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~doelprimer tren por el tl4neE submarino deSeikan en Japón, reconocido 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 construyendo muchos y muy importantes túneles ferroviarios, melropo[ihanos, hidráulicos y de aguas residuale~~ y seplanea una nueva época depegomción de taáneles haciendoprogmmas 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 comprender 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,fambliarbradossólo 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.5timas fkcnB'casde excavación en terrenos mixtos o en suelos saturados de agua. Acompa6ados 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%izadospor todo ingeniero que desee tener una base clara p a m el razonamiento en la excavación mecanhada. 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 confianza 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 Eaprestigiosa 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 dise6an 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 marking the completion of what must be recognized as the world9smost dificult tunnel project. The Channel Tunnel is again under way and this, the b u r t h 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 1988will be lhe year of publication of the first edilion 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 excavate in mixed ground eonditions or in water saturaaed soil. The Patese equipment and techniques are explained clearly in this book and accompanied by good illustrations. 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 &hefuture. 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 treatise 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 practitioners of tunneling, the planners, designers and esgecially the tunanel buiiders. We welcome this much needed addition to he%pguide 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 9 1.4. Cortadores para roca ........................................................................... 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%ingcutter)) ........................... 24 Bibliografia .................................................................................................................... 30 Capitulo 2. MAQUINAS TOPO (TBM) ..........................o~....... 33 2.1. Definición general ............................ ............ 2.2. Componentes esenciales ........................................................................... 2.3. Desarrollo histórico ..................................................................................... 2.4. Principales fabricantes ............................................................................. . ..........O......... 2.4.1. Wobbins de Seattíe (USA) ......................... . 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 ... 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 ..................... . ..............m.............. 2.7. La mecánica de rocas y los topos .................... 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) ................................................ ...........O.....................4

..O ....

o ....

2.9.4. Costo de mantenimiento. reparaciones y energia ............................................................. 73 (CM=) ....................... . . 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 78 Sistema de trabajo ..............................~o............................... 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 .............................. 91 3.3.1. Máquinas de peso medio .........*.*....... . . ....................................... 3.3.2. Máquinas pesadas .........*......... . . 91 ........................................................ 3.3.3. Máquinas muy pesadas 91 97 Criterios para 1a elección de una rozadora ..........O...................... 3.4.1. Resistencia a comprensión de la roca ............................... 97 3.4.2. Condicionanates geométricos ......................... .................... 98 ............. 98 3.4.3. Condicionantes geomec&nEcos ..................... . . 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 ................... 108 3.6.2. La abrasividad de las rocas ....................... . . . ............................................................ 111 Desgaste de picas ..................... 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 .................................... 116 117 La sozabilidad de las rocas ................................................................. ................... ....................................... 3.8.1. EI test de Goodrich . . . 117 .. 119 3.8.2. El test de rozabilidad Voest-Alpine ..........................e 919 Ventdas que ofrece el empleo de rozadoras ............................ La excavación asistida con chorro de agua (Water Jet) .......... 119 . . ................................................ 120 Campo de utilización ..................... 3 .11.B . Limitaciones técnicas ............................................................... 120 3 .11.2. Limitaciones econ6micas ....................................................... 121 Los mktodos constructivos en t%ánelesy rozadoras ................... 12% . . ....................................................................123 Principales fabricmtes ..... .................................................................................... 128 Bibliografía ................................. 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 . . ........................................................141 Tipos de escudos ........................ Técnicas auxiliares de estabilización utilizadas en la construcción 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......... 221 221 5.B . Definición ...................................................................................................... 221 5.2. Campo de utilizacP6n .............................................................................. . .................................. 221 5.3. Clasificación segbgn diámetros ...................... 5 - 4 Ea técnica del microtúnel en Jap6n ...................... . . ................. 225 .............. 226 5.4.1. Método de empuje ......................................... 5.4.2. Método Auger ................................................................................ 229 . . . 231 5.4.3. Método de perforación horizontal .................... 5.4.4. Método de excavación en túnel con escudo de lodos . 232 5.5. La tkcnica de8 microtbanel en Alemania ..........................................O236 5.5.1. Sistema Telemole .................................................................. 237 5.5.2. Sistema Hansemole ..................................................................... 239 5.5.3. Escudo articu%adoDmidag ........................... . . . .............. 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 ENSAYOS DE LABOMTORIO Y DATOS J8.EALES OBTENIDOS D U M N T E EA PERFOMCION CON MAQUINAS TUNELADOMS .................... . . .......................... 251 Bibllografia ..................................................................................................................... 252 Apkndice II . ENSAYOS DE EABOMTORIO PROPUESTOS POR EA SOCIEDAD BNTEWACIONAE DE MECANICA DE ROCAS PARA DETEMINAR LAS PROPIEDADES DE LAS ROCAS EN E L A C I O N CON SUS METODOS DE EXCAVACHON MECANICA ....................... 253 O ...

Apéndice IBII. LA ROZABIEIDAD DE LAS ROCAS MI1

.........................

255

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 = Angulo = Angulo

de inclinación. de deslizamiento. 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 disco. = Diáimetro del disco; fdrmula (6). Penetracidn del disco; fórmula (6). e) -- K 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"ncentede desgaste modelo reducido. = Penetración neta de B a máquina. = Penetración neta de la máquina modelo reducido, = Empuje de Ia mhquina. = Empuje de la mhquina modelo reducido. = Exponente. = Avance medio estimado-dia. = Horas %ítilestrabajadas-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 áingulo dledro 60". =Penetración neta en piesihora para discos con ángulo 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.

= 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 desconchado. = 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; ensayo 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.

sj

KS lruj

A. VS ~ M O

d

CM0

coa NHR M

-

CGG

= Duración del tbPnel en dáas. = Horas trabajadas por dáa. = Factor de disponibilidad de la maquina. = Coeficiente de utilización de la miquina. = Vida del cortador en horas. = Costo de mantenimiento, reparaciones y energía. = Costo de gastos generales.

CTEM

=

DT HTD

FD CU o/e:

CMWE

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 rozadora (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 %acalmara

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

sinfln (m3). de revoluciones del sinfin por unidad de tiempo (Uds/h). = Coeficiente de eficiencia en la descarga del sinfin. = Presión de trabdo. = Presión vertical a B a profundidad del taínel. = Cohesión de la arcilla sin drenaje. = Cantidad de aire. = Coeficiente de permeabilidad. = Sección de excavación. = Número

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 exeavar (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 m6todos 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 versktiles, 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 1 2 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

50

100

150

203

250

300

Wozadara cabeza mi111ng -O

KW (cabeza d e corte)

CAP. 1. FUNDAMENTOS

3

En la exc~vaci8nmacinica 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 utiíizaremos los tres par&metrosfundamentales propuestos por Frank F. Roxbosough [2]:

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

(FNy FT).

e) Energda especifica (SE) d e h i d a 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 botones FT 48

' B

F~ ', Cortador de

FT

F~.

Rueda dentada

4

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

EXCAVAGION MECANICA DE TUNELFS

Espaciamiento ancho m

L 1 4 W l

Espaciamiento estrecho S 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 interacción 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 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

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

70

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 minoración de la jornada laboral. El valor de este coeficiente, para una jornada de veinticuatro horas seria:

COEFICIIIEN"

TABLA 2.10 (A) DE MINOMCION DE JOWADA L A B O U L

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: HMO-

[N.O operarios8turno] [neode turnos] [duración del turno] [Sección de excavación] [ k a n c e medio/día]

m

- Horas Hombre a

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: CMQ=

CEC x d L"

= Ptas/m.

(19)

72

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: CC- 581

u

L Ab

$/m.

(20)

(B. Maidl, 1984).

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~merode 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 apliicando 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/m38.4.

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 ~(~rirhlrn~ 14,658 16,411 %0,40

Terrenos del Lías "rreaios del Flysch Tedrrenos del Trías Gneises Rocas sedimentarias Rocas ígneas

Resistencia de Ba roca Compresidn simple

Point-Load

500-800 ~ g / c m ~ B.500/2.500 ~ g / c m '

2,7 - 3,% 10,& - E8,6

3,s 2,s 3,8

Ea la figura adjunta 2.26, obtenida por K. Gehslng, pueden o b s e ~ a r s e10s 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

RESISTENCIA D E

250

300

350

400

LA ROCA

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

EXCAVACION MECANICA DE TUWELES

74

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 = C M 0

+ CMQ + C M W + CC + CGG (24)

En la figura 2.27, debida a D. Prader, se comparan los costos de excavación 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.

8O 7O

60 50 LO

3O 2O 1O

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

DIAMETRO DEL TUNEL E N

1

0

M.

