de abrasividad:

Antes de decidir la utilización de una mhquina rozadora es necesario conocer las abrasividades de las rocas que va a excavar, para de este modo hacer una estimación de los desgastes de herramientas de corte que se van a prsdu- cir.

Para determinar esta abrasividad existen varios ensayos de laboratodo especificaamente desarrollados para este fin. Uno de los ensayos recomendados por la Sociedad Internacional de mec8nlca de Rocas, es el ensayo Ceac chal.

BBsHcawente consiste en lo saguiente: una muestra de una forma cual- quiera (del tamaño de un pufio), se fija con un tornillo bajo una broca de aee- ro duro (200 kg/mrn2), que termina en una punta cdnica coa un hngulo de 90'. Este taladro es cargado con 7 kg. Posteriormente se desplaza la muestra horizontalmente B cme; la abrasiei-ldad Cerchar se mide por el dihmetro expresado en décimas de mm, del semiplano producido en la punta de la broca por el rozamienirs. Esta n~ed%ción se realiza con la ayuda de un micrdn~etro; su valor varia de 1 a 10-15. Para una buena determinacidn se recomienda hacer tres ensayos con cada roca,

Otro modo de determinar la aSraisividad es mediante e% coeficiente de abrasividad Schhmacek, F = Q x @m x at (kpa'cm) (41, en la que:

Yo /O porcentaje en volumen de minerales abrasivos.

@, dihmetro medio del grano (cm). a, resistencia a la traccidn de la roca kp/cm2. En la figura 3.20 se determina gráficamente el valor de F en funciésn de

@m9 Q7 01.


Figura 3.20. Abaco que coatiene e6 cuc~7ciente desgaste SchPEz'nmacek eea functbn del diá~ne~m del grano de cuano, de8 conbenido de rninembe~ abrasive*. y de la

resistencia 4 t;acrFdn de 10 roca. (Cortesia TVes$faPea;k~a.&

Csefidan~ks de desgastes superiores a ? = 0,6 kgPclm son ya valores altos vn 50s que el desgaste de G~iles da corte debe de valorarse adecuadzime~.ra ?ara enaBizar fa ~iatilaldad econdmica del s i sba~a de excevacldn.

El desgaste de picas de2ende fundamentelmegnte de los siguientes factores:

a) Be la resistencia a compresi611 de 12 roca. b) De ka resisteascia a $raccieUn, r$ De la abrasividad. d) De la calidad de diseno y del material de la pica. e) Del ndmeao de revoluc%snes de la cabeza.

EXCAVACION MECANECA DE SUNELES


7.1. Inhaeneia de 1a resistencia a compresión de la roca

En ia tabla 3.16 se indican datos de desgastes de picas en funci6n de la resistencia a compresión de Ia roca y del porcentaje de minerales abrasivos que contiene.

Recientemente se han obtenido valores de desgastes en funci6n de la potencia consumida, expresada en ~ W h / r n ~ «in situ», necesaria para efectuar el rozado de la roca, y del porcentde de minerales abrasivos.

Cada tipo de roca, en función de su resistencia a la sompresidn y de su porcentde de minerales abrasivos, necesita una potencia consumida en el rozado, tabla 3.17; con este valor obtenido se entra. en la tabla 3.18, que nos dar& el desgaste de picas segcn el porcentae de minerales abrasivos.

Tabla 3,117

T U B A J O ESmECIFICO DE ROZADO (GORTESIA mNWAMETAE)

l Trabajo necesario para excavar la roca

abrasivos = 30

Kwh/s. rn3


Trabajo de rozado

WABLA 3.18 CONSUMO ESWCIFICO DE PICAS

"2, In@ueneia de Ba resistencia a Ha traccidn de Ia roca

Es necesario sefiahar la influencia importante que tiene en el desgaste la resistencia a tracci6n de la roca. En la tabla 3.19 se observa que dos rocas areniscas de similar contenido de cuarzo (65 O/o y 66 O/o)i, con coeficientes de abra- si6n similares (0,956,0,88 %), tienen unos desgastes notablemente superiores (0,8 y 1,241; esto es debido a que los valores de la resistencia a la tracción son muy diferentes $9.8 y 26,7 ~ / r n r n " -

Vemos tambien en la tabla 3.19 c6ms dos areniscas de resistencia a la compresi6n similares (71,3 y 45) en Ba que la primera tiene un coeficiente de abrasión superior a la segunda (0,956 y 0,571), sin embargo, da un desgaste muy Inferior (0,9 y B , Z ) ; esto es debido a que Ha resistencia a la tracción es tambi6n muy inferior (9,8 y 25,1 N/mm").

Bbsewamos tambidn que, independienteme& del coeficiente de abra- sión y de la resistencia a la compresión, las rocas que mis desgastes produ-


cen son aquellas que tienen valores más altos de la tenacidad. Rocas con tenacidades superiores a 0,í producen incrementos notables en los desgastes de %os ctiles de corte.

En la tabla 3.19 Ba roca que produce un mayor consumo de picas (B,22 Uds/m3) es aquella cuya tenacidad es mayor (0,334).

"ABLA 3.19

INFLUENCIA DEL PORCENTAJE DE CUAUO, MSISTENCIA A COMmSION, TUCCION DE LA ROCA

U COEFICIENTE DE ABMSION EN EL CONSUMO DE PICAS (CORTESHA mNWAMETAL)

Podemos decir que cuanto meay-or sea la abrasividad da una roca determinada, mayor seri el desgaste de herramientas de corte. Sin embargo, como ya hemos indicado anteriormente, rocas con valores similares del coeficiente de abrasión pueden dar lugar a unos consumos de picas muy distintos. Estos se- rhn tanto mayores cuanto mayor sea la tenacidad de la roca de que se trate.

7,4, Infinemda del diseso y la ~ I i d a d de los matedales

El disefio de los útiles de corte influye en los desgastes de los mismos. Un buen disefio tenderá a disminuir los desgastes y las roturas.

116 E X C A V A C I O W M E C A N I C A DE T U N E E E S

La calidad de los materiales tiene una influencia muy notable; principalmente en rocas duras y abrasivas, es necesario utilizar materiales duros y resistentes producto de una fabricación muy cuidadosa.

Ademáis de los paráimetros anteriormente considerados, debe tenerse en cuenta en el desgaste la velocidad de corte de la cabeza.

La temperatura que alcanza la widia en el proceso de corte es un paraime- tro importante, ya que, según han demostrado Investigaciones sovikticas, temperaturas superiores a 550°C producen un ablandamiento de Ia widia y, en consecuencia, aumentan %os desgastes.

Para cada aleación de widla hay una temperatura critica de ablandamien- to que no se debe rebasar.

Esta temperatura critica estai relacionada con Ha velocidad crática de la cabeza de corte; para una roca determinada, la velocidad critica viene dada por la ecuación V,, = K e-" (5).

C O E F I C I E N T E DE DESGASTE F .

Figura 3.21. Ve/elocidcsd de corte critica en fu~2ciQ'ra del coeficiente de desgaste. (Cortesia WeslfcrUa.)

En donde: K coeficiente que engloba los parametros geométrlcos de la pica y la temperatura de la widia.

F=Coeficiente de desgaste de la roca. Para cada roca existe una velocidad critica que no debe sobrepasarse,

esto lleva a la conveniencia de que las miquinas rozadoras tengan la posibilidad de variar el nGmero de revoluciones de modo que quede siempre por debajo de Ba velocidad critica de la roca (variable entre 0,18 m/seg. Y 1,93 miseg).


Ea rozabllldad de las rocas se define como Ba mayor o menor facilidad que tienen de ser excavadas mecáinicamente con m8quinas de ataque puntual (rozadoras).

Hay distintos m6todos desarrollados para determinarla; los m8s adecuados y precisos recomendados por la Sociedad Internacional de Mecalaaica de Rocas son: - Goodrich Test - Voest-Alpine Rock CuttabHlity Hndex Test - N.C.B. Cone lndenter Test - Morris Test - Coeficient of Rock Strength - Rock Impact Hardness Number

El test

En este test se usa una minibarrena con punta de carburo de tungsteno (9 % cobalto).

Esta barrena tiene una grosor de 2,4 rnm con un ingulo del filo en bisel de 90" y una longitud de 9,s mm. Esta barrera es afilada en una pulimentadora de diamante, hasta que el ancho del filo en bisel es menor que 8,02 mm; entonces se coloca verticalmente, con el corte afilado hacia arriba, sobre un portabrocas sobre Esa mhquina que va a determinas la perforab-gilidad. (Fig. 3.22).

G : G U I A W : PESO DE 200 N D 2 B A R R E N A M N A T J R A DE CW

R - MUESTFlA C E ROCA


La muestra de roca es fijada sobre un plato de acero que descansa sobre Ia barrena afilada, con una gravedad inducida por un peso vertical de 200 newtons. Seguidamente se hace girar la barrera 150 revoluciones a razón de'140 r.p.m. A Ba vez que se perfora la roca, los detritus van cayendo fuera del taladro; Ba roca y su soporte pueden deslizar verticalmente con lbertad sobre una camisa de teflón.

La profundidad del taladro, medido con micrómetro, da una medida de la perforabilidad por desgaste de la roca. EB desgaste inducido en el filo de corte se mide mediante un micrómetro de traslación que proporciona el factor de desgaste de %a roca.

Un trozo de roca es colocada dentro de un molde cúbico (de 100 mm de largo) que seguidamente se rellena de cemento. Seguidamente el bloque se parte en dos. La superficie que ha sido cortada se coloca en posición horizontal. Una pica cónica de acero se hace girar alrededor de un eje vertical bajo una carga mial de 200 N, a Bavez que la punta abre un surco de 50 mm de dikmetro en la superficie de la roca (Fig. 3.23).

HERRAM IEN TEST

M U E S T R A DE CARGA

VELOCIDAD DE CORTE: 2 m/sec

TIEMPO DE CONTACTO: 5 sec

VALORES M E D I D O S :

Pro fund idad de surco Srund ( rnm) Ancho de surco brund ( m m )

Perdido de volumen A V ( cm3)

Figum 3.23. Test h e s t Alpine.

La profundidad media y Ba anchura de8 surco se miden en los cuatro puntos de dos diámetros perpendiculares. El rendimiento de rozado de una m&- quina Alpine-Miner AM 50, trabajando en condiciones normales, se considera equivalente a 9,172 x (profundidad media del surco)

La abrasividad de la roca se mide machacando la otra parte del bloque.


Una aguja de acero de 3,s mm de diámetro, se carga verticalmente con una fuerza de 100 N sobre Ia superficie de la roca, y se hace girar siguiendo una trwectoria circu1ar a un número suficiente de revoluciones de modo que la distancia total recorrida sea de 3 m.

Se usan cinco tipos de agujas, cada una dentro de un soporte diferente con un diámetro de rotación diferente. El diámetro mayor es de 50 mm. La masa total (AMI perdida por las cinco agujas en un trayecto total de 15 m, se usa para calcular el coeficiente de desgaste.

(mdm) Este coeficiente serái: 15

9. VenGas que ofrece el empleo de rozadoras

1. Es un sistema que admite alta mecanización. 2. Reduce sobre-excavacisnes en relación con el uso de explosivos. 3. No altera practicamente las caracterásticas iniciales de la roca. 4. Reduce ía cuantáa del sostenimiento frente al uso de explosivos. 5. Se adapta mejor que otros sistemas a Ia ejecución por fases. En comparación con máquinas TBM (TOPOS) presenta las siguientes

ventajas: 1. Tiene precios más razonables. 2. Msagror flexibilidad para adaptarse a cualquier cambio de terreno. 3. %e puede utilizar en una amplia gama de secciones, tanto en relación

con su forma como en sus dimensiones. 4. Suinstalacidn es mucho mas fhciil y económica. 5. El porcentaje de mano de obra especializada es menor. 6. En rocas de mala calidad permite un mejor acceso al frente para efec-

tuar los trabajos de sostenimiento. 7. Permite efectuar la excavación en fases, lo que es decisivo en terrenos

de mala calidad. 8. El mayor rendimiento de avance del TBM es neutralizado por la inci-

dencia en tiempo de los trabajos de sostenimiento.

10, La excavación asistida con chomo de agua (Water Jet)

Actualmente se esta desarrol%aasdo la t6cnica del chorro de agua a alta presión (Water Jet) aplicada a la excavación mecáinica con máquina rozadora (Fig. 3.24).

Básicamente hay tres niveles de presión del chorro de agua: Alta presión: 3.600 kg/cm2. Presión media: 700 kg/cm2. Baja presión: 150-250 kg/cm2.

120 E X C A V A C I O N M E C A N I C A D E T U N E L E S

La tecnoHogPa de alta presión se ha desarrol8ado en el laboratorio consi- guiéndose reducciones importantes principalmente de las fuerzas de empuje del orden del 55 por ciento. Sin embargo, en la prhctica tropieza con la dificultad de la transmisi6n de la energia a alta presi61-1, presentando problemas de rozamiento del fluido y estanqueidad del circuito.

Ea tecnología de la media y baja presi6n esta ya comercia%izada y se uti- Biza sobre todo en las minas de carbón como arma para luchar contra el grisú.

Este nivel de presión reduce tambikn, aunque en menor medida, las fuerzas de empuje necesarias para excavar la roca.

Se ha comprobado tambikn una disminución notable en los desgastes de picas como consecuencia de la refrigeración eficaz de la punta de widia.

Figum 3.24 Herramienta de corte con chorro de agua incorpomdo.

ROZADO CON CHORRO DE AGUA ( A l t a presión)

Como cualquier m6quIwa, el uso de las rozadoras tiene unas limitaciones que deben conocerse para acertar en la elecc36n.

Dichas limitaciones son:

I I . I .1 . En cuanto a Ia resistencia de la roca

Cada tipo de máquinas tiene su limitaci6n; este limite resulta un tanto in- definido, ya que influyen factores muy importante como grado de diaclasado, orientacibn de fracturas y planos de exfoliaci6n. Desde el punto de


vista técnico, las máquinas más potentes del mercado pueden atacar rocas de hasta 150 Mpa., si bien, la roca ha de ser muy poco abrasiva, poco tenaz y no masiva.

En el extremo opuesto hay rocas arcillosas muy difáciles de excavar, ya que se hacen pegajosas y tienden a bloquear los transportadores de la miquina.

No obstante, el campo 8pt9mo de utilizaci6n es para rocas de hasta 80 Mpa., limite a partir del cual el comportamiento de las picas empieza a no ser óptimo.

En cuanto a Ba abrasividad de la roca, ésta hay que verla en combinación con la resistencia a compresiéan de la roca y con su tenacidad

Rocas con valores del coeficiente de abrasividad en el entorno de F = O,$ Kpicm, con tenacidades no superiores a 0,1, son abordables con las miquinas máás potentes existentes en ea mercado, utilizando las picas adecuadas para este tipo de rocas (ej.: U-47-55-30VA).

Antes de decidir cualquier utilizaci6n de una miquina rozadora debe comprobarse primeramente que ésta es técnicamente posible y despaads si es una solución mis económica que otro sistema constructivo.

En estos rfiomentos los limites económicos podriamos fijarlos en: a) Para rocas sedimentarfas no abrasivas (tipo caliza): 4,150-1.410 kgs/

cm2* b) Para rocas sedimentarias de abrasividad media ( B 1 p ri~arras): 770-

960 kgs/cm2. c) Para rocas sedimentarias muy abrasivas (tipo arenisca): 510-640 kgs/

cm2. ti) Para rocas Igneas con silice o minerales sil8ceos: 510-640 bgs/cm2. A partir de estos límites es necesario efectuar un estudio econdmico muy

minucioso para tornar la decisi6n A Ba hora de este estudio minucioso hay que valorar también kz inciden-

cia que tiene el uso de Ha rozadora frente a la utilizacE6n de explosivos en el sentido de disminuir los costos, tanto de sosteniamkento corno de revestimiento; si e% tramo de túnel, en el que resulta antieconómico el empleo de la rozadora, es corto en comparación con el resto, puede ser ena decisión eco- nómicamente acertada su utklizacibn.

De todos modos, siemyre cabe en estos casos la utiBizaai6n esporhdica de explosivos s de la moderna técnica de? Water Jet a muy alta presión hasta 3.850 kgs/em2 para demoler !as rocas máás duras que ocasionalmente puedan presentarse.


Estos limites económicos se ensancharain sin duda en los próximos afios de la mano de Ba tecnologia desarrollada del Water Jet, aplicada a las picas, del aumento de las potencias de la cabeza de corte y de ]la uti8ización de nuevos materiales y disefios en las picas.

12. Los m8todos @onstwchlvos en hbneles y las rozadoms

La excavación mecánica con rozadora de rocas no demasiado duras ni abrasivas, representa un método muy adecuado, ya que permite una excava- ción cuidadosa de %as mismas.

Los rendimientos de excavación son altos y el perfilado de la sección excavada muy aceptable, sobre todo si Ia máquina lleva incorporado el sistema de control automaitico del perfil.

La versatilidad de Ba maiquina es grande, ya que se adapta a una amplia gama de tamafios y formas de excavación.

Ademhs algunos modelos permiten la excavaci6n en fases, llevando una sección reducida adelantada unos 3,50 m con relación al resto de la sección, lo que permite mejorar Ba estabilidad de la excavación.

En las figuras 3.25 y 3-26 se muestran algunos ejemplos de utilización de estas m8quinas.

DESTROZA FASE-118 SOLERA

Figura 3.25. Sistema de excavaci~n poafises en los edneles de Bochum (Austrid.

CAP. 3 . MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

SECClON "A ' '

sescom brado

Figur~ 3.26- Rozado y ex t r~cdón de escombros simultáneamente. (DiseEo Abine.)

Seguidamente incluimos algunos de los mis importantes fabricantes de miquinas rozadoras. 13.1. Anderson Strathclyde (U.K). Fabrica las rozadoras Anderson (Fig. 3.27). 13.2. Altas Copco (Suecia). Actualmente fabrica las rozadoras Eickhoff (Pig. 3.28). 13.3. Dosco (Inglaterra). Fabrica las rozadoras Dosco (Fig. 3.29). 13.4 Paurat GmbH (Alemania). Fabrica las rozadoras Paurat (Fig. 3 30). 13.5. Salzgitter (Alemania)- Fabrica las rozadoras Salzgitter (Fig. 3.31). 13.6. Voest-Alpine (Austria). Fabrica las rozadoras Alpine (Fig. 3.32). 1.3.7. Westfalia LePnen (Alemania). Fabrica las rozadoras Westfalia (Fig. 3.33)


Figura 3.27. Rozadora Anderson Strathclyde (U.P(.) rh]/3.

Figura 3.28. Rozadora Atlas Copco-Eickhofl


Figura 3.30. Rozadora Paurat.

126 EXCAVAGION MECANICA DE SUNEEE?;

Figura 3.31. Wozadora~ Salzgi fter.

CAP. 3 . MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS


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La excavación mecanica de

Los escudos

Ea actividad de la construcción de tlaneles en muchos casos se realiza en zonas urbanas donde se hace necesaria su perforación para atender las de- mandas de infraestructura y servicios que imponen las concentraciones hu- manas de las grandes ciudades.

Las caracterásticas de los terrenos, generalmente terrenos blandos o suelos, y los condicionantes del entorno, como: escaso recubrimiento, asenta- miento en superficie, presencia de agua, contaminación del medio, etc., han propiciado el desarrollo de tgicnicas de excavación en terrenos blandos mediante la utilizaciísn de escudos, cuya amplia variedad de modelos es capaz, en el momento presente, de dar respuesta satisfactoria a cualquier demanda técnica, por exigente que ella sea.

Ea 6nica dificultad, aún no resuelta de un modo satisfactorio, es la que presenta la ejecucibn de t6neles en terrenos y situaciones variables, lo que exige una adaptabilidad y versatilidad grandes a Ba mhquina. Sin embargo, el futuro es prometedor en este campo y se encamina hacia la construcción de una máiquina ~tuneladora universal».

Como su propio nombre sugiere, un escudo es una estructura rígida y re- sistente que, introducida dentro del t h e l , proporciona un área estable y se- gura en la zona del frente de trab-o, protegiendo Cste contra el colapso en bóveda y hastiales e incluso contra el colapso del propio frente de excava- ción.

Este concepto rágido tradicional se ha ido transformando a %o largo de los últimos añiios en un nuevo concepto y diseñiio de escudo-mhquina que, sin de- jar de cumplir ía fundación de escudo, realiza tambigin la escavación mecái- nica del terreno.


4.3.1. Escudos convencionales

E% invento del escudo aplicado a Ba construcción de túneles se atribuye a Marc Isamboard Bmnel, en 1818. El escudo por Ci inventado consistn'a en una serie de celdas o compartimentos que se podían avanzar independientemente unos de otros. Podáan trab-ar varios operarios simultineamente, y cuando era necesario el frente se protegáa con tableros de madera.

Una vez avanzados todos los compartimentos se coloca en e% espacio 1i- bre un revestimiento de mamposteria o de segmentos de fundición.

El primer escudo de forma rectangular diseñado por Brunel se emple8 satisfactoriamente en el túnel bajo el Timesis entre 1835 y 1843.

En 1831, Lord Cochmne patenta un método para utizar el aire .comprimido en téineles bajo el nivel freitico.

En los años siguientes se suceden las patentes de fabricación de escudos.

1869.-A. E. Beach (en Amkrica). Se trata de un escudo cilindrico de 2,40 m que avanza en una sola pieza mediante gatos hidaáiulicos que reaccionan contra el revestimiento de mamposteria colocado detris.

Este escudo se inventó como alternativa a% metodo c<cut and cover» en arenas secas. Se incorpora por primera vez el uso de gatos hidráulicos como elemento de empuje.

6869-1890.-J. H. Gaeathead. Se construy8 el escudo para el segundo tú- nel bdo el rio Timesis.

1962.-J. Tabor (en Am6rica). Se construye por primera vez un escudo d e cuchillas móviles Que se empgalan indepenadientemerite mediante gatos hidriulicos; sus ángulos de incidencia son dustabies.

Este escudo fue construido por la firma Mining Equipment Manufactu- ring Company (MEMCO) para resolver los problemas planteados durante la excavación de un túnel colector donde se encontraron arenas movedizas in- tercaladas en formaciones calizas.

1978.-Escudo de cuchillas Westfabia L2bnen. Este escudo fue fabricado por la firma alemana Westfalia Liinen para ser utilizado en la excavación de téineles en el metro de Frankfurt. Este tipo de escudos se utiliza en combina- ción con diversos sistemas de excavación, como: rozadoras, excavadoras ...

4.3.2. Escudos mecanizados

CAP. 4. EXCAVACION M E C A N I C A DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS 13 1

Este tipo de escudos comenz6 a desarrollarse con posterioridad a los escudos convencionales; los principales hitos en su desarrollo son:

En 1869, Jo Rice pdenta un escudo que trabda un afio después en un tki- nel de la Iinea central del ferrocarril de Londres, y su funcionamien8o no fue satisfactorio.

En 1901 disefi6 otro escudo en el que el propio escudo y el elemento ex- cwador forman una hlnica unidad solidaria.

La cabeza de corte gira mediante una serie de engranajes, el hl1timo de %os cuales engrana en una rueda dentada situada sobre la circunferencia de la rueda excavadora.

Los engranajes son accionados mediante un motor electrice de 45 KW, que hace girar la cabeza a 1 %/2 rep.m.

La rueda excavadora tiene seis brazos sujetos en sus extremos a un disco- circunferencial. Unidos a los radios de la meda van unos cogaadores o cince- les y unas cucharas para la rec0gid.a del material excavado.

A partir de 1901 este escudo fue fabricado comercialmente por Markharn Co. Ltd., y fue utilizado en varios proyectos con resultados satisfactorios, consiguiendo avances semanales de hasta 55 m.

En 195.5> escudo exmvador. Fabricado por Gnnear MoodPeg se utilizó con 6xito en la construcci6n de thlneles en %a lánea Victoria, de Londres; el escudo tenia un diaimetro de 4 m y consiguió avances de 110 mjsemana.

Ea 1956> escudo mecanizado ME. Abine. Esfe escudo presenta dos innova- cionw:

a) UtPllización de excéntricas que permiten a los cortadores perifkricos excavar con un radio mayor en la corona y en los 1aterales del escudo, con %o que se alivia la presiésn del frente y facilita el movimiento del. escudo a través del terreno.

b) Utilización de un anillo de reacdón que absorbe el empuje de los gatos y que va situado entre la parte trasera de los gatos y el último anillo colocado.

Este anillo se expande contra las paredes del tkánel para absorber el empuje axial.

Este tipo de escudo se ha venido usando hasta 1979.

En 1966 escudos mecanizados tipo osci%ante. Este tipo de escudos de cabeza oscilante fue fabricado por la firma Calweld y fue ampliamente utilizados hasta 1973.

Se construyeron en diversos diálmetros, entre 2,95 y 9,87 m.

En 1967$ máquinas tuneladoms con escudo. En 1967, Robert L. Priestley comienza el desarrollo de un nuevo tipo de máiquina llamada en el lenguaje


anglosajón ((Shielded Tunnelaing Machines».

Se trata de una máquina cilindrica que es empujada hacia adelante mediante once arietes hidráiulicos capaces de aportar un enqpuje de 762 Tm y cuya reacción es absorbida por el revestimiento prefabricado que se va coío- cando detrás de la mhquina, mediante un sistema que expande el anillo contra el terreno y coloca el bloque clave.

La cabeza de corte consta de cuatro brazos radiales provistos de picas de fricción. La. potencia la suministran cuatro motores eléctricos de 3'7 KW.

La cabeza gira sobre un soporte circular estanco que proporciona a la misma una gran estabilidad, permitiendo un acceso fhcií al frente.

Con este tipo de máquina se consiguió un récord mundial de avance en terreno blando durante la perforación del túnel acueducto en el rio Essex (D-2,81 m), en el que se consiguió un avance de 434 m en una semana, con revestimiento incluido.

Diversas modificaciones se hicieron sobre la máquina original. Se mon- taron cortadores de disco en la cabeza de corte y se instaló un anillo de reac- ción.

4.3.3. Escudos de cabeza presurizada con aire comprimido

Como consecuencia de %os problemas derivados de lea utilización del aire comprimido, se encaminaron los esfuerzos de inventiva hacia e% desarrollo de un tipo de miquinas que emplaza el aire comprimido únicamente en la zona de trabajo de la cabeza, permaneciendo el personal la mayor parte del tiempo en un ambiente a Ba presión atmosfdrica.

Los momentos máis importantes en la evolución de este tipo de miquinas han sido:

En 1961 se construy6 la pRmem mdquina por la corflpaiia Campenon Ber- nard.

En P9M se construyó r"a s e u n d a mdquina, Etoike TBM9 por Ica compaiia Robbins.

La máquina tenia un diametro de 18,30 m y un peso de 450 Tm, y se uti- liz6 en la excavación del metro de Paris.

La cabeza de corte «rotary» llevaba montados cortadores de discos y 180 herramientas fijas de corte. EB empuje era de 71.000 KN, proporcionado por 37 arietes hidráulicos que reaccionaban contra el anillo de revestimiento. El par de giro era de 7.120 KNm.

En 1965 se construyó el escudo mecannado Bade.

Este tipo de m8quina se desarroBQ6 para acometer Ba excavación de los taí-

CAP. 4. EXCAVACION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS 133

neles de Pos metros de Hamburgo y Viena y, posteriormente, el de SZo Paulo (1973), donde se consiguieron avances de 15 m/dia, en dos relevos.

Básicamente, el escudo Bade consiste en una cabeza «rotarp reversible que lleva incorporado un sistema móvil de chapas de acero que soportan el frente mediante gatos hidráulicos independientes. Esta cabeza va dentro de un doble escudo en el interior de un recinto de trabajo psesurizado,

4.3.4. Escudos de lodos

Este tipo de máquinas se ha ido desarrollando como respuesta a las dificultades planteadas en la excavación de tbaneles bajo carga hidráulica, ob- viando los problemas inherentes al empleo del aire comprimido.

Este tipo de escudos incorpora el lodo bentonifico a presión como elemento estabilzador de% frente de trabajo y equilibrador de las presiones hi- drostáticas y geostáticas.

Este elemento se utiliza también como vehn'culo de transporte de los productos de excavaci6an.

Los etapas más importantes en su desarrollo son:

En 196% Markham & Co. Ltd. construye una máquina para ser utilizada en Ha construcción de los thneles de drende de la ciudad de M6xico en terrenos inestables bajo fuerte presión de aguas (3 atm).

La máiquina lleva incorporada una robusta mampara de acero que separa la cabeza excavadora de% resto del cuerpo principal.

Ea cabeza lleva seis brazos cortadores radiales montados sobre un eje central que transmite un movimiento oscilante a los brazos.

Mediante 22 gatos circunferenciales se ejerce un empde de 1.300 Tm, que es absorbido por el revestimiento colocado detráis del escudo.

La cabeza puede moverse mialmente dentro de8 escudo 40 cm.

El espacio comprendido entre el frente y Ia mampara de cierre está lleno da agua a presión. Los productos excavados se mezclan con lodo mediante unos agitadores situados detras de la cabeza de corte en la parte baja del escudo y son extraidos mediante bombas y tuberias al exterior.

El revestimiento formado por anillos de segmentos prefabricados son colocados automiticamente mediante un erectos hidráulico.

En 1970, Milsubisha' H e a y Industries construyó dos máquinas de 7,29 m de diámetro para ser utilizadas en los tbaneles de ferrocarril bajo la bahía de Tokio.

E% desarrollo de este tipo de escudos se produce en Japón, a partir de 1969, con un ritmo creciente de unidades fabricadas y con incorporaci6n de


importantes innovaciones, de modo que en el momento presente disponen de una tecnologáa propia que figura en un lugar destacado en el mercado internacional.

En 1971, Robert E. BrPPiesflep, Ltd. construye una máquina de 4,1 m de diá- metro y 74) Tm de peso.

La cálmara de trabajo va presurizada con un Bodo de bentonita con una presión de hasta O,% Mpa.

Los productos extraidos pasan a través de una criba vibrante y de unos hi- drociclones que separan la bentoanita de los productos excavados.

En 1973, lafirmajaponesa Tekken Kensetu disefió un escudo de lodos de control automáltico que fue construido por la firma Mitsubishi Heavy Hndus- tries Ltd. La máquina era básicamente Igual kt la utilizada en 1970 en los tú- neles bajo la baháa de Tokio; se componla de un escudo cilindrico de 5,05 m de diálmetro.

La máquina era dirigida mediante un girocompáls y un láser. La presión del lodo se controlaba mediante una válvula de control automático de la pre- sión colocada dentro de la tuberia.

En condiciones normales, la málquina avanza un metro cada 20 minutos. La colocación de los segmentos lleva entre 20 y 30 minutos, y la inyección, la prolongaci6n de tuberáas y railes entre 110 y 20 minutos. De este modo podia completarse un ciclo de un metro de avance en una hora.

En 197$, iajtarma alemana Wayss h Frqtag* al frente de un grupo de firmas constructoras, construy6 un escudo de lodos al que llamaron hldroes- cudo.

Esta mhquina se utilizó en el tianel colector de Hamburgo que discurria a trav6s de depósitos de arena y gravas, con estratos de arcilla y turba bajo el 6rea del puerto, con una altura de agua de 16 m sobre 121 solera.

La primera mhquina consistia en un escudo circular de 4,50 m de didmetro con una rueda excavadora de tipo abierto con seis radios excavadores y montada sobre un eje inclinado.

4.3.5. Escudos de tierras

A partir de los escudos de lodos se ha desarrollado en Japebn un nuevo tipo de miquina en el que la estabiIizaci6n del frente de excavación se realiza mediante la presión ejercida por los materiales excavados dentro de un tambor.

El material es transportado hidráulicamente mediante tuberáas y bombas o mediante el sistema convencional de vagonetas.

AI no utilizarse Bodo bentoaaítico no es necesaria la utilización de una planta de tratamiento de Iodos.


Las hses principales de su desarrollo son: En 1966, lo compañía! csnstmctorojaponesa Sato Kogyo comenzó los tra-

bajos de desarrollo del escudo de tierras, y tras muchos ensayos en el laboratorio y en terreno, una unidad fue construida por la Ishikaw~ima-Harima Heavy HndusMes en 1966.

En 1967, el escudo de tierras conpresio'n de agua se puso a punto, dando %u- gar a una máquina similar a la anterior.

La elección de un tipo u otro de máquina depende de las características de los terrenos encontrados.

Un 6ltimo tipo puesto a punto hasta el momento es el escudo de tierras con inyección de lodo en la cámara de almacenamiento de los materiales excavados.

En 1978se con~tmyd el escudo Thk-shieldpara ser utilizado en el coBeckor de Hamburgo, con un diámetro de 4,18 m.

La regulación de la presión en el liquido estabilizador se realizaba neu- máticamente. La presión del agua alcanzó valores de hasta 1,s bar y la velbel- dad media fue de 8 midia.

