1. MTODOS DE EXCAVACIN DE TNELES MEDIANTE PERFORACIN Y
VOLADURA
Los mtodos de excavacin de tneles mediante perforacin y voladura
dependen fundamentalmente en primer lugar, del tipo de terreno a
atravesar. De este modo cabe destacar por separado la excavacin de
tneles en roca y la excavacin de tneles en suelos o terrenos
blandos. En este artculonos centraremos siempre a la excavacin en
roca, que es lo ms habitual en los tneles de carretera.Las partes o
trabajos elementales de que consta el ciclo de trabajo
caracterstico de las excavaciones mediante perforacin y voladura
son las siguientes: Replanteo en el frente del esquema de tiro.
Perforacin de los taladros. Carga de los taladros con explosivo
(barrenos). Voladura y ventilacin. Retirada del escombro y saneo
del frente, bveda y hastiales.
El esquema de tiro es la disposicin en el frente del tnel de los
taladros que se van a perforar, la carga de explosivo que se va a
introducir en cada uno y el orden en que se va a hacer detonar cada
barreno, disendose al principio de la obra en base a la experiencia
y a una serie de reglas empricas recogidas en los manuales sobre
explosivos. Posteriormente, a lo largo de la excavacin del tnel, se
va ajustando en funcin de los resultados obtenidos en cada
voladura.
Lavoladura de la destrozaconbarrenos horizontales, tiene la
ventaja de que se utiliza el mismo sistema de trabajo y maquinaria
que la fase de avance, pudiendo recortarse con la voladura la forma
terica del tnel. Por otro lado, la voladura en banco es ms rpida de
llevarse a cabo, con un consumo menor de explosivo, y no necesita
ser retirado el escombro en cada voladura, pero requiere de un
recorte posterior para conseguir el perfil del tnel en
loshastiales.Los taladros deben de tener una longitud de un 5 a 10
% superior a la distancia que se quiera avanzar con lapega, llamada
longitud de avance, ya que siempre se producen prdidas que impiden
aprovechar al mximo la longitud de los taladros. Las longitudes de
avance tpicas estn comprendidas entre 1 y 4 metros y se fijan en
funcin de la calidad de la roca, cuanto mejor es la calidad del
terreno, mayores sern los avances posibles. Con una roca de calidad
media-adecuada es habitual perforar taladros de 3 a 3,50 metros
para avanzar entre 2,80 y 3,20 metros en cada voladura.Para la
perforacin y voladura, la seccin terica del tnel se divide en
zonas, en las que las exigencias, tanto de densidad de perforacin,
como de carga especfica de explosivo y secuencia de encendido son
distintas. Estas zonas son:
Cuele Contracuele Destroza Zapateras Contorno
Cuele. El cuele es la fase de la voladura que dispara en primer
lugar. Su finalidad es crear una primera abertura en la roca que
ofrezca al resto de las fases una superficie libre hacia la que
puede escapar la roca con lo cual se posibilita y facilita su
arranque. El cuele es sin duda la ms importante de todas las fases
de la voladura de un tnel en relacin con el avance de la
voladura.Existen distintos tipos de cuele, los cueles en V y en
abanico, que facilitan la salida de la roca hacia el exterior, pero
tienen el inconveniente de que los taladros forman un ngulo con
respecto al eje del tnel, por lo que su correcta perforacin tiene
una mayor dificultad y exige variar el esquema de perforacin para
cada longitud de avance. En tneles de secciones de excavacin
reducidas estos cueles no permiten grandes avances por
voladura.
El cuele ms usado por su simplicidad es el cuele paralelo.
Consiste en un taladro vaco (barreno de expansin), sin explosivos,
de mayor dimetro que el resto (de 75 a 102 mm) y, a su alrededor,
tres o cuatro secciones de taladros cargados que explotan
sucesivamente siguiendo una secuencia preestablecida. La misin del
barreno de expansin es la de ofrecer una superficie libre que evite
el confinamiento de la roca de modo que facilite su arranque. Su
dimetro vara entre 100 y 300 milmetros. En ocasiones puede
sustituirse por dos taladros vacos de dimetro menor (2 x 75
mm).Destroza. La destroza es la parte central y ms amplia de la
voladura, cuya eficacia depende fundamentalmente del xito de la
zona del cuele y contracuele, que es la zona crtica de la
voladura.Zapateras. La zapatera es la zona de la voladura situada
en la base del frente, a ras del suelo. Los taladros extremos
suelen ir un poco abiertos pinchados hacia fuera con objeto de
dejar sitio suficiente para la perforacin del siguiente avance. Los
barrenos de las zapateras son los que ms carga explosiva contienen
ya que, aparte de romper la roca han de levantar sta hacia arriba.