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

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

CAP. 2. MAQUINAS TOPO (TBM)

50

100

150

200

2%

300

R E S I S T E N C I A DE L A R O C A

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

H. WAGNEW, E. H. R. SCHUMAN: The stamp load bearing strengih of rock and experimental and theoretical investigationg Rock Mech, 3 185-207 (1971). D. BROEK:Elementa~yengineering fracture mechanichs, NoordhoE Ent. Pubí. Leyden, 8-15 (1974). O. DUBUGNON, W. JANACH: Sma11 seale disc cutter tests for predicling TBM performance. Proc. Hnt. Congr. on Tunnel, 81, DusseSdorf (1981). O. DUBUGNON, B. BARENDSEN: Srnail seale model testing a new apprsach in TBM deveíopments; Rapid Excavation and Tunnelling Conference - June - 1985. Boaw W. LEONARD: TBM'S u.$. Were are we - What can we do about it? DON.U. DEERE:Adverse geolog and TBM tunnelling problems; Rapid Excavation and Tunnelling Conference 1981, pag. 574-586.' Siv. Ing. T ~ R M E O U I N ~ ODD E , JOHANNSSEN. Geological parameters for hard rock tunnel boring. Tunnels and Tunnelling April. 1986 pag. 45-47. BERNHARDMAIDL:Handbuch des tunnel-und stollenbaus verlag gluckauf Gmbh. Essen 1984, pag. 190. GIEBERT MARHN: 60 kiíometres de ereusemen au tunnelier; tunnels el ouvragues souterrains. K. GEHRHNG, untertagebau mit teilschnittmasehinen, derzeitiger einsatzbereieh und entwicklungen zu derern emeiterung isrm symposium Aaehen, 1982. Nord G.P.A. P E R S S ~und N D. PUDER, Europeaña views on mechanical boring versus dril1 and blast tunneliling. Weport DS 1999, Swedish Detoñaic Wesearch Foundation Stockholm 1999. B. GEOWGE THON:Tunnel boring machines. D. E. GILL,C. LAFUNGE:Predichion des taus de penetralion d9unforeuse pleine section utilicke dans l'ile de Montreal. P. BARENDSEN, fullface boring a review with an eye to the future. BARBAMSTACK:Handbook of minning and tunnelling machinev.

M h w i n a ~de ataque pumtaal Rozadoras Dentro de la amplia gama de maquinaria que se utiliza en Mineria y Obras P~blicaspara 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 C O N CHORRO DE 3 s t o n @AGUA A L T A PRESION (WATER J E T )

a0000

RDE/ ElMCO E 2 0 0 NGLO-SOVIET

110 ton5

40 t o n 5

M K ? A 25 tons

O 1960

70

00

87

AÑOS DESARROLLO D E S P U E S D E Z ~ A ~ O D ESL A S ROZADORAS

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

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

78

En los afios 70 se produce un gran auge en el desarro110 de estas máquinas, 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 %amineria 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 excavación 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

79

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 posibilita «el rozado» de rocas mis duras. La fuerza de corte se aplica principalmente de un modo frontal2.2.2. 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 utillzacidn en capas estrechas de mineral que puede ser rozado sin afectar a la roca encdante.

SISTEMAS DE C O R T E

MILLlNG

RIPPING

Figura 3.2: Sistemas de corte

Figura 3.3.: ~ i i o de s 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 Dihetro Dihetro del del v$s&go mrbaro i (mm.) S (mm.)

Longitknd de La cabeza

Potencia de las mhqknhas

U 47 HD U 47-52

BBS 30.65.

30,2 K1-52 K1-55

U47HDVA BBV 38.80 U47-55VA U47-5530VA

38,2 38,2

22 25

38,2

30

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 reducci6n 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 calentamiento a 900' y un segundo posterior a 1.400'.

EXCAVACION MECANICA DE TUWELEC

TABLA 3.2 ALGUNAS ALEACIONES DE COBALTO Y CAR5UIPO DE TUNGSTENO (SEGUN J. A. TALOBRE)

DUREZA

eo ALEACION

/ ew

/

(010)

1

Vicher

(

Mohn

1

(

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 útiles 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 combinación 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 disefiadas 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.%1y 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

.

VA 46-M2AUS

tic *

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 deberA ser el dihmetro de Ba punta.

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

Figum 3.13. Relación entre /acompresidn 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 3-13obsemamos 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 disminución de los rendimientos en relación con los que se obtendrian usando las primeras.

88

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

2.3.6. Disposición secuencia1 y n ~ m e r oóptimo 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 secuencPa1es 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

90

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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&srepresentativas 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. 3 3 , Mgquinas pesadas Caracteristicas: Peso: entre 40 y 60 Tn. Potencia en la cabeza de corte: 220 KW Dureza m k i m a 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

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

95

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

4,f, Resistencia a eompresi6~de %arsca

Ea elección de la potencia de Ba rozadora esta en estrecha relación con la resistencia a compresión simple de la roca, %atabla adjunta 3.8 indica esta relación 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 realadad de Ia matriz rocosa. El grado de fracturaci6n y la orientaci6n de la estratPficaci6n influyera sobremanera 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-

98

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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 dimensiones, pueden ut;l' i lZaF8e. 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 LTIBquinas 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 variabilidad 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 ~ mdquinas s 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-so 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.

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

TABLA 3 3

PENDIENTE DE T U B A J O Y PRESION SOBRE EL SUELO DE LAS MAQUHNAS ROZADOMS Angalo con la bod~@ntal

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

Pendiente

bQ/@B

PresiBn (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 esfuerzos. 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 excavación. 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,), resistencia a traccl6n (o,) y coeficiente de desgaste (F) de la roca. Para valores determinados (o J= cte., F = cte., el rendimiento instantkneo depende de (P,) y de a,.

C A P . 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 pérdida 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 operador 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 E N T W POTENCIA Y mSISTENCIA DE LA ROCA (CORTESIA WESTFAEIA) Resistencia a eompresibn simple Potencia de Ba cabeza

EXCAVACION MECANICA DE SUNELES

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

103

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:

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

"ABLA 3,ñ3 COBFHCIENTE DE EFICIENCIA Coeficiente de eficiencia

Condiciones del trabajo

1 2

3

Buenas condiciones en la solera. Se produce poco polvo.

( Solera en malas condiciones. Poco polvo.

1

0,86

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-istkms geomechnicas muy malas (tipo E. De LauEer), siendo necesaria Ba excavación en fases. Suponiendo que se trabaja en tres turnos y que los coeficientes que intervienen en la expresión son:

EH rendimiento de excmaci6n ser&:

Si la superficie rozada es de 60 m2el 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: C, = C,,

+ CP + eVa

ptas/m3

-

(2)

GEW =- Costo de excavación que comprende: Costo de mdquina (depreciacibn e intereses) dones Repuestos y reparap' 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

ias

-I

W

B

g

2

2

W

V

y*

!O0

75

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

EXCAVACION MECANICA DE TUNELE6

TABLA 3-14 PATIOS COMPARASTIVOS ENTRE ROZADORAS

1 1

MODELO

ROZVO,

P.:"

Alpine-Miner F6-A Wesfalia Salzgitter 125-E

Dosco LH-100

1

Mitsui S-50

tt Westfalia FL-3R-50 Westfalia FE-4R-53

1

Dosco MK-2A Mitsui

175

Westfalia FL-5W1-90f100

nao

Westfalia FL-5R-90

Alpine-Miner AM=50 Westfalia FL-6W-110 Mitsui Salzgitter STM-160

¡

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

TABLA 3.14 QContinnsacibn)

EXCAVACION MECANICA DE TUNEEEC

108

El coeficiente CDse obtiene de la tabla 3-12o 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 G E 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 H a roca (segun K H. Gekrlng, 1981).

6,2, La abrasividad de las roeas

La abrasividad de las rocas es &apropiedad 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.

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

109

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, pirsxenos, 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

1

98

Arcosas

1

40-80

Basalto, gabro

l

50

Arenisca silácea Otras areniscas

Arcilla Caliza, dolomia

1

40

110

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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 denominan filosilacatosy, 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~ticosde%wmento de unión: Otro de los factores decisivos es la naturaleza del cemento de unión entre %osgranos 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 prsducir. 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 cualquiera (del tamaño de un pufio), se fija con un tornillo bajo una broca de aeero duro (200 kg/mrn2), que termina en una punta cdnica coa un hngulo de 90'. Este taladro es cargado con 7kg. Posteriormente se desplaza la muestra horizontalmente B cme;la abrasiei-ldadCerchar se mide por el dihmetro expresado en décimas de mm, del semiplano producido en la punta de la broca por se realiza con la ayuda de un micrdn~etro;su el rozamienirs. Esta n~ed%ción 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.