4.4. La mecgnica de suelos y los escudss

Un suelo es un conjunto organizado de particulas producto de la altera- ci6n de las rocas superficiales de áa corteza terrestre.

Del suelo interesa conocer el comportamiento mecánico que se va a ma- nifestar como consecuencia del proceso de excavaci6n a que va a ser sometido.

Se puede predecir este comportamiento conociendo sus propiedades y caaacteristicas geomec8nicas.

Algunas de las caracteristicas principales que deben conocerse son: Peso unitario: y. Indice de huecos. % de humedad. Granulometrnia.

D60 Coeficiente de uniformidad: - DIO

Densidad relativa: valor N. Coeficiente de permeabilidad: K cmiseg. Cohesión: C. AnguBo de rozamiento interno: q. Resistencia a compresión uniaxial:, a,. Resistencia al corte: T.

Velocidad sásmica: Ondas P y S. Limites de Atterberg.

La densidad relativa de los suelos se define mediante el valor N del ensayo de penetración dinámica SPT, tabla 4.1. (standar penetratiora tests)

En la tabla 4.2 se indican los valores de N para los distintos terrenos:


TABLA 4.1

VALORES DE N (SPT)

1 Clasificación

1 M u y suelto l l

Denso

~ l u y denso TABLA 4.2 VALORES DE N Y r PARA DISTINTOS TERRENOS

co para su exca- vaci6n. Resulta

CAP. 4. EXCAVACIOK MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS 137

En %a tabla 4.3 se indica la clasificación de terrenos según su tamaiáo:

TABLA 4.3

TABLA DE CLASIFICACION DE LOS TERmNOS SEGUN su T A M A ~ O

Grava de grano medio Grava de grano fino

Arena de grano medio

Tamafio variable

La permeabilidad de los terrenos viene indicada en la tabla 4.4..

TABLA 4.4

PERMEABILIDAD DE LOS TE

DRENA-BIEN / DmNA MAL 1 IMPDBMEABLE

Grava Arena 1Pm- Arena muy fina. Arcilla homsgé- limpia pia mezcla ~ i m o s orgánicos e inorghna- nea pos debao de

de arena y Mezcla de arcilla y zonas de altera- grava ci6n.

Es importante hacer una buena caracterizaci0n de los terrenos, ya que la elección del tipo de escudo excavador va en íntima relación con las carac- terísticas de los suelos que han de ser excavados.

138 EXCAVACION MECANICA DE TUNEEES

h e d e n diferenciarse hasta seis comportamientos distintos de los terrenos blandos como respuesta a las solicitaciones a las que son sometidos aí ser excavados en túnel.

Los comportamientos básicos son los siguientes:

4.L H. Terreno weable QFirm Ground)

En terreno estable una m6quina tuneladora puede avanzar una cierta distancia (1-3 m.) sin necesidad de un sostenimiento inmediato. No es necesario, por tanto, sostener el frente de excavación. Tienen este tipo de comportamiento las arcillas duras y cementadas y los materiales granulares con co- hesión.

4.5.2. Terreno desmoronabbe (Raveling Ground)

A este tipo pertenecen los terrenos que se desmoronan en eí techo y en la parte alta del frente de excavación; se desmoronan en peque5os trozos que caen dentro de la seccicán excavada. La acción es progresiva y puede conducir a la formación de una chimenea en la parte alta de Ba excavacidn.

Tienen este tipo de comportamiento las arenas poco adherentes, los Ii- mos y las arenas finas con cohesión aparente; los suelos residuales que con- servan sus estructuras primitivas, tambien suelen tener un comportamiento similar.

Q.503. Terreno movedizo (Running Gmun&Id

A este tipo pertenecen los terrenos 'que presentan inestabilidades en frentes no sostenidos hasta que se forma un talud estable para conseguir el ángulo de reposo.

Los suelos sin cohesi6n9 como: arma seca o limpia y grava suelta entran dentro de esta categoráa.

4.24. Terreno fluyente (Flowing Ground)

A causa de la presión de filtración que se desarrolla hacia el frente, los terrenos correspondientes a las dos categoráas anteriores se pueden transfor- mar en terrenos que fluyen hacia el tdnel como si de un liquido viscoso se tratara.

4.5.5. Terreno fluyen fe con presión (Squeezing Ground)

El terreno que pertenece a este tipo y no es soportado, se mueve hacia

CAP. 4. EXCAVACION M E C A N I C A DE TERRENOS B L A N D O S . ESCUDOS 139

dentro de un modo gradual presionando, sin que necesariamente se desmo- rone o se rompa. Este comportamiento es caractern'stico de arcillas blandas; el momento en que se produce el movimiento depende de la plasticidad del suelo.

4.5.6 Terrenos expansivos (Swelling Grourad)

A este tipo pertenecen los suelos que irateraccionan con el agua aumentando su volumen si la expansión es posible o presionando sobre los revestimientos si ésta esta impedida. Este fenóneno de hinchamiento se presenta principalmente era las arcillas.

Esta expansividad de las arcillas, provoca una invasión de material alrededor de la sección excavada en las zonas no sostenidas o una presión de hinchamiento sobre el revestimiento que en algunos casos puede tomar valores importantes. Se han llegado a medir presiones sobre el revestimiento de hasta 1,00 Mpa.

Una máquina de excavación en terreno blando (Escudo), difiere en diversos aspectos de una mhquina de excavivacidn en roca (Topo).

Los componentes bhslcos de un escudo son:

4.61. Equipo excavador

Según los tipos de terreno que tiene que excavar, el equipo excavador es diferente; algunos de los equipos mis usuales son:

4.6.1.1. Bmzo excavador tipo re'etro o simi%ar

Cuando el terreno a excavar es firme, el brazo excavador es el titi1 más eficiente. Ea mkima prestación se consigue cuando %a excavación se hace a plena sección y no es necesario llevar el fiente escalonado; en esta situación la miquina excavadora puede trabdar con un minarno de resticciones,

Mhs comúnmente la excavación se realiza mediante una cabeza giratoria circular con la utilización de iátiles de corte de fricción o de desgaste.

La cabeza de corte puede ser de construcción en radios, con las herramientas de corte distribuidos a lo largo de ellos, dejando unos espacios


abiertos entre los mismos.

Esta construcción en radios permite un fácil acceso al frente de trabajo y a los cortadores, para su mantenimiento y sustitución; sin embargo, este tipo de cabeza no proporciona un gran soporte del frente de excavación.

Este tipo de diseño funciona bien en terrenos firmes y generalmente proporciona un soporte suficiente en terrenos desmoronables.

4.6.1.3. Cabeza de corte de frente cerrado

Otro tipo comúnmente utilizado es la cabeza de corte de frente cerrado, generalmente llamado tambor excavador (drum digger). Este tipo de diseñio proporciona mayor grado de soporte del frente de excavación y es el mejor sistema para excavar terrenos desmoronables.

Los cortadores excavan el material del frente y los escombros son elimi- nados a través de aberturas practicadas en la paste frontal del tambor. El &a- malño de estas aberturas puede, generalmente, dustarse para prevenir entradas incontroladas de material procedente del frente.

Unas puertas permiten el acceso al frente de trabajo, pero Cste es generalmente limitado; estas puertas de acceso pueden reforzarse según la demanda de soporte del frente.

Tanto la cabeza con sus radios como el tambor cortador pueden cons- truirse de modo que sus mitades o sus cuadrantes puedan oscilar independientemente unos de otros.

4.6H.4. El cuerpo de máquina

EB escudo es el principal componente del cuerpo de la mhquina. Este va instalado contra el frente y protege a los hombres y 81 equipo del colapso del terreno, hasta que se instala el revestimiento permanente.

Si la cabeza de corte utilizada es circular, generalmente ésta se monta dentro del escudo juntamente con los motores de avance. El movimiento hacia adelante de la miquina, se efectca mediante gastos hidráiulicos situados alrededor de la periferia de la parte trasera del escudo, que generalmente reaccionan contra el último anillo del revestimiento,

Cada gato hidriulico puede funcionar independientemente o en grupo. Esthn construidos de modo que sean capaces de hacer avanzar el escudo una distancia Igual al ancho de los anillos del revestimiento.

Una vez completada esta parte del ciclo se coloca el revestimiento en la zona que ha quedado libre detrás de la cola del escudo.

Si Ba máquina ha sido disefiada de modo que Pos gastos reaccionen contra el anillo del revestimiento, la excavación y el avance deberán interrumpirse

C A P . 4 . E X C A V A C I O N M E C A N I C A DE T E R R E N O S B L A N D O S . E S C U D O S 141

mientras se coloca el anillo del revestimiento.

Los gatos hidráulicos sirven para dirigir también el escudo, dustándolo a Ba alineación requerida.

Utilizando mhs gatos sobre una parte del perímetro que sobre la otra se puede dirigir el avance del escudo, arriba, abajo, a derecha o a izquierda.

4.6.1.5. El equipo de desescombmdo

Durante el avance de Ba máquina hacia adelante, los escombros son arrastrados sobre un transportador o cadena transportadora que Bo envia a la parte trasera del escudo, donde es cargado en el sistema de evacuaciipn que lo extrae al exterior y que generalmente es un tren de vagones arrastrados por una locomotora.

4.7, Tipos de escudos

Dada la gran proliferación de escudos existentes en el mercado, es conveniente para su estudio hacer una cnasificación de los mismos atendiendo a sus caractern'sticas de disefio.

Ea clasificac96n general que se propone viene indicada en las tablas 4.5. a 4.8.

B . % ] . Descripción de los principales tipos de escudos

4.7.1.1. Escudos tapo A, no mecanizados

Este tipo de escudos es el de disefio mas simple; son los sucesores direc- tos del primer escudo disefiado por Brunel en 1825 para atravesar las arcillas bajo el ráo Timesis.

Su construcción es simple; se trata de una estructura de acero situada en el frente de trabajo y que protege a los operarios contra los desprendimientos del terreno.

Estos escudos pueden ser de frente abierto o de fmnte cermdo.

En los escudos defrente abierto, cuando la protecciipn del frente es necesaria, se realiza mediante el apuntalamiento del mismo utilizando puntales o gatos hidráulicos.

Las distintas modalidades son (tabla 4.9):

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CAP. 4. EXCAVACION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS

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EXCAVACION MECANICA DE TGNELEh

Tabla 43,

MODALIDADES DE ESCUDOS TIPO A

1 MODALIDAD PECULIANDAD VAHANTE / N.O DE FIGURA

A-1-M A- E Excavad6n

Escudo da cuchi-

manual Escudo da frente abierto

A-1-M-B Escudo de rejilla /

En los escudos defrente cerrado, o b%ind8bos, Ba estabifización de8 frente %a realiza Ea parte frontal del propio escudo, la mal mediante una abertura de compuerta, permite la entrada de material hada el t ~ n e l . La regulación de la abertura de esta compuerta permite controlar la estabilidad del fre2te de ex- cavaci6-g.

Generalmente en este tipo de escudos la excavacidn se realiza manualmente,

4.7.P.I.H. Descr@cEbn de las mBquinas mas representativas

En la Egwa 4.1. se muestra un escudo de frente 8bk~60 y excavaci6n manual de la firma Westfdia Lunen.

EB movimiento hacia adelante se realiza utilzendo unos gatos hida8uli- -os que se apoyan en al revestimiento formado por dovelas prbfabricadas q ~ e se colocan mediante un brazo eaector.

Este tipo de escudo se adapta muy bien al método de empuje de tubos (pipe jacking) ya que se produce una buena trasmisión de las fuerzas axiales y supone un costo reducido.

CAP. 4. EXCAVAGION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS

Figura 4.1. Escudo W e s ~ ~ c i a a &unen dejrente abreno y excavacion manual.

4.9.1.1.4.2. Escudo de c-chFIHas móviles tipo A-I-M-C

Este tipo de escudo que se muestra en la figura 4.2. se ha desarrollado en lia Repdblica Federal de Alemania en ]la construcción de galerias mineras.

Consta de una serie de cuchillas de enfilaje que se muevan con Hndepen- dencla unas de otras mediante gatos hids&~licos de empuje que transmiten sus fuerzas de reacci6n a la estructura soporte; 6ste soporta las cuchillas que se desplazen sobre 61 a través de unas guias especiales.

El rozamfento entre las cuchillas y e% terreno, permite el desplazamiento hacia adelante del soporte sin necesidad de tener que apoyarse en al revestimiento posterior.


Figum 4.2. Escudo de cuchillas mdviles Wesgaaia Lunen.

Ea figura 4.3. muestra otro tipo da escudo fabricado por %a fimqajaaponesa Ka- wasakl.

Figura 4.3. Escudo convencional Kawasaki ('e 545 m.) con cuchilbas mo'viles en ia parbe sadperior.


Este tipo de escudo lleva en el frente un conjunto de bastidores horizontales y/o verticales pudiendo formar una malla y que cumplen Ba función de sostener el frente.

En %a figura 4.4. se muestra un escudo de este tipo fabricado por la firma japonesa KawasaaG-

Figura 4.4. Escudo de rejidla Kawasaki; 0 60,72 M.

Algunos escudos pueden transformarse con cierta facilidad, a requeíi- miento del terreno, en escudos de frente abierto e incluso da frente cerrado, $bBBnd tgpe) pasando por uno de tipo rejilla.

4. % 1.1.1.4. Escudo de excavacibn hidrcdulica, tipo A-I-H:

La excavación puede hacerse también mediante monitores hidrBuBBcos oraentables como muestra el esquema de la figura 4.5. en terrenos sin cohe- sión como arenas sueltas.


Cola del escudo

'-..

Esclusa de

Figura 4.5 Escudo de excavacl0n hldraulica Jet-Schild [k j

Los tipos de escudo A-H se utilizan en la excavación de terrenos firmes como: arcilla dura, arenas cementadas, roca blanda y descompuesta, areniscas parcialmente consolidadas, limolatas, en los que el frente es auto-estable o necesita una ligera contención proporcionada por el emparrillado formado por los taavesafios horizontales ylo verticales del frente de% escudo o por ga- los hidrhulicos que apoyan contra el frente.

B. 7. P. I . P.S. Escudos de fiente cerrado. Tipo A S

Este tipo de escudos lleva el frente cerrado; el material a excavar se introduce dentro del túnel a través de un diafragma o abertura que p,uede ser re- gulada mediante un mecanismo hidráiuáico.

Ea excavación se contola con el empuje de los gatos hidráiulicos y la abertura de la compuerta.

Segajin los casos y las caracteristicas de los terrenos, estas máquinas necesitan una fuerza de empuje superior a las 10.000 Tons.

En la figura 4.6. se muestra un escudo de frente cerrado fabricado por Ia firma Kawasaki.

Figura 4.6. Escudo de frente cerrado Kawasaki (g 3 m.).

CAP. 4. EXCAVACION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS 15 1

Algunas matquinas de este tipo pueden transformarse fhcilmente en escudos de frente abierto o semi-abierto, desmontando partial s totalmente la mampara frontal.

4.T1.2. Escudos semi-mecansados, t@o B

En este tipo de escudos la excavaci6n se realiza mecknica~mente utili- zands para ello diversos sistemas como: la excavación con retro, con rozadora, con martillo de impacto ..., por lo que los rendimientos alcanzados sean muy superiores en comparación con la excavación manual.

En la tabla 4.18 se indican los escudos pertenecientes al tipo B.

Tabla 4,18

ESCUDOS SEMI-MECANIZADOS

SIN CUCHILLAS B- 1

ESCUDO DE FRENTE ABIERTO B-1-C

CON CUCHILLAS

B-2

ESCUDO DE FRENTE

SEMIABHERTO B-2-C CON CUCHILLAS

Este tipo de escudos se emplea principalmente en terrenos homogéneos de arcillas blandas.

Este tipo de mhquinas pueden alcanzar altos rendimientos de excavacibn, incluso superiores a los 60 rn/dia.

El campo de utilización es muy variado y comprende terrenos sedimen- (arios medianamente consolidados como: areniscas conglomerados, lodoli- tas ...; segdn sea la potencia del brazo excavado pueden excavar rocas de durezas comprendidas entre 0,15 y 100 MPa. de resistencia a la compresión simple adaptandose también a terrenos blandos (running grounds) que necesitan algaán tipo de estabilización del frente de excavación.


4.7.1.2.1. Descripción de las máquinas más representativas

4.7.I.2.H. H. Escudo de frente abierto tipo B-1-22

En este tipo de escudos la excavación se realiza mecánicamente, con lo que el rendimiento es muy superior en comparación con los escudos del tipo A.

Hay una amplia gama de modelos dependiendo del mCtodo de excava- ción que utilicen; los máis caracterdsticos son:

Cuchara o rippeñ (figura 4.7.). Martillo de impacto (figura 4.8.) Cabeza rozadora (figura 4.9,) Cabeza rotary (figura 4.10).

Estos equipos pueden incorpo.rar o no, cuchillas móviles de enfilaje, como muestran las figuras 4.11, 4.12, 4.13 y 4.14.

Figura 4,7. Escudo excavador con cuchara o ripper

Figura 4.8. Escudo excavador con marlillo de impactos.

CAP. 4. EXCAVAClON MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS

Figura 4.9. Escudo excavador con brazo rozador.

FE~ura 4.10 Escudo semi-mecanizado Kawasake' con cabeza excavadora iotey ('@ 2,25 m.).

Bostidor da cuchi l los

Figura 4 . I I . Escudo excavador con brwzo rozadar y cuchih/sas m0aliies

EXCAVhCI3N MECANICA DE TUNELES

Figura 4.12. Escudo excavador con brazo rozadop. y cuchillas móviles W e s ~ a i i a .

Figuro 4.63. Escudo excavador con cuchara y cuchillas móviles.

CAP. 4. EXCAVACION MECANPCA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS 155

Dependiendo del elemento excavador y de su potencia, estos escudos pueden excavar rocas de frente auto-estable y de resistencias a Ba compresión simple incluso superiores a 100 Mpa en el caso en el que se utilice una cabeza rozadora.

El campo de aplHcaci6n de estos escudos va desde terrenos compactos a rocas de hasta $80 Mpa. en las que no es aconsejable el uso de explosivos como consecuencia de su grado de fracturacidn.

Figura 4.14. Escudo excavador con cuchara y clackam'l\as móviles Kawasakb (@ 3,195 m*).

4.9.1.2.1.2. Escudo de frente semi-abierto, ti's B-2

Una modalidad en relación con los escudos de frente abierto, la consta- tuyen los escudos de frente semi-abierto, llamados también hábridos. Báasi- camente son de concepción similar a los de frente abierto con la única parti- cularidad de poder sujetar la parte superior del frente mediante unas mam- paras mdviles accionadas hidráaulicamente.

Representativo de este tipo es el escudo excavador Robbins de la figura 4.15.

156 EXCAVACION MECANICA DE TUWELES

P;kgura 4.15. Escudo excavador Robbim

4.7.1.3, Escudos mecanizados tipo C

A este tipo pertenecen los escudos en los que la excavación se realiza mediante la rotacl6n de una cabeza giratoria que es empujada contra el frente con gatos hhdrzlalicos; de este modo la parte frontal del escudo penetra en eH terreno produciendo la excavaci6n pesimetral del mismo.

Los distintos tipos podemos r e s u m i r ~ ~ s en la tabla 4.11:


TABLA 4.11 ESCUDOS MECANIZADOS

MODALIDAD

CABEZA OSCILANTE

-- 6-2

TAMBOR EXCAVADOR

CON CORTADORES

PECULIARIDAD

M D I O S DE CORTE CON PICAS

MOVIMIENTO CIRCULAR

OSCILANTE

C-a-R-C MOVHMIENTO

CIRCULAR COMPLETO

KTB-S-B KTB-S-9 KTB-M

TOPO + ESCUDO 1 2 3 4

Las variantes KTB corresponden a modelos de maquinas fabricadas por F.G.B./Kawasaki en las que:

VARIANTE DESCWHPGION

KTB-S-B Topo de cabeza cerrada en el que el transporte de los materiales excavados se hace mediante cinta transportadora,

MTB-S-J Topo de cabeza cerrada en el que el transporte de los escombros se hace hidriulieamente.

KTB-M Topo de cabeza cerrada convertible en m& quina presurizada.

En este tipo de escudos Ba estabilizacidn del frente la realiza la propia cabeza de corte al apoyar contra 61.

4.7'*1.3.1. DescrPpciBn de Has mgáguinas más representativas


4.7.1.3.6. Escudo de cabeza oscilante tipo GI

La excavacibn la realiza una cabeza circular giratoria provista de unos radios sobre los que van colocadas las herramientas de corte (picas de fric- cI6n).

Por las ranuras situadas entre las herramientas de corte se introduce eH material excavado, que es cargado y transportado hasta el sistema de extrac- cH6n.

La cabeza de radios cortadores permite un fhcil acceso al frente de trabajo, y e] mantenimiento, ssi' como el cambio de cortadores, es fhcil.

Una m8quina representativa del grupo C-1-W-O se maestra en la figura 4.16, donde se ve un escudo Calwed ea el que Ba excavacidn se hace de un modo independiente en los cuatro cuadrantes mediante tres radios excavadores que tienen un movimiento oscilante de 30" producido por dos gatos hi- dr8uEicos.

El empuje necesario para hacer avanzar el escudo y el control de la direccidn del mismo se realiza mediante una serie de gatos hidrs8ulicos situados sobre la periferia del escudo.

Figum 4.16 Escudo CaOwed de cc8bezco oscibante.


Detr6s de los radios excavadores hay una mampara acanalada que permite la entrada del material excavado y que cae a la parte baja de Ea mhquina sobre un trañesportador.

Este tipo de rnhquina se ha u",llilado en proyectos importantes, conm el colector de San Francisco, donde consigui6 avances de 354 m en un mes.

Las caracteristicas más importantes de la mhquina utilizada eran:

Diámetro: 18 ft Oe5,4 m). Empuje: 5.040.800 lb. Par de la cabeza de corier 3.888.000 1b.R Potencia de la cabeza: 100 Hp.

Otra mhquina se utilizó en %a construcción de los metros de Hamburgo y de Munich y en el Nnel de drenzje Anaheim? en California, en 9966.

Este tipo de escudo mecanizado funciona bien en suelos firmes y generalmente prspsre%sna un soporte suficiente en terrenos desmoronables (-a- velking groaends). Es ma. mAquina adecuada cuando la estabiíidad del frente es precaria.

El sistema oscilaate de excavación es meras efectivo que el <crotaty» cuando se trata de excavar suelos competentes; sin embargo, tiene algunas ventajas respecto a éste cuando se trata de excavar suelos blandos y movedi- zos donde interesa alterar 21 frente Is rne1.10~ posible.

4. 701.3.P".2. Escudo de e~mbor excavador9 tipo CZ

Dentro de los eccddos n~ecanizados que mayor presibn mechntca de es- tabflEzack6pa s ~ ~ n l r n i s t r ~ al frente de excavaci6n estan los Bhamados escudos de tambor excavador (drun digger), que t%enen una cabeza de corte completamente cerrada sobre la que van situados los cortadores. Estos son recambia- WIes da modo que pueden utilizarse los más adecuados, en funci6n de Has ca- iacterisiicas de das terrenos (PIg. 4.17'1

f ~ g u r a 4.!7. Herrarnieraras d e corre Kawasaki .


El material excavado se introduce por entre Has renduas existentes entre los cortadores y cae sobre la parte inferior del escudo, donde es cargado y transferido al sistema de extracción.

En 1a figura 4.18 se representa un esquema de este tipo de málquina.

r a d i a i , Coglne te d e empuje C i e r r e d e

Mecan ismo de sel,lado j\ , co ta

Figum 4.68. Escudo mecanizado Kawasaka'.

Estas aberturas pueden ser regulables de modo que puedan controlarse los movimientos del terreno en el frente.

Al ser la cabeza de corte cerrada, el acceso a ella es$& limitado a unas ven- tanas practicadas en el frente de la misma.

El movimiento de la cabeza puede ser oscilante o de rotación completa, generalmente en ambas direcciones, con lo cual puede corregirse su posi- ción cuando 1a mhquina se ha desviado de su posici6n vertical o de su alinea- ci6n, para lo cual basta invertir el sentido de giro de la cabeza y retirar hacia atrás la máquina.

El movimiento hacia adelante de la máiquina se realiza mediante unos gatos hidrhulicos perifericos que reaccionan contra el revestimiento, Estos gatos se construyen de modo que el escudo avanza una distancia igual al ancho de 10s anillos del revestimiento.

Mediante los gatos hidr6uIicos se dirige la mhquina seg6n lea alineación prevista; el movimiento del escudo hacia la derecha o hacia la izquierda se consigue poniendo en funcionamiento mhs gatos de un lado que de otro.

En la figura 4.19 se muestra e% moderno escudo de 7,15 m de diáimetro fabricado por la firma japonesa KawasakH.


Figura 4.19. Escudo mecanizado (0 7>15 m) Kawswasokm'.

Este tipo de escudos es muy adecuado para ser utilizado en terrenos mo- vedizos (running gsound), suelos sin cohesión, como arena seca o limpia y grava suelta.

4.7.1.3.1.3. Escudo polivalente, tipo 6 3

Ea evolución de Has maiquinas topo QTBM) y de Pos escudos ha conducido hacia un nuevo concepto de mhquina, que llamaremos polivalente, y que se adapta, dentro de una amplia gama, a distintas caracteristicas de los terrenos.

Mediante la sustitución de cortadores y modificaciones ligeras en la parte frontal de la cabeza de corte, es posible, utilizando la misma mhqufna, pasar de excavar una roca dura a excavar un terreno blando.

Diversos fabricantes en la actualidad construyen miquinas que respon- den a estas caracteristicas; algunos de entre ellos son:

a) Lovat Tunnel Equipment Inc., Toronto (Canadá)

Ea maiquina bisica que construye podemos definirla como un topo con escudo incorporado. Esta máquina consta de una cabeza de corte orientable, para lo cual la parte central del escudo envolvente de Bsa cabeza de corte se apoya sobre articulaciones y permite asi el guiado de la maiquina.

Los cilindros hidriulicos de avance que controlan e9 guiado permiten tanto el avance como el retroceso de la cabeza de corte unos 150 mm, lo que propicia el cambio fhcE1 de los elementos de corte.

Ea máquina básica esth equipada con un anillo de empNe que sirve para la transmisión de los esfuerzos de los cilindros de avance al revestimiento. Este anillo puede llevar unas placas de sujeción para terrenos blandos dise- fiadas de modo que no produzcan dafio a las paredes del terreno excavado.


En la figura 4.20 puede verse una mhquina modelo M-157 de 4 m de d99- metro. En ella se obsema la versatilidad de la cabeza de corte para adaptarse a distintos t i ~ o s de terreno.

Ligurra 4.20. Escudo poiivaienre Lovar (0 4 m).

Esta versatilidad hace que la miquina pueda excavar desde formaciones sin cohesibn hasta rocas semiduras (150 Mpa). Su adaptación se consigue principalmente utilizando el tipo de cortadores adecuados a cada tipo de terreno y regulando hidr9ulicamente las compuertas de derre y apertura para controlar la entrada del material cuando se excavan terrenos blandos.

b) EC.B.lLKawasaki Heavy Industries, &$d. La firma japonesa KawasaM, junto con la firma francesa FEves Cail Bab-

cock, ha desarrollado un tipo de miquina de Ba serie KTBS QKTB-S-B, KTB- S-Y) adecuado para excavar formaciones rocosas dificiles muy fracturadas o con inclusiones blandas $7/o colapsables.

estas miiqulnas son una combisiación de topo de cabeza cerrada (TBM close type) y escudo, partiendo de ambas en sus caracteristicas principales. Las herramientas de corte que emplea son cortadores de disco.

Otro modelo de máaquina desarro%Bado por la firma Kawasaki es al KTB- M? a6n mis vershtil que las anteriores, ya que puede fu-ncionar como un simple escudo mecanizado de cabeza cerrada o como un escudo presuiizado de bentonihse.

Este tipo de miquina permite excavar satisfactoriamente desde for~nzi- ciones rocosas dificiles hasta suelos blandos bajo carga de agua, pasando por terrenos coíapsables. Las herramientas de corte que emplea son discos de corte y cuchlP1as, según las caracteristicas del terreno.

La firma alemana Wirth ha desarrollado un tipo de mhcguina polivalente para eí proyecto C E W ; se trata de una mkquina mixta compuesta por una cabeza topo cerrada con discos de corte y reforzada con anillos concéntricos

CAP. 4. EXCAVAClOW MECAWLCA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS 163

de metal duro para sostenimiento del frente y por un escudo de protección. Esta mhquina es adecuada para excavar formaciones de rocas fracturadas y de rocas blandas. El escudo permite trabajar en terrenos blandos, ya que las fuerzas de reacción de la mBquBna son transmitidas al terreno a travks del escudo expandido contra éste y longitudinalmente al revestimiento.

Ea firma americana Robbins ha diseñado m8quinaas adaptables a formaciones de roca dificiles por su grado de fractdración. Ha diseñáado topos con doble escudo, como el representado en Ia figura 4-21, que corresponde al modelo 188-227, de 533 m de dihmetro, con una potencia esa. Ba cabeza de 895 KW y 320 Trn de peso.

Figura 4.21. T w o Robbins con doble escudo (63 5,53 m) modelo 188-227.

Tambidn ha desarrollado una mhquina topo con doble escudo con el frente de la cabeza reforzado con anillos concéntricos de metal duro para estabilizar el frente; figura 4.22.

i r gu ra 4.22. dbpo Robbins con doble escudo


Eñ doble escudo articulado y telescópico permite un trab-o continuado de la máiquina en terrenos blandos, ya que la m8quina se apoya alternativamente en los escudos anterior y posterior.

e) Kawasaki Heavy Industries, Ltd.

Esta firma japonesa ha desarrollado una mhquina bautizada con el nombre gen6rico de «Escudo todo terreno» (811-soil type shield). Se trata de una mhquina que puede perforar tanto en roca como en todo tipo de suelos (Hig. 4.23).

Figura 4.23. Escudo «todo éerreno» K~wasaki (0 3,470 m).

4.7.1.4. Escudos presurizados tipo D.

En terrenos poco cohesivos bdo el nivel frehtico, para mantener el equilibrio del frente, es necesario aplicar a éste una presión de equilibrio.

Los dos sistemas de aplicación de esta presi6n que ha ido desarrollando la tkcnica a ío largo del tiempo, son muy variados e ingeniosos; desde la t6c- nica clksica del aire comprimido hasta la mhs utilizada en los escudos de presión equilibrada de tierras, hay un largo camino recorrido, con el único objetivo de hacer el proceso de excavación de un t h e l mhs mecanizado, mhs automatizado y mhs cómodo para el hombre.

Los distintos tipos que coexisten en el mercado podemos resumirlos del siguiente modo en la tabla 4.12:


TABLA 4.12 ESCUDOS PMSURIZADOS

DE FRENTE

BENTONHTICOS

ESCUDO DE BE FRENTE

PRESURIZADO

PRESURIZADO

LAS VANANTES KTBM y MBM cswespomden a modelos de miquinas fabdcsdas por F .~ .~ , /Waw8s%&~, en las que:

VARIANTE DESGBIPGION A

KTB-M "opo presn&ado con discos y picas,

MBM Escudo presakado con picas.


4.7.1.4.1. Descripción general de 10s escudos t@o D

B. % B.Q.d.1, Escudos de lodo presurizado. D-2-LB

Los escudos de lodos (slurry pressure shield) son el resultado del desarrollo de Ba tecnologia japonesa a partir de la tecnologia de escudos impor- tada de Europa. El desarrollo de los escudos de lodos se produjo entre los años 1960 y 1965.

El desarrollo de los escudos de lodos ha sido motivado prindpalmente por la necesidad de dar una respuesta tkcniea alternativa al uso de los escudos de aire comprimido.

Bhsicamente, este escudo asegura la estabilidad del frente mediante la acción combinada de la cabeza de corte y del lodo a presión.

Este lodo, ademis de contribuir a la estabilidad del frente, sime como vehiculo de transporte de los escombros produddos durante la excavaci6n que son conducidos a la superfi'sde mediante un sistema. hidráiulico de tu- bera'as y bombas. En el exterigsr, una planta de tratamiento separa los escombros del lodo, que es reciclado nuevamente al interior del túnel.

La estanqueidad del sistema impide el acceso directo y la inspección vi- sual del frente (Pig. 4.24).

1

Gato del escudo G a t o de z a p a t a

l-igura 4.24. k s t u d u d e lodo p r e ~ u r i z a d o A u w u ~ u A i (U j,23 m).

Este tipo de escudos es apropiado para trabajar en terrenos naturales en condiciones dificiles y bajo presi6ññ de agua, como thneles bajo rios o lechos marinos.

Ea presencia de guUarros de gran tama5o dentro del terreno plantea problemas; s% su cuantia es gequefia, esta dificultad puede obviarse apartindo- los manualmente del circuito hidriulico de transporte.