Para evitar repis, van ligeramente pinchados hacia abajo y son
disparados en ltimo lugar.Contorno. Los taladros perimetrales o de
contorno son importantes pues de ellos depender la forma perimetral
de la excavacin resultante. Lo ideal es que la forma real del
permetro del tnel sea lo ms parecida posible a la terica, aunque
las irregularidades y discontinuidades de la roca dificultan dicho
objetivo.Existen dos tcnicas de efectuar los tiros perimetrales: el
recorte y el precorte. El recorte, que es la tcnica ms empleada,
consiste en perforar un nmero importante de taladros paralelos al
eje del tnel en el contorno, a la distancia conveniente (entre 45
cm y 100 cm) y con una concentracin de explosivo pequea o incluso
nula. En la secuencia de encendido son los ltimos barrenos en
detonar. Por otro lado, la tcnica del precorte se perfora un mayor
nmero de taladros perimetrales y paralelos entre s unas distancias
entre 25 cm y 50 cm, con una concentracin de carga explosiva entre
0,1 y 0,3 kg/m. Esta tcnica exige una perforacin muy precisa que
asegure un buen paralelismo y una homognea separacin entre los
taladros. En la secuencia de encendido, son los primeros en
detonar, con lo que se crea una fisura perimetral que asla y
protege la roca de las vibraciones del resto de la voladura. La
tcnica del precorte, por su esmerada ejecucin y costo elevado, es
de uso poco frecuente en tneles, excepto en casos muy
especiales.
Maquinaria de perforacinLa perforacin de los taladros se puede
hacer por dos procedimientos: el primero es mediante el uso de
martillos manuales accionados por aire comprimido, y el segundo es
mediante martillos hidrulicos montados sobre una maquina automvil
denominada jumbo.Martillos manuales. Los martillos manuales de aire
comprimido funcionan a percusin, es decir, la barrena golpea contra
la roca y gira de forma discontinua entre cada percusin, separndose
del fondo del taladro. El detritus es arrastrado hasta el exterior
del taladro mediante agua, que tiene tambin la finalidad de
refrigerar la barrena. Los martillos manuales son actualmente de
uso poco frecuente, slo se usan, obviamente, en tneles muy pequeos
o de forma accidental, pues tienen rendimientos muy inferiores a
los jumbos y requieren mucha mano de obra.
Jumbos. La mquina habitual de perforacin es el jumbo, como se
muestra en la imagen que incluimos ms abajo. Consta de una
carrocera de automvil dotada de dos o tres brazos articulados, segn
los modelos. En cada brazo puede montarse un martillo de perforacin
(perforadora) o una cesta donde pueden alojarse uno o dos operarios
y que permite el acceso a cualquier parte del frente. El
funcionamiento de los jumbos es elctrico cuando estn estacionados
en situacin de trabajo y pueden disponer tambin de un motor Diesel
para el desplazamiento. Los martillos funcionan a rotopercusin, es
decir, la barrena gira continuamente ejerciendo simultneamente un
impacto sobre el fondo del taladro. El accionamiento es hidrulico,
con lo que se consiguen potencias mucho ms elevadas que con el
sistema neumtico. El arrastre del detritus y la refrigeracin se
consiguen igualmente con agua.Los rendimientos de perforacin que se
consiguen en los jumbos hidrulicos modernos, pueden superar los 3,5
m/min de velocidad instantnea de perforacin. Los jumbos actuales
tienen sistemas electrnicos para controlar la direccin de los
taladros, el impacto y la velocidad de rotacin de los martillos e
incluso pueden memorizar el esquema de tiro y perforar todos los
taladros automticamente. En este caso un nico maquinista puede
perforar una pega completa en unas pocas horas.