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

Figura 3.20. Abaco que coatiene e6 cuc~7cientedesgaste SchPEz'nmacek eea functbn del d i á ~ n e ~del m grano de cuano, de8 conbenido de rninembe~abrasive*.y de la

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

Csefidan~ksde desgastes superiores a ? = 0,6kgPclm son ya valores altos vn 50s que el desgaste de G~ilesda corte debe de valorarse adecuadzime~.ra ?ara enaBizar fa ~iatilaldadecondmica del s i s b a ~ ade 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%snesde la cabeza.

EXCAVACION MECANECA DE SUNELES

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

113

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 po~ situ», necesaria para efectuar tencia consumida, expresada en ~ W h / r n«in 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

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

WABLA 3.18 CONSUMO ESWCIFICO DE PICAS Trabajo de rozado

"2, In@ueneiade 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 Oo/ y 66 O/o)i,con coeficientes de abrasi6n 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 abrasión y de la resistencia a la compresión, las rocas que mis desgastes produ-

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

115

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 %osctiles 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 C U A U O , MSISTENCIA A C O M m S I O N , T U C C I O N DE LA ROCA U COEFICIENTE DE ABMSION EN EL CONSUMO DE PICAS (CORTESHA mNWAMETAL)

Podemos decir que cuanto meay-orsea 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 serhn 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 dde 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 paraimetro importante, ya que, según han demostrado Investigaciones sovikticas, temperaturas superiores a 550°C producen un ablandamiento de Ia widia y, en consecuencia, aumentan %osdesgastes. Para cada aleación de widla hay una temperatura critica de ablandamiento 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).

COEFICIENTE

DE D E S G A S T E

F.

Figura 3.21. Ve/elocidcsdde corte critica en fu~2ciQ'radel 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).

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

117

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 W

D R

: :

-

2

GUIA PESO DE 200 N

B A R R E N A M N A T J R A DE CW MUESTFlA C E ROCA

118

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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 %aroca.

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

MUESTRA DE CARGA VELOCIDAD DE CORTE: 2 m/sec TIEMPO DE CONTACTO: 5 sec VALORES M E D I D O S : P r o f u n d i d a d de surco Srund ( r n m ) Ancho de surco brund ( m m ) Perdido de volumen A V ( c m 3 )

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.

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

119

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. Este coeficiente serái:

15

(mdm)

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. %epuede 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 efectuar 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 incidencia en tiempo de los trabajos de sostenimiento.

10, La excavación asistida con chomo de agua (Water Jet) Actualmente se esta desarrol%aasdola 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

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

La tecnoHogPa de alta presión se ha desarrol8ado en el laboratorio consiguiéndose 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%izaday se utiBiza 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 A G U A ( 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:

II.I.1. En cuanto a Ia resistencia de la roca Cada tipo de máquinas tiene su limitaci6n; este limite resulta un tanto indefinido, ya que influyen factores muy importante como grado de diaclasado, orientacibn de fracturas y planos de exfoliaci6n. Desde el punto de

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

121

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):770960 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 incidencia 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 económicamente 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.

122

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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 ]lauti8ización de nuevos materiales y disefios en las picas. 12. Los m8todos @onstwchlvosen 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 excavación cuidadosa de %asmismas. 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~npoafises en los edneles de Bochum (Austrid.

CAP. 3 . MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

SECClON " A ' '

sescom brado

Figur~3.26- Rozado y e x t r ~ c d ó nde 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. 330). 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)

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

Figura 3.27. Rozadora Anderson Strathclyde (U.P(.) rh]/3.

Figura 3.28. Rozadora Atlas Copco-Eickhofl

CAP. 3. MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

Figura 3.30. Rozadora Paurat.

125

126

EXCAVAGION MECANICA DE SUNEEE?;

Figura 3.31. Wozadora~Salzgifter.

CAP. 3 . MAQUINAS DE ATAQUE PUNTUAL. ROZADORAS

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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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 demandas de infraestructura y servicios que imponen las concentraciones humanas de las grandes ciudades. Las caracterásticas de los terrenos, generalmente terrenos blandos o suelos, y los condicionantes del entorno, como: escaso recubrimiento, asentamiento 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 ~tuneladorauniversal».

Como su propio nombre sugiere, un escudo es una estructura rígida y resistente que, introducida dentro del t h e l , proporciona un área estable y segura 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 excavación. Este concepto rágido tradicional se ha ido transformando a %olargo de los últimos añiios en un nuevo concepto y diseñiio de escudo-mhquina que, sin dejar de cumplir ía fundación de escudo, realiza tambigin la escavación mecáinica del terreno.

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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 1ibre 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 cescudo exmvador. Fabricado por Gnnear MoodPeg se utilizó con 6xito en la construcci6n de thlneles en %alánea 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 innovacionw: 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

132

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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 coíocando 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 montaron cortadores de disco en la cabeza de corte y se instaló un anillo de reacción. 4.3.3. Escudos de cabeza presurizada con aire comprimido

Como consecuencia de %osproblemas 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 Bernard. En P9M se construyó r"a s e u n d a mdquina, Etoike TBM9por Ica compaiia Robbins.

La máquina tenia un diametro de 18,30 m y un peso de 450 Tm, y se utiliz6 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 desarroBQ6para 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, obviando 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 hidrostáticas 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

134

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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 diámetro 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 hidrociclones 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 Hndustries Ltd. La máquina era básicamente Igual kt la utilizada en 1970 en los túneles 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 presión 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 hldroescudo. 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.

CAP. 4. EXCAVACION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS

135

Las hses principales de su desarrollo son: En 1966, lo compañía! csnstmctorojaponesa Sato Kogyo comenzó los trabajos 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 %ugar 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~tmydel 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 neumáticamente. La presión del agua alcanzó valores de hasta 1,s bar y la velbeldad 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 alteraci6n de las rocas superficiales de áa corteza terrestre. Del suelo interesa conocer el comportamiento mecánico que se va a manifestar 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:

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES TABLA 4.1 VALORES DE N (SPT) Clasificación

1

1 Muy

suelto

l

l

Denso ~ l u denso y

TABLA 4.2 VALORES DE N Y r PARA DISTINTOS TERRENOS

co para su excavaci6n. Resulta

CAP. 4.

EXCAVACIOK MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS

137

En %atabla 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 Grava limpia

/

D m N A MAL

1

Arena 1Pm- Arena muy fina. s e inorghnapia mezcla ~ i m o orgánicos Mezcla de arcilla y de arena y grava

IMPDBMEABLE Arcilla homsgénea pos debao de zonas de alteraci6n.

Es importante hacer una buena caracterizaci0n de los terrenos, ya que la elección del tipo de escudo excavador va en íntima relación con las características de los suelos que han de ser excavados.

EXCAVACION MECANICA DE TUNEEES

138

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 cohesión. 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 Iimos y las arenas finas con cohesión aparente; los suelos residuales que conservan 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 cohesi6n9como: 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 transformar 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

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 . ESCUDOS

139

dentro de un modo gradual presionando, sin que necesariamente se desmorone o se rompa. Este comportamiento es caractern'sticode 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 m k i m a prestación se consigue cuando %aexcavación 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

140

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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 eliminados a través de aberturas practicadas en la paste frontal del tambor. El &amalño 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 construirse 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.%].

4.7.1.1.

Descripción de los principales tipos de escudos Escudos tapo A, no mecanizados

Este tipo de escudos es el de disefio mas simple; son los sucesores directos 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):

(Stame-Schielde)

(Non Mechanized Shield)

TABLA 4.5 CLASHFTCACION GENERAL DE LOS ESCUDOS

n-Und

Spüls-

de escavación hi-

Escudo de rejilla.

CAP. 4. EXCAVACION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS

E

Escudos mecanizados (Mechanical shields)

DEFINICION

Máquina polivalenle (Shielded-TBM)

C-2 Tambor excavador con cortadores (Dmm digger)

C- 1 Cabeza oscilante (Oscillator type head)

MODALIDAD

Modelos de máquinas FCBll,efabricada por Robins e n 1962.211 este tipo de maquinas es la caa , lo que el persona! hnicamente erabeza de corte Ea que esti ~ r e s ~ r i z a dpor 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 ~atilizaclóndel aire ~ o n ~ p r i m i d~01n0 s elernea~oestabiiiizador del frente, por lo qce es una técnica susceptible de ser usada en todo mo~megto.

La lCcnica del aire co~mgrimideies 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 eapacidad adecuada con nn equipo de reserva movido por una h a n t e 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

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.

3. Congelación

Se requiere superficie accesible. Causa el levantamiento de algunos suelos. Muy costoso mantener la co-ageiacidn

4. Escudos de frente cerrado

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.

CAP.4. EXCAVACION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS.ESCUDOS

193

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~xaso exigencias, algunos de 10s males se recogen en la tabla 4.14.