Una amplia gama de terrenos, como arenas, BBmos y gravas pueden excavarse sat6sfactoriamenBe con estos escudos.

Los lodos que se utilizan son bentoniticos; el uso de la bentonita en la tkcnica de perforación de taladros no es nueva; la primera utilizaci6n data de "684 y fue hecha por el ingeniero francés Panvelle.

Con cargcter general se llama bentonita a cualquier arcilla del grupo de la montmori%lonitsa, sin embargo, en un sentido estricto se refiere a la arcilla encontrada en h i g h , en el estado de Wyoming, en EE. UU., cerca del fuerte Benton [1].

Los Iodos bentoniticos empleados en los escudos utilizan tambikn su propiedad tixotrópica para estabilizar el frente.

Hay seis minerales de arcilla del grupo de la montmorillonih que presentan Ba propiedad de hincharse al contacto con el agua. El carictel- tixstrópico permite a este tipo de arcillas con la misma facilidad fluidificaarse cuando se las mantiene en agitación y soB9d9fi"acarse9 aumentando su consistencia cuando 6sta cesa.

Los lodss utilizados pueden ser de distintas densidades, adaptáindose as4 a las exigencias de los distintos terrenos; para obtener Iodos mis densos y viscosos se utiliza la montmorillonita s6dica, que tiene la capacidad de hin- ~harse despues de la adición del agua, aumentando hasta 16 veces su volumen. La adic16n de productos quimicos contribuye tambi6n al aumento de esta densidad y viscosidad.

EB lodo bentonbtico es controlado desde una central situada en el exterior, desde donde, mediante un panel de mando, se vigila el fluido de la chmara de excavaci6n9 su cárculacióin por las tuberias y su tratamiento en la planta separadora situada en superficie. Una vez recuperado el lodo es red- elado a presión mediante bombas de lodo hacia la cáimara de trabajo. Desde aqui el lodo mezclado con el suelo excavado es conducido, mediante una bomba de descarga a través de una tuberia, a Ba planta de tratamiento exterior.

El sólido es clasificado en tama5os y despuCs deshidratado, y el lodo reenviado al tanque de regulación para iniciar un nuevo ciclo. En Ia figura 4.25 se muestra esquemáticamente una planta de tratamiento de lodos.


Figura 8.25. Planta de tratai~ieneo de lodos.

En suelos de baja permeabilidad (K < cmlseg.) se formar8 en corto tiempo una capa de gel de modo que proporcione una presiésn de lodo que ac- tGe efectivamente contra el frente de la mhquina.

En suelos de permeabilidad media < < K lom2 cmlseg.) se forma tambiCn una capa de gel y se mejora e1 suelo en una cierta profundidad; no obstante, para conseguirlo es necesario un control cuidadoso de las calidades del lodo corno: estabilidad, peso especifico, viscosidad ...

En terrenos de alta permeabilidad $M s cmlseg.), particularmente si K > 10-' crn/seg., la formación de la capa de gel es dificil. Ea estabilidad del frente se consigue en parte por el aumento de la cohesión del terreno Qmtix. 0,3 kg/cm2) y en parte por la pérdida de presión del lodo que penetra dentro del terreno.

En este tipo de terrenos debe emplearse un lodo de alta densidad para lo- grar un equilibrio mhs eficaz de la presión.

La obsewación del frente es imgosibBe, pero se puede estimar indirecta- mente mediante los asientos medidos en sgaperEcie o mediante el hueco inyectado detrás del escudo.

La estimación del estado del frente mediante Ia observación de las fuerzas de traba0 de los distintos mecanismos de la mAquina como: fuerza de empuje, par de Ba cabeza de coste, par del agitador ..., requiere una gran experiencia y frecuentemente induce a errores.


EB método más seguro para controlar el frente de excavaci6n es a través de las mediciones proporcionadas por los medidores de caudal y de densidad instalados en las tuberáas de entrada y salida del fluido.

El volumen excavado podemos obtenerlo mediante la expresión propuesta por M. Miyoshl, T. Miraide, 1984:

donde: V Volumen del sólido excavado (m'). t Tiempo transcurrido (min.). p, Peso especifico aparente (tBm3). p, Peso especifico del lodo suministrado. p, Peso especifico del lodo evacuado. Qn Caudal del lodo aportado (m3%min.). Q, Caudal del lodo evacuado (m3/min.).

Este volumen se compara con el volumen teórico, estos cállculos frecuentemente dan un error entre el 10°10 y el 20% debido al error sistemitico de 10s instrumentos de medida y al volumen de aire dentro del lodo principalmente.

El control se realiza sobre 10 6 20 ciclos de excavación obteniendo unos valores medios.

El colapso del %gente se ha controlado tambiCn mediante la detección de huecos encima del escudo y con la medición de la velocidad sónica.

La firma japonesa Mawasaki fabrica una gama amplia de escudos presurizados con lodo, algunos de los casales son fAcilmente convertibles en escudos mecanizados cuando no es necesario utilizar la excavaci6n con lodos,

En Ba figura 4.26 se muestra un escudo de 10 m. de diámetro.

170 EXCAVACION MECANICA DE TCNELES

Figura 4.26 Escudo de lodos Kawasaki d e 10 m, de diámetro.

Dentro de este tipo de miquinas ha áesarrollado una tecnologia propia pala hacer frente a La excavación en gravas.

Son conocBdas las dificultades que pIantean las gravas gruesas en la exca- vaci6n con escudos; para resolverlas se han utilizado diversos sistemas que 86 PeBUlTlen en:

MACHAQUE0 Utilizando cortadores de disco en la cabeza machacadora de doble rodillo trituradora de mandbbulas

SEPAMGION Utilizando trornel MECANICA criba fija

vklvula rotary

TANQUE DECANTADOR

En la figura 4.27 se muestra el esquema de un escudo de lodo con una machacadora Instalada dentro de la mampara del mismo que reduce la grava a un tamaño conveniente para circular por la tuberia de descarga.


l 1 SISTEMA DE C O R T E CDJINETES RADIALES

INYECCON ;E SE1

Figura 4.27. Escudo de lodo Kawascakl, @ 4,27 m.

4.7.1.4.1.I.B.2. Hitachi Constmction M a c h i n e ~ Co., Etd.

Esta firma japonesa fabrica escudos de lodos para excavar arenas y limos bajo carga de agua, figura 4.28.

Figura 4.28 Escudo de lodo Hitachi.

Esta firmajaponesa es otra de las constructoras importantes de mhquinas escudo.

La firma CockeriB1 Mechanical Industries fabrica, bajo licencia Mitsu- bishi, escudos de lodos.

En las figuras néimeros 4.29 y 4.38 se muestran dos mdquinas del tipo escudo de lodos de dihmetros 7,45 y 6,76 m. respectivamente.


Figum 4.29 Escudo de lodos (@ 7,45 m.) Mitsubishi. [lb]

Figura 4.30 Escudo de lodos (0 6 7 6 m.) MiEsubisha'. [lb]

4. TI .4 .1 . 1.1.4. Wyass h Frqtag* A. G.: Bade 8L Theeben GMBH

Esta firma alemana ha desarrollado e% hidroescudo, que es una variante de escudo de lodos.

174 EXCAVACION MECANICA DE TUNELE5

El volumen de lodo se regula mediante un mecanismo medidor de nivel que actajia sobre la velocidad de la bomba de alimentación. Las bombas de alimentación o de extracción de los productos excavados se paran automhti- camente, cuando se alcanza el nivel superior o inferior respectivamente. En previsión de que el nivel del liquido en la chmara posterior pueda sufrir va- rBaci6n, el diafragma evita el paso de burbujas a la cáirnara anterior.

Una vez que el material ha sido excavado, es bombeado fuera del compartimento presurizado por la tuberáa de descarga situada cerca del hndo de la mampara.

Las piedras y gravas gruesas mayores de 10 cm. de diámetro, se eliminan del circuito de extracciéon de los productos de excavación mediante una rejilla situada sobre la tubería de extracdón.

El material excavado es bombeado a un recipiente recolector de piedras donde un tamiz de 8 cm. de malla acténa como una criba adicional, antes de ser transportado hasta la planta de separación en la superficie mediante bombas para gravas.

Ea velocidad de la bomba de gravas del frente puede regularse y automti- ticamente pararse, cuando el nivel del liquido entre la pared diafragma y la mampara desciende por debajo de un cierto punto.

Unas tuberáas especialmente preparadas en forma de boquillas impiden que el material excavado se deposite en el suelo de la cámara. Detrhs de la seeci6n superior de la mampara principal hay una pequeña esclusa de aire que permite el acceso a la c8mam ((bajo presión) de dos operarios para efectuar los trabajos rutinarios.

En 18 superficie una planta de tratamiento, separa la bentonita del material de excavacidn que posteriormente serh enviada nuevamente a la chmara presusizada junto con los aditivos necesarios (figura 4,339.

I l idiociciones

c;- fjuspensiÓn de benioni ta

Mezcla bentonita- rnalerioi

f i gu ra 4.33 Planfa de tratarnienro de !odos.

CAP. 4. EXCAVACPON MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS 175

El escudo avanza mediante gatos hidrhulicos que son capaces de ejercer empgajies superiores a las 1.800 Tm.

Otra característica de los hidroescudos es que su cabezz de corte puede extenderse o retraerse desde el frente 30 cmag.

El control de la presión y de la densidad del lodo es fundamental para el buen funcionamiento del sistema,

Este tipo de mhquinas es adecuado para trabdar en arenas y gravas. Cuando se trata de lirnos, rnargas o arcillas de grano mhs fino, la bentonita se contamina rhpidamente gr tiene que ser objeto de un tratamiento adicional de secado o extraida como un liquido.

El fAcil acceso al frente permite ía sustitución de los útiles de corte y Ba retirada de obsticulos.

Este tipo de mAquina se ha desarrollado para mejorar la estabilidad del frente sobre todo en terrenos de alta permeabilidad.

La estabBlizaci8n dinhmica del frente por penetración del lodo es posible dentro de unos limites de aportacidn de cantidad de fluido.

La cantidad disponible inmediatamente cuando desciende el nivel del fluido en el segundo compartimento desde el punto más alto al mAs bajo, es de unos 10 m3 para un escudo de 6,50 m. de dihmetro.

En un terreno suelto con un volumen de poros del 40%, la profundidad de penetracidn correspondiente es de 0,55 m., teniendo encuenta la penetracibn lateral del lodo alrededor del filo de corte del escudo. Cuando el nivel alcanza el punto mas bajo, la tuberia de descarga se cierra autombticamente, quedando todo eí Buido de alimentaci6n disponible para sellar las &reas que aún permanecen permeables.

Para un funcionamientec adecuado, considerando el frente de excavaci6n como un filtro, el lodo bentonitico tiene que verificar la condición filtro para lo cual debe cumplirse la relación D50/d50 = 3 a 5 , en Ia que y d50 son las aberturas del kaimiz por el que pasa el 50% en peso del suelo y del cake.

Si el suelo contiene in situ todos los tamafios de partfcula necesarios, el material excavado suministrará. el nmkerial preciso para producir el cake

Si faltan tamafios de grano, deberhn 6stos afiadirse a% lodo e incluso sustl- tuirse por materiales plistlcss o polvo de serrin.

Las particulas Gnas despues de pasar por lz planta de tratamiento, se reci- clan nuevamente al escudo y la bentonita consigue el sellado final que hace al cake prhctica~nente impermeable.

El espesor del cake en arenas finas es de 2 a 3 mm., mientras que en gravas gruesas es de 50 mm. Este mayor espesor del cake en materiales gruesos tiene un efecto beneficioso en reiacibn con su contacto con el aire compri-

176 E X C A V A C I O N M E C A N I C A D E TUNELES

mido, ya que cuando se vacia la cBmara del frente para efectuar reparaciones, se dispone de un tiempo entre 20 y 30 mino antes de regenerar el cake que se fractura por desecación; mientras que con un cake de 2 a 3 mm. únicamente se dispone de 10 a 15 minutos.

Otro tipo de mhquina fabricada pos la firma Wyass & Freytag es el Ha- droyet generalmente construido en di6meta.o~ inferiores a 2,50 m. (Ver 15- gura 4.349.

Figura 4.34 Escudo Hidroyet.

En este tipo la excavación del terreno se efectúa mediante chorros de fluido a presi6n. Estos jets de fluido estáan orientados en un plano perpendicular al eje del escudo y utilizan para la excavación el mismo lodo empleado como soporte del frente mediante un movimiento oscilante de las boquillas situadas cerca de la chapa del escudo.

El funcionamiento general es idéntico al de las m8quinas Madroeseudos.

Como ventajas de los Hidroyet podemos indicar:

- Menor inversión. - WeutilPzaclOn de Ha mayorfa de los elementos incluso para mkquinas de otros diaimetros. - Puede excavar cualquier forma de sección. - Puede utilizarse con di8metros pequefios.

Las arenas de un grado de compactación intermedia pueden excavarse a un ritmo de 58 mmv/mEn., mientras que en turba y arcilla el ritmo sera me- nor.

CAP. 4 EXCAVACION MECANICA DZ TERRI'JOS BLANDOS ESCUDOS 177

Sobre la base de los hidroescudos la firna Wrjss & Faeytag ha desarrollado la mAquina Mixshield para la excavaci8n de suelos blandos bajo nivel frehtico incluyendo los cohesivos.

El diseHo de la máquina tipo tambor (drum-type), permite las tres aplica- cisnes siguientes:

a) Como hidroeseudo. b) Como escudo de aire ~omphimido. cb Como escudo de tierras.

La n~áquina básica (componentes mett4lieos, la cabeza de corte con sus engranajes, e1 erector y diversos mecenismos) es la, misma para las tres versiones.

La conversión de un tipo de máquina en otro se hace raipidamente y con bajo costo dentro del túnel.

El sistema de excavacibn es el misno para todas las versiones, con la va- riaci6n en el sistema de sostenimiento del frente y en el sistema de extrac- ci6n de escombros.

En la versión de sostenimiento hidrA8alico del frente, la miquina es similar al hidroescudo.

Ek tamrafio mhxirno de las piedras que pueden extraerse es del orden de los 283 del di8meei.o del sinfin.

En la &gura 4.35 se indica el esquema de una mhquina MixshieEd en ver- si6n de sostenimiento hidráulico del frente.

1. BOMBA DE SUCCION 5 , VALVULQ DE CORREDERA 2. T U 5 0 D E SUCCION 6 . REJILLA DE TOMA 3. TUBO DE DESCARGA 7. RUEDA EXCAVADORA &. CAQTADOR DE FLUJO B . CANGILONES

Figur~ 4.35 Escudo Mixshield versión "soporte liquido dea"fienteW.

En la versión de aire comprimido la extracción del escombro se hace mediante un tornillo sinfin situado en el centro de la máquina. Una esclusa ro-

178 EXCAVACIOK MECANICA DE TUNELE;

tary traslada el escombro a 19, paste del túnel sometido a ia presión atrnosfk- rica donde es transportado por el tren de eva~kiación da escombros.

Ea capacidad dei transgortador de sinfin y de la esclusa rotary va ~0okdi- nada con el avance de éa n16qukna y la granulometria del terreno.

K dlascamente la cdmaia de trabajo esta sometida a presión de aire. El acceso a 6sta se Isace mediante una esclusa.

En ía figura 4.34 puede verse un dibujo esquemhtfco de esta versidn de rn6qnina.

,Figure 4-36 4dscf,fdo Mxsh le ld versidn ''soporte dei frente con aire comprimido".

En laversi6w cscuds de tierras, es neces~ria la conexf6n a t ~ e el tambor y La cabeza de corte; la di,ica salida de éos nakeriaoes esca-:a$cs es el agujero que ~@,?idur,e a"lranspoitc,dct espiral, figaic, 4.37.

i PL&P¿TA DE C P R G A 4 R U E D A LLANTA 2 TUBERIA DE IINYECCION 5 TAMBOR 3 MANGMETRO 6 '/ALVULA CORREDERA

k7igum 4.37 i?scudo Mixhieid versión "escudo de ~iev-as".

EI recientemente dlsefiadc escudo "Wilxshield" ha probado sip eficacia en la versión de ""escudo con soporte del frente y extrzccHón de escombros hidriulico"; ha quedado resuelta la dificultad técnica de eliminar los bloques grandes que puedan aparecer en el frente (hasta "5 m3).

CAP. 4 YXCA-VACEON hCEGANICA DE TERRENOS BLANDOS ESCUDOS 179

Si se confirma el fidncionamiento satisfactorio de las otras dos versiones (escudo de aire comprimido y escudo de tierra), se estará en el buen camino hacia $a obtención de la "'mAqukna-escudo universal".

Esta firma alemana ha desarrollado un escudo de Iodos con brazo excavador con patente Eslzmann, conocide: en la terminologia alemana como Thixsehild.

EB elemento excaj~ador lo forma un biazo central extensible ~ o n t a d o dentro de una mampara. (figuras n-bmeros 4.38 y 4.39).

F1gu.m 4.38 Escudo Th~xsch!id. Vista Jroaisrd.

Durante la ewcavaeibn el espacio por delante de la mampare se rellana de benhonita a p:es%Ón que equilibra ía presib~p, del terreno y Ba LzidrostBtica, El hrea detrhs de la mampara, se rnantiece a la presibn norn1a2. El sistema de control del lodo es usa eombinacibn de bombas centrihgas y coleh6a 2 i m ~ r - t:guador de aire antes de q-de el Bodo llegue al frente.

El terreno del frente es excavado mediante una cabeza cortadora rotaora. montada en el extremo del brazo telescópico; éste es aspiredo a 9avds de8 brazo LIlueco.

Una dirección electrohidráuliea dirige el brazo efectuando l a excavación en pasadas eonckntricas. Yn opefador desde una consoha controla todas las opeaacioses.

Figura 4.39 Escudo Thixschild. Esquema longitudina1.

Este tipo de escudos se desarrolád en Japón desguds de 1975 a partir de Hss escudos de Iodos.

Ea principal caracteristlea de este escudo consiste en conseguir la estaabi- lidad del frente, manteniendo el equilibrio entre el ritmo de excavación y de extracción de escombros mediante una chrnara a presión colocada inmedia- ",amenbe dehrhs de la cabeza de corte y que permanece siempre llena con los ~~ater ia les excavados.

E1 material excavads es recogido y comprimido dentro del tambor- cAmara, formándose un tapón contra el frente con dichos materiales. Entre 1a cabeza de corte y %a cimara va instalada una compuerta, de modo que a la vez que avanza el escudo, el escombro se va colando a través de una abertura practicada en la cabeza.

El. material excavado es extraido de la c6rnara mediante un tornillo sinfin que Is transfiere a vagones o skips para su transporte al exterior.

EE volumen excavado debe ser igual al volumen extraido de &a cBmaaa; para conseguirlo se controla la velocidad de avance del escudo, para ]lo cual se efectt6a un control continuo del volumen extraido o de la presión de tierras del frente. El volumen de descarga ~suede medirse mediante una escala


graduada que mide la altura que alcanza el escombro dentro del sinfin o leyendo en una escala situada debajo de la salida del sinfin.

La presión de tierras dentro be la eAmara se controla mediante el empuje de los gastos del escudo el par y las revoluciones de la estructura y mediante el par y la velocidad de giro del sinfin.

El avance del escudo y la rotación del sinfin van sincronizados para conseguir el equilibrio de la presión en el frente del tajinel con la existente dentro de la caimara.

Dentro de los escudos de tierras se han ido desarrollando distintas modalidades que han permitido adaptarse a los distintos terrenos.

Como ya henms dicho, el equilibrio se consigue hnicamente mediante la presión ejercida por Has tierras excavadas dentro de la c8mara. "m conse- guiráo es necesaria:

a) Una adecuada forma de1 disco de corte.

b) Mantener en estado fluido el escombro dentro de la cAmg%ara mediante aditivos. e) Mantener la estanqueidad de8 sistema y una descarga contEn.aa mediante alimentador rotary.

Este tipo de escudo no necesita una planta de tratamiento de lodos en la superficie, aunque e% escombro disponible podria dar prob%en~as cuando se añaden algunos aditivos como la bentonita.

Este tipo de escudo descrito corresponde al tipo bhsico de escudos de tierras D-2-T-T cuyo esquelma de g'hmncéonamiento viene indicado en la figura 4.40.

Ti~nspi i r lador sinfin do corte I

uerta de des

//////////////////////////////////////////

Figura 4.40. Escudo de tierras-esquema.

bar

rg a

Son especialmente indicados para excavar suelos con una cierta cohesidn, y que al ser excavados incrementan su plasticidad.

Incluso suelos de alta cohesi6n pueden ser convertidos en muy plhsticos cuando son agitados por la cabeza cortadora y por el transportador de tornillo.

El suelo excavado de alta plasticidad es confinado en una chmara de trabajo a una presión igual a la presión al reposo del terreno.

La estabilidad del frente se consigue por Ea acción combinada de la cabeza de corte y de la presióin ejercida por el suelo excavado confinado dentro de la cirnara.

Los sistemas de descarga se adaptan a las caracteristicas de los materia- las, utilizdndose distintas modalidades de disefio de los sinfines y elementos auxiliares.

La cabeza de corte puede ser de dos tipos: abierta (con radios cortadores), o cerrada gr ele~mentos zuxiliares.

La excavación se produce prlncipal~nente mediante el par de rotación: gor lo que este tipo de mhquinas tienen un coeficiente de rotaci6n superior al resto de %os tipos de escudos, mecanizados o de lodos.

La reEaci8n entre el gar y el diimetro del escudo viene dada por la ewgrs- si6n T = aD3, en la que:

T - par $S x m). D = di91netro (m).

a = coeficiente de par. En la tabla 4.03 se indican los valores del coefi"scente a,

TABLA 4-13 COEFICIENTE DE PAR (a)

(M. T!dIUOSBH, T. BIMDE, 1984)

TIPO DE ESCUDO h 1 VALORDE a 1

Para escudos mecdnicos 1 1 Op5-I,2

/ Pam escudos de tierras d,5-2

El control ordinario de la máquina se consigue mediante el:

Para escudos de Iodos

1) Cond*r0'6P% de Ia excavación: el avance del escudo y la rotación de la cabeza se regulan midiendo las presiones de agua y del terreno dentro de la chmara de trabajo y el par de la cabeza de corte.

E i 1

184 EXCAVACION MECANiCA DE TUNELFS

V = velocidad de avance del escudo (rnih). B = volumen teórico descargado en una revolución del sinfin (an3). N - niimero da revoiudonas del sinfin por unidad de tiempo (Udsih), q = coeficiente de eficiencia en la descarga del sinfin,

La presión P debe mantenerse en un adecuado valor entre las presiones activas y pasivas del terreno para evitar asentarnientos. Para mantener esta preskbn constante es necesario mantener equilibrados los volpbkmenes de suelo excavado y descargado, para lo cual la expresión A Q =AV - qB x N deber& ser lo mks pequefiab posible; en la prhctica esto se consigue ajustando íos valores de V y N.

En los escudos de tierras con presión de agua se inyecta agua a presión dentro de la cbmara de trabajo a travds de un tanque de control de la descarga colocado en la parte trasera del tornillo sinfin. Esta presi6n de agua equilibra la presión hidrostitica existente en eitaúnel y hace el sólido m&s plistkco al reducir las presiones efectivas entra %as partáculas del suelo. Por otra parte la mezcla del agua con la pequefia cantidad de limo contenido en el suelo hace el efecto de un Iodo QFig. 4.41).

Figura 4.41. Escudo de tierras con presibn de agua. Esquemís.

EB egguilibrio del frente se consigue mediante la acci6n combinada de Is presión de agua inyectada y la acción de los nnateriaíes excavados latrobuci- dos en ía cimaia de trabajo.

Con este tipo de escudos se hace necesaria la utilización de una planta de tratamienro de lodos; el control del ritmo de descarga y de %a pesidra de agua es dificil.

Como ya hemos dicho, este tipo de escudos excavan satisfactoriamente terrenos no cohesivos o muy poco cohesivos que contengan pequefias cantidades de limo.

CAP. 4 EXCAVACION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS ESCUDOS 185

4. T. 6,4,P.4. Escudos equilibrados con presión de tierras e inyección de arciiia o bentonita - Variante D-2-T-Al3

Este tipo de escudos es de funcionamieaaas similar al de los escudos de lodos densos.

La estabilización del frente se consigue mediante la aplicación de arcilla o bentonita en estado liquido y que es inyectada dentro de la chrna-a llena de los productos excavados y que se convierten en lodos arcillosos.

El control de la excavación se efect6a midiendo la presibn del lodo dentro de la chrnara. No es necesaria la utilización de una planta de tratamiento de Iodos, aunque el incremento del volumen de descarga causado por la inyección de bentonita dentro del tambor algunas veces plantea problemas en el transporte y manipulación del fluidos.

?.OS eXC8- Este tipo de escudo no tiene cabeza de corte, sino solamente rad' vadores con dtiles de corte, si bien en las unidades de grandes dihmetros se utiliza una cabeza de corte.

Ea plastificación y la impermeabiliaaclón de los materiales excavados se consigue inyectando dentro de la chmara de trabajo un material. pldstico que se mezcla con el rfiaterial excavado mediante unas aspas sujetas a la parte posterior de los radios excavadores. La presión del lodo dentro de la timara se controla constantemente para ccmprobar que dicha presión es la adecuada pana mantenea estable el frente de excavación.

En la figura 4.42 se indica un esquema de este tipo da escudo.

A = @ Broca en Cola ~ u c h i i l c s de amasado

de b a n d a

Sa l i do del a g e n t e productor de l o d o

Figura 4.42. Esquema de escudo Boiiho de tierras e inyección de bentonita.

No es necesaria la satilizacl6n de una planta de tratamiento de lodos, con Ho que el sfstenna es mhs econdrnico.

El incremento del volumen de descarga como consecuencia de la Inyec- c96n de lodo dentro de la timara, algunas veces plantea problemas en el sistema de transporte.

Este tipo de escudos se utiliza satisfactoriamente en suelos muy perrnea- $les y no cohesivos, como arenas y gravas sin contenido de arcilla o limos.

En caso de terrenos muy permeables puede ser necesario utilizar corno producto de inyecci6n un lodo denso que peamita La formación del cake en el frente de excavacidn.

Para mantener la presión de8 lodo denso dentro de la cAmara de trabajo, a la vez que una descarga continua de los materiales, se instala un alimentador rotary ea el extremo del sinfin.

Esta firma japonesa ha desarrollado el escudo equilibrado con presldn de tierras C.P. (contiolled sokl pressure) Shield.

Es un escudo de cabeza abierta coss radios excavadores con una mampara estanca a través de la cual el suelo excavado almacenado dentro de la chmara. de trabajo es extraido mediante un sinfin.

Ea velocidad de descarga del rnaterizl excavado se puede controlar automiticamente para mantener la presión del suelo en un cierto valor que pes- mita mantener el frente estable; esta presión dentro de la cámara es controlada mediante un sistema fiable (Fig, 4.43).

Figura 4.43, E~ctddo C,P. Con cabeza rotaiy Hitachi.

Este tipo de escudo es adecuado para trabajar en arenas: grwas y limos sueltos bajo carga hidrhulica.

Al no necesitar planta de tratamiento de lodos resulta un procedimiento más econdmico.

CAP. 4 EXCAVACION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS 187

También ha desarrollado el escudo de tierras con inyección de Iodo B.K. (DrUcken B6den) Shield.

EI disefio de esta rnhqulna es al mismo que el original da Daiho Cons- tructloa Cs. Etd.

Su construccl6n es similar al anterior; el suelo excavado se introduce dentro de la cálrnara de trabajo, es mezclado y amasado con lodo inyectado dentro de la misma.

Esta mhquina se ha diseñado para excavar los terrenos mhs dificiles, como arenas y gravas bajo presión de agua (Fig. 4.44).

Cuchara e x m v a O o ~ a ~ - ~ -

d a iodo.

Figura 4.44. Escudo D.K. Con cabeza ro tay Hieachi.

La firma japonesa Mawasakl construye tambikn escudos equilibrados con presión de tierras e inyección de lodo; en la figura 4.45 puede verse una de estas málquinas de 7,95 m de diaimetao.

Figura 4.43. Escudo equilibrado con presión de tierras e inyección de lodo Kawasaki ('@ 71.5 m).


Los escudos desarrollados por la firma japonesa Batho Construction son del tipo de inyeccidn de lodo D.K. Shield Method.

La composici6n del lodo de inyección, asi como sus caracteristicas de densidad, cantidad y tipo de aditivo, deben elegirse en funci6n de las carac- teristiczts de8 terreno.

Como componentes biskcos del lodo se emplean arcillas O bentonitas; los aditivos empleados no deben ser contaminantes.

El transporte de los materiales excavados puede hacerse mediante cinta transportadora s mediante vagoneta. No se necesita el uso de planta de tratamiento de lodos ( ~ i g . 4.46).

Figum 4.46. Trans-porte de escombros mediante vagonetas.

El fabricante ha dise5ado diferentes cabezas de corte y sinfines en de- pendencia con el tipo de material excavado y con el dihmetro del escudo (Fkgs. 4.47 y 4.48)

Figura 4.47. Escudo de tierras con inyección de lodo «DK)» Daiho.


al ido de agente productor de iodo

Figura 4.48. Escudo de tierroes con inyección de lodo ((DK)) Daiho (@===IO m).

4. % 1.4.1.6. Escudos presuriaadoz; son aire comprimido - D-2-AP

La efectividad del aire comprimido en la estabilización de suelos bajo presión de agua es muy bien conocida; la técnica delaaire comprimido se viene utilizando en la construcción de t6neles desde 1874, cuando Great- head perfeccionó el escudo de Baunnell-Barlow incorporando sndemhs el aire comprimido dentro del túnel para contrarrestar la presión exterior.

Dos son las modalidades empleadas.

4.7.1.4.1.6.1. Escudos de frente abierlo tipo D-1

La estabilidad del frente se consigue mediante la aplicación de aire comprimido para crear una chmara paesurizada, en la que se consigue una pre- sión superior a la atmosfkrica que equilibra la presión desestabilkzadora exterior y elimina o reduce las filtraciones.

Ea zona de trabdo estb! sometida a sobrepresión y es soportada por el personal.

El trabajo en estas circunstancias resulta penoso, por lo que su aso ha quedado muy relegado.

La aplicacidn del método exige los siguientes elementos b8sieos:

a) Mampara de estangueidad que limita Pa zona presurlzada del tdneB. b) Esclusa depersonaladosada a la mampara que permite la entrada y sa-

lida de los trab-adores al irea presurizada (Fig. 4.49).

EXCAVACION MECANICA DE SUNELE';

CAP. 4. EXCAVACION MECANICA DE TERREKOS BLANDOS. ESCUDOS 191

c) Esciusa de evacuación de escombros adosada también a la mampara por la cual se evacuan los escombros y se Introducen los ixateriales neeesa- rios para realizar los trabajos (dovelas, madera...).

d$ ADkm?a geneaadsm de aire ccowprimido respirable que sumlnlsua el aire a baja presión con la tem2era"luia adecuada, para lo cual se dispone de unos refrigeradores y de unos sapsaradores de aceite para eliminar los contaminantes

e) Céarn~r-a hiperbdrice para prestar al persona! %as atencio*%es médicas necesarias.

f) Esclusa de ~ ~ O C Q Q S O (1~ng Iock) B81a efectuar Iu descompresidn. Da- rante el trabajo en ambiente presurizado los tejidos del c-ae.r$o j i la sangre a$- s ~ r b e n caatiaades importantes d e gas ~i"b6geno; e2 ei nmoment~ de la des- compresi6n este gas contenido en exceso es eliminado; la áescompresión debes8 ser lenta para evitar que Ha ell~a~ia~aciais? se produzca de un modo brusco COG formacidn de b~!iEpujas, lo qae pLedc; ocastacar problemas a 1a salud ne 10s trabajacores.

Para efectuar e s a bescon?presi6n adcccade~~ei:te es recesaaio zjustarse a unas labras de dvscompres56~, ques ei"iinci6n de las diferencias de presidn entre Ea aS*,~nosfkrjca y 12" de trabajo g7 de8 tiempo de t:zb&ju, &e e% tiempo necesa:Eo Ee de~conpiesi6n.

Ps=Pz-.c. (4.3) P,=presiBn de trabajo. p,=presh(jn j r ~ , r ~ c ~ E 8 ia prof~ndidad de! tbrel

" < ~ c-cohesi6n de &r:cz~Ia sin drenaje,

Las p e s l o ~ e s de trabajo raramente sobrep~sar el valo: de 0,í5 iG-a.

- $. 7:1.&.].62, h:ya :d~~ de frente pi-esuikado

ActusImb~nte is t6cric5 de uti!ización del aire ss-rs?rimido ha Ido enca- 17q ..i,_8zsdose - + hacia el desanol:~ de escudos pres~rizaass anicanqente en el frente.