Accesorios de perforacin. Los accesorios de perforacin comnmente
usados son las varillas o barrenas y las bocas de perforacin. Adems
se emplean manguitos y otros adaptadores para el ensamblaje de las
piezas. Las barrenas de perforacin son simplemente barras de acero
con un conducto interior para el paso del agua de refrigeracin y
unas roscas en los extremos donde se acoplan las bocas o los
manguitos. La boca de perforacin es la herramienta de corte, que
generalmente es de metal endurecido (carburo de tungsteno) o widia,
dispuesto en formas diversas: en cruz, en X o botones, con unos
dimetros habitualmente comprendidos entre 45 y 102 milmetros.La
eleccin de un tipo u otro de boca, as como de sus dimetros, depende
del tipo de maquinaria de perforacin, de las caractersticas de la
roca y del dimetro de los cartuchos del explosivo a introducir.
Generalmente las bocas de botones son las que proporcionan un mayor
rendimiento, al golpear la roca de forma ms homognea y ser ms fcil
la evacuacin del detritus de roca. Para tal fin se pueden disponer
varias entradas de agua frontales y tambin laterales. Para la
eleccin del material de perforacin y sus accesorios se recomienda
el uso de los manuales especializados facilitados por los
fabricantes.
Explosivos y detonadoresLos tipos de explosivo que deben
utilizarse en tneles dependen de las caractersticas de la roca,
principalmente de su densidad, resistencia a compresin y velocidad
de propagacin snica de la roca. Adems los explosivos, durante la
detonacin, deben generar gases no txicos, lo que limita el tipo de
explosivos en interior. El tipo de explosivo tambin depende del
grado de humedad existente en la roca.
El explosivo ms utilizado para el cuele y contracuele, destroza
y zapateras, es la GOMA-2 E-C o RIOMEX E20/40. El dimetro de los
cartuchos deber ser lo ms prximo al dimetro de perforacin de los
taladros, compatible con su introduccin dentro del barreno. La
iniciacin de la explosin en cada barreno se realiza en el cartucho
cebo instalado en el fondo del barreno y que contiene un
detonador.La activacin de los detonadores puede ser elctrica o por
impacto; en el primer caso se utilizan detonadores elctricos. Por
razones de seguridad, contra corrientes parsitas, se utilizan
exclusivamente detonadores de alta insensibilidad (Al). Una mayor
seguridad ofrecen los detonadores de iniciacin no elctrica, tipo
Nonel, cuyo uso sera especialmente aconsejable. Atendiendo a los
tiempos de retardo, los detonadores pueden ser: instantneos, de
microretardo (retardo de 25 30 mseg), o de retardo (retardo de 0,5
seg).El resto de los elementos que se utilizan para la voladura son
los siguientes:Caas. Son tubos de PVC (tubos omega) abiertos
longitudinalmente en cuyo interior se colocan los explosivos, cordn
detonante, etc. Permiten introducir fcilmente todos los elementos
en su disposicin correcta dentro del taladro.Retacador. El
retacador es el material que cierra o tapona el taladro y de este
modo impide que la energa debida a la explosin se escape por la
boca del mismo. Normalmente se usan unos cartuchos de arcilla muy
plstica.Explosor. Es el mecanismo que produce la corriente elctrica
que da lugar a la explosin. Suelen estar basados en un condensador
que se va cargando con una manivela o una batera y que cierra el
circuito manual o automticamenteCables. Los cables elctricos que
transmiten la corriente desde el explosor hasta los detonadores son
los usados habitualmente en trabajos elctricos.Control de la
vibracionesLas vibraciones producidas por las voladuras se
transmiten por el terreno y pueden llegar a producir daos en
edificios y estructuras prximas al tnel as como a la roca
circundante y al revestimiento. Por este motivo tiene inters el
estudio de la ley que rige la propagacin de las ondas ssmicas y los
valores mximos de vibracin admisibles en cada proyecto.El factor
principal que provoca los daos es la Velocidad Pico de Partcula,
que se define como la velocidad mxima que alcanzan las partculas
del terreno al vibrar por accin de la onda ssmica.