Como ya hemos dicho, ei uso del aire compiinkdo en %aconstrucción 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&sposible y a reducir las presiones de trabajo. Cuando se utiliza, deben establecerse estrictos controles entre la duración del $rebajo en la zona sometida a presi6n y el tiempo de descompresidn que deben ser res~ehadosescrupulosamente, El aire comprimido es generalmenk efectivo en el control de suelos cohesivos y arenas gravas bajo carga de agua que contengan al menos un 10por ciento de arena fina, 1Irm o areiE8a. Los suelos que tengan contenidos inferiores de baateriales finos produciidn unas pérdidas i~aportantesde 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 Inyección previa. C o ~ n ola presión se aplica uniformemente, aSlnicamente puede equillbrarse 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-

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

194

ble. Por otra parte, una pérdida excesiva de aire comprimido pued8 llevar como consecuencia una disminución importante de Ba presibn dentro del tá9nel, 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 expresión 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 ces la capacidad tebrisa calcnlada.

4%ve-

En Baz. figura 4.51 se indica el campo de utilización de la técnica del aire comprimido. DIAMETRO EFECTIVO DE GRANO

1 0'8

10-5

810

10-2

1

PERMEABILIDAD 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-JEcialesurbanos en terrenos no cohesivos o poco cohe-

sivos, especialmente cuando su trazado discurre bajo edificaciones o Instalaciones Importantes y debe limitarse el asiento en superficie inducido boir la excavación. b) Paso de zonas especiaimente dficiles en t6aneles cuya cohesión es Insuficiente 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 %asc&racterísticasgeo~mechnicas 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.

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D h a f r o t o l o d i o s de

8nvección j i m m

INVECCION, SIMPLE COBERTURA

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reconocimiento 12-16 Uds.

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SECCION

i n p c c i ó n en 30 m.

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C i c l o d e oxcovación 15 m . /

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iNYECCION, D O B L E 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 excavación.

En la construcci6n de unos tdneles colectores para la ciudad de Oslo, Einar 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 perforación entre el 45 y el 30 por denlo. En este mismo proyecto se adopt6 el criterio de inyectar c ~ a n d oBa BEbradón obtenida según el ensayo Lugeón alcanzaba valores, según los casos, de 0,05 y 0,2 Easgeón $1k~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 %oscosl ~ : : y urarEabEe, pero en cualquier caso w tos de construcción de un t ~ n e es incidencia es importante. SECCION TRANSVERSAL

PERFIL

Zona de agua

-

Sondeos

'p'

SONDEOS RECONOCIMIEVC

Figura 1.53. Sondeos de reconocimiento y de inyeccn'&ínprevio (G. Kjolseth, 1987).

198

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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 (tade inyección y se consumieron 209 Kg ladros de reconocim%aiento+taladros de cemento y 8%,66Mg 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. D 1 A h . r :!,r

E F E C T I V O BE G R A N O

PERMEABILIDAC

Kmlspg

Figura 4$.54.Productos de dveccibn en J u n c ~ ó nde ia permeabilidad de los terrenos P.E. Bubbers;.,1980).

CAP. 4. EXCAVACION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS

199

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 3035 bars. Debe controlarse especialmente Ba presidn de inyección cuando existen en proximidad edificaciones o instalaciones que pueden ser afectadas por éstas. 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"8cclonestemporales en el aégimen del agua subterrknea no causen asentarnientos en superficies y da5os a pr6ximos, puede utilizarse el abatimiento o deslos ed8ficios o a los sew%rgcños censo del nivel freitico como técnica auxiliar para mejorar el csrngartlmiento 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 %asuperficie 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 recurrir a cualquler~de las otras técnicas auxiliares como: aire comprimido, inyeccidn ...

EXC.4VACION MECANICR DE TUNELEl

200

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 generalg1a 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 grawulometrá'a m&sfina, ya que el flujo de agua puede producirla erosión del terrens cirmndante con el transporte de particulas finas; para ello deben colocarse filtros adecuados para. evitar el arrastre de finos.

SE como consec~eaáciade1 descenso del nivel frehtico se observasen asentamiento~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 excavación 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 rornger el frente.

CAP 4

EXCAI'ACION VECANICA DE TERRENOS BEAluDOS ESCUDOS

201

La aitesnativa de %ainyecci6ao qnirnica puede se: inaprofiigda para suef;os de grano muy fino. BBsicarnealie ásr congaldcf6n del terreno consiste en ~ ~ U e calar e r as: *,erreno 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, incremesntindose asi sus caracter$lsticasresistentes. Deben~oaconsiderar que grandes caudales circulantes de agua sern'an paijudicEaHes para el buen resaltado de la congelación, Es sabido lo dificil que resulta exca~7a.run 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, asegurhdose 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 &eun 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 ~esulteeficaz, lo que exige una técnica especlaiizada. t e r n p e r a ~ e ~ s a ~ 1 Tubos de

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.

202

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

El liquido enfriador circundante más frecuentemente usado es una salmuera con una planta de refrigeracidn; tambi6n se usan refrigerantes cornerchales 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 próximas. 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 (HaGrob, 6984)

R e á i s t s n c i a a compresión

Figura 4.58.Resistencia a Ic& rolum de fnateiialescongeEadcs en ensayo unisexlo1 (HmGrob, 6984).

CAP. 4. EXCAVACION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS

1. Formas 2. Dimensiones

condiciones de diseno

3. Longitud 4. Profundidad del túnel S . Radios de las curvas 6. Pendiente 7. Metodo de revestimiento

l. Composición y variación del

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

ciones del entorno

3. Condiciones de trabajo 4. Situación del transporte

1

5. Estudio económico

1

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Selección del tipo de escudo

Figura 4.59. Etapas de decism'o'n de un escudo.

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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$E$ncriterios 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 excavación. 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 automhtica 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

CAP. 4. EXCAVACION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS

TABLA 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 impregnados con polimeros (polymer - impregnated concrete), hormigones reforzados 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 metilicas. 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 condlcB6n 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 congelación. 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,

212

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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.

CAP. 4. EXCAVACION MECANICA DE TERRENOS BLANDOS. ESCUDOS

213

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 sejustifica 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. 4.10.2.3.4.1.6.

Sistemas de unión de los elementos Revestimiento flexible

Los distintos elementos se unen unos a otros mediante pernos de sujeción 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 $40nivel 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 csmpresión 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 primarios. - 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 WexotrascP6n 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 Frankfuaaat, 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. Reveseirnienlo de hormigbn extruido. CoPector de Hambueo.

Durante Isn construcción fue abatido el nivel frehtico (Fig. 4.64).

1

I- Ali

mentación del hormiqón

iEncofrado

I

frontal (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 mEl 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 excavación. De este modo se reducirain %ascargas 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 &tineli, 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 considerablemente 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-iirade 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.

E X C A V A C I O N M E C A N I C A D E TUNELES

218

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:

>

en el que la inyección se realiza varios anillos 1 por detris del escudo, mediante taladros de inyección situados en el centro de los segmentos prefabricados. en el que Ia inyección se realiza inmediata2) mente después de concluido cada avance mediante taladros de inyección. en e%que la inyección se realiza simultánea3) 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 %oscostos sociales inducidos. En la figura 4.65 se indican los costos obtenidos en Jap6n en distintos métodos constructivos en función de la sección de excavación. Se obseiwa, como es B6gicopuna 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 %osmsmentos de paralización y sal bloqueo de8 agitador al ponerse en marcha la máquina 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

o

I

50

--

1

100 m2

SECCION TRANSVERSAL

Figura 4.65. Costos de constmccbBn de tMne&wcon diversos tipos de escudos, en compara cid^^ con e1 método «cut and cover)) (Fukuchb 1984).

EXCAVACION MECANICA DE SUNELFS

BARBAMSTACK: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. 1984. Design and construclion of urban teannels compressed air; C. J. KIRKLAND: Aduances in tunnelling technology awd subsurface use 1984. B. L.BUBBERS, mott hay and ANDERSON CROYDON: Safeti aspects of tunnelling in an urbaia area. The safety o6 underground works 1980. T. LANGELARSEN:Tunnel excavalion and pregrouting wíth bouyganes boring machine; Nomegian tunnelling technology; Publicatíoam n.' 2. 1983. U. FREDWIKSEN and E. BROCH: Groueing of sewer tunnels in Oslo. Advances in tunneiiling technology and subsurkace use 1984. GUNNAW KJOLSETH, A. B. BERDAEA/S: Karsto sub-sea tunnels for gas transport. Strdit Crossings 1987. H. GROB:Ground freezing as tuwnelling support; Advances in Bunnelling lechnology and subsurface use 1984. S. BABENDERERDE: Designs and consbruction of linings for urban tunnels. Advawces in tunnelling-technolsgy and subsurface use 1984. M. D. JOYCE:Site invesligalion praetice; E. F. N. Spon. c. R. 1. ~ E A Y T ON. N , E. SHMONS, M. C.MATTHEW-S: Site investigation: Granada. s. GEORGE THON:Tunnel-boring machines. B. ~ ' ~ A I DHandbuch L: 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, afectando 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. Tendido de tabedas y conductos entre 390 y 950 mm, Las técnicas que se utilizan en este campo son:

"32.