La primers ~ 8 q u ~ n a se co~struy6 e-- 1951 y l a ritGiaai la constauetora francesa Camcenon Ber~udid; este tipo de n ~ h q ~ , i n a ~ se denomina en la IKte- ratura t6enica inglesa tcpressbirized pienux ~hamber machfne),. LE segunda m6quñn.a F>,e fabricada por Robins e n 1962.211 este tipo de maquinas es la cabeza de corte Ea que esti ~ re s~ r i zada , por lo que el persona! hnicamente era- baja bajo presidn cuando se efecPhan el e&~Fgio de cortadores y los trabajos áe mante-.iimiento.

Este tipo de máquir~ar. representan la t6cnHca actual del empleo de aire

comprimido corno elemento estabilizador del frente.

Muchas de las máquinas escudos se fabrican para que sean compatibles con la ~atilizaclón del aire ~on~pr imids ~01n0 elernea~o estabiiiizador del frente, por lo qce es una técnica susceptible de ser usada en todo mo~megto.

La lCcnica del aire co~mgrimidei es generalmente efectiva en el control de sualos cshesivss y de arenas y gravas bajo carga hldrhulica que tengan a2 menos un bO por ciento de arena fina, Hamo o arcillar

Para su utilización debe instalarse asna pianta de aire coficiprimids de ea- pacidad adecuada con nn equipo de reserva movido por una hante de energiz! independiente de la energda de la planta pri~cipal.

Seg-hn Hewett y Johannesssn Ia capacidad media de Ba planta medida en metros c-dbicos de aire libre respirable debe ser de 3,7 D2, siendo D e3 diaime= tro del tdneE; cuando se trata de gravas y arenas esta capacidad debe ser de 7,3 D' $m3).

PROBLEMAS O EXIGENCIAS EN LA UTILILACION DE LAS TECNHCAS AUXlILTAWS (C. J. K I R E A N D , 1984)

1. Abatimiento del. nivel freático

3. Congelación

4. Escudos de frente cerrado

Necesita superficie accesible sobre el túnel Molestias del entorno en superficie, debido a

trknche~as, tubos, ruido.

Sa necesita acceso desde la superficie para tiáneles someros. Causa retraso en el avance si se hace desde el frente. Resultados frecuentemente impredlcibles debido a las condiciones no homogéneas del terreno.

Se requiere superficie accesible. Causa el levantamiento de algunos suelos. Muy costoso mantener la co-ageiacidn

Costoso desembolso inicial de maquinaria justificado si el túnel es largo o la rnhquina reutilizable. No trabaja en condiciones de frente mixto.

5. Aire comprimido Riesgos para la salud de los operarios con altas presiones. Riesgo de dafios a estructuras antiguas. Riesgo de descompresi6n súbita.


Una serie de tkcnicas de estaQiBizaci6n previa del terreno pueden utilizarse en determinados casos dificiles antes de realizar su excavaci6n. Estas tdcnicas son:

- Empleo del aire acondicionado. - Empleo de inyecciones. - da1 nivel frehtico. - Empleo de% método de congelación. Ei empleo de estas tkcnlcas entrasa algunos prohle~xas o exigencias, al-

gunos de 10s males se recogen en la tabla 4.14.

Como ya hemos dicho, ei uso del aire compiinkdo en %a construcción de tcneles se remonta a 1374, y se ha reareiado como un medio muy eficaz para

la eskabi!idad de la excavaci6n en terrenos blandos situados $40 carga hidrálulics.

Sin embargo, dado el riesgo que entrafia para los operarios, se tiende a resaringli su h so 1s m&s posible y a reducir las presiones de trabajo.

Cuando se utiliza, deben establecerse estrictos controles entre la dura- ción del $rebajo en la zona sometida a presi6n y el tiempo de descompresidn que deben ser res~ehados escrupulosamente,

El aire comprimido es generalmenk efectivo en el control de suelos cohesivos y arenas gravas bajo carga de agua que contengan al menos un 10 por ciento de arena fina, 1Irm o areiE8a.

Los suelos que tengan contenidos inferiores de baateriales finos produci- idn unas pérdidas i~aportantes de aire comprimido, siendo necesario, si se quiere utilizar, reducir previamente la porosidad de8 suelo antes de iniciar Bos trabajos con aire comprimido; para ello se recurre a efectuar una Inyec- ción previa.

Co~no la presión se aplica uniformemente, aSlnicamente puede equill- brarse con exactitud la presión hidraulica para un nivel determinado de% frente.

Para otros niveles del frente la presión del aire comprimido ser6 mayor o menor que la hidráulica, efecto que se incrementa con el dihmetro del t6nel.

Para evitar filtraciones, será necesario equilibrar Ia presión hidráulica al nivel de la solera del tCmel, con lo cual en la parte de Ba bóveda habrá un exceso de presión que producirá una pérdida de aire por dicha zona, quedando el terreno completamente seco en Ia parte de la bóveda. Si se trata de unas arenas y gravas, quedaran sin cohesión y, por tanto, en una situación inesta-


ble. Por otra parte, una pérdida excesiva de aire comprimido pued8 llevar como consecuencia una disminución importante de Ba presibn dentro del tá9- nel, pudiendo producirse al colapso del frente.

Si el túnel es superficiaá, este exceso de presión en Ba zona de la bóveda puede ser suficiente para romper el terreno, pudiendo causar un desastre de serias consecuencias.

En Ba prictica no siempre es posible evitar la entrada de cierta cantidad de agua en el túnel, siendo necesario un apuntaIamaBaento cuidadoso del frente para asegurar su estabilidad, tanto en condiciones normales como en los momentos en que se produzca algkjin descenso brusco de Ba presión interior.

La excavacibn de tkáneles bajo rios ha requerido presiones de aire de hasta tres bares.

La presión de tiabao se limita a 3,4 bares por motivos de salud; en la figura 4.5 1 se indican los tiempos de descompresi6n en función de la presión de trabajo.

Figura 4.50. Tiempos de descompresibn - Presidn de tmbajo (C. J. KirkEand* 1986.

Ea pdrdida del aire esti en función de Ba permeabilidad del terreno al mismo y que es unas 70 veces superior a su permeabilidad al agua; depende tambikn de la superficie del frente y del gradíente hidrAulico.

TambiCn se producen escapes de aire entre el revestimiento y el terreno, por Po que debe efectuarse un buen sellado para evitarlos.

Ea capacidad de aire necesaria se puede determinar mediante la expre- sión CA=CPTXS (4.4):

$A=caaa$idad de aire. CPR=coeficiente de permeabilidad (tabla 4.15). S=sección de excavación.

C A P . 4. E X C A V A C I O N M E C A N I C A D E T E R R E N O S B L A N D O S . E S C U D O S

TABLA 4.15

COEFICIENTE DE BEMEABILIDAD AL AIW (C. J. KIRUAND, 1984)

--

Es una buena medida instalar un compresor capaz de suministrar 4% veces la capacidad tebrisa calcnlada.

En Baz. figura 4.51 se indica el campo de utilización de la técnica del aire comprimido.

DIAMETRO EFECTIVO DE GRANO 8 1 0

1 0'8 10-5 10-2 1

PERMEABIL IDAD K ( r n l s )

Figum 4.51. Campo de ueilizacidn de ba técnica del alre comprimido (B. L. B u b b e r ~ ~ 1980).

4.8.2. Iwecciones previas

Otra de las tkcnicas auxiliares, ampliamente utilizada en sus distintas modalidades en la construcción de tcneles, es Ba inyecci6n previa.

Importantes proyectos subterraneos no se hubieran podido realizar satisfactoriamente sin Ia contribución destacada de esta técnica.

La inyección previa de los terrenos que posteriormente van a ser excavados es particularmente eficaz y apropiada en casos como:

a) Fzd'neies supe-JEciales urbanos en terrenos no cohesivos o poco cohe-

sivos, especialmente cuando su trazado discurre bajo edificaciones o Instala- ciones Importantes y debe limitarse el asiento en superficie inducido boir la excavación.

b) Paso de zonas especiaimente dficiles en t6aneles cuya cohesión es In- suficiente en relación con las tensiones inducidas como consecuencia de la excavación.

cQ Ttineles bajo nivelfreáblco o bajo lagos, rfos o estrechos, en los que la permeabilidad de los terrenos permite Ia infiltración de agua en una, cuantáa inadecuada tanto en la fase constructBva como en la posterior de explotación.

Los trabajos de inyección pueden hacerse desde la superficie cuando el time1 es poco profundo y se dispone de superficie libre para realizarlos, o desde e3 propio frente de excavaci6n. En este bltimo caso se producir8 una interrupcibn de los trabajos de excavaci6n.

En t6neles sumergidos es necesario llevar por delante del frente sondeos de reconocimiento que permitan determinar %as c&racterísticas geo~mechni- cas de los terrenos y localizar zonas con presercia de agua, efectuando ensayos de fi1trad6n de agua a pres36n (ensayos Lugeon).

Cuando los valores obtenidos por estos ensayss alcanzan un determinado valor, se decide la inyecci6n previa, para lo cual se perforan nuevos taladros, como se indica en Ba figura 4.52.

i*

D h a f r o t o l o d i o s de s T o i ~ d r ~ ~ ta de 8nvección j i m m

INVECCION, SIMPLE COBERTURA reconocimiento 12-16 Uds.

~ T a i o d r o s d e cont ro l . . . O-bG U d s .

i n p c c i ó n en 30 m. SECCION A l l C i c l o d e o x c o v a c i ó n 15 m .

/

/ r . . . .......... ~ .......... ~. ~ .....- ~ i7 . . - ................. ~ - . ~ -.........

L

iNYECCION, DOBLE C O B E R T U R A

Figum 4.52. Taladros para Ha inyección previa (T. Lange Lamen, 1983).

La incidenda de estos trabajos es importante en el conjunto de la excava- ción.

En la construcci6n de unos tdneles colectores para la ciudad de Oslo, Ei- nar Broch pone de manifiesto que el tiempo dedicado a los sondeos de reconocimiento y a los trab-os de Inyección previa fue variable entre el 55 y el 70

CAP. 4. EXCAVACION MECANICA DE TERREKOS BLANDOS. ESCUDOS 197

por ciento del tiempo total de excavaci6n, quedando un tiempo de perfora- ción entre el 45 y el 30 por denlo. En este mismo proyecto se adopt6 el criterio de inyectar c ~ a n d o Ba BEbradón obtenida según el ensayo Lugeón alcan- zaba valores, según los casos, de 0,05 y 0,2 Easgeón $1 k~ge6n-10-~ crn/seg= 1 l/rnin por metro de taladro sometido a una presión de 10 atm). Se utilizó uno u otro valor seg6n el espesor del recubrimiento y la naturaleza del mismo.

En otros proyectos, fuera de zonas urbanas, se adoptó el criterio de efectuar inyecciones previas para valores superiores a 2,5 kngeón,

Un adecuado tratamiento previo del terreno con inyección produce los siguientes resultados:

a) Reduce lape~meabilidad~ con 18 que se evitan filtraciones importantes de agua dentro del ttinel, que pueden causar serios problemas durante la ejecución.

b) Reduce la cantidad de de apta que es nnecesapio evacuar durante 19. fase de explotación, con el consiguiente ahorro da energia.

c) Encrementa la resistencia a la compresibn del tearmo confiribndole las caractesisticas resistentes necesarias y su66lentes para hacer estable Ba excavación durante el proceso cvnstrueh~vo.

La cuantia de los trabajos de inyección previa, y su repercusión en %os costos de construcción de un t ~ n e l es ~ : : y urarEabEe, pero en cualquier caso w incidencia es importante.

Figura 1.53. Sondeos de reconocimiento y de inyeccn'&ín previo (G. Kjolseth, 1987).

SECCION TRANSVERSAL

PERFIL

Zona de agua -

Sondeos

'p' SONDEOS RECONOCIMIEVC


Citando datos obtenidos durante la construcción de los colectores de la ciudad de Oslo, se perforaron i6,6 metros de taladro por metro de tíanel (taladros de reconocim%aiento+taladros de inyección y se consumieron 209 Kg de cemento y 8%,66 Mg de productos quimicos de inyección por metro de t& nel.

En cuanto a los costos de inyecciones previas oscilaron entre el 330 y el 35 por ciento de los costos de excavación.

Un buen tratamiento con inyecci6n depende de los siguientes factores:

a) Adecuada disposicibn y pe@orncibn de los taiszdms

Estos deben situarse a la distancia adecuada, con la profundidad conveniente (20-30 m) y con el solape preciso (4-8 m) para conseguir un tapón eficaz de terreno inyectado, figura 4.53.

Es importante controlar la desviación de los taladros para que no sobrepase un valor determinado (2-3 m) en el extremo. En casos dificiles se recurre a la construcción de una doble barrera.

b) ElecciOn adecuada de los productos de inyección

Ea elección de 40s productos de inyecdón debe efectuarse en función de la permeabilidad de los terrenos.

En la figura 4.54 se indican los productos y tkcnicas de inyecci6n que deben utilizarse en funci6n de ia permeabilidad de los terrenos.

D1Ah.r r,!: E F E C T I V O BE G R A N O

P E R M E A B I L I D A C Kmlspg

Figura 4$.54. Productos de dveccibn en J u n c ~ ó n de ia permeabilidad de los terrenos P. E. Bubbers;., 1980).


En la actualidad se fabrican cementos super rhpidos QD,,=í5 pm) que dan buenos resultados en terrenos con ensayos de Lugeón de valores inferiores a 1 EugeéPn.

c) Modo de eJectuar la HnyeccHcén y niveles de presión utilizados

La inyección debe hacerse en etapas; en una primera etapa deben utilizarse presiones entre 10 y 20 bars, según sea el espesor del recubrimiento y su naturaleza.

Una vez que se va conociendo el comportamiento de los terrenos y su reaccibn a ía inyección se podréín aumentar las presiones hasta vaJores de 30- 35 bars.

Debe controlarse especialmente Ba presidn de inyección cuando existen en proximidad edificaciones o instalaciones que pueden ser afectadas por és- tas.

Con e% fin de dar una mayor rapidez a los trabajos de inyección en el frente ésta se realiza en grupos de seis taladros.

4.8.3. Abatimiento deH nivel $reático

En aquellos suelos en los que unas modifi"8cclones temporales en el aégi- men del agua subterrknea no causen asentarnientos en superficies y da5os a los ed8ficios o a los sew%rgcños pr6ximos, puede utilizarse el abatimiento o descenso del nivel freitico como técnica auxiliar para mejorar el csrngartl- miento del terreno.

Las técnicas que pueden emplearse son:

- PerforacBgBn de pozos puntuales (VJellpoints). - Bombeo desde pozos profundos. - Drenaje en vacio. - Efectro-ásmosis.

Cuando van a ser afectados grandes voldmenes de %erreno, los trabajos deben hacerse desde %a superficie si esto es posibíe o desde un tdnel piloto.

Para las profundidades normales de los t6neles, el método Wellpoints es muy poco efectivo, ya que su profundidad viene condicionada pos la potencia de las bombas de succión, a menos que se utilice el sistema jer-eductor.

Cuando se trata Benicamente de una bolsada de agua localizada, se puede utilizar wellgoints desde un túnel piloto o desde uno pr6ximo.

Cuando no es posible realizar un abatimñemnts completo, se puede recu- rrir a cualquler~ de las otras técnicas auxiliares como: aire comprimido, inyeccidn ...

200 EXC.4VACION MECANICR DE TUNELEl

En la figura 4.55 se indica ek campo de utilizaci6n de las distintas técnicas en funci6n de la permeabilidad de los terrenos.

PERMEABILIDAD K c r n l s e g

En generalg 1a utlllzación del abatimiento del nivel freático en gravas y en suelos de granulometria gruesa no produce asentarnientos excesivos.

Deben extremarse, sin embargo, las precauciones en terrenos de grawu- lometrá'a m&s fina, ya que el flujo de agua puede producirla erosión del te- rrens cirmndante con el transporte de particulas finas; para ello deben colo- carse filtros adecuados para. evitar el arrastre de finos.

SE como consec~eaácia de1 descenso del nivel frehtico se observasen asen- tamiento~ peligrosos en superficie, podria ser necesario incluso proceder a la recarga de los pozos.

4.8.4. Congelación de terreno

La congeIaci6n del terreno comenzó a utilizarse hace den a5os en la ex- cavación de pozos en Ba m-eineria. alemana. Sin embargo, la utilizad6n como técnica auxiliar en la construcción de tBsneles es reciente.

En suelos no cohesivos bajo el nivel freátlco la congelación del terreno puede ser, en determinadas circunstancias, el 6nico método efectivo be tratamiento del terreno.

El uso del aire comprimido puede no ser factible o porque se necesita utilizar una presión muy alta o porque la propia presión requerida pueda rorn- ger el frente.

CAP 4 EXCAI'ACION VECANICA DE TERRENOS BEAluDOS ESCUDOS 20 1

La aitesnativa de %a inyecci6ao qnirnica puede se: inaprofiigda para suef;os de grano muy fino.

BBsicarnealie ásr congaldcf6n del terreno consiste en ~ ~ U e e r calar as: *,e- rreno de modo que se consiga congelar el agua contenida e- 10s poros del terreno de modo que acbúe como un aglutinante entre Eos granos de suelo, in- cremesntindose asi sus caracter$lsticas resistentes.

Deben~oa considerar que grandes caudales circulantes de agua sern'an paijudicEaHes para el buen resaltado de la congelación,

Es sabido lo dificil que resulta exca~7a.r un terreno que ha sido congelsdo, siendo necesario Indusg la utrlizaddn de explosivos Ek terreno congeáado es denso e impermeable.

La perforacibn de los taladros para instalar los tubos de congelación debe hacerse tomando las m6ximas precacciones para evitar qiae se produzca una pérdida de terreno; esto es particularmente importante cuando los tubos de congelasi611 se colocan horizontalmente y ewiste el peBigro de entrada sabita de agua a Lravds de Iss $a"tdros, con el consiguiente arrastre de material.

Debe csntsoiarse cuidadosamente la posielón entre los taledros, asegu- rhdose que la distancia entre ellos no supeie las tolerancias de modo que no haya peligro de que queden zonas sin congelar. En la figura 4.56 se muestra la secei6a transversal &e un tfineí sometido a proceso de congelacl6n con un espesor de aareola de i,50 roa

Debe establecerse un control cuidadoso del proceso de eongelaciéln para que ésta ~esulte eficaz, lo que exige una técnica especlaiizada.

t e r n p e r a ~ e ~ s a ~ 1 T u b o s d e

Ffgurtr 4.54. Aureola de congei~cio'n.

Es necesario tener !a seguridad que no haya Gsuras dentro de la aureola del terreno congelado; para ello se efectcan unas perforaciones en dicha zona obsewando la posible entrada de agua a travds del taladro. Una entrada continua implica una fisura en la zona congelada que deberh eliminarse, ya que si no se produce una erosibn ripida y el colapso del frente.


El liquido enfriador circundante más frecuentemente usado es una sal- muera con una planta de refrigeracidn; tambi6n se usan refrigerantes corner- chales como el freóra.

Ea utiIizaci6n de nitrdgeno liquido, aunque más caro, tiene la ventaja de que no requiere planta de refrSgeraci¿an, lo que puede ser importante en áreas de espacios resMngidos.

La congelación lleva consigo un fenómeno de aumento de volumen, por lo que deben vigilarse sus efectos sobre edificaciones e instalaciones próxi- mas. Los suelos que mhs se expansionan son los limos y las arenas limosas.

En el proceso de congelaci6n varian con 12 temperatura de congelación las caracterásticas resistentes del terreno y en particular la resistencia a compresidn simple, el ángulo de rozamiento interno y la cohesión (figuras 4.57 y 4.58).

Figura 1.57. Variación del dngeolo defricción y da cohesidn con /a temperatura (Ha Grob, 6984)

R e á i s t s n c i a a compres ión

Figura 4.58. Resistencia a Ic& rolum de fnateiiales congeEadcs en ensayo unisexlo1 (Hm Grob, 6984).


1. Formas condiciones de diseno 2. Dimensiones

3. Longitud 4. Profundidad del túnel l S . Radios de las curvas 6. Pendiente 7. Metodo de revestimiento

l. Composición y variación del

ciones del entorno

Necesidad o no de técnicas complementarias

1. Río, lago ... 2. Otros subterráneos 3. Estructuras en superficie y

subterráneas 4. Cercanías de viviendas 5 . Carreteras, tráfico 5. Situación de área de trabajo

7. Posibilidad de suministro de energía

3. Condiciones de trabajo 4. Situación del transporte

1 5. Estudio económico 1

Selección del tipo de escudo r-----

Figura 4.59. Etapas de decism'o'n de un escudo.

204 EXCAVAClON MECANICA DE TUNELE',

4-9, Cdtsdos parra 1% elección de escud~s

Ea seieccidn de una miquina escudo es eB punto mis importante y que mis influye en el m6todo constructivo.

Un proceso de selecciásn implica el estudio de las siguientes etapas [lO] que vienen indicadas en la figura 4.59:

El aspecto mhs importante a la hora de elegir un escudo es su adaptabilidad a las condiciones del terreno.

H R clase de terreno y su permeabilidad determina la estabilidad del frente.

Es necesario un estudio completo de todos estos puntos antes de decir el tipo de escudo. Una vez hecha la elección se hace el estudio económico de ejeeucibn.

En las tablas 4.16-4.19 se indican los escudos y las tbcnicas auxiliares rnhs adecuadas que deben emplearse para los distintos tipos de terreno.

En base a las caracteristicas constructivas y de diseno de las miquinas se Indican &am$E$n criterios para la elección de escudos, con indicación de las t6cnBcas auxiliares que se aconsejan, en la tabla 4.20 tomada de las publicaciones TunneHbau 1986, y en la tabla 4.21 versión ampliada de la propuesta por la firma japonesa HEtachi.

Ea colocación del revestimiento tiene una gran incidencia dentro del proceso constructivo y debe ser tenido en cuenta de un modo global considerando las interacciones de su colocacidn con la mhquina que realiza la ex- cavación.

Actualmente se disegan los revestimientos de modo que cumplan satisfactoriamente las funciones resistentes impuestas por el terreno circundante, asá como otros posibles requerimientos de estanqneidad y resistencia a la corrosiásn.

El tiempo de colocación incide extraordinariamente en el ritmo de 8VanC8.

Los modernos escudos que incorporan revestimientos prefabricados disponen de erectores de segmentos capaces da colocar un anillo entre 20 y 40 minutos. La tendencia es a conseguir una colocacibn completamente auto- mhtica de los elementos prefabricados (Fig. 4.60).

CAP. 4. EXGAVACION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS ESCUDOS

EXCAVACION MECANICA DE TUNELEC

CAP. 4. EXCAVACIOW MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS


TAB

LA 4

-21

C A P . 4. E X C A V A C I O N M E C A N P C A DE T E R R E N O S B L A N D O S . E S C U D O S 211

Figura 4.60. Revestlmieneo de anidlss de sementos prefh8brbcados.

Avanzando en este sentido, se ha disefiado actualmente un sistema erector capaz de colocar el anillo de revestimiento detráis del escudo en 13 minutos y sin necesidad de interrumpir el avance del escudo, realizando ambos trabaos simu8t8neamente y permitiendo teóricamente avances de 5 m/h.

La tendencia actual es a usar menor naímero de segmentos y mhs ligeros para lo cual se estáin investigando nuevos materiales corno: hormigones im- pregnados con polimeros (polymer - impregnated concrete), hormigones re- forzados con plistico y chapas perforadas de acero revestidas con hormig6w proyectado.

4.10.2. Tipos de revestimiento Los tipos de revestimiento que se utilizan en Ia actualidad asociados con

los escudos son.

a Revestimientos flexibles (hormigdn proyectado, pernos de anelde, malla metáilica, cerchas metáilicaas).

b) Hormigón encofrado. c) Segmentos prefabricados. d) Hormigón extruido.

6.10.2.1. Revestimiento d e hormigón proyectado Una vez terminado el ciclo de excavación, se procede a su sostenimiento

mediante la instalación de malla metilica, pernos de anclajes y cerchas meti- licas. Seguidamente se reviste el tramo con una capa de hormig6n proyectado. Este tipo de revestimiento exige que una longitud del time1 excavado de 1 m sea estable sin revestimiento por lo menos 90 minutos. Esta condl- cB6n generalmente la cumplen las rocas meteorizadas y bastantes suelos cohesivos con un gran contenido de arcilla o limo,

TambiCn se han revestido taaneles en suelos no cohesivos con hormigón proyectado despu6s de un tratamiento auxiliar previo de inyección o conge- lación.

Este tipo de revestimiento no impide cierto grado de asiento en la superficie; para reducir Cste se ha puesto a punto el escudo de cuchillas,


4.10.2.2. Escudo de cuchillas y revestimien to de hormigón encofrado detrds de% escudo

En Alemania se ha utilizado en el túnel del metro de FrankBhirt, excavado en arcilla, un escudo de cuchillas con un primer revestimiento de hormigón proyectado.

Esto es posible gracias a que un escudo de cuchillas no necesita transferir las fuerzas de reacci6n del empuje a un revestimiento posterior, ya que Cstas son absorbidas por las fuerzas de rozamiento entre las cuchillas y el terreno.

4,10.2.2. Escudo de cuchillas y revestimiento de hormigón encofrado detrbs del escudo

El escudo de cuchillas permite cualquier tipo de revestimiento; revestimientos de hormig6n armado de 4,s m de diáimetro se han usado frecuentemente detráis del escudo.

Este marétodo tiene el inconveniente de producir un proceso discontinuo de excavación y hormigonado.

No es un procedimiento aconsejable cuando las deformaciones en superficies deben ser minimas.

4.10.2-3. Elementos prefabricados

El revestimiento se consigue mediante la formacibn de anillos con elementos prefabricados colocados inmediatamente detres de ía miquina; estos elementos prefabricados pueden ser de:

4.10.2.3.1. FundHcidn gris

Este fue el material utilizado en el primer revestimiento prefabricado en el metro de Londres, en 1869, y a6n hoy se usa en Inglaterra.

4.10.2.3.2. Fundición de Grafito Esferoidal

La tecnologia moderna ha desarrollado segmentos de fundicibn de grafito esferoidal que tiene una mayor resistencia a la tracción permitiendo reducir los espesores de 19 a 14,5 mm.

Este tipo de revestimiento se viene utilizando desde hace dieciocho afios, habiaréndose empleado en los tdneles del metro de Viena, Sao Paulo, Washington, Nadrenberg, Londres, y en el túnel bajo el Elba, en Hamburgo.


4.10.2.3,3. A cero

Dado su excesivo costo, este tipo de revestimiento se ha utilizado en muy pocos ttineles.

Es particularmente adecuado en aquellos casos en los que el revestimiento tiene que soportar fuertes cargas y fuertes esfuerzos de tracción.

Tambi6n puede ser económico su uso en tGneles cortos donde no sejus- tifica una inversión para el parque de fabricación de los segmentos prefabricados de hormigón.

Los elementos prefabricados de hormigón son los mis usados hoy en dka, hormigón en masa para dihmetros menores de 4 m y hormigón reforzado para diáimetros superiores; son' mhs económicos que los de fundición.

Se pueden dimensionar para cualquier nivel de solicitación de cargas; b Japan Sewerage-Work Association and Japan Soehety of Civil Enginneers han preparado una guia de disefio de dovelas para ser usadas en t6neles colectores.

Ea Permanent Way Society of Japan ha preparado tambi6n una guá'a de disefio de grandes dovelas para ser utilizadas en tdneles ferroviarios y que permite seleccionar segmentos tipo sin necesidad de efectuar los chlculos previos.

El espesor de los segmentos varia entre 10 y 50 cm, y se pueden conseguir tolerancias de fabricaci6n menores de 2 mm de modo que el sellado de las juntas quede garantizado.

Cuando el terreno es estable y es posible colocar los segmentos detrais del escudo, como la arcilla de Londres, los segmentos pueden expandirse contra el terreno de modo que quede asegurado un buen contacto en toda la superficie del anillo. Las juntas individuales dentro del anillo se abren mediante gatos hidriulicos y el espacio resultante es acueado posteriormente.

4.10.2.3.1.6. Sistemas de unión de los elementos

4.10.2.3.4.1.6. Revestimiento flexible

Los distintos elementos se unen unos a otros mediante pernos de suje- ción de modo que la mayor parte de las juntas no confronten unas con otras (Fig. 4.61).

E X C A V A C I O N M E C A N I C A DE SUNELES

Figura 4.61. Revestimiento flexible de elementos prefabricados empernados.

4.10.2.3.4.2. Revestimiento sigido

En terrenos $40 nivel frehtico no deben utilizarse elementos empernados, ya que la estructura formada no es impermeable. Los elementos prefabricados de un revestimiento rágido son de un espesor mayor; para un di&- metro de excavación de 6,50 m el espesor de pared es de 35 cm y su anchura variable entre 1 y 420 m.

Para reducir el peso y la longitud de los pernos de conexión se reduce en su parte central el espesor del elemento a la mitad.

Los segmentos se conectan mial y radialmente mediante pernos de alta resistencia a la traccibn. Estos pernos son tensados mediante un par de apriete determinado de modo que las fuerzas de cizaBlamiento, de csmpre- sión y de tracción pueden transferirse a travCs de las juntas mediante el rozamiento entre ellas.

Ea disposición de los segmentos es tal que las juntas longítudinales no confronten unas con otras.

4.10.2.4. Hormigón exemido

El mhs moderno sistema de revestimiento de tPjineles es el llamado revestimiento de hormigón extruido reforzado con Abra de acero.

Detrás de Ba mdquina se coloca, mediante bombeo de un modo continuo, un hormigón reforzado con fibras de acero a trav6s de un encofrado des& zante con un tope dentro de un espacio de forma anular que limita por la parte de afuera con el terreno, por Pa parte interior por tableros de segmentos reemplazables y por el frente por el encofrado deslizante de tope.

CAP. 4. EXCAVAClON MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS 215

El hormigón, aunque fluido, soporta inmediatamente el terreno circundante, siempre que el volumen creado por el avance del encofrado deslizante tapón sea ea Ia vea rellenado de hormigón.

EB encofrado deslizante tapón, el control y el ajuste de las instalaciones asegura la presión constante del hormigón.

Las principales ventaas de este sistema de revestimiento son:

- Mfnimos asientos en superficie. - EB revestimiento, debido a la pretensión del terreno por efecto de %a

presión de hormigón, queda libre de esfuerzos de flexlón y de tracción pri- marios.

- Avance continuo con aumento de rendimientos.

Este sistema se ha batlizado recientemente en:

- EB colector de Hamburgo, 1978-79, excavado en arena saturada con una covertura 9-11 m, con un diácmetro de 3,60 m y una longitud de 1.200 m.

El espesor de hormigón extruido h e de 34 cm, con una resistencia a la compresión simple de 35 N/mm2 (350 Kg/cm2) y una resistencia a Ba Wexo- trascP6n de 8 N/mm2 ($0 ~g/cm'), con un consumo de fibra de 95 Kg/rn3 (de 0,8 mm de di8metro y 45 mm de longitud (FBgs. 4.62 y 4.63).

Figura 4.62. Revestimiento de hormigón extruido. Colector de Hanaburgo. Sección %ongltaadilacal ( H ~ c d a t s ' ~ ) ~

- El Metro de FranHurt, 1981/1982, excavado en las arciBBas de Frank- fuaaat, con un diáimetro de 6,86 m y una longitud de 1.600 m. El espesor de8 revestimiento fbe de 25 cm.

EXCAVACION MECANICA DE TUNELE:

Figura 4.63. Reveseirnien lo de hormigbn extruido. Co Pector de Hambueo.

Durante Isn construcción fue abatido el nivel frehtico (Fig. 4.64).

1 I- Ali mentación del hormiqón

I i Encofrado f ronta l (Tape)

Figura 4.M. Revestimiento de hormigón exfrue'do. Metro de Frankfurt, sección kongiludinak (Hochli4).

- El Metro de Eyón, 1984/1985, en gravas cuaternarias con grandes piedras, con un diimetro de 6,50 m y una longitud de 2.500 m-

El espesor del revestimiento fue de 40 cm. El nivel fieitico estaba situado 25 m por encima de Ia solera del tiánel.

411. Inyecciones de contacto

Para garantizar el contacto del anillo de revestimiento en toda su superficie es necesario efectuar unas inyecciones de contacto que no s61o rellenen el hueco entre el revestimiento colocado y el terreno, sino también que re-

CAP. 4. EXCAVACION MECANECA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS 217

compriman el terreno que haya sufrido alguna reldación durante la excava- ción. De este modo se reducirain %as cargas primarias sobre el revestimiento y se reduciráin los momentos Bectores y las tensiones dentro de8 anillo.

EB hueco entre el revestimiento y el terreno es generalmente de un espesor entre 7 y 10 cm.

En terrenos no cohesivos el anillo hay que colocarlo dentro de la cola de escudo; este hueco debe rellenarse muy cuidadosamente.