1.1. MTODOS PARA LA EXCAVACIN DE TNELES
En construccin de tneles, los pozos sirven como punto de partida
para la excavacin en roca o en material firme, o con escudos. En
tneles largos, como son los acueductos, se utilizan varios pozos,
para dividir la construccin en secciones ms cortas en las que se
pueda trabajar simultneamente, en los tneles para vehculos,
especialmente para tneles subacuticos excavados con escudo, se
utilizan los pozos para los edificios de ventilacin. Los pozos se
entiban con elementos leosos de la misma manera que los tneles en
materiales de la misma naturaleza.1.1.1. MTODO NORTEAMERICANO:La
excavacin se inicia con una galera superior en el coronamiento del
tnel, que se apoya en listones de avance, postes y cabezales. A
continuacin se ampla la excavacin entre dos prticos y se colocan
los segmentos del arco superior adyacentes al coronamiento y
apoyado por postes y puntales extra. Se forman bancos de excavacin
a lo largo de los lados y se coloca otro segmento de las costillas
a cada lado. Se unen con pernos las costillas a la parte superior y
se soportan con una solera temporalmente. El terreno entre
costillas se mantiene en su lugar por medio de planchas de
revestimiento y se rellenan las oquedades. Se usa en terrenos
razonablemente firmes.1.1.2. MTODO INGLS:Recibe su nombre por haber
sido aplicado en tneles a travs del tipo de terreno que usualmente
se localiza en Inglaterra, como son las arenas y areniscas. Su
principal caracterstica es proceder el avance de la perforacin a
seccin completa del tnel, en una sola operacin.
1.1.3. MTODO TRADICIONAL DE MADRID O BELGA
El Mtodo Tradicional de Madrid es el procedimiento de
construccin de tneles por excelencia del Metro de Madrid. Consiste
en ir abriendo una pequea galera que se va ensanchando poco a poco
hasta permitir hormigonar toda la bveda, en lugar de excavar de una
vez toda la seccin del tnel, que dara lugar a graves
inestabilidades del frente y a colapsos del mismo. Con pequeas
secciones es posible solucionar cualquier problema de estabilidad
que aparezca en el frente, mientras que con un gran frente abierto
no lo sera. Este mtodo se suele aplicar a los tneles de lnea, con
un ancho mximo del orden de 8 metros libres
Inicio de la excavacin por Mtodo Tradicional en la estacin de
Bamb, en el extremo opuesto a la tuneladora
Es bien conocido que uno de los problemas ms graves de la
estabilidad de un tnel es el hundimiento o falta de estabilidad del
frente; este problema puede mejorarse incorporando aire comprimido
como se hizo hace 50 aos. Si es preciso un frente abierto, ste debe
ser de las mnimas dimensiones posibles, de modo que pueda
resolverse inmediatamente cualquier problema que ocurra en l,
entibando rpidamente, taponando con sacos, etc.
Mtodo Tradicional de Madrid
Las fases de construccin de un tnel mediante este mtodo son las
siguientes:
Excavacin de la galera de avance en clave. Ensanche lateral de
la galera de avance hasta excavar la seccin completa de la bveda
Cimbrado y hormigonado de la bveda Excavacin en destroza Excavacin
y hormigonado de hastiales por bataches contrapeados Excavacin y
hormigonado de la contrabveda Este mtodo tiene la ventaja de estar
empricamente comprobado
La construccin del tnel de lnea por el Mtodo Tradicional tiene
los inconvenientes siguientes: Est basado en la utilizacin
intensiva de mano de obra especializada, ello quiere decir que si
hay que abrir muchos frentes de trabajo pueden producirse problemas
graves de imposibilidad de encontrar suficiente personal. Los
trabajos por el mtodo manual son mucho ms peligrosos que los
realizados con tuneladoras. Deben por tanto extremarse las
condiciones de seguridad. Los trabajos deben estar controlados por
personal muy experto.
Mtodo Tradicional de MadridEn terreno firme se excava a la mitad
superior del tnel, comenzando con una galera central desde el
coronamiento hasta el arranque del arco. Esto se ampla en ambos
lados, y el terreno se mantiene en su lugar con estacas
transversales. Es posible avanzar con la excavacin a una distancia
considerable antes de continuar con el revestimiento del tnel
1.1.4. MTODO ALEMN:Se hacen avanzar dos galerias inferiores,una
en cada muro laeteral. En estas galerias se construyen los muros
hasta llegar al techo de las mismas. Sobre esto se excavan otras
dos galeras y se contina la construccin de los muros. Se aade una
galera central superior que se ensancha hasta alcanzar las galeras
laterales; el terreno sobre el arco queda apuntalado por maderos
longitudinales y estacas transversales. Despus de terminado el
revestimiento del arco se remueve el resto del terreno.