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 SBUHH~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.il 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 aceite. 5.Sii1fíil. 6 . T u b o p i l o t o . 7.Cabeza g o l p e a d o r a . 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 DE CRISTAL CABEZA

PILOTO

INCLINOMETRO CABEZA P I H AClA

N EXTENDIDOS

G A T O P l L O T O CON EL C I L I N D R O AV PI

@--e @

DLmn E--

...-

e-@-

..-*-- --

CORRECCION D E L A DESVIACION CONTINUANDO E L E M P U J 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 Silustración U), del procedimiento.

aA V A N C E

CON EL C A B E Z A L PILOTO

P L A C A D E APOYO STACION D E V W C E PRlNClF

TUBO

PILOTO

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 E M P U J E

@ REPETICION DE L A S FASES

a

y

@

Figura 5.4. Sistema Iron Mole (Komaísu), rendido de /a tubería piloto (Tunnelbau, 1983).

EXCAVACION MECANICA DE TLJNELES

@ACOPLAR E L CABEZAL DE E N S A N C H E AL TUBO PILOTO

n

t

8AVAN C E

I

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D E L CABEZAL D E E N SAN CHE

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CABEZAL

DE

ENSANCHE

A V A N Z A R E L TUBO DEFINITIVO MEDIANTE @ L A ESTACION PRINCIPAL DE E M P U J E . n

I

8 WEPETlClOiV FASES

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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 techni4 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~nelen 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. (Horizontal boalng method) ESCUDO DE LODOS QSíurvshield method)

Tipo rotativo de simple envoltura Tipo rotativo de doble envoltura Tipo lodo presurizado 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 dirección 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~inteempuje 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 excavación 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%imaen 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 $aTabla 5 . 2 , debida a S. Tohyama. Este método presenta %assiguientes 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 davado 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 sustituci6n 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 inrnediatamente detris va conectada la tuberia principal (de acero u hormigón) (figs. 5.7, 5.8).

klguru 3.7. ,kdeiudo Augrr rri uriu uprruciun.

230

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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 cohesivos como en suelos arenosos y suelos con rnez~lasde 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 automático 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 tornillos 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 Ilegada 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 resolverse 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 reemplazadas 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-aétodose 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 método se usa para tubos con revestimiento en pasos bajo carreteras. EZ otro es eP $DO rotativo de doble envoltura$en el que W a 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

5.4.4.

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

M&todsde exmvadóa nien ttipnael con escudo de Iodos

Con este método se efectúa la perforación de un t8iinel mediante el csntrol 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) LOSefectos en la superficie son manirnos como resultado de la csmbinaación 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 %uneladora 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$rosentre 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 observadas y corregidas inmediatamente. Este tipo de máquina puede utilizar un ndrnero variado de tipos de tuberia (de acero, de cemento-asbesto, G W , 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 pequeño 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&qulnase 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, Singapuñ, 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.

EXCAVACION MECANICA DE TUNEEES

234

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.-Srailsporte del l o d o al e x t e r i o r

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 contribuciones 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 electrohHdr8uíicos similares a %osdel 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&sreducidos 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 Alemania; 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 B a 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 encuentre 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 %asdimensiones 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 pl8stico. 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 consideramos 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 presión que se manipulan en una estación de control desde un panel de mandos. 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 m b de 2.500 metros de colectores con dihmekros entre 500 y 600 metros, habikndose conseguido una excavación 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 Hansemole (Fig. 5.14)

Ic

\,

orta30 ~ h o c a d o r o Cabez

\ Tuberia

de extracción

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 mejores gatos de dirección y una mejora del sistema de estanqueidad. Se han excavado m&sde 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 opresión 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 reparada 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~mblnaci6ncon 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 peamanentemente 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 computador 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

Figura 5.15. Estación de erizpuje de tubos Westfcmlia.

$[gura 5.66.

Esranón rntermedla de empuje Wesgalia.

241

242

E X C A V A C I O N 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 tuberáa en una estructura puente) algnas veces no son soluciones ni aconsejables (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 California* 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 Bongitud de la tuberia y su di8metro. Se ha llegado a realizar un tendido de 1.500 metros de tuberáa de 40 pulgadas de diimetro.

Descfipeidn del m6todo

5.6,2,

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 %asorillas, 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

e%

I

B 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 ~ nJ. 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 asceder, 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 act6a 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 121tuberáa, 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 la zapata de acero. El avance del tamediante la posición del "beent housingS9y ladro piloto es registrado mediante un sistema de dirección de la heraamienta 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, referidos a un origen en la superficie del terreno,Jun&ocon la posición relativa del "beenr houshg". Esta información es transmitida mediante señales de radio a Ha otra parte del sistema situado en 121superficie. 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'enla 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 Hntroduce 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

PUNTO DE LLEGADA

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 ~ ecomo 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 continuamente. 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, tirando hacia dentro simultálneamen$e a lo largo del taladro piloto (Fig. 5.19).

BE A

TUBEWlA A COLOCAR

B L A CA G I RABOWIA

CILlN DWO ENSANCHADOR

FRESA

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 Bavado, 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&neasde 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 fundido en instalaciones de gas (Figs. 5.20-5.22).

246

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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 acci6n 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 tknnel y la utilización de pequeños robots que hagan el trabajo dentro de la tuberáa. - 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 instantanea «instant se&»,revestimientos de materiales extruidos. - Trabaar en condiciones dificiles bajo presi81.1 de agua por control remoto y utilizando robots. - Tendencia a utilizar pozos de dimensiones máis reducidas. - Utilizar la excavaci6n con topo o mhquina de ataque puntual en combinaci6n con 19, tdcnica de empuje con gatos telescópicos. - Utilizar nuevos materiales para las tuberias como: el G W , 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 pag. 19, 1985. Underground, March 1989. Magazine for trenchless construction and palierotunnelling. 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; Trenchless Constructioaa for Utilities - pag. 160; 1985. A. G. POOLE,R. B. R o s s ~ o o ~4.c R. , ~ Y N O L DRepPacement C: 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) = 475,77 100,53J - 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)

+ 7,409M -

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)

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

252

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 Internacional de MecBnica de Rocas. Para conseguir una adecuada carackrización de la masa de roca es necesario obtener informaci6n cuantificada de la:

1) 2) 3) 4) 5)

Dureza de la roca. Resistencia. Perforabilidad. Abrasividad. 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 eorrelaciones entre los ensayos de ámbito local y los propuestos internacionalmente.

W. E. BAMFORD:R O Ctest ~ indices are being successfuailky correlated with ebannel boring machine performance. W. E*BAMFORD:Cuttability and crillability of HBGBC; Civil College Technical Repsht Engineehs Australia, July 1986.

ENSAYOS DE LABOMTOHO PWOWESTOS W R LA SOCIEDm INTEWACIONAL DE D E T E M I N M LAS MACmHCA DE ROCAS P PROPIEDADES DE LAS ROCAS EN mLAUON CON SUS METODOS DE EXCAVACION rd""ANHslA A) Tabla naoAA.2.11.Ensayos de labomdods propuestos por la Sociedad Iaabemaciorraal de Med~Hmde Rscas PROPIEDAD DE LA POCA A DETERMINAR ENSAYOS PROPUESTOS DUREZA a) Escleroscopio Shore; a) Esclerógrafo Roeil-Korthauss. b) Martillo Schimidt (rebote). RESISTENCIA

8

/

I

PENETMCILON ROTATIVA Y BE CORTE (ROTARY DRILLJNG AND CUTTPNG)

1

a) Resistencia al corte con punzonamiento; Resistencia al corte sin confinamiento (o cohesión). a) Tenacidad a la fractura; b) Resistencia a compresión simple. b) Resistencia a tracción, ensayobrasilefio; Resistencia según ensayo (moint-load». ----

-

-

~

ad Perforabilidad Goodrich. bj Indice Voest-Aipine de resistencia al arranque. c) Abrasividad Taber.

PERFOMCPON DE PENETBACION Y DE CORTE (PENETMTIVE DRIELING AND CUTTING)

a) Pndice NCB con cono indentaclor. a) Perforabilidad Morris. a) Ensayo con cuna OK.

PERCU(PERCUSIVE DRIELING AND CUTTINO)

a) Dureza al impacto. b) Coeficiente de resistencia a la roca.

ABMSIVIDAD

a) Abrasividad Cerchar; a) Desgaste Goodrich. a) Abrasividad Paddle. b) Abrasividad Taber.

ESTRUCTURA GEOLOGICA

Mediante el indice G,, suma de los parámetros 3 y 4 de la clasificación RMR. Mediante el indice G, = (RQD/JN)* (JRIJA).