Este espacio es inyectado a través de taladros colocados en Ba parte central de los segmentos. La lechada de cemento se mezcla con bentonlta, para aumentar su fluidez, y Ba presión de inyección es de 6 bars.

Un contacto perfecto es muy dificil conseguirlo, ya que los terrenos no cohesivos colapsan y caen sobre la cola del escudo.

Por otra parte, la presión de inyección desciende rápidamente en terrenos no cohesivos por la pkrdida del agua de filtración hacia el interior del terreno.

Esta inyeccibn es tambiCn necesaria para evitar filtraciones dentro del &ti- neli,

El sellado de la cola es dificil; la lechada tiende a escapar a travks de la junta de Ia cola y se adhiere a ella causando su rotura. Ademh, la lechada, algunas veces se adhiere a la chapa de8 escudo, incrementindose considera- blemente las fuerzas de empuje que causan una mayor perturbación al terreno.

La inyecdón requiere un espacio considerable, consume tiempo y crea confusión dentro del thnel.

Por otra parte, Ba entrada de Bechada de inyección dentro de la cáim-iira de trabajo deteriora el lodo y en los escudos de tierras dificualta el control de la presión de las tierras dentro de la camara de trabajo.

Los materiales de inyecdón deben cumplir los siguientes requisitos:

1) No diluirse en contacto con el agua subterrainea ni con el lodo. 2) Endurecimiento rhpido y resistencias altas. 3) Alta impermeabilidad sin cambio de volumen. 4) Alta fluidez para poder rellenar completamente los huecos. 5) Ficilmente transportable a grandes distancias sin segregación del

material.

Es praictica habitual utilizar mortero de cemento (arena fina 2 mm, cemento y agua) o mortero de arena-arcilla con aire ocluido.

2 1 8 E X C A V A C I O N M E C A N I C A DE TUNELES

Actualmente se utiliza con notable kxito el sistema de inyección con dos Iáquidos, cuyo tiempo de gelidificación puede variarse segun se necesite [3].

Para ello se preparan los Báquidos A y B; el primero formado por cemento o arcilla-arena y el iáátimo por «Water GBass» como acelerante.

Tres son los métodos de inyección:

1 > en el que la inyección se realiza varios anillos por detris del escudo, mediante taladros de inyección situados en el centro de los segmentos prefabricados.

2 ) en el que Ia inyección se realiza inmediatamente después de concluido cada avance mediante taladros de inyección.

3) en e% que la inyección se realiza simultánea- mente a la excavación de8 escudo mediante un mecanismo de inyección instalado en la parte exterior de la cola del escudo.

Es previsible que en un futuro próximo, una vez que este sistema se haya perfeccionado, se utilice frecuentemente en Ia construcción de tGneles urbanos en condiciones dificiles.

4.12, Costos

Los costos de un t h e l excavavado con un escudo depende de varios factores, como:

- Tipo de terreno. - Condiciones del entorno Tipo de escudo utilizado.

Empleo de tkcnicas auxiliares. - Diimetro de excavación. - Pendiente. - Longitud.

En relación con los costos de ejecución con el m6todo «cut and cover», son generalmente inferiores si se tienen en cuenta los costos adicionales derivados de la ocupaci6n de la zona afectada, las dificultades originadas a los usuarios y %os costos sociales inducidos.

En la figura 4.65 se indican los costos obtenidos en Jap6n en distintos mé- todos constructivos en función de la sección de excavación.

Se obseiwa, como es B6gicop una gran dispersión en los costos.

CAP. 4. EXCAVAClON MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS 219

EB excesivo costo obtenido con los escudos de tierras ha sido debido a las medidas que se han tenido que tornar para estabilizar el frente en %os ms- mentos de paralización y sal bloqueo de8 agitador al ponerse en marcha la má- quina cuando aparecen suelos colapsabIes. Actualmente estos probEemas se van superando y los escudos de tierras ocupan un lugar destacado dentro de la tecnología de los escudos.

M S I Km. -- I I 1

o 50 100 m2

SECCION TRANSVERSAL

Figura 4.65. Costos de constmccbBn de tMne&w con diversos tipos de escudos, en compara cid^^ con e1 método «cut and cover)) (Fukuchb 1984).

EXCAVACION MECANICA DE SUNELFS

BARBAM STACK: Sandbook of mining and tunnelling machinew. Wiley. TUNWEEBAU 1986: Deulsche gesellschaft fur erd-und grundban E. V. M. MIYOSWI, T. HIRAIDE: General váew on shied tunnelling techniques in Japan.

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nology and subsurface use 1984. S. BABENDERERDE: Designs and consbruction of linings for urban tunnels. Ad-

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s. GEORGE THON: Tunnel-boring machines. B. ~ '~AIDL: Handbuch des tunnel-uwd stollenbaus verlag giuckanf F u e u c ~ n : tunnelling in Japan; South African Tuwnelling, vol. 6, n.' 4. Tunnels el ouvaages souteraains, Sept-October 1984.

&(ES tbcnicas del mimtkíazel 5.1. DefinlcB6n

Las tkcnicas del microtdnel encaminadas a la perforación de timeles de pequeño diametro (D 3,00 m.) y de corta longitud Q 200 m.), con el objeto de proporcionar un método no destructivo para la instalación de tuberias y conductos subterrdneos en comparación con la apertura de zanjas (método Cut and Cover..

El campo de utilización de esta técnica se extiende a la renovación y a la implantación de conducciones de gas, agua, electricidad, colectores, redes de telecomunicación... En ciudades de gran densidad demogrhfica, afec- tando minimamente la superficie urbana (pozos de acceso de pequefiar, dimensiones).

5.3.1. TCcnicas para el tendido de tubedas y conductos hasta 250 mm

En este campo, las tkcnicas que se utilizan son: a) Perforación a percusi6n con topo (mole boring). b) Perforación horizontal. c) Perforación auger (con barrena helicoidal). d) Otros métodos.

"32. Tendido de tabedas y conductos entre 390 y 950 mm,

Las técnicas que se utilizan en este campo son:

a) Método de la tuberáa piloto (ejemplo: Kornatsu Iron Mole) (Figs. 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 y 5.5).

b) Técnicas de excavación de taineles con escudo de lodo con control remoto (Wemote control S B U H H ~ T shield-tuennellhng techniques). Ejemplo: Iseki Telemole and Telemsuse.

c) Perforación Auger. Ejemplo: M - M O , American Auges, etc.

EXCAVACION MECANICA DE TUNELE',

1 .i ii,iiIiu i l c ~ l l . i ~ i ~ I u \ . .? .C c111i . i l c l c i l ~ u - i i i ~ l ~ . i ~ i l ~ ~ ~ .

3 . A p o y o . 4 . T u b o d e presión d e acei te . 5.Sii1fíil. 6 . T u b o p i l o t o . 7.Cabeza go lpeadora . 8.Cabeza d e avance. 9 . S o p o r t e g u í a .

Figura 5 1. Sislema I o n Mole (Komatsu), equipo.

D I A N A S D E CRISTAL

CABEZA PILOTO

INCLINOMETRO

CABEZA P I H AClA

N E X T E N D I D O S

G A T O Pl L O T O CON EL CIL INDRO A V P I @--e-

@ DLmn E- - - . .. - ..-*-- - - - -

CORRECCION D E L A DESVIACION CONTINUANDO EL E M P U J E

e-@- Figura 5.2. Sistema Iron Mole ( f i m a t s d , cabeza piloto.

CAP. S. LAS TECNICAS DEL MICROTUNEL 223

Ea longitud de los taladros llega ea 100 metros y adn mis. La dirección de las máquinas se controla durante la perforación y se consigue una exactitud de 25 milimetros de radio en torno al blanco.

Las mSiquinas se adaptan a una amplia variedad de terrenos bajo nivel freitico.

i i r u r c i .' 3 .,i\rrtnu / r o n " W O ~ P ~ K O P I I L I I S U ) , ilustración del procedimiento.

a A V A N C E CON EL CABEZAL PILOTO P L A C A DE APOYO

STACION D E VWCE PRlNClF

T U B O P I L O T O 1 /SOPORTE GUIA

@ A V A N C E DEL S I S T E M A P R I N C I P A L D E EMPUJE

@ R E P E T I C I O N D E L A S F A S E S a y @

Figura 5.4. Sistema Iron Mole (Komaísu), rendido de /a tubería piloto (Tunnelbau, 1983).

EXCAVACION MECANICA DE TLJNELES

@ACOPLAR EL CABEZAL DE ENSANCHE AL TUBO PILOTO

n t I n

8 AVAN C E D E L CABEZAL DE EN SAN CHE

\ CABEZAL DE E N S A N C H E

AVANZAR E L TUBO DEFINITIVO MEDIANTE @ LA ESTACION PRINCIPAL DE E M P U J E . n I I n

8 WEPETlClOiV DE L A S F A S E S 8 y 3

I l '8 TUBO D E F I N I T I V O -

Figum 5.5. Sistema Iron 1"kfo/e (Komaksu), tendido de tuberica definitava (Tunnelbau, 1983).

En este campo se utilizan todas las variedades de excavación en túnel y el empuje de tuberáas (pipejascking).

En el campo de la reposición de tubeñias, existe la posibilidad de sustituir una tuberda defectuosa usando la técnica «revienta tubos» (bursfing techni- 4 4 .

Esta tCcnica se usa satisfactoriamenk en la industria del gas, en U. K., donde se espera ampliar el campo de utilización también a las conducciones de agua y a otras áreas. El rango Ifaecuente de utilización es hasta diámetros de 200 milimetros.

CAP. S. LAS TECNICAS DEL MICROTUNEL 225

5.4. Ea tBcaim del microthnel en JapSn

La técnica del microt~nel en Japón ha experimentado un fuerte desarrollo en los asltamos asos. La técnica de8 método Cut and Cover plantea problemas en las grandes urbes como consecuencEa de asientos en superfi"ice, vibraciones, ruidos, obstáculos a% tráfico ...

En la tabla 5. B. se indican las distintas técnicas de microtkanel utilizadas en Japbn, según indica S. Tohyama

TA"A 5.1 TECNICAS DE MHCROTUNEE UTILIZADAS EN JAPON

(S. WHYYAMA, 1985)

En una 6nlca operación (insercldn directa EMPUJE

QPipe-Jacklng) En dos operaciones (inserción de tuberias piloto)

En una aánica operacibn (inserción directa - En dos operaciones

(inserción de tuberias piloto)

PEWBMCION HOMZ. Tipo rotativo de simple envoltura

(Horizontal boalng

method) Tipo rotativo de doble envoltura

ESCUDO DE LODOS Tipo lodo presurizado

QSíurv shield

method) Tipo lodo máis agua a presi6n

Tipo «Tirón» (PuPBing type)

Odkos

EXCAVACION MEGANICA DE TUWELES

Este metodo se utiliza generalmente en terrenos blandos como suelos y bancos arenosos.

Se usan los dos sistemas indicados; con el sistema de inserción directa, se introduce la tubería mediante el empuje de gatos hidráulicos. Los diámetros de las tuberias oscilan entre 250 y 700 mm. y la longitud de la tuberia colocada puede llegar hasta 50 metros.

Los tubos pueden ser de acero u hormigón; cuando se utiliza este tipo de tuberia deben utilizarse dihmetros menores que cuando se utilizan tuberias metáilicas.

Estos sistemas disponen de un equipo para el control automitico de la di- rección siendo posible la correcci6n de la misma.

Dentro de la tbcnica de inserción en dos opemdones hay dos m6todos.

5.4.1.1. Mktodo del tubo piloto

Primeramente se introduce un tubo piloto medi~inte empuje con gatos o mediante la excwacP6n del terreno. Seguidamente se introduce el tubo de hormigbn armado, usando como sistemas de desescombrado un tornillo sinfin o lodo presurizado con agua a presión.

Cuando se utiliza el mCtodo de empuje con gatos, el diametro exterior del tubo es de 216 mm., mietras que, cuando se utiliza el mbtodo de excava- ción el diArnetro exterior del tubo es de 230 mm. (Higs. 5.1. a 5.6).

POPO DE LLEGADA POZO DE EMPUJE

Tornillo auger

Figum 5.6. Empkog'e de tubos. Pdieotdo de la tubeda piloto.

CAP. 5. LAS TECWICAS DEL MICROTUNEL 227

El grado de exactitud depende de lo bien que se coloque el tubo piloto. Ea cabeza excavadora de este tubo permite una desviación mái%ima en la direccibn entre 3 y 3,s grados, pudiendo ekctuarse correcciones de alineación cada 40 cm* de avance.

La cabeza de excavación del tubo piloto permite excavar aun en terrenos que hace unos afios necesitaban méitodos suplementarios.

Este mktods es particularmente eficaz en terrenos de suelos mezclados o terrenos con un alto valor de N (SPTarhsllee) y un amplio campo de variación del mismo (N=O-50).

En bancos de arena con presión de agua elevada, el sistema de desescombrado mis eficaz se consigue utilizando lodo presurizads con agua a presión.

Actualmente se ha desarrollado un tipo para atravesar gravas de hasta 80 mm., con cinco alternativas distintas según las caracteristicas de8 terreno y la presi6n del agua. Estas distintas alternativas se resumen en $a Tabla 5 . 2 , debida a S. Tohyama.

Este método presenta %as siguientes ventdas:

1) Puesto que el equipo es desmontable, el airea del pozo puede ser pequefia.

2) Puede aplicarse a una gama grande de suelos con valores de N entre 8 y 50.

3) Pueden utilizarse tubos de hormigón de diaimetro interior entre 250 y 900 mm., mientras que los tubos de acero pueden tener diaimetros interiores entre 280 y 1.000mm.

4) Es posible trabajar con alturas de agua frehtica entre 4 y 10 metros. 5) Se pueden abordar distancias superiores a los 65 metros con una

buena exactitud de guiado.

En este método se utiliza doble tuberiia guia (la tuberia interior con 150 mm. de dikmetro y la exterior con 200 mm.), con un ajuste direccional excelente.

La tubeñia central es colocada en el eje de la mhquina de empuje y se Ba hace girar. La cabeza al final del tubo guia lleva en su interior una diana. La miquina de empuje clava los tubos corrlgi6ndose la dPrecsi6n examinando la diana a través de un teodolito instalado en el pozo. La cabeza puede fhcilmente cambiarse de percusión a corte por presibn, segdn las condiciones del suelo. Una vez que el tubo guia ha realizado Ba penetracibn, se monta a la cola de éste la cabeza para la colocación de los tubos de hormigdn, que son empaados hacia delante uno a continuación de otro.

En caso de que se realice el corte del terreno por presión, el escombro es transportado hasta el pozo entre las tuberisas interna y externa, mediante la rotación del tornillo sinfin colocado en el eje del tubo interior.

EXCAVACION MECANICA DE TUNELEh

CAP. 5 . LAS TECNICAS DEL MICROTUNEL 229

Durante el corte se inyecta agua a presión dentro de la cabeza a la vez que se inyectan también Bubricantes alrededor de la circunferencia de la parte trasera de la tuberia.

Las ventajas de este sistema son:

1) Pueden usarse desde diimetros de tuberia de acero de 150 mm., hasta diámetros de tuberia de hormigBn de 600 rnrn., con una logitud de da- vado de m6s de 50 metros.

2) La tuberia.guia avanza detro de un rango de desviaciksn a partir del eje, de +-2mm., y consewa una linea recta sin oscilaciones.

3) La corrección de direccidn de la tuberda guia y el manejo de Ba m&- quina de empuje es f&'áicil.

4) Pueden usarse distintas cabezas para adaptarse a suelos, desde duros a blandos. Si se produce una variaciksn brusca de las caracterésticas del suelo, la tuberáa interior junto con la cabeza pueden extraerse y efectuar Ha sustitu- ci6n da 6sta.

8;) El mCtodo del tubo guéa utiliza pozos de pequefia superficie.

En este metodo, el interior de la tuberka va equipado con una cabeza de tornillo y un tornillo sinfin Auger, que al girar excavan y transportan los materiales excavados.

El mCtodo Auger tiene dos modalidades.

5.4.1.6. Metodo Auger en una sola operación

En este método, el tubo de avance es empujado hacia adelante e inrne- diatamente detris va conectada la tuberia principal (de acero u hormigón) (figs. 5.7, 5.8).

klguru 3.7. ,kdeiudo Augrr rri uriu uprruciun.


Figura 5.8. Mktodo Alager* PepfOradora horizontal de suelos, modelo 42-500 GHDBd60cm. Amera'can Auger.

5.4.2.2. Mkeodo Auger en dos opemciones

En este mhtodo, después de empujado el tubo guáa de cabeza y el tubo guia posterior hasta el pozo de llegada, 6ste se deja corno guáa para el avance de la tubería principal.

Este método se usa generalmente para tender colectores. El mktodo puede aplicarse tanto en suelos relativamente bastante cohe-

sivos como en suelos arenosos y suelos con rnez~las de arena y grava. Los diimetros de los tubos van desde 250 a 700 m. y las longitudes de clavados llegan hasta los 60 metros.

Pueden efectuarse correcciones de la dirección mediante un control au- tomático de la misma.

Dentro de este método se incluye e% método de empuje del tubo de avance jr el m6todo de empuje del tubo de revestimiento.

Estos Gltimos m6todos pueden clasificarse propiamente como m6todos Auger de perforadón horizontal con control de guiado mediante los torni- llos sinfin Auger.

Este equipo se ha disefiado para ser usado para cualquier condición de suelo y, cambiando los filos de corte, es posible el empuje en arenas, gravas y en suelos duros.

Ea longitud normal de empuje es de 50 metros. Los di8metros de Ias tuberias varian entre 190 y 800 mm., y para tubos de hormigón, entre 258 y 700 mm. Cuando se utilizan tubos de revestimiento es necesario un pozo de Ile- gada de 1,s metros de dihmetro.

Las vetajas del método de Auger son: 1) Faicil manejo. 2 ) Es aplicable a estratos de arena y grava, asi como a suelos duros. Los

filos de corte del Auger pueden ser reemplazados o separados durante la opeaacibn.

3) Control constante de la alineación. 4) Los problemas de la presencia de agua en los estratos pueden resol-

verse usando en el frente una cabeza de corte hermdtieamente protegida contra el agua. Cuando la presencia de agua es muy grande, puede emplearse

CAP. 5 . LAS TECNICAS DEL MICROTUNEL 23 1

el método de equilibRo de agua mediante el cual, Ia pi'esi6n de agua dentro de la tuberia de empuje se equilibra con la presi6n de agua exastente en el terreno.

5 ) En suelos rocosos, Ba cuchillas de corte del Auger pueden ser reem- plazadas por bocas de widia o discos de corte (Fig. 5.9).

Figtura 5.9. Cabeza pe$orwidora para ierrenos rocosos. American Auger.

Este método incluye dos tipos. Uno es el en el que la tuberia que es tendida va equipada con cuchillas de corte en el frente y es empujada hacia adelante mientras esta girando.

Este m-aétodo se usa en suelos duros y en suelos mezclados con arena y gravas, con unos dlaimetrss de tuberia de hasta 1.500mm.

La longitud de perforacá6n es, aproximadamente, de 50 metros y el mé- todo se usa para tubos con revestimiento en pasos bajo carreteras.

EZ otro es eP $DO rotativo de doble envoltura$ en el que Wa barra de rotación ve colocada dentro de la tuberia que va a ser tendida. Ea tuberia es empujada hacia adelante a la vez que la barra de rotación escava el terreno. La "suberia principal es de acero. Una vez completada la excavaci6n se extrae la barra interior,

Ambos métodos son muy apropiados para ser usados en el método constructivo llamado «método de tubos en techo» (pipe roofmelhod) usado esa tdneles, en terrenos inestables para reforzar ísa zona de la bóveda.

232 E X C A V A C I O N M E C A N I C A DE T U N E L E S

5.4.4. M&tods de exmvadóa nien ttipnael con escudo de Iodos

Con este método se efectúa la perforación de un t8iinel mediante el csn- trol remoto de un escudo de lodos de pequeño diámetro.

Este m6todo emplea una cabeza rotativa para la excavación y el escombro es convertido en lodo y conducido hasta la superficie por tuberías. El escombro es despues separado mediante un tratamiento especifico y el lodo recuperado y reciclado. El lodo, ademhs, actajia como elemento estabilizador del frente.

Las ventaas de este mCtodo son: 1) Ea construcción es rhpida debida a la alta velocidad de avance y que

el traba0 se realiza en una única operación. 2) Es adecuado pasa suelos arenosos con niveles altos de agua. 3) Alta predsión, ya que se hace un control constante de la dirección

mediante una chmara de televisión. 4) Las técnicas de operación son relativamente simples g requieren un

corto periodo de entrenamiento. Un hombre solo maneja el equipo. 5) LOS efectos en la superficie son manirnos como resultado de la csm-

binaación de la técnica del lodo a presión y de la presión mecáinica equilibrada de tierras.

Analizaremos a continuación alguna de estas mhquinas.

La firma japonesa Iseki ha desarrollado desde 1979 asna mhquina %unela- dora con lodo y accionada por control remoto. Se utiliza para Implantar conducciones de dkhmetros entre 730 y 940 rnm [6]. QFlg. 5.10).

CAP. 5 . LAS TECWICAS DEL MICROTUWEL 233

Consta de una cabeza cortadora rotativa a plena sección qhae puede avanzar y retroceder en relación con e% cuerpo del escudo.

El material excavado es transportado en suspensión dentro de un 10do; la presión del lodo se ajusta a la presión hidros"ktica del agua existente en e1 terreno. Este metodo reduce al minarno los asientos en superficie. El equipo base es manejado por un hombre situado dentro del escudo, cuando el di&- metro exterior del tubo as superior a 900 mm.

Para di&me$ros entre 750 y 960 mrn* es necesario utilizar una m8quina dirigida por control remoto. Esto se consigue mediante un circuito cerrado de televisión que controla todas las Fdnciones desde un panel central dentro del escudo de la mdquina y mediante un sistema elec"eohidr8ulico de operación por control remoto del proceso de perforación. Las desviaciones son obser- vadas y corregidas inmediatamente.

Este tipo de máquina puede utilizar un ndrnero variado de tipos de tuberia (de acero, de cemento-asbesto, GW, etc.), y ha sido utilizado en una amplia variedad de terrenos, incluyendo arcillas blandas, limos, arenas finas y gravas, asl como an materiales mas duros, corno cantos rodados arcillosos, arenas poco cementadas y coral.

El equipo se ha usado principalmente en la colocación de tuberdgs de pe- queño diámetro, donde las tolerancias en la alineación eran muy severas y no se permitian asientos en superficie.

Ea longitud de perforación en una única operaddn esta limitada a 1120 metros, habiéndose llegado hasta 200 metros con una tuberia de 960 rn~n.~.

Esta m&qulna se ha disefiado para digmetros menores de tuberia (hasta 350 m.); se ha desarrollado a partir de la máquina Telemole, sustituyendo la cabeza de corte por un par de puertas de corte que realizan la excavación y que no permiten la entrada de material excavado a menos que la presión en el frente exceda de un valor prefijado en el panel de control.. Los sistemas de estabilidad del frente y de control son los mismos que los del Telemole. La máquina es capaz de sortear diversos obstAculos puestos por el hombre en zonas urbanas. Puede tambiCn perforar a travCs de una tubern'cí vieja de madera u hormigón sin asmar,

La longitud de perforación es de unos 100 metros y la tagberia puede ser de cualquier material con tal que permita la transmisión de la fuerza de empuje necesaria para su instalación.

Esta máquina se usa mucho en el tendido de colectores en Japón, Singa- puñ, China y Alemania Occidental.

Actualmente se estáin desarrollando nuevas mhquinas que hagan frente a una mayor variedad de terrenos y con unos costos mais reducidos.


Esta mkquina se ha desarrollado especialmente para excavar en terrenos con cantos rodados y diáimetros san-ores Q > 600 mm.).

Su concepción es similar al Telemole, incorporando un molino giratorio, pudiendo excavar hasta rocas blandas Bfacturadas con excepción de las arcillas pegajosas (Fig. 5.11).

A.-Excavacióil B . -Admisión C.-Machaqueo D. -Sra i l spor te d e l lodo al ex te r ior

Figura 5.11. M d q u i n ~ Crunchingmole. Proceso de eliminacio'n de los cantos rodados mwores de 600 m., mediante mackaqueo.

CAP. 5. LAS TECNICAS DEL MICROTUWEL 235

5 EB disefio de esta maquiraa representa una de las mayores contribucio- nes da los 61timos afios a la tecnologia de% microtúnel (Fig. 5.12).

236 EXCAVACION MECANICA DE TUNELEZ

Los dahmetros de trabajo variían entre 370 y 1.000 mm,, con una distancia de perforación de unos 100 metros. Puede trabdar en condiciones cambiantes del terreno. La mh-juina lleva incorporado un molino cónico de rotación,

La eergia necesaria para la ewcavacibn y la molienda se obtienen de las enormes fuerzas desarrolladas en el interior de un sistema planetario de rueda dentada que mueve la cabeza de corte y el molino cónico giratorio.

Una vez que el suelo es excavado, se desliza dentro de la ckmara del molino mediante un movimiento hacia adelante del escudo (Fig. 5.12).

El material dentro del molino se reduce hasta un tamafio de 25 mm. y es transportado a la planta separadora juntamente con el lodo. El control del empuje se realiza mediante 18ser, monitor de televBsi6n y controles electro- hHdr8uíicos similares a %os del Telemouse.

Los tubos son empujados detrgs de la mhqaaina mediante un sistema de gatos de tres etapas que reduce la longitud del pozo de partida a cuatro metros, cuando se utilizan tubos de dos metros de longitud. Este sistema presenta grandes ventajas sobre sus predecesores,

La acción de la cabeza cortadora y del molino giratorio compacta los terrenos alrededor del escudo en suelos blandos, con Po cual se mejora la estabilidad del taladro; por otra parte, la compactación reduce el volumen de material a transportar y a tratar posteriormente.

El molino giratorio actca de un modo excelente con todo tipo de suelos, incluyendo Ba arcilla que tiende a formar bolas, transportándose fhcilmente sin producir el bloqueo del molino.

El molino admite materiales como cantos rodados, ladrillos, trozos de tuberia rota, y trozos de roca cuyos tama5os sean menores de la tercera parte del diimetro del escudo.

La separación de los productos de excavación se consigue en una simple instalación mediante un tanque decantador.

Los costos de instalación y fundonamiento son m&s reducidos que los de los escudos de lodo.

Es un sistema muy eficaz cuando se utiliza para sustituir tuberias viejas de arcilla u hormig6n pobre, espedalmente cuando se utilizan tuberáas más Bargas y de mayor di8metao.

Desde 199% viene desarrollándose la técnica del microtgínel en Alema- nia; en la actualidad hay mhs de quince mCtodos diferentes en el mercado con avances y mejoras constantes.

Todos los esfuerzos están encaminados a conseguir procedimientos adecuados para el tendido de tuberisas de pequefio diámetro para ser usadas como colectores.

El desarrollo de la tkcnlca alemana en esta tecnologia ha ido de la mano

CAP. 5. LAS TECNICAS DEL MlCROTUNEL 237

de la cooperación técnica alemano-japonesa iniciada en Hamburgo al.final de 1980.

Todos los desarrollos en este campo van encaminados a conseguir:

a) Unas desviaciones mhximas del eje de 30 mm. en vertical y 100mm. en horizontal.

b) La posibilidad de utilizar el procedimiento en diferentes suelos (marga, arena, greda, gravas, etc.) en condiciones de presión de agua, con unas velocidades de ejecución de, por lo menos, 12 metros en ocho horas de trabajo y con la posibilidad de utilizar diferentes dihmetros de tuberáa.

6) Un costo de adquisición de Ba maaaiquina que garantice una inversión no superior al millón de marcos, para que quede asegurada la economia de su utilización.

d) No sólo que la máquina sea capaz de localizar los obsthculos que en- cuentre en su camino, sino también que sea capaz de retirarlos o destruirlos (grandes piedras, cantos rodados y cimientos).

e) Que la longitud de conduccidn aumente por lo menos hasta 150 metros para conseguir reducir el número de pozos intermedios dado el elevado costo de los mismos. En este sentido se tiende también a reducir %as dimensiones de los pozos a una longitud/anchura de 4,00x3,00 metros para el pozo de llegada.

Que ka máquina permita tomar curvas del menor radio posible. g) La utilización de tubesias de materiales distintos al hormigón y al pl8s- tico.

h) Que las tuberias de las cloacas domiciliarias sean colocadas bajo tierra.

E% costo de construcción debe tenerse en cuenta; estas nuevas técnicas de microtGneá son competitivas en relaci6n con la excavación a cielo abierto, a partir de profundidades superiores a Bos cuatro metros, cuando no se consideran los costos indirectos de las excavaclones a cielo abierto; si considera- mos éstos (retenciones de trafico y desvios, molestias a los residentes, dafio al entorno), la igualdad de costo entre ambas soluciones se produce a los dos metros de profundidad,

Vamos a hablar de algunos mCtodos que han sido puestos a punto recientemente en Ba Alemania Occidental.

5.5,1. Sistema Telemole

El sistema TM es un sistema de perforación y avance desarroláado y probado en Japón y adaptado a las necesidades alemanas.

La mhquina y las tuberias son empujadas hacia adelante hidrhulicamente. La máquina consiste en un tubo de 4,6 metros de longitud provisto de útiles de excavación, de control y de transporte de escombros. Es un es-

238 EXCAVACION MEGANICA DE TUNELES

cudo guiado por control remoto del tipo llamado «escudo de tierras» equilibrado con lodo bentonn'tico (fig. 5.13).

c h o de arena

El frente es sostenido, por un lado, mecinnicamente mediante Ba cabeza de corte consistente en un disco giratorio a plena seccidn y, por otro lado, mediante Ia bentonita.

Esta mkquina se adapta automiticamente a cualquier tipo de terrena consiguiendo la estabilidad del mismo de un modo inmediato, adaptando la presión sobre el frente a cualquier clase de terreno y de nivel freáitic~. Los productos de excavación son transportados hidrhulicamente al exterior.

El control del escudo viene asegurado mediante cuatro controles de pre- sión que se manipulan en una estación de control desde un panel de man- dos. La informacH6n necesaria es recibida en un panel indicador dentro del escudo y transmitida a una pantalla mediante una cáirnara de televisión. Un rayo laser incide sobre la diana.

Con este tipo de mhquina se han excavado mb de 2.500 metros de colectores con dihmekros entre 500 y 600 metros, habikndose conseguido una ex- cavación de mis de 120 metros entre pozos.

Se ha demostrado que Gnicamente es necesaria la lubrificacidn de tubos con bentonita en suelos arenosos bajo presión de agua.

Segiin el ncmero de obstkculos swbterrAneos, el ritmo de avance varia entre 3 y 18 metros en ocho horas de trabajo necesitindose cuatro operarios para su manejo.

Se consiguen desviaciones verticales menores de 30 mm. y horizontales de 20 mm. La utilización de esta minquina queda limitada 6nicamente por el tamafio de las piedras encontradas en el subterrdneo; éstas deben tener un diimetro menor de 50 mm.

CAP. 5 . LAS TECNICAS DEL MIGROTUNEL

Para construir colectores de pequeáío dihmetro dentro de terrenos que contengan piedras de mas de 130 mm. de diámetro se ha construido una nueva máquina basada en la Telemole, conocida con eB nombre de Hanse- mole (Fig. 5.14)

Ic orta30 ~ h o c a d o r o \, Cabez \ Tube r i a de ext racc ión

La variación consiste en que detr8s de la cabeza de corte va instalado un molino rotativo, que reduce las piedras desde 130 mrn* hasta 50 mm.

Ea cabeza de corte trabaa directamente delante del escudo mientras que Ha tuberia se va colocando en el espacio libre que va quedando.

Otras diferencias son: que el escudo tiene una longitud menor, 3,18 metros, con objeto de reducir las dimensiones del pozo de partida, una mayor robusted de la pared del escudo, una mayor eficiencia del motor, unos mejo- res gatos de dirección y una mejora del sistema de estanqueidad.

Se han excavado m&s de 1.000 metros en condiciones muy dificiles de suelos (margas duras con grandes piedras), con unos rendimientos de nueve metros en ocho horas. Ea experiencia ha puesto de manifiesto que la fricción se puede reducir utilizando agua corriente en suelos pesados; en arenas y suelos p6treos deber6 usarse beantonita.

Este sistema puede utilizarse en cualquier dase de suelo blando, incluso b ~ j o presión de agua.

La idea b8sica es que la perforación y la instalaci6n de la tuberia son dos operaciones separadas. Primeramente, las tkaberias de acero de dos metros de longitud son empujadas contra el escudo. Su diimetro interior es de 800 mm. Esto permite alcanzar la unidad de m6quina a travds de Ea tuberia en caso de rotura. En caso necesario 6sta puede sacarse al exterior para ser repa- rada o cambiada alguna de sus partes, incluso la cabeza de corte. Ea cabeza es de 860 mm de diimetro.