Mtodo Alemn Modificado:Se aplica en el caso en que durante la
operacin de perforacin del tnel a travs de un terreno bastante
firme, surja la aparicin de agua, lo que origina una alteracin en
el mtodo Clsico Alemn en cuanto a las etapas sucesivas de ataque
del frente.1.1.5. MTODO AUSTRACO:Los austracos desarrollaron un
plan de trabajo basado en la utilizacin de puntales de madera
formando un sistema de entibacin. La excavacin se realiza como
indica la figura:
1.1.6. MTODO ITALIANO:Consiste en extraer solo el medio arco ms
la galera central por la cual se retira la marina, luego se
concreta el medio arco, luego se extrae el resto del material por
zonas y se van concretando los muros (mtodo similar al mtodo
belga).Se desarrollo para terrenos muy blandos en los que se excava
solo pequeas reas. Es muy costoso y ha sido suplantado por el mtodo
de escudo, exclusivo para terrenos muy blandos.1.1.7. Mtodo TBM
(Tipo Escudo o Topo)La excavacin de tneles por el mtodo de escudo
se usa generalmente, en la actualidad, en terrenos blandos, no
cohesivos, compuestos de arena suelta, grava o limo y todo tipo de
arcilla, o en mezcla de cualesquiera de ellos. Es indispensable
estar debajo del nivel fretico.La TBM (Tunnel Boring Machine)es un
cilindro formado por planchas de acero soldadas entre s. Tiene un
dimetro ligeramente mayor que el exterior del revestimiento del
tnel. Adems existen varios mtodos para atacar las caras de tneles
perforados a travs de la roca. Otros mtodos distintos dependern de
la medida del tnel, del equipo disponible, de la formacin y de la
cantidad de ademes que se necesiten.
1.1.8. ATAQUE DE TODA LA CARA:Cuando se perfora el tnel con el
mtodo de ataque en toda la cara, se perfora todo el frente o cara,
se cargan los agujeros, y se hacen detonar los explosivos. Los
tneles pequeos cuyas dimensiones no exceden de 10pies, se perforan
siempre con este mtodo.
Los grandes tneles en roca frecuencia se perforan con este
mtodo. Debido al desarrollo de los taladros de carretilla y de
plataforma, la popularidad de este mtodo ha ido cada vez en aumento
en la perforacin de grandes tneles. Puede montarse varios taladros
en la parte anterior de una plataforma para hacerlos operar
simultneamente con alta eficiencia.1.1.9. MTODO DE TERRAZAS:El
mtodo de terrazas para la perforacin de un tnel, implica la
perforacin de la porcin superior del tnel antes de perforar la
parte inferior, como se ilustra en la figura:
Si la roca es lo suficientemente firme para que el domo se
sostenga sin necesidad de ademes, la cabeza superior se aventaja en
un barreno con respecto a la cabeza inferior. Si la roca est muy
quebrada, la cabeza superior puede aventajarse mucho con respecto a
la terraza y puede utilizarse sta para apoyar los ademes del domo.
El desarrollo de la plataforma de taladros ha reducido el empleo
del mtodo de terrazas para la perforacin de tneles.1.1.10. MTODO DE
DERIVADORES:Al perforar un tnel grande, puede ser ventajoso
perforar un tnel pequeo, llamado derivador, a travs de toda o una
porcin de la longitud del tnel, antes de excavar todo con el
taladro. Los derivadores, pueden clasificarse como centrales,
laterales, inferiores o superiores, dependiendo de su posicin con
respecto al taladro principal. La figura muestra la posicin de cada
uno de los tipos de derivadores:
El empleo del mtodo de los derivadores para la perforacin de un
tnel tiene ciertas ventajas y desventajas.Ventajas:Cualquier zona
de roca mala o excesiva cantidad de agua se descubrir antes de la
perforacin de todo el tnel, permitiendo as que se tomen pasos
correctivos con anticipacin.El derivador ayudar a la ventilacin del
tnel durante las operaciones subsecuentes.Puede reducirse la
cantidad de explosivos necesariosDerivadores laterales pueden
facilitar la instalacin de los ademes para sostener el domo,
especialmente para un tnel perforado a travs de roca
quebrada.Desventajas:La perforacin del taladro principal tiene que
demorarse hasta que haya terminado el derivador.El costo del
taladro y manejo de los escombros en un derivador pequeo ser
elevado debido a que la mayor parte del trabajo tiene que hacerse a
mano en vez de con equipos mecnicos