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 VoestAlpine; Coeficiente de resistencia de la roca; Resistencia al impacto; Abrasividad 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 ASCENDENTE ( M I S E BORER)

Ensayo Goodrich; Indice Voest-Alpine de resistencia de arranque; Indice NCB con cono indentador; Ensayo Morris; Abrasividad Paddle; Abrasividad Cerchar. 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 mecáinicamente 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 estaatificaci6n, 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 %aresistencia 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 neo8.

256

EXCAVACION MECANICA DE SUNELES

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 expresión

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 (según Rosiwal):

EXCAVACION MECANICA DE TUNELEC

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 ode 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 sintética, formada por granos de cuarzo de 0,280 mrn de dihmetro medio, aumenta linealmente hasta un contenido de cuarzo del 50Q/opara 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.

EXCAVACION MECANICA DE TUNELEC

Figum n." A.3.1. EI desgaste enfunción del contenido de cuarzo (según J. Shimazek, H, Knatz, 1970).

CONTENIDO

DE

CUARZO

E N "/- E N

VOLUMEN

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 cuantitativamente por la resistencia a la tracción de la roca.

APENDICE III

261

ROCAS CARBONIFERAS DEL W U H R

ROCA SIRIVEBICA

COEFICIENTE

DE

DESGASTE

F

EN

kp/c-i

Figura n.' A.3.3. Relactdn entre el codcienee de desgaste F y e%desgasee (segtilm J. Shimazek, H~Knatz, 1970). N O T A : 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.

A.3.3 muestra el desgaste debido a unas rocas carboniferas La figura nmo de8 Reihr; vemos en este caso que una gran parte de %ospuntos 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 ningún polvo. Rocas con coeficientes de desgaste de F = 0,06Kp/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

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

APENDICE III

Figure

\

N* 4

! \

\ \

',

MOVIMIENTO DE L A S CURVAS

-CON

EL AUMENTO DE L A

Rendimiento

m e d i o de r o z a d o

FRACTURACION

rn5/hora

l inritul

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 disminuyendo 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 producci6n 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 unificado 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 E L IMPACTO INCREMENTA

D

EL CONSUMO DE

09

PICAS..

D

B

-

0.6

0.3

O

0.1

0.2

03

0.4 Consumo

0.5

0.6

de p i c a s

0.7

0.8

( p l c ~ s l m ~ situ) i n

Figura neoA.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 predicci6n 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 drarnhticamente 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 operación 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 kaboratorio, la accibn de corte producida por las picas durante H e 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, ctlndentation hardness», para los tipos mhs comunes de rocas sedimentarlas.

TABLA A-3.3. VALORES DEL ENSAYO CONE HNDENT" ALGUNAS ROCAS SEDHMENTAREAS (Me. "A"-SMITB,

ARENOSAS

ARCILLOSAS

RAM 1977)

EVAPOUTIíVAS

TIPO DE ROCA

C.I.

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

TIPO DE ROCA

C.1.

TIPO DE ROCA

C.I.

Arenisca no cementada

0,6

Carbón

u

Arenisca KEUPER 1,3

Equistos AaciPlosos 2,s

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

266

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 0 - 1.00

DESCRIPClION 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

Extremadamente dura

i

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.

EL COEHICIENTE DWLASTICIDAD B DE ALGUNAS ROCAS (M@. FEAT-SMi%lTH,1977)

U a $ B L ANeo A.3.5.

ROCAS ARCILLOSAS

AMNOSAS

Cuarcita

O

Arenisca no cementada

2

Arenisca silícea

8

Arenisca siln'cea BUNTER

24

Carbón

Arenisca BUNTER 33-39 Arenisca m U P E R

53

2

EWPOM'FIVAS

Caliza excelente

22

43

5'2

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. CseJZcientede 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 afectan a la resistencia de ía unión y vendria representada POH.este y 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

% pcf 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)

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

DENSIDAD

(pef 1

MODULO DE DEFORMAClOM f

x

10'psi 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).

JURGENSH~MAZEK und Dr. phil H o ~ s aKNATZ:Der Einflub des Gesteinsauiii baus auf die Shnittgeschwindigkeit und den MeibeBveaschBeib von Streckenvortriebsmaschinen, von DipB. geol. Dr. rer. nat. Essen. Glückauf 1970 Marzo Kr 6. E. ADDERand G. V. MRHSHNAN: A unified Rock Classification for drilling asad boring, 1983 Rete. Proceedings, volume 1, pag. 157-194. IANMe FEAT-SMITW and ROBEN J. F 0 v ~ k ~ : T hSelection e 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

Q=-.-.-Jn

Jr Ja

Sw 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

RQD =

Suma de gong. de testigos de long. mayor de 100 mm. X 100 Longitud total de la perforación

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 inspeccB6n 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 ma5apoyada 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.

E X C A V A C l O N MECANICA DE SUNELES

272

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

DISCONTINUA ONDULADA

RUGOSA SUAVE PULIDA PLANOS GONTENIENTO RELLENO GRUESO DE ARCILLA 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) P A M 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 preconsolidado, con o sin roca triturada.

1

Recubrirnientos de minerales arcillosos reblandecibles o de baja fricci6n y peque5as cantidades de arcillas expansivas.

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.

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

274

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

ALTUM DE AGUA

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 decreciendo con el tiempo. Excepcionalmente altas entradas de agua continuando sin aparente disminuci6n.

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 quimicamente desintegrada, roca circundante muy aflojada. Zonas blandas aisladas que contienen arcilla o roca quimicamente desintegrada (profundidad de excavadón < 50 m.). Zonas blandas aisladas que contienen arcilla o roca quimicamente 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 1ibre) (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.

saa 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).

-

Todos los valores seleccionados para los seis parhmetros, basados en obsenaciones o estimados se sustituyen en la expresibn: RQD %r Jw Q = J ~X 9aX - 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).

6 meses

C - Roca densamente fracturada (rocas Igneas densamente fracturadas, esquistos, pizarras y rocas metamórficas máis blandas).

ñ semana

D - Roca desmoronable (rocas blandas, pizarras arclIlosas, rocas duras dislocadas y parcialmente alteradas).

5 horas

E - Roca muy desmoronable roca dislocada, rocas blandas, rocas duras m8s dislocadas y alteradas.

20 minutos

F - Roca que ejerce presión (pizarras arcillosas alteradas y dislocadas, suelos cohesivos con conslstencia 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).

2 minutos

10 segundos

2. Clasificación de rocas en funeidn de su resistencia a la compresibn simple O

O Muy blanda poco resinente

I~h&u/ Dura

Muy dura

Coate% 9964

Pcec W s t Muy E n t r a d . Deore y Miller r e s n . l m i a restst. resisten*. 1966

Modemd.Modssadam.

ResisP~n~ia muy baja

1

Extremad. Geolqical Soeioty

R e s ~ dM . Q k . Reást. R e s l s t e ~ i a ~ i e n i a w s k i baja resist. a l t a m u y a l t a 9973

RESISTENCIA A LA COMPRESlON UNIAXIAL, M P a

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.

278

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

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

Resistencia

[loS ~~1 (Nota)

r

Valores de Módulo de ProQoddeformación, Eo i l O S Pal yakonov y módulo de poissou Densidad de jwntas Pequefia, media grande

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 inlercalacisnes 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

MBINmL PRINCIPAL 8 COMPONENTES

RESIDUOS

Conglomerados

Cuarzo y fragmentos de roca

Gravas

2 2 mm.

Brechas

Fragmentos de roca

Rable (fragmentos angulares) Arena

2-1/16 mm.

Areniscas cuarcíticas

Arena rica en CUsZTZQ.

Arcosas

Cuarzo y feldespatos.

Arena rica en feldespatos.

Cuarzo, feldespatos, arca- Arena sucia Ela, fragmentos de roca, coa arcillas y restos volcáinicos. fragmentos de roca. Minerales arcillosos, cuarzo. Caliza eláistica

Calcita

Lodo, arcilla y limo.

Fragmentos de conchas y granos de calcita.

ROCA CONSOLIDADA

i Turba y carbón

MHNWLES PRINCIPALES O COMPONENTES DE ROCA

NATUMLELA ORIGINAL DEL MATERIAL

Dolomita

Caliza o limos calcáreos no consolidados.

Materiales orgálnicos

Fragmentos de plantas

GOMPOS. QUáMIeIA DEL MATERIAL DOMINANTE

C-i-compuestos de C.H.O.

Conchas silíceas y precipitados químicos.

Pedernal-Silex

Halita, yeso, anhidrita.