240 EXCAVACION MECANICA DE SUNELEC,

En una segunda operación, después de concluida la primera, las tuberias son empujadas dentro. El escudo y las tuberías de acero son recuperadas en el pozo de llegada.

La cabeza de corte de la s%iqulna excava cualquier clase de suelo, incluso bajo presi6n de agua y hasta cantos rodados pesados. Se han conseguido excavaclones de 300 metros y superar curvas de 100 metros de radio. El ritmo de avance es de tres metros por hora. La cabeza de corte va dentro de una cabeza scraper> cuyo cometido es soportar el frente en co~mblnaci6n con la bentonita que se usa para el transporte de escombros; este transporte también puede hacerse con agua.

El escudo se dirige mediante cuatro gatos de dirección. El escudo y la tuberia de acero están conectadas mediante una junta flexible, lo que le permite tornar cunas. Todos los cables y tuberias que se necesitan estan peama- nentemente instaladas dentro de las tuberias de acero, conectadas con exactitud y de un modo automitico cuando una nueva tuberia es agregada. Para colocar 55 metros se necesitan cuarenta horas de trabajo. Para el control e inspección se usa un sistema doble de c9mara de televási6n reversible. Las imálgenes aparecen en un monitor, los datos son introducidos en un compu- tador y transformados en órdenes al sistema de dirección.

En tuberias rectas es posible la inspeccidn mediante rayo Bálser.

554. MBtodo de empde de tubos (Pipe-Jackfng)

Este método es ampliamente utilizado en Alemania bajo distintas variantes introducidas por los fabricantes.

En la figura 5.15 se muestra una estación de empuje de tubos fabricada por la firma Westfalia.

La excavación del frente se puede realizar con distintos procedimientos (a mano, rozadura, etc.).

A medida que va avanzando la excavación se van empujando los tubos contra el frente.

Cuando la longitud de los tubos sobrepasa un determinado valor, se colocan estaciones intermedias de empae (Fig. 5.16).

Otro sistema utilizado satisfactoriamente es el denominado RUS 100 A Soltau y que fue utilizado por primera vez en un colector de 477 metros en Berlin, en '8982.

Ea distancia entre pozos variaba entre 45 y 73 ~netros. El rendimiento alcanzado fue de un metro por hora, empleando tres hombres.

5.6, TCcnieas de pedoración esn control diaeceiond para ttendids de tubedas

CAP. 5. LAS TECNICAS DEL MICROTUWEL 241

Figura 5.15. Estación de erizpuje de tubos Westfcmlia.

$[gura 5.66. Esranón rntermedla de empuje Wesgalia.

242 EXCAVACION M E C A N I C A DE TUNELEC

Las t6cnicas habituales de tendido de tuberias a trav6s de cauces de rios (colocación de la tuberáa en zanjas atravesando el cauce, colocación de la tu- beráa en una estructura puente) algnas veces no son soluciones ni aconseja- bles (riesgos, consea%ración, etc.), ni fheilmente rea8izab8es (rn'os caudalosos con cauces muy profundos).

La Titán Constructíon de Sacramento, (USA), desarrolló en los años 1970 una tecnología propia para paso de tuberias, atravesando cauces de ráos.

El primer trab-o consistió en el tendido de una tubern'a de cuatro pulgadas de dihmetro y 180 metros de longitud, aatravesando el rio Panjaro en Cali- fornia*

En 1979, el método fue adqirldo por la Reading and Bates Constructor, Go., Tulsa (USA), Ba mayor compafiia internacional de tendido de conductos por tubería.

EB mCtodo ha ido desarrollándose en Ia dirección de aumentar Ba Bongi- tud de la tuberia y su di8metro. Se ha llegado a realizar un tendido de 1.500 metros de tuberáa de 40 pulgadas de diimetro.

5.6,2, Descfipeidn del m6todo

El mCtodo consiste en la perforación de un taladro piloto suavemente cunado con un dihmetro de ocho pulgadas, diriddo desde una orilla a la otra. Eí taladro piloto se perfora por el eje prefijado de la tubeaia que va a ser

colocada. El gngulo de entrada en el terreno, desde una de %as orillas, es generalmente de 12". El taladro piloto contin6a con dicho ingulo hasta que pasa, mediante una curva cóncava, a la posición horizontal por deb-o del rio a una profundidad de unos 10 metros por debdo del lecho de éste (Fig. 5.17).

TUBERIA A COLOCAR \ 1 B I

e% 4 \ " \

80' \

T R A Z A DE D E S E & ~ \ ,

Figum 5.17. Peifomcio'n diieccioneal. Pedomcio'ra de/ taladro piloto [ s e g ~ n J. D. HaipG. E. Shiers].

CAP. 5. LAS TECNICAS DEL MICROTUNEL 243

Una vez que el taladro piloto ha pasado por deb-o del rio, comienza a as- ceder, mediante otra cuma cdncava, para salir a la otra orilla, siguiendo un ingulo de 8", por un punto diana previamente prefijado.

El taladro piloto es perforado utilizando un equipo especialmente construido que empuja las barras de perforación dentro del taladro.

Ea perfomci6n se hace con lodo bentonitico que es bombeado al interior del taladro a través de la parte central de las barras de perforación y que hace girar el motor que va situado detris de la boca de perforación accionando ésta.

Mientras que Ba herramienta de perforación gira, el lodo bentonitico ac- t6a como fluido de refrigeración y como vehículo de transporte de los detritus de la perforación, que los arrastra hasta un pozo receptor en Ia superficie.

Alineado con el motor de perforación descendente va un trozo de la barra de perforación ligeramente acodado, llamado "ben houslng".

La excentricidad de esta pieza queda acentuada mediante una zapata metilica soldada a un lado de 121 tuberáa, para que el perfil perforado pueda seguir una dirección marcada,

Se consigue un perfil recto o curvo guiando las barras de perforación a medida que son empujadas dentro del terreno. La dirección es controlada mediante la posición del "beent housingS9y la zapata de acero. El avance del taladro piloto es registrado mediante un sistema de dirección de la heraa- mienta especialmente disefiado.

Una parte de este sistema es un instrumento colocado en el interior de una caja situada dentro de la sarta de barras detris del motor que registra la posición exacta de la boca de perforación respecto a los ejes X, Y y Z, referi- dos a un origen en la superficie del terreno,Jun&o con la posición relativa del "beenr houshg". Esta información es transmitida mediante señales de radio a Ha otra parte del sistema situado en 121 superficie. Aqui una computadora convierte las sefiaies en datos obsemados y Bss grava en una pantalla CRT y, ademis, en un papel de gravadora.

Una vez que la posición actual se conoce, se hace una comparación con Ba posición teórica que debern'a tener. Si hay alguna desviación, ésta puede corregirse girando las barras de perforación que satkaan el "beent housIng9'en la posición de Ba dirección correcta.

Esto permite la perforación ripida del taladro piloto siguiendo el camino preEjado.

Mientras el taladro piloto progresa, los detritus de perforadón se mezclan con la bentonita y aumenta la tensión contra las barras de perforación.

Para relajar esta tensión se coloca una tubern'a de lavado de cinco pulgadas de diimetro mediante el equipo de perforación y Ba doble tuberia se Hn- troduce empujindola alternativamente a Po largo de la traza, hasta que la sarta, y Ba tubería de lavado que le sigue salgan por el punto diana situado en la otra orilla (fig. 5.18).

EXCAVACHBN MECANICA DE TUNELES

P U N T O D E L L E G A D A

Figedm 5.68 Se inkroduce la tubeim'a de Iimpieza girdndola sobre la kuberm'a del taladro piloto y ambas se emplsjan aliernativawente a lo Baeo de Pa traza [según J. DD. Hair-6. E.

Shierd.

La sarta completa es entonces retirada hacia atrks, a travbs de la tuberia de lavado, dejando Ba tuberáa de limpieza en su sitio para que a c t ~ e como sarta de arrastre en las dos operaciones de ensanche: preensanche y tiro hacia dentro de la tuberia a instalar.

Según sean la longitud y el dikmetro de Ba tuberia a instalar, asi como las condiciones del suelo, estas operaciones se hacen separada o continua- mente.

El preensanche amplia el taladro piloto hasta un di8metro ligeramente superior a la tuberáa a instalar. Para ello se acopla una herramienta circular de corte al extremo del tubo de lavado.

La mkquina de perforacibn hace girar el tubo de lavado y el cortador, ti- rando hacia dentro simultálneamen$e a lo largo del taladro piloto (Fig. 5.19).

B E A

TUBEWlA A B L A CA CIL lN D W O F R E S A C O L O C A R GI RABOWIA E N S A N C H A D O R

Figum 5.19 Se kna de Oa tuberia de limpieza, fresa y ensanchador hacie'ndojas girar a lo l a g o del camino pegomdo. La placa giratoria y /a tuberia a colocar viene detrbs dentro

de una matriz de bentonita [s-ún J. D. Hair-G. Ea Shiers].

A Ba vez que el cortador ensanchador se introduce dentro del taladro piloto, una tuberáa de lavado adicional es acoplada detrás de 61.

La bentonlta bombeada a trav6s de la tubería de lavado transporta los detritus 81 exterior, asegurando, Ia acción combinada de ésta y Ba tubeiia de Ba- vado, 1a estabilidad del taladro ensanchado.

CAP. 5. LAS TECNICAS DEL MICROTUNEL 245

Finalmente se instala Ia tuberia definitiva que primeramente se ha colocado en toda su longitud alineada sobre unos rodillos en la superficie, se ha soldado (comprobando las soldaduras con rayos%), se ha pintado y se ha probado hldráiulicamente.

Se acoplan unas herramientas especiales entre Ba cabeza de tiro de la tuberia y la tuberia de lavado para impedir la rotación de Ba tuberia definitiva. Antes de ser introducida la tuberfa definitiva es lubricada con una capa de bentonita.

EB equipo ha sido diseñado para. un transporte fkcil en «trai%ers» y va completamente preparado para trabaar en cualquier sitio.

La renovación de implantaciones subterr&neas de tubeaáas, sin necesidad de excmaci6n, es posiblemente el m&$ significativo y dtil desarrollo conseguido en la idtima dkcada, dentro del campo del microtdnel 191.

El método pipe bursting (revienta tuberias) consiste en colocar una nueva tuberáa dentro de otra ya existente de un diimetro igual o menor que Csta, fragmentdndola y comprimiendo los trozos contra el terreno circundante, de modo que quede un espacio libre para. el acceso de la nueva tuberáa.

El metodo ha sido desaaroHBado por la British Gas en U. K. Y recientemente trabaja, en unión de D. 4. Ryan and Son, en el desarrollo de un metodo que permita su utilización en la sustituci6n de tuberias de hierro fun- dido en instalaciones de gas (Figs. 5.20-5.22).


Fjgura 5.24. Elerneraios que se utilizan en el metodo pipe bursting.

Figum 5.22. Unidad «revienta tubos)).

Este m6todo se ha extendido a Europa, Amkrica, Canadk y Australia. La rotura del tubo se produce mediante la utilización de un «reventador»

neumhtico (burster). Antes de comenzar los trabaos es necesario localizar y desconectar todas

las tubeaias en semicio de la zona. Se instala un cabrestante hidrhulico de tensión constante (2 1/2 Tm-S.) en

el pozo de salida. BI cable se pasa a travCs de la tubeaia que va a ser sustituida y se conecta al 6ti8 rompedor.

Ea unidad rompedora de tuberia es accionada mediante aire comprimido y comienza a presionar contra las paredes del tubo, a la vez que con la ayuda del cable pasa a travks de la tubean'a con una velocidad de 2 1/2 m8min.

Una vez que se ha producido la destrucci6n de la tuberia antigua, queda el conducto libre para que una nueva tuberia sea instalada mediante la ac- ci6n de tiro de8 cabrestante,

CAP. 5. LAS TECNICAS DEL MICROTUNEL

5,8, El agua a paesMn y la tCcnIca del miieroMnel

Posiblemente, el campo de aplicación mbaeás prometedor de la. tecnologia del waierjet sea en el campo de8 macrotkiinel, tanto en los sistemas de empuje de tubos gpipe jacking) como en los sistemas que utilizan topos de pequeaío diálmetro.

En la actualidad, el escudo hidrojet, del que ya se ha hablado en el capitulo 4, punto 4.7.1.4.1,1.1.4., utiliza chorros de agua a una presión muy baja; Ba aplicación de estos chorros permite una considerable reducción de las fuerzas de empuje del escudo. Esto permitir& abordar el tendido de tuberias de rnayor longitud con una reducción del ndmero de estaciones intermedias de empuje, Bo que se traduce en una reducción de costos (Fig. 5.23).

Figura 5.23. escudo hidrsyee.

En un futuro se utilizaran los jets de agua para fracturar ell terreno por delante del frente y también como método principal de excavación.

En suelos y arenas, los jets de agua pueden ser fijos; sin embargo, para terrenos m8s duros y rocas blandas es necesario que losjets estén en rotación o con movimientos perpendiculares al frente o dirigidos suavemente hacia adelante para ayudar a los jets perimetrales.

En suelos blandos y arcillas se usarál baja presión de agua con un caudal alto; el agua transporta los materiales excavados que son enviados a Pa superficie. Si es necesario limpiar el agua, ésta se puede reciclar a losjets despues de un filtrado.

En cambio, para excavar en rocas blandas, se iasarál alta presión de agua y bajo caudal.

CAP. 5 . LAS TECNPCAS DEL MICROTUNEL

de esta tecnologia. Entre las tdcnicas actuales tiene un futuro prometedor la revolucionaria

técnica del pipe bursiing? aplicada a la indusria del gas, del agua, del tendido de colectores y tuberias principales.

El futuro tecnológico nos traera innovaciones como:

- Utilización de chips comandando la dirección preprogramada del tkn- nel y la utilización de pequeños robots que hagan el trabajo dentro de la tu- beráa.

- Utilización del láser como medio de control direccional. - Utilización del laser como medio de corte que destruya obstheuáos y

corte las conexiones con íos registros. - Utilización del laiser para convertir las arenas de silice en tuberias de

vidrio y Ba arcilla en tuberias de arcilla vitraficada. - Colocación de revestimientos usando materiales de colocación ins-

tantanea «instant se&», revestimientos de materiales extruidos. - Trabaar en condiciones dificiles bajo presi81.1 de agua por control re-

moto y utilizando robots. - Tendencia a utilizar pozos de dimensiones máis reducidas. - Utilizar la excavaci6n con topo o mhquina de ataque puntual en com-

binaci6n con 19, tdcnica de empuje con gatos telescópicos. - Utilizar nuevos materiales para las tuberias como: el GW, el GWG,

hormigones de resina, arcilla v1Mficada y cementos de asbestos.

Tunnelbau 1983. Undergroaand. Decernber 1986. S. TOHYAMA: MicrotunnelPing iw Japan; Trenchless Construction for Utilities -

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nelling. Publicaciones Iseki. T. AKESAU - A. ROOKE: Development of the Iseki telemole and telepalouse and

their application to trencless pipe iaying trenchless conmstruction for utilities - pag. 182; 1985. E. KUNTZE: Microtunsgelling in Gerrnany; Trenchless Conskruction Utilities -

pag. 176; 1985. J. D. HAIR, Q. E. SHIEWS: Directionallg-csntr0led drilling for pipelines; Trench-

less Constructioaa for Utilities - pag. 160; 1985. A. G. POOLE, R. B. R o s s ~ o o ~ c , 4. R. ~ Y N O L D C : RepPacement s f small-diameter

pipes by pipe burstingg Trenchless Conshruction for Utilities - pag. 147; 1985. PubBicaciones Westfalia. Publicaciones Alh Systems Lirnited England. PubBicaciones Wyass-Freyhag, A. 6. Tunnelbau 1985.

LACIONES ENTW -ESULTmOS DE ENSAYOS DE LmOMTOMO Y DATOS m h E S OBTENIDOS DU TE LA PEWOMCIQN CON

MAQUINAS TUNELADOMS

.Actualmente el equipo de investigación del Departamento de Ingenieria Civil de la Universidad de Melbourne, dirigido por el Dr. Bill Bamford, ha desarrollado la siguiente ecuación de predicción del indice de producción para una máiquina topo, con un coeficiente de determinacibn 8 = 0,88.

Indice de producción (m3/cortador de discolhora) = 3,435 - 0,01394A - 0,07299B - 0,01204C - 0,002790D - 0,0012298 - 0,0003288F + 0,25946 (A1.1)

donde: A = Dureza con esclerógrafo B .= Fuerza de empuje e - Indice de dureza al impacto de la roca D - Indlce de resistencia «point load» E - Perforabilidad Goodrich F = Perforabilidad Morris G = Coeficiente de resistencia Eá mismo equipo ha desarrollado la siguiente ecuación de predicción del

desgaste de cortadores, con un coeficiente de determinacidn de r2 = 0,61.

Indice de desgaste (m3 de rosalcortador gastado) = 475,77 + 7,409M - 100,53J - 106,04K + 22,6611, - 69,377M - 27,613N (A.1.2)

donde: H = (Dureza con el esclerógrafo)** 0,9560 J = (Resistencia a cizallamiento)** - 0,6652 M = EXP (-0,004625* abrasividad «paddle») L = EXP (0,05114* Resistencia a la traccibn) M = log (Indice de desgaste Goodrich) N = Bog (Abrasividad Tsaber)

El Dr. Bamford propone las siguientes ecuaciones de predicción:

h r a la peneémción neta:

PN (mBh) = 0,535* Dureza Schmidt - 8,49 - 0,00344* Empuje (ton) - 0,080823*NCBCI (NBmm.) + 0,0137 q (grados) (A.1.3)


donde se utilizan los siguientes ensayos:

- La dureza Schmidt. - La fuerza de empeige de Ba mhqjuina. - Indice N.B.C. cono indentador. - Angulo de la resistencia al cizallamiento ap (grados).

Pam el Paidice de consumo de cortadores:

Indice de consumo de cortadores (cortadores/kilómetro) = 1,73* Dureza Schmidt - 18,3 + 0,0259* Empuje (ton) - 0,0319"RhHNO + 0,0344" (grado) (A. 1.4)

donde: RIHNO = Indice de dureza al impacto de la roca. 9 Bngulo de resistencia al cizallamiento (grados).

En todas estas ecuaciones de predlcc16n se utilizan algunos de los ensayos propuestos por la Comisi6n de MCtodos de Ensayos de la Sociedad In- ternacional de MecBnica de Rocas.

Para conseguir una adecuada carackrización de la masa de roca es necesario obtener informaci6n cuantificada de la:

1) Dureza de la roca. 2) Resistencia. 3) Perforabilidad. 4) Abrasividad. 5 ) Estructura geológica. 6) Otros parámetros importantes.

Para cada uno de estos conceptos, hay desarrollados en la actualidad muchos ensayos.

Se hace pues necesario seleccionar mediante un método científico, qué ensayos son m6s convenientes para cada caso, debiendo desarrollarse eorre- laciones entre los ensayos de ámbito local y los propuestos internacional- mente.

W. E. BAMFORD: R O C ~ test indices are being successfuailky correlated with ebannel boring machine performance.

W. E* BAMFORD: Cuttability and crillability of HBGBC; Civil College Technical Re- psht Engineehs Australia, July 1986.

ENSAYOS DE LABOMTOHO PWOWESTOS W R LA SOCIEDm INTEWACIONAL DE

MACmHCA DE ROCAS P DETEMINM LAS PROPIEDADES DE LAS ROCAS EN mLAUON

CON SUS METODOS DE EXCAVACION rd""ANHslA

A) Tabla nao AA.2.11. Ensayos de labomdods propuestos por la Sociedad Iaabemaciorraal de Med~Hm de Rscas

PROPIEDAD DE LA POCA A DETERMINAR -

DUREZA

RESISTENCIA

ENSAYOS PROPUESTOS a) Escleroscopio Shore; a) Escle-

rógrafo Roeil-Korthauss. b) Martillo Schimidt (rebote).

a) Resistencia al corte con punzo- namiento; Resistencia al corte sin confinamiento (o cohesión).

a) Tenacidad a la fractura; b) Resis- tencia a compresión simple.

b) Resistencia a tracción, ensayobrasi- lefio; Resistencia según ensayo (moint-load».

8 I ---- - - ~ -

/ PENETMCILON ROTATIVA 1 ad Perforabilidad Goodrich.

PERFOMCPON DE PENE- TBACION Y DE CORTE (PE- NETMTIVE DRIELING AND CUTTING)

Y BE CORTE (ROTARY DRI- LLJNG AND CUTTPNG)

a) Pndice NCB con cono indentaclor. a) Perforabilidad Morris. a) Ensayo con cuna OK.

bj Indice Voest-Aipine de resistencia al arranque.

c) Abrasividad Taber.

PERCU- (PERCU-

SIVE DRIELING AND CUT- TINO)

ESTRUCTURA GEOLOGICA

a) Dureza al impacto. b) Coeficiente de resistencia a la roca.

ABMSIVIDAD

Mediante el indice G,, suma de los pa- rámetros 3 y 4 de la clasificación RMR. Mediante el indice G, = (RQD/JN)* - (JRIJA).

a) Abrasividad Cerchar; a) Desgaste Goodrich.

a) Abrasividad Paddle. b) Abrasividad Taber.

OTROS FACTORES IMPORTANTES

- Coeficiente de textura; contenido de cuarzo.

- Tamafio y forma del grano. - Velocidad sísrnica en campo (ondas

P). ~,

- Velocidades ultrasónicas en laboratorio (ondas P y S).

- Relación de amplitud transmitida. - Relación entre módulos EdinBmico/

ESt~tiC0.

EXCAVACION MECANICA DE TUWELES

METODO DE EXCAVACION ENSAYOS PROPUESTOS

PERFOMCION ROTATIVA CON PICAS

Ensayo Goodrich; Indice Voest-Alpine de resistencia al arranque; Abrasividad Paddle; Abrasividad Cerchar. Otros factores importantes (todos).

PERFOMCION A ROTOPERCUSION

Ensayo Goodrich; Indice Voest- Alpine; Coeficiente de resistencia de la roca; Resistencia al impacto; Abrasivi- dad Paddle; Abrasividad Cerchar. Otros factores importantes (todos).

PERFORACION A PERCUSION

Coeficiente de resistencia de la roca; Dureza al impacto; Abrasividad Paddle; Abrasividad Cerchar. Otros factores imoortanles (todos).

PERFORACION CON TOPO O CON PERFOHPBDOU AS- CENDENTE ( M I S E BORER)

Ensayo Goodrich; Indice Voest-Alpine de resistencia de arranque; Indice NCB con cono indentador; Ensayo Morris; Abrasividad Paddle; Abrasividad Cer- char. Otros factores importantes (todos).

ROZADO Ensayo Goodrich; Indice Voest-Alpine de resistencia al arranque; Indice NCB con cono indentador; Ensayo Morris; Coeficiente de resistencia de la roca; Resistencia al impacto; Abrasividad Paddle; Abrasividad Cerchar. Otros factores importantes (iodos).

RIPADO Los mismos que para el rozado. Otros factores importantes (principalmente el contenido de cuarzo y la velocidad sísmica medida en el campo).

RUEDA EXCAVADOHPB CANGIEONES

Ensayo Goodrich; Indice Voest-Alpine de resistencia al arranque; Indice NCB con cono indentador; Ensayo con cufia OK; Abrasividad Paddle; Abrasividad Cerchar.

Otros factores importantes (principalmente el contenido de cuarzoyla velocidad sísmica medida en el campo).

a) Ensayo preferido. b) Ensayo tolerado.

ABENDICE IPI

LA R O Z B I L I D D DE LAS ROCAS

A3.á. La rozabilidad de las rocas

Es la mayor o menor facilidad que tienen las rocas de ser excavadas me- cáinicamente con Ba técnica empleada por las miquinas de ataque puntual.

Hay distintos métodos para determinarla, habParemos aqui del método inglés y de% método alemán.

La rozabilidad viene expresada por el rendimiento instantáneo en (m3/h in situ).

Para determinar éste es necesario conocer los siguientes paráimetros de la roca:

1) Resistencia a la compresi6n simple (R,) en kgBcm2, medida sobre probeta cilindrica de 40 m/m de dihmetro por 40 m/m de altura hasta la rotura.

Ea presión sobre Ba probeta tiene que actuar perpendicularmente a la es- taatificaci6n, extremo que debe tenerse en cuenta al extraer el testigo.

EB valor máximo para este parimetro está en R, = 1.500 kg/cm2, siendo favorables los demks.

2) Resistencia a la tracción (R,) en kg/cm2.

Generalmente %a resistencia a la tracción no puede determinarse directamente; deber8 hacerse, por tanto, una determinación indirecta a través de una variante del. llamado Test Brasilefio.

Se prepara una muestra cilindrica de 40 m/m de diámetro y 13 m/rn de altura y se coloca de canto entre dos placas de acero, de las cuales una queda fija y la otra descansa libremente. Se aplica diametralmente una presión de coinpresión hasta que se produzca la rotura.

La muestra se obtiene por perforación de un testigo de roca, orientando ésta paralelamente a la estratificación.

La fuerza debe actuar pergendicularmenk a la estratificación.

Tanto el testigo como las placas de acero deben ser exactamente redondo y planas, respectivamente, debiendo acabarse el testigo con el grano abrasivo neo 8.


Los resultados de los ensayos tienen mucha dispersión, por lo que se recomienda hacer de 10 a 28 ensayos por cada testigo de perforacidn para determinar el valor medio.

La resistencia a tracción viene dada por Pa expresión:

F, Fuerza de rotura Kp d Diáimetro (4 cm) h Altura (13 cm)

39 Coeficiente de desgaste (F) en Kp/cm, definido mediante la expre- sión

Q = Contenido en cuarzo o en minerales abrasivos. 0, = Diáimetro del grano de cuarzo (cm.). R, = Resistencia a la tracción en K p / ~ r n ~ ~

4) Contenido en cuarzo (minerales abrasivos).

Se hace un anilisis cuantitativo de los minerales presentes, como por ejemplo:

Contenido en cuarzo: 30 % Feldespato: 50 O10

Fllosilicatos: 20 %

Todos los minerales cuyo hamaBíio de grano es inferior a 20 p. se consideran como filosiíicatos.

A cada mineral se le asigna un factor; algunos de estos factores son (se- gún Rosiwal):


TABLA 8.3.6. DUREZA VILKERS 'BI MOHS (TALOBRE 1957)

5) Diámetro medio del grado de cuarzo.

Se determina mediante la expresión:

Para ello se hace una preparacibn en lámina delgada de la roca y mediante el microscopio, siguiendo el m6todo de la cuerda, se cuenta el n ~ m e r o de granos de cuarzo (n) (sólo se consideran los granos que se presentan en h r - ma de sílice libre) y se mide la longitud de la cuerda (S) en la punteria del microscopio (el microscopio no tiene que enfocar en el centro de los granos).

Cuando las rocas no tienen cuarzo, para dar validez a la fórmula, se considera un tamafio de grano ficticio @m = 0,002 cm.

Como ya se ha dicho, el desgaste es función del contenido en minerales abrasivos (Q).

Sin embargo, anilisis efectuados han puesto de manifiesto que:

a) el desgaste aumenta cuando (Q) aumenta. b) con contenidos elevados de minerales abrasivos, se producen grandes

diferencias.

En an6lisis microscópicos se ha comprobado que con iguales contenidos de cuarzo en las rocas, los valores altos del dihmetro medio de los granos de cuarzo daban mayores desgastes que los valores mis bajos.

El desgaste con una arenisca de grano grueso puede ser 50 veces mayor que con una arenisca de grano fino. E% diferente comportamiento al desgaste debe atribuirse al efecto de la granuíometria.

La figura n.' A.3.1 muestra que el desgaste producido por una roca sinté- tica, formada por granos de cuarzo de 0,280 mrn de dihmetro medio, aumenta linealmente hasta un contenido de cuarzo del 50Q/o para luego disminuir este desgaste con mayor porcentaje de cuarzo.

Vemos que una roca sintética con un 30% de cuarzo produce el mismo desgaste que otra con el 70%.

Esto es debido a Ba diferente resistencia a tracción de las dos rocas.

La resistencia a tracción es representativa de la fuerza de enlace entre los granos de cuarzo.

Ea figura A.3.2 muestra los desgastes producidos por otra roca sintética en $a que el tamaño medio de los granos es de 0.15 mm. Se observa que, a partir del 50% de cuarzo, se produce un descenso del desgaste y de la resistencia a tracción del material.

Como consecuencia del menor tamañao de grano, la gráfica tiene menor pendiente y unos menores desgastes.


Figum n." A.3.1. EI desgaste enfunción del contenido de cuarzo (según J. Shimazek, H, Knatz, 1970).

C O N T E N I D O D E C U A R Z O E N "/- E N V O L U M E N

Figura n." A. 3.2. EI desgaste en función del contenido de cuarzo (segzin J. Shimazek, H. Knartz, 1970).

NOTA: En la Fig. A.3.P el diámetro medio de los granos de cuarzo es de 0.280 mm. En la Fig. A.3.2 el diimetro medio de los granos de cuarzo es de 0.150 mm.

Podemos, pues, concluir que el desgaste es funci6n de los siguientes factores:

a) Contenido de minerales abrasivos.

b) Diámetro medio de los granos.

c) Cemento que une los granos, Cste puede representarse cuantitativa- mente por la resistencia a la tracción de la roca.

APENDICE III 261

ROCA SIRIVEBICA ROCAS CARBONIFERAS DEL W U H R

C O E F I C I E N T E DE DESGASTE F E N k p / c - i

Figura n.' A.3.3. Relactdn entre el codcienee de desgaste F y e% desgasee (segtilm J. Shi- mazek, H~ Knatz, 1970).

NOTA: Tamafio medio de los granulos de las rocas sintéticas 0.02-0.45 mm.

Si se reúnen estos tres gariimetros en el coeficiente de desgaste (F) indicado en el punto 3 del apartado 3, vernos que el desgaste depende linealmente de este coeficiente.

La figura nmo A.3.3 muestra el desgaste debido a unas rocas carboniferas de8 Reihr; vemos en este caso que una gran parte de %os puntos se agrupa alrededor de la recta obtenida con rocas sintktlcas. Sin embargo, una parte considerable diverge; esto es debido a que en las rocas con resistencias a tracción superiores a 100 Kg/cm2, la presión de las cuchiBlas de la mhquina de enswos desciende por debajo de Ha presión critica, deslizkndose ésta sin arrancar nin- gún polvo.

Rocas con coeficientes de desgaste de F = 0,06 Kp/cm se cortan bien con desgastes ligeros.

Rocas con un coeficiente de desgaste de F = 0,42 Kp/cm se pueden rozar satisfactoriamenee.

Actualmente, y según las experiencias obtenidas hasta Ia fecha, es posible el rozado con picas de metal duro de rocas con un coeficiente F = 0,5 Kg/ cm con las mhquinas mhs potentes del mercado.

Como elemento de comparación diremos que con cortadores de disco se


APENDICE III

\ Figure N* 4 ! \ \ \

MOVIMIENTO DE L A S CURVAS ', -CON EL AUMENTO DE L A FRACTURACION

R e n d i m i e n t o m e d i o de rozado rn5 /hora l i n r i t u l

Figura n.OA.3.4. Relación entre el consumo de energia especl$ca y rendimiento de rozado

pueden cortar rocas de hasta un coeficiente F = 2,7 Kp/cm y aún mayor dis- minuyendo la velocidad de corte.

EB departamento de ingenieria minera de Newcastle Upora-Tyne ha desarrollado unos test de laboratorio para medir la rozabilidad de una amplia variedad de rocas sedimentarias.

Han adoptado como parámetro para estimar Ba rozabilidad de las rocas la Energ8a especa3ca medida en Baboratorio (EEs),; obtenida en condiciones unificadas suministra una medida fiable de la rozabiáidad de Bas rocas. Se define como el trabajo realizado por unidad de voíumen de roca (MJ/m3). Se obtiene dividiendo la componente media de Ba fuerza de corte por Ba produc- ci6n de material rozado, expresado 6ste como el volumen de material por unidad de distancia de corte.

Aunque la produccidn de material rozado estár influenciada por diversos factores operacionales como: profundidad y geometráa de corte, espaciamiento Bineai y grado de desgaste de los cortadores, el uso de un test unifica- do de rozado, asegura que la variación de la Energia específica puede atribuirse directamente a las caracterásticas de rozabllidad de las rocas ensayadas.

En la tabla n." A.3.2, confeccionada con datos obtenidos en mGBtipBes casos de rocas sedimentarias masivas, se define la rozabilidad de una roca en

EXGAVACION MECANICA DE TUNELES

5 i.6

E 1.5

D

- e 1.2 M O T A : E N ROCAS DURAS D E L IMPACTO INCREMENTA

09 EL CONSUMO DE PICAS..

D

B - 0 . 6

0.3

O 0.1 0 . 2 03 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Consumo de p i c a s ( p l c ~ s l m ~ i n situ)

Figura neo A.3.5. Relación entre e% índice de desgaste y el consumo de pisas

función de su nivel de energia especifica medida en laboratorio para rozadoras de peso medio y pesadas. Vemos que para rozadoras medianas la rozabilidad comienza a ser aceptable a partir de 12 MJ8m3 de Energba especifica, mientras que para las rozadoras pesadas dicho nivel aumenta hasta 17 MJ/ m3.