Residuos de la evapotación 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~sde GBIIuBy, Wafers y W~odhrd,1979)

TEXTUW

NOMBRE

COMUNMENTE DERIVADA DE

MINEMLES PRINCIPALES

NO FOLIADA 8 EIGEMMENTE FOEHmA I

Roca corneana

I

l

Hornof6lsica

Cualquier roca de grano fino

Muy variados

Granoblálstica de grano fino.

Arenisca

Mirmol

Granoblhstica.

Caliza, dolomia.

Calcita, magnesio y silicatos cállcicos.

Tactita

Granoblálstica de grano grueso.

Caliza o dolomica máls emanaciones magniticas.

Varios Silisatos de hierro, calcio y magnesio, asi como ranete, epidolo, pirowenos anBboles.

Basalto, gabro, tova. Bomblenda, plagioclasa en menor grado granate y cuarzo.

Anfibolita

GranuPita nos, granate y otros

j/

"LIADA Cualquier roca de Muy variable. grano fino.

Pizarra esquistofiaita Esquisto cloríhico

Esquistosa o pizarrosa.

Mica-Esquisto

Esquistosa.

Esquisto anfib61ico

Esquistosa.

Gneis

Migmatita

Burdamente en bandas, muy variables.

Basalto, Andesita, Toba.

Clorita, Plagioclasa, epiloto. Pizarra, Toba, rioli- Muscovita, cuarzo, ta. biotita. Basalto, andesita, Anfibolita, plagio $abro, toba. clasa. Granito, pizarra, Feldespato, cuarzo, diosita, mica-esquis- mica, anfiboles, grato, riolita, etc. nate, ekc. Mezclas de rocas ig- Feldespatos, anfiboneas y metamórfi- litas, cuarzo, biotita. 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 2 4 mm.) Vitrea

Obsidiana (vidrio masivo) Piedra pómez (vidrio espumoso)

Vidrio basáltico

Afanitica

Riolita y dacita

Andesita

Granular

Granito Diorita Feldespato potási60 predominantemente

Basalto

m

8 0

8

e

'%

4 a

Ci F2 6

3d

Gabro

Peridotita olivino y piroxeno

Granodiorita plagioclasa y feldespato predominantemente

Dolerita o diabasa Piroxenita piro(grano fino) xeno sólo. Serpentina olivino alterado y piroxeno

Aumento del tamaiío de grano

Contenido decreciente en sili-

CONTENIDO DECRECIENTE EN SHLICE

18. Velocidades de Ba onda sismica O

a r e m gruesa.

marga -creta-greda . caliea y arenisca.

VELOCIDADES MEDIAS DEPROPAGACION DEONDAS LONGITUDINALES PARA ALGUPlAS ROCAS TIPICAS DE es pies d e R i n e h a a t F o r t i n y B u r g i n 19 6'1) ROCAS COMPACTAS Dunita

7 Km/s

ROCAS M E W S COMPACTAS Caliza

4KrnIs

Kliabasn

69 K m l s

Pizarra y l u t i t a 4 K r n 1 s

Ga bro

6,; Km1 s

Arenisca

Dolomita

5,s Krnls

~ranito

5 Hm/s

3 Km/ S

ROCAS 1\10 CONSOLIDADAS 7

Kmls

Arcilla plástical

Kmls

Aluviones

1 Krnls

0,5Km/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 Pizarra (slate) Anfibolita Granulita Eclogita

2.700-3.030 2.720-2.840 2.790-3.140 2.430-3.100 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 velocidad sónica.

13. e%asificarH6m de abeaBams.-(Despub de 1.BN.W.M. 1975)

DESCmPCIBN .;z-.

.e

89,-

E 3

a-, ."'S

SE23 aEE"

.* .E 2%

a'z-s* o al S hdcam~,fiaca-a

r=i

e>

+

SCa 53 S

cu +2

Sed

0.3

'-'S

F4 F4h O 0s crd 622 .s .a 8 ; 23

.t; 'í41

.*

2s

2 ig .pi

EXCAVACION MECAWICA DE TUWELEC

L.HOBSTand J. ZAJIC:Anchoring in Rsck and Soil, Elsevier Scientific Publishing Csmpany, 1983. C. R. 1. CLAYTON, N. E. SIMONSand 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 acres acres acres acre-feet acre-feet amperes/sq. cm. ampereslsq. cm. amperesisq. in. amperes/sq. in. amperes/sq. meter amperes/sq. meter ampere-hours ampere-hours ampere-turnas ampere-turnsicm. ampere-turns/cm. ampere-turnsiin. ampere-turns/in. ampere-turns/in. ampere-turns/meter ampere-turns/meter ampere-turnslmeter angstrom unit angstrom unit angslrom unit

4.035 x lo4 4.047 x lo3 1.562 1 0 4 4.840 x

4.356 x lo4 3.259 x á05 6.452 E. x lo4 9.550 x 10-" 1.550 x lo3 1.0 x 4.452 x 3.600 x lo3 3.731 x 1.25'7 2.540 1. x 102 3.937 x 10-" 3.937 x 10" 4.950 x 10-' 1. x 2.54 x 1.257 x 3.937 1. x 10-'O 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)

EXCAVACION MECANPCA DE TUNELEC

300

CONVERTIR

MULTIPLICAR OBTENER

POR ares ares ares astronomical unie atmospheres atmospheres atmospheres atmospheres atmospheres atmospheres

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

atmospheres

O" C.)

atmospheres ahmospheies atmospheres

millimeters of mercury (at 0"C.) kgs./sq. cm. kgs./sq. meter poundsisq. in.

barren§ (u.s., dry) barrels (u.s., dry) barrels (u-s., dry) barrels ( a s . 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

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

2.1504 x lo3 3.524 x 3.524 x 10' 4.0 6.4 x 10' 3.2 x 10'

cubic in. cubic meters liters pecks pints (dry) quarts (dry)

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 centimeters o f rnercury centimeters o f mercury centimeters o f mercury centimetess of mercury centimetersfsec. centimeters/sec. centimetersfsec. centirneters/sec. centirnetersfsec. centimetersfsec. centimetersfsec.

3.9685 x lod3

btu (mean)

3.146 4.870 x 10-' 1.0 (O C x 9/51 + 32 O C 9 273.18 P. x 3.382 x 10-' 6.103 x 10-' 2.705 1.0 x 3.281 x 3.937 x 10-' 1. lo-s 1. x 6.214 se~m ix\ -01 1. x 10' 3.937 x lo2 1.094 x P. lo4 1. x lo8 1.020 x 1.020 x 10-' 7.376 x 9.807 x lo2 1. x 7.233 x 1.316 x

lamberts lamberts sq. rneters fahrenheit(degrees) kelvin (degrees) grams oaance (fluid) u.$. cubic iaa. drams liters feet inches kilometers rneters millimeters mils yards microns anagstrom units en-grams meter-kgs. pound-ft. cm.-dynes meter-kgs. pound-ft. atmospheres

1.36 x 110'

kgs.fsq. meter

1.934 x 10-'

pounds/sq. in.

1.969 3.281 x 3.6 x 1.943 x 6.0 x 10-' 2.237 x 3.728 x

feetfmin. feetfsec. kilometersfhr. knots rneters/min. milesfhr. milesfmin.

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

302

CONVERTIR

MULTIPLICAR OBTENER

POR 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 ~ubicfeet 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 r y ) 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 OBTENER

POR 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.

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.

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) 1.811 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

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.)

EXCAVACION MECANICA DE TUNEEES

304

CONVmTIR

MULTIPLICAR OBTENER POR

dynes dynes dynes dynes/seq. cm.

in of water (at 4 O C.) grams joules/cm. Joules/meter (wewtons) kilograms poundals pounds bars

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.

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

farads faradaylsec. faradays faradays fathoms fathoms feet feet feet feet feet feet feet feet of water feet of water feet of water

míerofarads ampere (absolute) ampere-hours coulombs meters feee centimeters kilomeeers meters miles (naut.) miles (stat.) millimeteas mils atmospheres in. of rnercury kgs/sq. cm.

dynes/sq. cm. dynes dynes dynes

yol E"

O

N

X X ,

M

1

d

X

2

1

2

OD

X

+ I a*

Lo m

Z

M

m 1

m m

I

I

x

2

d ? .

X

-a X

- 4

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Y

-

v!

G E 0h 0

-

- 4

---,-.g,& h h h h .

.?

M M M M M M M M M M M M

w-w-

61

O

cd

M W M M M

m m m m m

C e f9 C + a, m>>% .z .B. \-. $ $ $ $ $ $ Z Z Z E VVMM,mmmmmmm z am m=zm ma a a. 2~.g2 . 2g. Ggs. 5 c. G .c5~z ~ .gsS~ Gc GzG~G~

~

m m m m m m a a a Q

~

M M M M M M M M M M

$ 4 o8

0 O

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.4

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gsggsss

0.4

-.-.\-.-.\-.-%

$ 5 3 3232 + g g g g g i o o o o : ~ S m e y ~y cy dy ey ~(c d m m m m m m m m m m m m m m G B ~ B B B B B B B B B B 8 8 B B B B B zM ~W c M~McM ~M M g MgMrW zM M r M r Mc MrM rM M r Mc Me z c e

CONVERTIR

MUETEPEHCAR OBTENER 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-'

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

J joules QouPes joules joules JouHes joules Qoules/cm. jouleslcm. jouleslcm.

btu ergs foot-pounds kg.-calories kg.-meters watt-hrs. grams dynes jouleslmeter (newtons) poundals pounds

kilsgrams kílograms kílograms kilograi-~s

9.80565 x lo5 1.0 lo3 9.807 x 9.807

kiliograms kilograms kilograrns kilograms kilograms kilogramslcu. rneter kilogramslcu. meter kilogramslcu. meter kilogramslcu. metes kilogramslmeter kilogramslsq. cm.

7.093 x 10' 2.2046 9.842 x 10-' 1.102 x m-3 3.5274 x 10' 1.0 x 6.243 x 3.613 x 3.405 x 10-'O 6.72 x 10-' 9.80665 x lo5

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~NVERTIR

MULTIPLICAR OBTENER POR

kilogramslsq. cm. kilogramslsq. cm. kilogramslsq. cm. kilogramslsq. cm. kilograms/sq. cm. kilograms/sq. meter kilogramslsq. meter kilogramslsq, meter kilograms/sq. meter kilogramslsq. meter lilogramslsq. meter kilograrnslsq. meter kilograms/sq. mm. kilogram-calories kilogram-calories kiiogram-calories kilogram-calories kilogram-calories kilogram-calories kilogram-calories kilogramcalories/min. kilogramcalories/miw. kilogramcalorieslrnin. kilogram-meters kilogram-mekers kilogram-meters kilogram-meters kilogram-meters kilolines kiloliters kiloliters kiloliteñs kiloliters kilometers kilometers kilomaters kilorneteis kilometers kilometers kilometers kilometers kiPometers/hr. kiPometesslhr. kilomekerslhr. kilomelers/hr. kilometers/hr. kilometers/hr. kilometers/hr./sec. kilometers/hr./sec. kilometers/hr.lsec. kilcamete:s/hr.lsec.

9.678 x 10-' 3.281 x 10-' 2.896 x 10' 2.048 x lo3 1.422 x 10' 9.678 x lo-' 9.807 x 3.281 x 2.896 x 2.048 x PO-' 1.422 x 9.80665 x 10' 1.0 x lo6 3.968 3.086 x lo3 1.558 x 4.183 x lo3 4.269 x 4.186 1.163 x 5.143 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.

9.351 x

horsepower

6.972 x 9.296 x 9.804 x lo7 7.233 9.807 2.342 x 1.0 lo3 1.0 lo3 f .308 3.5316 x 10' 2.6418 x lo2 1.0 x 110' 3.2811 x lo3 3.937 x lo4 1.0 lo3 6.214 x 10-' 5.396 x lo-' 1.0 lo4 1.0936 x lo3 2.778 x 10' 5.468 x 10" 9.113 x 10-' 5.396 x 10-' 1.667 x 10' 6.214 x 10-' 2.778 x 10' 9.113 x 10-' 2.778 x 10-' 6.214 x 10-'

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.

EXCAVACION MECANICA DE TUNELES

MULTIPLICAR OBTENER POR

knots knots knats knots knots knots knots

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.

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

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

kanowatts kilowatts kilowatts kilowalts kilowatts kPPowatts kilowatt-hrs. kilowatt-hrs. kilowatt-hrs. kliowatt-hrs. kilowatt-hrs. kilowatt-hrs. kilowatt-hrs. kilowalt-hrs. kilowatt-hrs.

APENDICE Vk

CONVERTIR

MULTIPLICAR OBTENER PO"

Iumenisq. ft. laimen/sq. ft. lux

E .O 8.076 x PO' 9.29 x

power fooi-candles lumen-sq. meter foot-candles

maxwelEs maxwells megalines megohms megohms megmhos/cubic cm. megmhos/cubic cm. megmhos/cubic cm. megmhos/in. cube meters rneters meters meters meters meten meters meters meters meters meterslmin. meters/min. meters/min. meters/min. meters/min. meterslmin. meters/sec. meters/sec. meters/sec. meters/sec. meters/sec. meterslsec. meters/sec./sec. meters/sec./sec. meters/sec./sec. meters/sec./sec. meter-kilograms meter-ki1ograms meter-kilograms mierofarads microhrads microfarads micrograms microhrns microhms microhms

1.0 x 1.0 x 10-* 4.0 404 1.0 x h012 1.0 x 106 1.0 x BOw3 2.54 1.642 x 10-' 3.937 x 10-' 1.0 x Bol0 1.0 x lo2 5.4688 x 10-' 3.281 3.937 x Po1 1.0 x m-3 5.400 x 6.214 x 1.0 lo3 P .O94 1.667 3.281 5.468 x 6.0 x 3.240 x 3.728 x lo-' 4.948 x lo2 3.281 3.6 6.0 x 2.237 3.728 x 1.0 x lo2 3.288 3.4 2.237 9.807 x lo7 1.0 x 805 7.234 1.0 x Pel-15 1.0 x lo-4 9.0 x 10' 1.0 x 1.0 lo3 1.O x 10-l2 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 ket 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

CONVERTIR

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

MULTIPLICAR OBTENER POR

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 feet inches kilometers yards

CONVERTIR

MULTIPLICAR OBTENER POR

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 newtons

cu. ft./rnin. cubic cm. cublc cm. degrees quadrants radians seconds weeks days hours seconds kilograms kiiiometers kilowatts

2.25 1.0

lo5

inches dynes

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

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.

pace parsec parsec parts/mi%lion partslmillion partslmillion pecks (british) pecks (british) pecks (u.s.) pecks (U.$.)

inches miles kilometeas grainslu.~.gal. grainslimp. $al. poundslrnillion gal. cubíc inches lieers bushels cubic inches

OBTENER pecks (UAQ pecks (8i.s.) pennyksreights (troy) pennpeights (troy) pennpeights (troy) pennweights (troy) pints (dry-gr) pints (dry) pints (dry) pints (dry) pints (liquid) pints (Iiquid) pints (liquid) pints (liquid) pints (liquid) pints (Piquid) pints (liquid) pints (liquid) planck's quantum poise poinnds (avdp.) poundals poundals poundals poundals

8.8096 8 2.4 x 10' 5.0 x 10-' 1.555 4.1667 x 3.36 x 10' 1.5625 x lo-z 5.0 x 10-I 5.5059 x 10-' 4.732 x 20' 1.671 x 10-* 2.887 x PO' 4.732 x 6.189 x 1W4 1.25 x 10-l 4.732 x 110-" 5.8 x 10-' 6.624 x 1.0 1.4583 x 10' 1.3826 x lo4 1.41 x 10' 1.383 x 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

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.

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.

quadrants (angle) quadrants (angle) quadrants (angle) qiaadrants (angie) quarts (dw) quarts (liquid) quarts (iiqiaid) quarls (Piqiaid) quarts (liquid) quarts (Biquid) quarts (liquid) quarts (Piquid)

degrees minaites radians seconds cu. Inches cu. cms. cu. fe. cu incbes cta. meters eu. yards gallons Eieers

radians radians radians radians radianslsec. radianslsec. radians/sec. radians/sec.lsec. radians/sec./sec. radians/sec./sec.

degrees miwutes quadranls seconds degrees/sec. revohutions/min. revolution/sec. revs./miw./min. revs./min./sec. revs./sec./sec.

APENDICE VI

317

CONVERTIR

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

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

temperatuie ('C.) +273 temperature ('C.) 917.78 terniperature ('F.)

1.O

E .8 1.0 519

absolute temperature ('R.) temperature (OC.)

1.086 x lo3

kilograms

+460

temaerature (OF.) -32 tons (Pong)

absolute temperalaare ('K.) temperature ('F.)

EXCAVACPON MECANICA DE TUNELES

318

CONVERTIR

MULTIPLICAR OBTENER POR

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

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.

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

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

Iineslsq. in. weberslsq. cm. weberslsq. in. hours minutes seconds

yards yards yards yards yards yairds years years

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 ~ cm./~ec.~ 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~errarnientasde corte sobre el terreno a excavar (rocas y/o sue os), la que e frece mayores posibilidades de desarrollo y expansión. 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~ilicosy de aguas residuales y en el y0 iorizonte se divisa una nueva época con programación amplia de perforación de nuevos túneles. Es pues, este, el momento de editar uila obra como la presente ue servirá, sin duda, como manual de consulta a diseñadores, coilstructores y a todos aque os que se dedican a la excavación mecánica de túneles

K

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