De los resultados de las energáas especificas obtenidas en el laboratorio y los rendimientos de rozado se han establecido las correlaciones de la figura A.3.4, y que nos permiten, a partir de la energia especifica: hacer una predic- ci6n sobre el rendimiento de rozado.

A.3.1.2.1. Desgastes

Se ha obtenido una correlacidn entre el indice de desgaste del cortador en prueba de laboratorio QMgBm) y el consumo de picas en areniscas abrasivas. El indice de desgaste es el peso de carburo de tungsteno perdido por el cortador durante cuatro cortes experimentales y viene expresado como el peso perdido por metro de roca cortada.

La relaci6n maternatiea viene dada por 1a expresi6n C.P = 0,29 (D.C.),

En Pa que C.P. consumo de picas (picas/m3 in situ) (D.C), desgaste de corte en laboratorio (mg/m).

La figura A.3.5 expresa gráificsamente dicha corrrelaci6n. Cuando nos vemos en la zona de mala rozabilidad, e9 consumo de chiles aumenta drarnhti- camente como consecuencia de Ba rotura por impacto del carburo de tungs-

APENDHCE IPI 245

teno de las picas. Este tipo de desgaste depende mucho de% método de opera- ción y puede doblar e incluso cuadruplicar el consumo de Pátiles previsto.

.4.3.6.2.2. ReladBn entre los Zndiees de bca roccay lospawmerros de esfa obtenidos mediante test de baborato~io

A partir de los test «cene indenter test (COI.)» y el índice de plasticidad (K), se ha establecido una correlación entre éstos y la energía especifica (EEs), dada por Ia expresibn

El (tcone hndenter test» reproduce de un modo similar, a escala de kabora- torio, la accibn de corte producida por las picas durante eH rozado y se representa el factor dominante.

En cuanto al indice de plasticidad (K), representa un importante aspecto del mecanismo de rozado, y es que una porción de energia es siempre consumida en deformaciones plhsticas en rocas no friigiíes.

Esto explica por qub: se requiere un consumo elevado de energáa para rocas blandas plhsticas como sales, anhidritas, etc.

En la tabla A.3.3 se indican los valores de la dureza de indentaciCsa, ctln- dentation hardness», para los tipos mhs comunes de rocas sedimentarlas.

TABLA A-3.3. VALORES DEL ENSAYO CONE HNDENT" R A M ALGUNAS ROCAS SEDHMENTAREAS (Me. "A"-SMITB, 1977)

ARENOSAS ARCILLOSAS EVAPOUTIíVAS

TIPO DE ROCA C.1. TIPO DE ROCA C.I. TIPO DE ROCA C.I.

Arenisca no cementada 0,6 Carbón u Arenisca KEUPER 1,3 Equistos AaciPlosos 2,s

Arenisca BUNTER 2,3 Sal 3,6

Arenisca silícea BUNTIER 4,4 Anhidrita 4,%

Arenisca silícea 18 Yeso 4,s

Cuaícita 1% Caliza 7,s


En la tabla A.3.4 se presenta la escala de dureza que se utiliza en el «NCB cone indenter)).

TABLA A.3.4. ESCALA DE DUREZA EN EL ENSAYO NCB CONE

INDENmR (M". FEAT-SMITM, 1977)

DUmZA PATRBN DESCRIPClION

0 - 1.00 Baja

1.01 - 1.80 Moderadamente baja

1.81 - 2.50 Moderadamente dura

2.51 - 4.00 Dura

4.01 - 6.00 Muy dura

6.00 i Extremadamente dura

El coeficiente de plasticidad (K) se define mediante ía f6rmula

K = H2 - H1 X 100% expresado como porcentaje, en la que: H*

H, es la dureza final medida con el escleroscopio Shore después de 20 ensayos y B, es el valor medio del rebote.

En la figura n.' A.3.6 se representa Ba variaci6n de la dureza al rebote de una lodolita con eP níamero de ensayos.

dureza

al rebote con el número de ensayos 10 20 30

APENDICE IIH 267

En la tabla 11." A.3.5 se indica el coeficiente de plasticidad medido con e% eseleroscopio Shore de algunas rocas tipicas.

Ua$BLA Neo A.3.5. EL COEHICIENTE DWLASTICIDAD B DE ALGUNAS ROCAS (M@. FEAT-SMi%lTH, 1977)

ROCAS

AMNOSAS ARCILLOSAS EWPOM'FIVAS

Cuarcita O Carbón 2 Caliza excelente 22

Arenisca no cementada 2

Arenisca silícea 8

Arenisca siln'cea BUNTER 24

Arenisca BUNTER 33-39 43 5'2

Arenisca m U P E R 53 50 62

A.3.1.2.3, Relación entre el desgaste medido en laboratorio y los ensayos sobre las muestras de roca representativas

Por otra parte, se ha establecido una correladón matemitica entre los siguientes parimetros:

(DC), desgaste de corte medido en laboratorio SH dureza Shore @.C. coeficiente de cementación Q.G. contenido de cuarzo

Resultando Ba siguiente fdrmula:

Pasemos a analizar cada uno de estos paráimetros.

Se determina con el escleroscopio Slraore mediante un ensayo de dureza al rebote en el laboratorio y representa el valor medio de ésta en relación con el contenido de minerales duros y con el material de uniBn.

El valor del rebote guarda una relacibn con Ba composicibn mineralbgica de la roca y puede utilizarse para obtener una rápida medida del porcent4e de minerales duros para rocas con un tarnafio de grano mayor que 0,2 m/m.

EB valor medio de Ba dureza al rebote Shore da una medida de la dureza de la roca en funci6n de la mineralogia, elasticidad y cementación de la roca.

Para hacer los ensayos deben talllarse probetas y efectuar series de medidas para establecer valores medios de dureza al rebote.

Otro tipo de instrumento es el martillo Schmidt, que se utiliza in situ para determinar la dureza de rebote de bloques intactos.

Los valores de rebote con esclerómetro o eseleroscopio presentan sana correlacibn con Ba resistencia a compresión de las rocas y por consiguiente de los módulos de elasticidad. EB U.S. Bureau of Mines admite que la resistencia a la compresibn es proporcional al valor rebote.

En las figuras '7 y 8 se indican estas correlaciones,

A.3.1.2.5. CseJZciente de cementación (C. CJ

El grado de cementaci6n, asi como la naturaleza del cemento que contienen las rocas, influye de un modo muy directo en el desgaste de útiles de corte; esto explica el diferente desgaste de diferentes areniscas de similar contenido de cuarzo.

Para cuantificar el grado y el tipo de cementadón se hizo un estudio de láirninas delgadas al micriocopio con fotomicrografias de las superficies de rotura sobre una amplia gama de rocas; se obtuvieron las siguientes conclusiones:

1) El tipo de cementeación vendri en funci6n de la dureza del material de que se compone el cemento.

2 ) El tamafio de grano de los componentes de cuarzo de las arenas, llrnos y afectan a la resistencia de ía unión y vendria representada POH. este orden.

3) El grado de cementaci6n es significativo en casos extremos y las mayores variaciones en la porosidad de una roca proporciona una buena medida de éste.

En la tabla A.3.4 presenta unos valores del coeficiente de cementaci6an obtenidos.

APENDPCE IPP

DENSIDAD % p c f 1

Figura n.' A.3,7. Relación entre Pa dureza Shore y Ia resistencia a compresión de una roca (L. Adder> G. K Krishnan, 9983).

WABLA A-3.6. "EFICIENTE DKGEMENTACHON DE ALGUNAS ROCAS (Me. FEAT-SMITH, 1973)


DENSIDAD ( p e f 1

MODULO DE DEFORMAClOM f x 10 'ps i 1

Figura n.' A3.8. Relación entre /a dureza Schmide, la resistencia a la compresidn y el módulo de d40rmacidn de una roca (L. Adder? G. K Krishnan, 1983).

JURGEN SH~MAZEK und Dr. phil H o ~ s a KNATZ: Der Einflub des Gesteinsauiii baus auf die Shnittgeschwindigkeit und den MeibeBveaschBeib von Streckenvor- triebsmaschinen, von DipB. geol. Dr. rer. nat. Essen. Glückauf 1970 Marzo Kr 6.

E. ADDER and G. V. MRHSHNAN: A unified Rock Classification for drilling asad boring, 1983 Rete. Proceedings, volume 1, pag. 157-194.

IAN Me FEAT-SMITW and ROBEN J. F 0 v ~ k ~ : T h e Selection and Applieation eaf Roadheaders for Rock Tunnelling, 1979 Rete Proceedings, vol. 1, pag. 261-279.

MecBnica de Rocas (Talobre). Publicaciones Técnicas de Mackina-Westklia, S. A.

I Mc FEAT-SMHTH. Rock property testing for the assessment of tunneliing machine performance. Bsc PhD. Tunnels and Tunnelling, Mareh 1977, pag. 29-33.

T D L A S DE USO "CUENTE (ROCAS)

El indice de calidad de Ha roca es:

RQD Jr Sw Q=-.-.- Jn Ja SRF

donde:

RQD es el indice RQD (Rock Qualihy Designatiom)

Jn es el ándice de juntas.

Jr es el indice de rugosidad.

Ja es el indice de alteración.

Sw es el factor de reduccH6n por presencia de agua en las juntas.

SRF es el factor de reducción por estado tenskonal.

RQD - Rock Q u a l i ~ Designation

Suma de gong. de testigos de long. mayor de 100 mm. RQD =

Longitud total de la perforación X 100

Debe tenerse en cuenta la orientación de los sondeos. Sondeos orientados paralelamente a los planos de estratificación, pueden dar valores elevados del RQD, mientras que sondeos perpendicuíares a estos planos pueden dar valores menores del RQD. El RQD puede estimarse mediante la inspec- cB6n de las superficies expuestas de roca determinando el número de planos de juntas por m3 de roca.

Esto puede hacerse contando el número de juntas (excluyendo las fracturas por voladuras) que interceptan una cinta de 2-3 ma5 apoyada sobre la pared excavada.

El nbemero de juntas dividido por la longitud observada, da el. número de juntas por metro.

Este mismo proceso se repite en dos direcciones adicionales: la suma de estos tres valores da Jv, n.lámero de juntas por m3. y el valor del RQD se obtiene mediante la expresión:

RQD = 115 - 3,3 Jv.

272 EXCAVAClON MECANICA DE SUNELES

NOTAS:

- Para evaluar el índice Q se toma como menor valor del WQD el valor 10.

- Intervalo del RQD de cinco, 100, 95, 90 ..., 10, dan suficiente exactitud.

Jn. Indice de diaclasas.

El Indice de juntas viene dado en Pa tabla

os familias y juntas aleatorias

NOTAS: - En intersecciones usar Jn = 3 Jn - En portales usar Jn = 2 Jn

DESCMPCIBN DE LAS BUGOSIDmES DE LAS

SUPERFICIES DE

RUGOSA SUAVE PULIDA

PLANOS GONTENIENTO RELLENO GRUESO DE

ARCILLA

DISCONTINUA ONDULADA

NOTA: - Afiadir 1,O a Jr si el espaciamiento medio de la junta es mayor de 3 m.

Ja. ladice de alteración

El n'aidice de alteración considera el grado de alteración de las superficies de las diaclasas y el espesor y la naturaleza del material de relleno.

APENDICE HV 273

Este paralmetro determinar8 la resistencia a4 corte de la masa rocosa, asa como su dehrmabilidad y su potencial de Wuencia o de hinchamiento.

I 1 DESCWIPCION DEL RELLENO

HNDHCE DE ALTEMLñON

DE DIACLASAS (Ja) PAM

UNA SEPAMCION ENTRE

JUNTA (mm,).

Fuertemente soldado, duro: relleno de mineral de roca impermeable no reblandecible.

Diaclasas de paredes inalteradas: superficie solamente coloreada.

Ligeramente alterado, relleno de mineral de roca no reblandecible no cohesivo o de roca triturada.

Relleno no reblandeclble, ligeramente arcilloso no cohesivo.

Relleno de minerales arcillosos no reblandecibles y fuertemente preconsolida- do, con o sin roca triturada.

Recubrirnientos de minerales arcillosos reblandecibles o de baja fricci6n y peque- 5as cantidades de arcillas expansivas.

1

Relleno de minerales arcillosos reblandecibles moderadamente preconsolidados,

I con o sin roca triturada.

Relleno de arcilla fraturado o rnicro-fracturado (expansiva) con o sin roca triturada.

Datos añadidos al original para completar la secuencia. NOTAS: (1) Paredes de diaclasas en contacto efectivo.

(2) Paredes que se ponen en contacto antes de un desplazamiento tangencial de 100 mm.

(3) Paredes que no se ponen en contacto, aunque haya desplazamiento tangencial.

(4) También se aplica en presencia de roca triturada dentro de un relleno de arcilla y no hay contacto entre las paredes de roca.


Jw. Factor de reducción des" agua en /as diaclasas

Este factor tiene en cuenta la presión de agua sobre las paredes de las diaclasas, asi como el potencial de lavado y reblandecimiento del relleno de la diacáasa.

CONDIGION DEL AGUA SUBTERmNEA

Excavación seca o entrada de agua localmente < de 5 l/m.

Entrada de agua moderada, ocasional lavado del relleno de dlaclasasdfisuras.

Entradas fuertes de agua en terrenos competentes con diaclasas/fisuras no rellenas.

Entradas fuertes de agua con considerable lavado del reíleno de diae%asas/fisusas.

Excepcionalmente altas entradas de agua decre- ciendo con el tiempo.

Excepcionalmente altas entradas de agua continuando sin aparente disminuci6n.

ALTUM DE AGUA

NOTAS: - Las hliimas tres categorías se han estimado groseramente. Aumentar Jwr si se adoptan

medidas de drenaje.

No se consideran los problemas especiales causados por la. formaci6n de hielo.

SRI, Factor de reducción de tensiones

(a) Zonas blandas que interceptan la excavación que pueden causar un aflojamiento de Ia masa de soca cuando se ha excavado el tiinel.

APENDHCE HV 275

Mdltiples zonas blandas que contienen arcilla o roca quimica- mente desintegrada, roca circundante muy aflojada.

Zonas blandas aisladas que contienen arcilla o roca quimica- mente desintegrada (profundidad de excavadón < 50 m.).

Zonas blandas aisladas que contienen arcilla o roca quimica- mente desintegrada (profundidad de Ia excavación >50 m.).

Mhltiples zonas de cizalíamiento en roca competente (arcilla libre) aflojamiento de la roca circundante (a cualquier profundidad).

Zonas aisladas de cizallamiento en roca competente (arcilla 1i- bre) (profundidad de Ba excavación < 50 m-).

Zonas aisladas de cizallamiento en roca competente (arcilla libre) (profundidad de excavación > 50 m.).

Diaclasas abiertas, fracturación Intensa o «cubo de aztlcarn (a cualquier profundidad).

NOTAS: - Reducir estos valores del SRF un 25-30 % si las zonas de cizalBamPento no interceptan la

excavaci6n,

(b) Roca competente, rocas con problemas de tensiones.

Tensiones bajas, cerca de la superficie.

Tensiones medias.

Tensiones elevadas, estructura muy rigida (generalmente favorable a la estabilidad, puede ser desfavorable para Ia estabilidad de las paredes).

Moderada explosión de roca (roca masiva

Fuerte explosión de roca (roca masiva). -

saa

Todos los valores seleccionados para los seis parhmetros, basados en ob- senaciones o estimados se sustituyen en la expresibn:

RQD %r Jw Q = J ~ X X - 9a SRF

Obteniéndose el valor del ándice de calidad de Ia roca Q.

276 EXCAVACION MECANICA DE TUNELEC

ESTABILIDAD

A - Roca dura (compacta, roca ignea con sedimentos masivos potentes, gneis masivo).

B - Roca kfactearada (roca ignea fracturada, sedimentos delgados, rocas metamórficas con marcada foliación).

C - Roca densamente fracturada (rocas Igneas densamente fracturadas, esquistos, pizarras y rocas metamórficas máis blandas).

D - Roca desmoronable (rocas blandas, pizarras arcl- Ilosas, rocas duras dislocadas y parcialmente alteradas).

E - Roca muy desmoronable roca dislocada, rocas blandas, rocas duras m8s dislocadas y alteradas.

F - Roca que ejerce presión (pizarras arcillosas alteradas y dislocadas, suelos cohesivos con consls- tencia de sólida a dura, arena y grava con alto contenido de humedad).

G - Roca que ejerce fuerte presiajn (suelos cohesivos con consistencia blanda a firme, arenas saturadas y gravas, rellenos, suelos orginicos).

6 meses

ñ semana

5 horas

20 minutos

2 minutos

10 segundos

2. Clasificación de rocas en funeidn de su resistencia a la compresibn simple

O O

Muy blanda I~h&u/ Dura 1 Muy dura

Modemd.Modssadam. Extremad. Geolqical Soeioty

Coate% 9964

poco resinente

RESISTENCIA A LA COMPRESlON UNIAXIAL, M P a

Pcec W s t r e s n . l m i a

~ i e n i a w s k i 9 9 7 3

ResisP~n~ia muy baja

Muy restst.

Res~d . baja

E n t r a d . resisten*.

Deore y Miller 1966

MQk. resist.

Reást. a l t a

Res ls te~ ia muyalta

2.1. Relación entre el n6meao de rebote Schmidt y la resistencia a la compresf6n de la rosa (Wedram-Mlller)

NUMERO DE REBOTE SCHMIDT(L- H A M M E R )

2.2 Clasificación de las rocas segdíin sn resistencia.-(Des@ de Deere y MiIBer, 1966)

DESGWIPCION COMPRESION

Resistencia muy alta Resistencia alta Resistencia media

2.3, Cladfimeibn de la roca Intacta, basada en el m8duls eocfemte.-(Despn6s de Deere y Miller, 1966)

MBdulo moderado

NOTA: El módulo cociente se define como la relación entre el módulo tangente al 50 010 de la resistencia final del material y la resistencia a compresi6n uniaxial de la roca.


3.1. Clasificación seghn WQD.-(DespnBs de Deere et al. 19661

1 RQD % 1 CALIDAD DE ROCA 1 Muy mala Mala Media Buena Excelente

3.2. Clasificación de ratas duras y blandas -

Clase roca Módulo de deformación, Eo i l O S Pal

y módulo de poissou Densidad de jwntas

Pequefia, media grande

Valores de ProQod- yakonov

Resistencia [loS ~~1

(Nota)

r ROCAS D U M S 1 a) Sanas ígneas y

metamórficas.

b) Sanas sedimentarias y de potente estratificación.

2 a) Igneas y metamórficas parcialmente alteradas.

b) Sedimentarias y de estratos potentes parcialmente alteradas. C) Sedimentaria sana.

3 a) Pgneas y metamórficas alteradas b) Sedimentarias alteradas y de estratos potentes.

c) Sedimentarias parcialmente alteradas. d) Sedimentaria sana, estratos delgados.

4 a) Sedimentarias alteradas b) Parcialmente alteradas.

ROCAS BLANDAS

6 Parcialmente alterada; medianamente consolidada.

7 Alterada; poco consolidada.

NOTA: La resistencia a compresión se mide en probeta ciibica de 5 cm saturada de agua.

CATEGOWIA 1.- Tectónicamenle altamente fracturado con bandas de arcilla y esquistos alterados con juntas rellenas de arcilla.

CATEGORIA 11.- Gneis fuertemente laminado, principalmente biotita con intercalaciones de esquistos alterados y blandos con arcilla.

CATEGORIA 111.- Biolita tectónicamente fracturada, gneis laminado con inlerca- lacisnes de anfibolita, granito y esquisto c1orítico.

CATEGORHA IV.- Principalmente gneis con biotita con intercalaciones de gneis cuiarcítico con biolita con pequefia cantidad de gneiss clorítico.

CATEGORIA V.- Principalmente gneiss con biotita con ligeros dafios tectónicos. CATEGOWIA VI.- Principalmente gneiss cuarcático con biotita con mn'nims dafio

tectónico.

7. CbsikaeH6n de las rocas sedimenh-Iias.-(DespuCs de GIBlnhy, Wateas, Waaedfor$1959)

ROCAS "LASTICAS SEDHMENTARIAS

ROCA CBNSOLIDmA

Conglomerados

Brechas

Areniscas cuarcíticas

Arcosas

Caliza eláistica

MBINmL PRINCIPAL 8 COMPONENTES RESIDUOS

Cuarzo y fragmentos de roca

Gravas

Fragmentos de roca

Cuarzo y feldespatos.

Cuarzo, feldespatos, arca- Ela, fragmentos de roca, restos volcáinicos.

Minerales arcillosos, cuarzo.

Calcita

Rable (fragmentos angulares) Arena

Arena rica en CUsZTZQ.

Arena rica en feldespatos.

Arena sucia coa arcillas y fragmentos de roca.

Lodo, arcilla y limo.

Fragmentos de conchas y granos de calcita.

2 2 mm.

2-1/16 mm.

MHNWLES ROCA PRINCIPALES O

CONSOLIDADA COMPONENTES DE ROCA

NATUMLELA ORIGINAL

DEL MATERIAL

GOMPOS. QUáMIeIA

DEL MATERIAL

DOMINANTE

Dolomita Caliza o limos calcá- reos no consolidados.

Turba y carbón Materiales orgálnicos i Fragmentos de plantas C-i-compues-

tos de C.H.O.

Pedernal-Silex

Halita, yeso, anhidrita.

Conchas silí- ceas y preci- pitados quí- micos.

Residuos de la evapota- ción de 10s océanos o lagos salinos. Variada - Na C1

y Ca SO4 R20

282 E X C A V A G I O N M E C A N I C A D E SUNELES

8. Clasifimcióm de las rocas metam6~caas,-(Despu~s de GBIIuBy, Wafers y W~odhrd, 1979)

NOMBRE TEXTUW COMUNMENTE MINEMLES DERIVADA DE PRINCIPALES

NO FOLIADA 8 EIGEMMENTE FOEHmA I I l

Roca corneana Hornof6lsica Cualquier roca de Muy variados grano fino

Granoblálsti- ca de grano fino.

Arenisca

Mirmol Granoblhs- Caliza, dolomia. Calcita, magnesio y tica. silicatos cállcicos.

Tactita

Anfibolita

GranuPita

Granobláls- tica de grano grueso.

Caliza o dolomica máls emanaciones magniticas.

Varios Silisatos de hierro, calcio y magnesio, asi como ranete, epi- dolo, pirowenos an- Bboles.

Basalto, gabro, tova. Bomblenda, plagioclasa en menor grado granate y cuarzo.

nos, granate y otros

j/ "LIADA

Cualquier roca de grano fino.

Muy variable. Pizarra esquisto- fiaita

Clorita, Plagioclasa, epiloto.

Esquisto cloríhico Esquistosa o pizarrosa.

Basalto, Andesita, Toba.

Mica-Esquisto Esquistosa. Pizarra, Toba, riolita.

Muscovita, cuarzo, biotita.

Esquisto anfib61i- co

Gneis

Esquistosa. Basalto, andesita, $abro, toba.

Anfibolita, plagio clasa.

Granito, pizarra, diosita, mica-esquis- to, riolita, etc.

Feldespato, cuarzo, mica, anfiboles, granate, ekc.

Feldespatos, anfibo- litas, cuarzo, biotita.

Migmatita Burdamente en bandas, muy variables.

Mezclas de rocas igneas y metamórfi- C8S.

APENDICE HV

9. Clasificación de las rocas Igneas,-(Desp~Bs de 6111nly, Waleas y Waodford, 1954)

Piroclástica Toba volcánica (fragmentos 5 4 mm.) Brecha volcánica (fragmentos 24 mm.)

Vitrea Obsidiana (vidrio masivo) Piedra pómez (vidrio espumoso) Vidrio basáltico

m

'% Granodiorita pla- Dolerita o diabasa Piroxenita piro-

4 gioclasa y feldes- (grano fino) xeno sólo. Ser-

a pato predominan- pentina olivino

Ci temente alterado y piroxeno

F2 6 Aumento del ta- Contenido de-

3 maiío de grano creciente en sili-

d

Afanitica Riolita y dacita Andesita Basalto

8 0

8 e

CONTENIDO DECRECIENTE EN SHLICE

18. Velocidades de Ba onda sismica

Granular Granito Diorita Gabro Peridotita olivi- Feldespato potási- no y piroxeno 60 predominante- mente

O

a r e m gruesa.

marga -creta-greda . cal iea y arenisca.

VELOCIDADES MEDIAS DEPROPAGACION DEONDAS LONGITUDINALES PARA ALGUPlAS ROCAS TIPICAS DE es pies d e R i n e h a a t For t in y B u r g i n 19 6'1)

ROCAS COMPACTAS

Dunita 7 Km/s

Kl iabasn 69 K m l s

Ga bro 6,; Km1 s

Dolomita 5,s Krnls

~ r a n i t o 5 H m / s

ROCAS MEWS COMPACTAS

C a l i z a 4Krn Is

Pizarra y lu t i ta4Krn1s

Arenisca 3 Km/ S 1 K r n l s

0 ,5Km/s

ROCAS 1\10 CONSOLIDADAS

Aluviones 7 K m l s

Arcilla plástical K m l s

284 E X C A V A C I O N M E C A N I C A DE T U N E L E S

11. Densidades de las rocas y mimemlesg $$/m3.-(Desp%aCs de @lar&, 1%6; Daly, Mangea y Clark, 1966).

Granito Granodiorita Sienila Cuarzo diorita Diorita Norita Gabro Diabasa Periodltita Dunita Piroxenita Anortosita

VIDRIOS NATUMLES

Riolita obsidiana Trasguita obsidiana Resinita Vidrio andesítico Vidrio leucitico Vidrio basaltico

ROCAS CRISTALINAS

Tonalita Olivino dolerila Dolerita Eclogita

ROCAS SEDIMENTARIAS

Arenisca Caliza Dolornia Creta Mármol Pizarra (shale) Arena

ROCAS METAMORFICAS

Esquisto 2.700-3.030 Pizarra (slate) 2.720-2.840 Anfibolita 2.790-3.140 Granulita 2.430-3.100 Eclogita 3.338-3.452

12. Propiedades diaalmicas de algunas rocas y minerales (Despues de khevsky aand Novik, 1971)

DE PROPAG.

Granito de grano medio

eluarcita ferruginosa

NOTA: (1) Ea impedancia especifica de onda es el producto de Pa densidad de la roca por su veloci-

dad sónica. 13. e%asificarH6m de abeaBams.-(Despub de 1.BN.W.M. 1975)

DESCmPCIBN OBSERVACIONES

<0,1 mm. 0,P a 0,s mm. 0,s a 2,s mm.

2,s a 10 mm. 210 mm. P a 10 cm. 10 a 100 cm. 2 1 m.

Muy estrecha Estrecha Moderadamente

ancha Ancha Muy ancha Grande Muy grande Cavernosa

Juntas

EXCAVACION MECANICA DE SUNELES

14.1, @lasi"cacidn del grado de meteo6zación

Inalterada

Roca ligeramente alterada

Roca moderadamente alterada

Roca muy alterada

Roca completamente descompuesta

Suelo residual

Sin signos visibles de alteración. Roca fresca, crista- les bri%éan%es, algunas disconkinuidades pueden mostrar ligera coloración.

Desarrollo penetrante de la alteración sobre la superficies de discontinuidades abiertas, pero $610 al- teración ligera del material rocoso. Las discontinuidades estan descoloridas y el descolorido puede extenderse dentro de la roca hasta unos pocos mm. de la superficie de Ia discontinuidad.

Ligera decoloración se extiende a travCs de gran parte de Ia masa de roca. El material rocoso no es friable (excepto en el caso de rocas sedimentarias pobre- mente cementadas. Las discontinukdades estan manchadas y/o contienen un relleno de materiales alterados.

La alteraci6n se extiende a travCs de la masa rocosa y el material rocoso es parcialmente friable. La roca no tiene brillo. Todos los materiales, a excepckon del cuarzo, est8n descoloridos. La roca puede excavarse con el martillo de geólogo.

La roca esta totalmente descolorida y descompuesta dentro de una condición friable, consemando solamente la estructura en los fragmentos de roca. E% aspecto exterior es de un suelo.

Suelo residual con desintegracibn completa de la textura, estructura y mineralogia de la roca origina- ria.

14.2. Redacción de la resistencia de las rocas segaíin su grado de mete06zación (T. R. Stacey/@. H. Page, 1986)

DESCRIPCION DE LA METEORIZACION

0.001 0.OOL 0.01 O$& 0 3 0.6 1 0 FACTOR DE REDUCCION DE RESISTENCIA

1 4 2 "ropaedades ei8stleas de 18s rscas inalteradas

MAmEBHAL DE ROCA COEFICIENTE DE POáSSON

Y

EXCAVACION MECANICA DE TUNEL F F

DESCBIPCIION ESPACIAMIENTO DE JUNTAS

Muy cerrado .................................................. 5 5 cm. ( 2 in) Cerrado .......................................................... 5 a 30 cm. (2 a 12 in) Moderadamente cerrado .....m.................. 30 cm. a H (1 a 3 ft) Ancho ...................... ... ............. .. P a 3 m. (3 a 10 ft) Muy ancho ..................................................... 2 3 m. (2 10 fft)

ClasiEcaadón del espesor de estratos.---(Despn6s de Deere, 1963)

DESGWIPCION ESPESOR D""SMWOS

Muy delgado .................................... 5 5 cmo ( 2 in) Delgado ....................... ....... .............. 5 a 30 cm. (2 a 12 in) Medio ................................... .. ....... 30 cme a 1 m. (1 a 3 ft) Grueso ....................................................... 1 a 3 m. (3 a 10 fft) Muy grueso ....................... .....o~...... 2 3 m. ( 10 ft)

CkASHFHCACf ON ESPACIAMIENTO DE JUNTAS

Extremadamente cerrado ................... .... 5 3 cm. Muy cerrado ..........o................................... 3 a 10 cm. Cerrado ........................................................ 10 a 30 cm. Medio .......................... ... ........................ O a 100 cm. Ancho ........................ ... .......................... 1 a 3 m. Muy ancho .................................................. 3 a %O m.

APENDICE IV

Granito ............................................................. Pizarra ............................................................... 4 X 10-" a í96 X 10-'O Brecha ........................................................... Calcita ................... ... ........O.......,.................

...................................... Caliza ................... .. 4 X 10-'O a 42 X lo-' Dolomia ................... .. .......................s.,....... 4,6 X 10-9 a B92 X PO-$ Arenisca ................... ... .............................. 1,B X a B,2 X lo-' Lodolita dura ...........o..............,..................... 6 X a 2 X Esquistos negaos (fisurados) ................ m-4 a 3 % Areniscas de grano fino ......................... Roca oolítica ................... .. .................,.O.... Arenisca Bradforl ..........,.................e....... 2,2 X a 6 X Arenisca Glenrose ................................ B,5 X lo-3 a 1,3 X IW4 Granito alterado ................... .. ..........O....

MATERIAL ROCOSO DETERMINACIONES IN SITU

Migmatitas ........... .............. .e................a..... Arterltas y pizarras cáorílicas ............... Gneis .............................................................. Granito pegmatítico ..................O............... Lignito - estrato .................................... Arenisca .......................... .. ..............o.......... Lodolita ........................................................ Caliza del Ooceno ............m....,...............


1 1 Estimacibn desc&ptiva de Ia resistencia a %a eompresibn de las rocas

RESISTENCIA DESCHWIVA DE LA ROCA

Fácilmente moldeada con los dedos; muestra marcas claras con el tacón.

Se moldea con los dedos con fuerte presión; leves marcas con el tacón.

Muy dificil moldear con los dedos; se corta dificilmente con Ba azada.

No se puede moldear con los dedos; no se puede cortar con la azada y requiere el pico para excavarse.

Muy ardua y dificil en excavación con el pico; se necesita pala neumática para ser excavado.

Se desmorona con folpes firmes con la punta del mas- ti110 de geólogo; puede desconcharse con un ~uchi%lo. Es también dificil obtener una muestra manualmente.

Se puede apenas rayar y desconchar con una navaja; se obseman indentaciones de hasta 3 mm. en la muestra con golpes contundentes con el pico del rneartillo de geólogo.

No se puede rayar ni desconchar con la navda. Una muestra puede romperse con un golpe firme de8 martillo del geólogo.

Se necesita mhs de un golpe para poder romper una muestrsl sostenida en la mano.

Se necesitan muchos golpes para poder romper na muestra.

RESISTENCIA 1

R. D. LPLMA~ V. S. VUTURURI: Handbook on mechanical properties of rocks; Trans Tecla PublPcatBons 1978.

T. R. SSACEY/ C. H. PAGE: baclical Handbook for Undergrsund Wock Mecha- nics. Trans Tech Publications 1986.

EXCAVACION MECANICA DE TUWELEC

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A.5.3. Velocidades de las ondas aP» (CBayton, N. E. Simons, 1982)

--

VAILOmS TIPICOS DE LA ONDA «P»

MATERIAL

Suelo superficial (seco arenoso) Suelo superficial (hbímedo) Relleno seco Relleno saturado Arcilla arenosa seca Arcilla arenosa saturada Aluvión y arcilla Arcilla saturada densamente fisurada Agus (depende de 1a temperatura y el contenido de sal) Agua de mar Limos Arena y grava (saturada) Areniscas y pizanas Greda Greda dura - Grado II

Grado V Caliza, y dolomica Rocas igneas sanas y metamórficas Sal y anhidrita

A,5,4, Relación e ~ t r e la consistencia y la resistencia al corte sin drenae


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EXCAVACION MECAWICA DE TUWELEC

L. HOBST and J. ZAJIC: Anchoring in Rsck and Soil, Elsevier Scientific Publis- hing Csmpany, 1983.

C. R. 1. CLAYTON, N. E. SIMONS and M. C. MATTWEWS: Site Investigation a Handbsok for Engineers. Granada hblisking, 1982.

Factores de conversión

CONVERTIR MULTIPLICAR OBTENER POR

abamperes abcoulombs abfarads abfarads abhenries abhenries abohms abohms abvolts acres acres acres acres

acres 4.035 x lo4 acres 4.047 x lo3 acres 1.562 104 acres 4.840 x acre-feet 4.356 x lo4 acre-feet 3.259 x á05 amperes/sq. cm. 6.452 ampereslsq. cm. E. x lo4 amperesisq. in. 9.550 x 10-" amperes/sq. in. 1.550 x lo3 amperes/sq. meter 1.0 x amperes/sq. meter 4.452 x ampere-hours 3.600 x lo3 ampere-hours 3.731 x ampere-turnas 1.25'7 ampere-turnsicm. 2.540 ampere-turns/cm. 1. x 102 ampere-turnsiin. 3.937 x 10-" ampere-turns/in. 3.937 x 10" ampere-turns/in. 4.950 x 10-' ampere-turns/meter 1. x ampere-turns/meter 2.54 x ampere-turnslmeter 1.257 x angstrom unit 3.937 angstrom unit 1. x 10-'O angslrom unit 9.

amperes statcoulombs farads microfarads henries millihenries ohms megahoms volts sq. chains (gunters) rods sq. Biaaks hectares or sq. hectometers

sq. SI. sq. meters sq. miles sq. yards cu. feet gallons ampslsq. ira. ampsisq. meter amps/sq. cm. ampsisq. meter ampsisq. cm. ampslsq. in. coulombs faradays gilberls amp-turnsian. amp-turns/meter amp-%urns/cm. amp-turns/rneter gilbertsicm. amp-turns/cm. amp-turnslin. gilberts/cm. inches meters microns os (mu)

300 E X C A V A C I O N M E C A N P C A D E T U N E L E C


ares ares ares astronomical unie atmospheres atmospheres atmospheres

atmospheres

atmospheres

atmospheres

atmospheres

atmospheres ahmospheies atmospheres

barren§ (u.s., dry) barrels (u.s., dry) barrels (u-s., dry) barrels (as . Biquid) barreis (oil) bars bars bars bars bah~ barye bolt (u.s., ~10th) btu btu btu btu $tu blu btu btu btu btan/hr. btu/hr. btu/hr. btbl/hr. btuimin. btu/mira. btu/min. btu/min. btu/sq. ft./min. bucket br. dry bushels

acres (u.$.) sq. yards sq. meters kilometers tons/sq. in. tons/sq. foot cms. of mercsiry (at 0" C.)

ft. of water (ae 4' C.)

in. of mercury (ar 0" C.)

meters of mercbnv (at O" C.)

millimeters of mercury (at 0" C.)

kgs./sq. cm. kgs./sq. meter poundsisq. in.

bushels cu. inches quarhs (&y) gallons gallons (oil) atmospheres dyanes/sq. cm. kgs/sq. meter pouíads/sq. ft. poundsisq. in. dynesisq. cm. meters liter-atmospheres ergs foot-pounds gram-calories horsepower-hours joules kilogram-calories kiPogrammeters kilowatt-hours ft.-pounds/sec. gram-cal./sec. horsepower watts fe.-pounds/sec. horsepower kilowatts watts watts/sq. ira. cubic cm. cubic ft.

CONVERTIR MULmIPLICAR OBTENER POR

bushels bushels bushels bushels bushels bushels

calories, gram (rnean)

candlefsq. cm. candlefsq. in. centares centigrade(degrees) centigradeqdegrees) centigrams centiliters centiliters cenatiliters centiliters centimeters centimeters centimeters centimeters centimeters centimeters centirneters centimeters centimeters centimeters centimeter-dynes centimeter-dynes centimeter-dynes centimeter-grams cenatimeter-granas centimeter-grams centimeters o f merciary

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centimeters o f mercury

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2.1504 x lo3 cubic in. 3.524 x cubic meters 3.524 x 10' liters 4.0 pecks 6.4 x 10' pints (dry) 3.2 x 10' quarts (dry)

3.9685 x lod3 btu (mean)

3.146 lamberts 4.870 x 10-' lamberts 1.0 sq. rneters (O C x 9/51 + 32 fahrenheit(degrees) O C 9 273.18 kelvin (degrees) P . x grams 3.382 x 10-' oaance (fluid) u.$. 6.103 x 10-' cubic iaa. 2.705 drams 1.0 x liters 3.281 x feet 3.937 x 10-' inches 1. lo-s kilometers 1. x rneters 6.214 x 10-\mi~es 1. x 10' millimeters 3.937 x lo2 mils 1.094 x yards P. lo4 microns 1. x lo8 anagstrom units 1.020 x en-grams 1.020 x 10-' meter-kgs. 7.376 x pound-ft. 9.807 x lo2 cm.-dynes 1. x meter-kgs. 7.233 x pound-ft. 1.316 x atmospheres

1.36 x 110' kgs.fsq. meter

1.934 x 10-' pounds/sq. in.

1.969 feetfmin. 3.281 x feetfsec. 3.6 x kilometersfhr. 1.943 x knots 6.0 x 10-' rneters/min. 2.237 x milesfhr. 3.728 x milesfmin.

302 E X C A V A C I O N M E C A N I C A D E T U N E L E S

CONVERTIR MULTIPLICAR POR

OBTENER

centimelerslsec.4 sec.

cenlimeters/sec./ sec.

centimeters/sec./ sec.

centimeters/sec./ centipoise centipsise centipoise chains (gunters) chains (gunters) chains (gunters) circular mils circular mils circular mils circumference cords cord fl. coulombs coulombs coulombs/sq. cm. coulombslsq. cm. coulombslsq. in. coulombslsq. in. coulombsfsq. meter coulombs/sq. meter cubic cenñtimeters cubie centimeters cubic centimeteis cubic centimeters cubic centimelers cubic centimeters cubic centimeters cubic centimeters cubic feet cubic feet ~ubic feet cubic feet cubic feet cubic feet cubic feet cubic feet cubic feet cubic ket4min. cubic feetlmin. cubic feetlmin. cubic feetfrnin. cubic feetlsec. cubic feetlsec. cubic iaches cubic inches cubic inches cubic inches

miles/hr./sec. gr./cm.-sec. pound/ft.-sec. pound/ft.-hr. inches meters yards sq. cm. sq. mils sq. inches iadians cord ft. cubic. ft. statcoulombs faradays coulombs/sq.in. coulombs/sq. meter coulombslsq. cm. coulombslsq. meter coulsmbsfsq. cm. coulombs/sq. in. cubic ft. cubic ins. cubic meteis cubic yards gallsns (u.$. liquid) Biters pints (u.s. liquid) quaats (u.$. Piquid) bushels (d ry ) cu. cms. cu. inches cu. meters GU. yards gallons (u.§. Biquid) liters pints (u.s. liquid) quarts (u,s. liquid) cu. cms./sec. gallons4sec. IitersIsec. pouads waterlmin. million gals./day gallonslmin. cu. cms. cu. ft. cm. meteis cu. yards

APENBICE VI

CONVERTIR MULTIPLICAR POR

OBTENER

cubic inches cubic inches cubic inches cubic inches cubic meters cubic meters cubic rnelers cubic rneters cubic meters cubic meters cubic rneters cubic rnelers cubic meters cubic yards cubíc yards cubic yards cubic yards cubic yards cubic yards ceabic yards cubic yards cubic yards/min. cubic yards/min. ceibic yards/min.

dalkons 1.650 x days 8.64 x le4 days 1.44 x E03 days 2.4 x 10' decigrams 1.0 x 10-' deciliters 1.0 x 10-' decimeters 1.0 x 10-' degsees (angPe) 1.8 11 x degrees (angle) 9.745 x degrees (angle) 3.6 x lo3 degreeslsec. 1.745 x degreeslsec. 1.667 x 10-' degreeslsec. 2.778 x lo3 dekagrams 1.0 x 20' dekaliters 1.0 x PO' dekameters 1.0 x 10' drams (apoth. ortroy) 1.3714 x le-' drarns (apoth. ortroy)1.25 x 10-' drams (u.s. fluid 3.6967 or apoth.)

drams 2.3718 drams 2.7344 x PO' drarns 6.24: x dyneslsq. cm. 1.0 x dyneslsq. cm. 9.869 x dyneslsq. cm. 2.953 x

gallons liters pints (u.§. liquid) quarts (u.s. liquid) bushels (dhy) cu. cms. cu. ft. cu. inches eu. yards gallons (u.$. Biquid) liters pints (u.s. liquid) quarts (u.§. liquid) eu. cms. cu. ft. cu. inches cu. meters gallons (u.$. liquid) lihers pints (u.s. 1iquid) quarts ( u . liqeaid) cubic ft./sec. gallons/sec. liters/sec.

grarns seconds minutas hours grams Piters meters quadrants radians seconds radians/sec. ñevolutions/min. revolutions/sec. grams liters nneters ounees (avdp.1 ounces Ctroy) cuhsic cm.

gsams gaaíns oeiiLces

ergslsq. millimeter atmospheres in. of mercury

(a6 0' C.)


CONVmTIR MULTIPLICAR OBTENER POR

dynes/sq. cm.

dynes dynes dynes

dynes dynes dynes dynes/seq. cm.

e11 el1 em, pica em, pica ergisec. ergs ergs ergs ergs ergs ergs ergs ergs ergs ergs ergs ergsisec. ergsisec. ergslsec. ergs/sec. ergsjsec. ergs/sec.

farads faradaylsec. faradays faradays fathoms fathoms feet feet feet feet feet feet feet feet of water feet of water feet of water

in of water (at 4 O C.)

grams joules/cm. Joules/meter

(wewtons) kilograms poundals pounds bars

cm. inches inch cm. dyane-cm./sec. btu dywe-centimeters foot-pounds gram-calories gram-cms. horsepower-hrs. joules kg.-calories kg.-meters kilowatt-hrs. watt-hrs. btulrnain. ft.-Bbs./min. ft.-lbs./sec. horsepowaer kg.-calories/min. kilowatts

míerofarads ampere (absolute) ampere-hours coulombs meters feee centimeters kilomeeers meters miles (naut.) miles (stat.) millimeteas mils atmospheres in. of rnercury kgs/sq. cm.

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CONVERTIR MUETEPEHCAR POR

inaehes 2.54 x 10' inches 1.0 lo3 inches 2.778 x inches 2.54 x lo8 ñnches 5.0505 x inches of mercury 3.342 x inches of mercurgr 1.133 inches of mercuw 3.453 x inches of mercury 3.453 x iiaches of mercury 7.073 x 10' inches of mercury 4.912 x 10-' in. of water (at 4OC.) 2.458 x in. of water (at 4OC.l 7.355 x in. of water (ah 4OC.I 2.54 x in. of water (at 4OC.) 5.781 x 10-' in. of water (at 4OC.I 5.204 in. of water (aa 4OC.) 3.613 x internat'l ampeíe 9.998 x 10-1 internat'l volt 1.00033 internat'l coulomb 9.99835 x 10-'

J

joules QouPes joules joules JouHes joules Qoules/cm. jouleslcm. jouleslcm.

kilsgrams 9.80565 x lo5 kílograms 1.0 lo3 kílograms 9.807 x kilograi-~s 9.807

kiliograms 7.093 x 10' kilograms 2.2046 kilograrns 9.842 x 10-' kilograms 1.102 x m-3 kilograms 3.5274 x 10' kilogramslcu. rneter 1.0 x kilogramslcu. meter 6.243 x kilogramslcu. meter 3.613 x kilogramslcu. metes 3.405 x 10-'O kilogramslmeter 6.72 x 10-' kilogramslsq. cm. 9.80665 x lo5

OBTENER

millirneters miBs yards angstrom units rods atmospheres feet of water kgs./sq. cm. kgs./sq. meter poundslsq. ft. poundslsq. in. atmospheres inches of mercury kgs./sq. cm. ounceslsq. in. pounds/sq. ft. poundsfsq. in. absoliute amp. (u.s.1 absolute volt (u.$.) absolute coulomb

btu ergs foot-pounds kg.-calories kg.-meters watt-hrs. grams dynes jouleslmeter

(newtons) poundals pounds

dynes gíams joules/cm. jou%es/metea

(newtons) pounclals pounds tons (Pong) tons (short) ounces (avdp.) gramsicu. cm. poundslcu. fe. pounds/cu.in pounds/mil-foot poundslft. dyneslsq. cm.

C ~ N V E R T I R MULTIPLICAR POR

OBTENER

kilogramslsq. cm. 9.678 x 10-' kilogramslsq. cm. 3.281 x 10-' kilogramslsq. cm. 2.896 x 10' kilogramslsq. cm. 2.048 x lo3 kilograms/sq. cm. 1.422 x 10' kilograms/sq. meter 9.678 x lo-' kilogramslsq. meter 9.807 x kilogramslsq, meter 3.281 x kilograms/sq. meter 2.896 x kilogramslsq. meter 2.048 x PO-' lilogramslsq. meter 1.422 x kilograrnslsq. meter 9.80665 x 10' kilograms/sq. mm. 1.0 x lo6 kilogram-calories 3.968 kilogram-calories 3.086 x lo3 kiiogram-calories 1.558 x kilogram-calories 4.183 x lo3 kilogram-calories 4.269 x kilogram-calories 4.186 kilogram-calories 1.163 x kilogram- 5.143 x 10" calories/min.

kilogram- 9.351 x calories/miw.

kilogram- 6.972 x calorieslrnin.

kilogram-meters 9.296 x kilogram-mekers 9.804 x lo7 kilogram-meters 7.233 kilogram-meters 9.807 kilogram-meters 2.342 x kilolines 1.0 lo3 kiloliters 1.0 lo3 kiloliters f .308 kiloliteñs 3.5316 x 10' kiloliters 2.6418 x lo2 kilometers 1.0 x 110' kilometers 3.2811 x lo3 kilomaters 3.937 x lo4 kilorneteis 1.0 lo3 kilometers 6.214 x 10-' kilometers 5.396 x lo-' kilometers 1.0 lo4 kilometers 1.0936 x lo3 kiPometers/hr. 2.778 x 10' kiPometesslhr. 5.468 x 10" kilomekerslhr. 9.113 x 10-' kilomelers/hr. 5.396 x 10-' kilometers/hr. 1.667 x 10' kilometers/hr. 6.214 x 10-' kilometers/hr./sec. 2.778 x 10' kilometers/hr./sec. 9.113 x 10-' kilometers/hr.lsec. 2.778 x 10-' kilcamete:s/hr.lsec. 6.214 x 10-'

atmospheres feet of water inches of mercury poundslsq. ft. poundslsq. in. atmospheres bars feet of water inches of mercury poundslsq. ft. poundslsq. in. dyneslsq. cm. kgs./sq. meter btu foot-pounds horsegower-lars. joules kg.-rneters liloQouSes kilowatt-hrs. ft.-lbs./sec.

horsepower

btu ergs foot-ponnds joules kg.-calories maxwells liters ceabic yasds cubic feet gallons (u.s. liquid) centimeters feee inches meters miles (statute) miles (nautical mi%lPmeters yards cms./sec. feellmin. ketlsec. knohs metesslmin. mi%es/hr,

cms.lsec.4sec. dt./sec./sec. meters/sec./sec. mileslhr./sec.


kanowatts kilowatts kilowatts kilowalts kilowatts kPPowatts kilowatt-hrs. kilowatt-hrs. kilowatt-hrs. kliowatt-hrs. kilowatt-hrs. kilowatt-hrs. kilowatt-hrs. kilowalt-hrs. kilowatt-hrs.

knots knots knats knots knots knots knots

lamberh larnbert league Bigkt yaar Bighe year lineslsq. cm. lineslsq. in. lineslsq. in. lines/sq. in. Bines/sq. in. links (engineers) links (suaveyors) liters liters liters liters Iiters Piters hikers liters liters litersimin. Piters/rnini. log10 n

MULTIPLICAR OBTENER POR

bkrmlrnin. foot-lbsimina. foot-libs/sec. horsepower kg.-calories/min. watts btu ergs foot-lbs. gram-calories horsepower-hours Joules kg.-calories kg,-rneters pounds of water

evaporated f'om and at 212'F.

pounds of water iaised from 62' to 212OF.

feet/hr. kilometers/hr. naistical miles/hr. statule miles/hr. yardslhr. feetlsec. cm./sec.

candlelsq. cm. candleisq. in. miles (approx.) miles kilometeis gausses gausses weberslsq. cm. webarsisq. in. webersisq. meter inches Pnches bushels (u.$. dry) cu. cm. cu. Pt. cu. inches cu. meters cu. yards gallons (u.s. liquid) pints (u.$. liquid) quarts ( m . liquid) cy. ft./sec. gals./sec. In n

APENDICE Vk

CONVERTIR MULTIPLICAR OBTENER PO"

power Iumenisq. ft. E .O fooi-candles laimen/sq. ft. 8.076 x PO' lumen-sq. meter lux 9.29 x foot-candles

maxwelEs 1.0 x maxwells 1.0 x 10-* megalines 4.0 404 megohms 1.0 x h012 megohms 1.0 x 106 megmhos/cubic cm. 1.0 x BOw3 megmhos/cubic cm. 2.54 megmhos/cubic cm. 1.642 x 10-' megmhos/in. cube 3.937 x 10-' meters 1.0 x Bol0

rneters 1.0 x lo2 meters 5.4688 x 10-' meters 3.281 meters 3.937 x Po1 meten 1.0 x m-3 meters 5.400 x meters 6.214 x meters 1.0 lo3 meters P .O94 meterslmin. 1.667 meters/min. 3.281 meters/min. 5.468 x meters/min. 6.0 x meters/min. 3.240 x meterslmin. 3.728 x lo-' meters/sec. 4.948 x lo2 meters/sec. 3.281 meters/sec. 3.6 meters/sec. 6.0 x meters/sec. 2.237 meterslsec. 3.728 x meters/sec./sec. 1.0 x lo2 meters/sec./sec. 3.288 meters/sec./sec. 3.4 meters/sec./sec. 2.237 meter-kilograms 9.807 x lo7 meter-ki1ograms 1.0 x 805 meter-kilograms 7.234 mierofarads 1.0 x Pel-15

microhrads 1.0 x lo-4 microfarads 9.0 x 10' micrograms 1.0 x microhrns 1.0 lo3 microhms 1 .O x 10-l2 microhms 1.0 x lo‘6

kilolines webers maxwelPs microhms ohms abmhos/cubic cm. megnnahos/cubic in. mhos/mil. ft. megmhos/cubic cm. angstrom unit centimetess fa'ahoms k e t inches kilometers miles (nautieal) miles (statute) millimeters yards cms./sec. beel/rnin. feet/sec. kms./hr. knots rniles/hr. feetlmin. feet/sec. ki%smeters/hr. kilometers/min. mileslhr. miPes/min. ems./sec./sec. fi./sec./sec. kms./hr./sec. miles/hr./sec. cm.-dynes cm.-grams pond-feet abfarads farads statfarads grams abohms megohms ohms

3 12 EXCAVACION MECANICA DE TUNELES


microliters rnicromicrons microns miles (nautical) miles (nautical) miles (nautical) miles (nautical) miles (nautical) miles astatute) miles (statute) miles (seatule) miles (seatute) miles (statute) miles (statute) miles (statute) miles (seatute) miles/hr. miles/hr. mileslhr. miIes/hr. miles/hr. mileslhr. mileslhr. miles/hr. miles/hr./sec. miles/hr./sec. miles/hr./sec. miles/hr./sec. milesimin. miles/min. mileslrnin. miles/min. milesbmin. miiliers millimicrons milligrams milligrams mi.lligrams/liter millihenries millilihers millimeters millimekers miIlimelers millimeters millirneters millimeters millimeters millimelers million gals./day mils mils mils mils rnils

lilers meters rneters feet kilometers melers miles (statute) yards centirneters feel inches kilometers rneters miles (nautical) yards light years crns./sec. ft./min. ft./sec. kms,/hr. kms./min. knots meterslmin. miles/rnin. cms./sec./sec. ft./sec./sec. kms./hr./sec. meters/ses./sec. cms./sec. feetlsec. kms./rnin. knots/min. miles/hr. kilograms meters grains grarns partsJrnillion henries lieers centimeters feet inches kilometers meters miles mils yards cu. ft./sec. centimeters fee t inches kilometers yards


miner9s inches minims (british) minims (u.s. fluid) minutes (angles) rninutes (angles) mimutes (angles) mimutes (angles) rninutes (time) minutes (time) minrates (time) minules (lime) myriagrams myriameteas myriawatts

nails 2.25 newtons 1.0 l o 5

ohm (inter national) ohms ohms ounces OUI96eS ounces ounces ounces ounces ouaces ounces (fluid) ounces (Wuid) ouncas (troy) ounces (troy) ounces (troy) ounces (troy) ounces (troy) ouncelsq. in ouncelsq. in

pace parsec parsec parts/mi%lion partslmillion partslmillion pecks (british) pecks (british) pecks (u.s.) pecks (U.$.)

cu. ft./rnin. cubic cm. cublc cm. degrees quadrants radians seconds weeks days hours seconds kilograms kiiiometers kilowatts

inches dynes

ohm (absolute) megohms microhms drams grains grams pounds ounces (troy) tons (long) eons (shorl) cu. inches Pilers grains grarns ounces (wdp.) pennyweights (troy) pounds (troy) dyneslsq. cm. poundslsq. in.

inches miles kilometeas grainslu.~. gal. grainslimp. $al. poundslrnillion gal. cubíc inches lieers bushels cubic inches

pecks (UAQ 8.8096 pecks (8i.s.) 8 pennyksreights (troy) 2.4 x 10' pennpeights (troy) 5.0 x 10-' pennpeights (troy) 1.555 pennweights (troy) 4.1667 x pints (dry-gr) 3.36 x 10' pints (dry) 1.5625 x lo-z pints (dry) 5.0 x 10-I pints (dry) 5.5059 x 10-' pints (liquid) 4.732 x 20' pints (Iiquid) 1.671 x 10-* pints (liquid) 2.887 x PO' pints (liquid) 4.732 x pints (liquid) 6.189 x 1W4 pints (Piquid) 1.25 x 10-l pints (liquid) 4.732 x 110-" pints (liquid) 5.8 x 10-' planck's quantum 6.624 x poise 1.0 poinnds (avdp.) 1.4583 x 10' poundals 1.3826 x lo4 poundals 1.41 x 10' poundals 1.383 x poundals 2.383 x lo-'

poundals poundals pounds pounds pounds pounds pounds pounds

pounds 4.536 x 10-' pounds 1.6 x 10' pounds 1.458 x 110' pounds 3.217 x 10' pounds 1.21528 pounds 5.0 pounds (troy) 5.760 x lo3 poainds (troy) 3.7324 x lo2 pounds (troy) 1.3166 x 90' pounds (troy) 1.2 x 10' pounds (troy) 2.4 x lo2 pounds (Iroy) 8.2286 x PO-' pounds (troy) 3.6735 x pounds (táoy) 3.7324 x pounds (troy) 4.1143 x pounds of water 1.602 x 10-a pounds of water 2.768 x PO' pounds of water 1.1198 x 10-1 pounds of waterimin.2.670 x

OBTENER

liless quarts (day) grains ounces (troy) grams pounds (troy) cubic inches busheas quarts Piters cubic cms. cubic ft. cubic inches cubic meters cubic yards gallons liters quasts (Iiquid) erg-seconds grarn/cm.-sec. ounces (troy) dynes grams jouiesJcrn. QoulesJmeler

(newtons) kilograms pounds drams dynes grains grams joules/cm. joulesimeter

(newhons) kilograms ounces ounces (troy) poundals pounds (troy) tons (short) giains grams ounces (avdp.) oainces (Iroy) pennweights (troy) pounds (avdp.) tons (Bong) tons (metris) ton$ (short) cu. ft. cu. inches gallons cu. ft./sec.

APENDECE VI

CONVERTIR MUETIKLHGAB OBTENER POR

pound-feet pound-feet pound-feet pounds/cu. ft. pounds/cu. ft. pounds/cu. ft. poundslcu. ft. pounds/cu. in. pounds/cu. in. pounds/cu. in. pounds/cu. in. poundsr'ft. pounds/in. poundsr' mi%-foot potands/sq. ft. poundsr'sq. ft. pounds/sq. ft. poundsr'sq. ft. poundsr'sq. ft. poundslsq. iw. poundslsq. in. pounds/sq. in. pounds/sq. Bn. pounds/sq. in. pounds/sq. in. poundslsq. in.

quadrants (angle) quadrants (angle) quadrants (angle) qiaadrants (angie) quarts (dw) quarts (liquid) quarts (iiqiaid) quarls (Piqiaid) quarts (liquid) quarts (Biquid) quarts (liquid) quarts (Piquid)

radians radians radians radians radianslsec. radianslsec. radians/sec. radians/sec.lsec. radians/sec./sec. radians/sec./sec.

cm.-dynes cm.-grarns meter-kgs. grams/cu. cm. Ecgs./cu. meter pounds/cu. inches pounds/m61-foot gramslcu. cm. kgs./cu. meter poundsr'cu. ft. poulzds4mil-foot kgs./rneter grams/cm. grams/@u. cm. atmospheres feet of water inckes of mereury kgs./sq. meter pounds/sq. inck atmosplaeres feet of water inches of rnercury kgs./sq. meter pounds/sq. ft. short tons/sq. ft. kgs./sq. cm.

degrees minaites radians seconds cu. Inches cu. cms. cu. fe. cu incbes cta. meters eu. yards gallons Eieers

degrees miwutes quadranls seconds degrees/sec. revohutions/min. revolution/sec. revs./miw./min. revs./min./sec. revs./sec./sec.

APENDICE VI 317

CONVERTIR

square inches square inches square inches square kilometers square kilometers square kilometers square StiPometers square kilometers square kilometers square kilometers square meters square meters square melers square meters square meters square meters square meters square miles sqeaare miles square miles square miles square miles square miliBimeters square millimeters square milPimeters square millimeters square mils square mils square mils square yards square yards square yards square yards square yards square yards square yards sleradians steradians steradians

steradians steres

MULTIPLICAR OBTENER POR

s i . millimeters sq. mils sq. yards acres sq. cms. sq. ft. sq. inches sq. meters sq. miles sq. yards acres sq. cms. sq. ft. sq. inches sq. miles sq. millimeters sq. yards acres sq. 8. sq. kms. sq. meter$ sq. yards circular mils sq. cms. sq. ft. sq. inches circular miPs sq. cms. sq. Pnches acres sq. cms. sq. ft. sq. inches sq. meters sq. miles sq. millimeters spheses hemispheres spherlcal right

angles square degrees liters

temperatuie ('C.) 1 .O absolute +273 temperalaare ('K.)

temperature ('C.) E .8 temperature ('F.) 917.78

terniperature ('F.) 1.0 absolute +460 temperature ('R.)

temaerature (OF.) 519 temperature (OC.) -32

tons (Pong) 1.086 x lo3 kilograms

318 EXCAVACPON MECANICA DE TUNELES


toas (long) 2.24 x PO3 tons (long) 1.12 tons (rnetric) 1.0 lo3 tons (metric) 2.205 x B03 hons (short) 9.0718 x f02 ton5 ( ~ h ~ r t ) 3.2 lo4 tons (short) 2.9166 x lo4 tons (short) 2.0 lo3 tons (shorb) 2.43 x lo3 tons (shorl) 8.9287 x 10-" tons (short) 9.078 x 10-' tons (short)/sq. ft. 9.765 x 103 tons (short)/sq. ft. 1.389 x 10' tons (short)/sq. ira. 1.406 x 10" tons (short)/sq. iw. 2.0 x f03 tons of water124 hrs. 8.333 x 10' eons of water124 hrs. 1.6643 x BO-" tons of water124 hrs. 1.3349

watts wsatts watts watts watts waths wates wates watts watts (abs.) watt-hours watt-hours watt-hours watl-hours watt-hours watt-hours watl-hours watt-hours watt (Internatiowal) webers webers weberslsq. in. webers1sq. in. weberslsq. in. weberslsq. in. weberslsq. meter

pouncls tons (short) kilograms pouwds kilograms ounces ounces (tñoy) pounds pounds(troy) tons Oonag) lonas (metric) kgs./sq. meter poundsisq. in. kgs.1sq. meter poundslsq. in. pounds of waterlhr. gallonslmin. cu. f%./hr.

btuihr. btulmin. ergsisec. ft.-1bs./min. ft.-lbs./sec. horsepower horsepower (metrae) kg.-calories1min. kilowatts joules1sec. b tu ergs foot-lbs. gram-calories horsepower-hours EriPogram-calories kilogra~n-meters kilowatt-hours watt (absolute) mawells kilolines gausses Ilnesisq. in. weberslsq. cm. weberslsq. meter gausses

CONVERTIR MULmIPLILAR OBTENER POR

webers/sq. meter webersisq. meter weberslsq. meter weeks weeks .weeks

yards yards yards yards yards yairds years years

Iineslsq. in. weberslsq. cm. weberslsq. in. hours minutes seconds

centimeters kilometers meter$ miles (nautácal) miles (statute) millimelers days (mean solar) hours (rnean solar)

CONSTANTES FISICAS DE U60 FRECUENTE

(atm.) (Biter)/(g.-mole) ('K) g.-ca%./(g.-mole) (OK) B.t.u./(lb.-mole) (OR) c.h.ei./(lb.-mole) (OK) joules/(gm-mole) (OK) (R.) (lb. force)/(lb.-mole) (OR) (lb.-force/sq.in.) (cei.ft.)/(lb.-mole) (OR) (lb.-force/sq.in.) (cea.in.)/(Pb.-mole) (OR) (atm.) (cu.ft.)/(lb.-mold ('R) (Q./m2) )cu.cm.)/(lb.-mole) (OK)

ACELEUCION DE LA GMVEDAD (STANDARD)

g = 32.17 f % . / ~ e c . ~ = 980.6 c m . / ~ e c . ~ VELOCIDAD DEL SONIDO EN AIRE SECO

a O°C and í atm. 33,136 cm./sec. = 1,089 ft./sec.

CALOR DE FUSION DEL AGUA 79.7 cal./gm = 144 Btin/Eb.

CALOR DE EVAPOUCION DEL AGUA a 1.0 atm. 540 cal./gm = 970 Btullb.

CALOR ESPECIFICO DEL AIRE Cp = 0.238 cal./(grn) (OC)

DENSIDAD DEL AIRE SECO a O°C and 760 mm. 0.001293 gm/cu.cm.

Dentro de los métdos de excavación de túneles, es la excavación mecánica, entendiendo como tal la que se realiza en toda la superficie mediante la acción directa continuada de útiles y l~errarnientas de corte sobre el terreno a excavar (rocas y/o sue os), la que e frece mayores posibilidades de desarrollo y expansión.

K La coilstrucción de un túnel exioe unos métodos y una sistemática que permitan un rerr dirniento adecuado. nnntenien80,la e,st&ilidad del entorno. Es la excavaciQn mecánica y el desarrollo de la moderna maquinaria, junto a la tecnología que le es propia, las,que con siguen mayores objetivos aportando altos grados de mecamacion y autornatizacion. Se están constniyendo niuchos y muy irn rtantes túneles ferroviarios, metropolitanos, hidrá~ilicos y de aguas residuales y en el y0 iorizonte se divisa una nueva época con progra- mación amplia de perforación de nuevos túneles. Es pues, este, el momento de editar uila obra como la presente ue servirá, sin duda, como

cavación mecánica de túneles 1 manual de consulta a diseñadores, coilstructores y a todos aque os que se dedican a la ex-

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Excav.mec.de Tuneles