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Mar 19, 2024

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Hay ciertas características inherentes a una operación de túnel de lodos que parecen dar un nivel de riesgo menor: toda la operación está sellada; el lodo en sí es transportado a la superficie a través de un

Hay ciertas características inherentes a una operación de túnel de lodos que parecen dar un nivel de riesgo menor: toda la operación está sellada; el propio purín se transporta a la superficie a través de un sistema de tuberías. ¿Pero es realmente así?

En proyectos recientes en todo el mundo, otros dos métodos han demostrado su eficacia en roca dura bajo presión de agua: túneles blindados y presurizados no continuos (NCP) en roca con un programa integral de inyección, o avance secuencial en modo EPB. Ambos tipos de operaciones de construcción de túneles han demostrado ser seguras y rentables en proyectos en los EE. UU. y en todo el mundo.

La excavación de túneles NCP, definida como excavación presurizada no continua, puede utilizar una máquina de tipo Single Shield Hard Rock o Crossover (Hybrid Rock/EPB). Estas tuneladoras son capaces de aislarse de presiones de agua superiores a 20 bar mediante un mamparo de presión cuando sea necesario. Si la máquina está diseñada para mantener estáticamente la presión del agua usando un conducto de estiércol sellable o para perforar bajo presión usando un transportador de tornillo, depende de los requisitos del proyecto.

Las inspecciones con cabezales de corte en roca deben considerarse con una mentalidad diferente a la de los túneles en terrenos blandos. Al excavar túneles en roca con cualquier tipo de máquina, las inspecciones deben realizarse con regularidad; una vez por turno puede ser un requisito. Esto contrasta con la excavación de túneles en terrenos blandos, donde las máquinas Slurry Shield se utilizan más comúnmente, ya que este es el tipo de geología para el que fueron diseñadas originalmente. En terrenos blandos, las inspecciones de los cabezales de corte suelen planificarse y basarse en un número determinado de metros, por ejemplo cada 100 m. Los contratistas que están acostumbrados a excavar túneles en terrenos blandos tal vez no se den cuenta de que cuando se utiliza una tuneladora de lodos en roca, las inspecciones deben ser frecuentes debido al mayor consumo de cortador.

A menudo, estas inspecciones en las tuneladoras de pulpa requieren intervenciones hiperbáricas: operaciones de alto riesgo, particularmente cuando aumenta la presión del agua. En presiones de agua superiores a 6,5 ​​bar, a menudo no se permite a los buzos entrar en el cabezal de corte, por lo que se debe utilizar lechada o debe haber un plan alternativo para reducir la alta presión. Se han realizado con éxito intervenciones hiperbáricas de mayor presión, hasta aproximadamente 12 bares, pero ¿con qué riesgo? Las presiones en algunos túneles han superado con creces los 12 bares y harían que las intervenciones hiperbáricas fueran aún más costosas, arriesgadas y largas o imposibles.

Hemos visto esto confirmado en proyectos recientes, incluido el uso de una gran tuneladora Robbins Slurry de 13,7 m de diámetro que perforó roca granítica en Japón. El contratista optó por una máquina de lodo porque esa era su experiencia histórica y esperaban una presión de agua de hasta 13 bares. Esta zona de agua a alta presión se encontraba sólo en una pequeña sección de la longitud total del túnel, alrededor del 5 por ciento.

El contratista de Hiroshima había creado desde la superficie una zona segura planificada para inspeccionar el cabezal de corte sin necesidad de una intervención hiperbárica, pero esta estrategia no salió según lo planeado. La roca abrasiva dañó las cortadoras y el cabezal de corte antes de que pudieran llegar a la zona segura, lo que provocó retrasos no planificados.

Con diferencia, el mayor beneficio de utilizar tuneladoras NCP con tuneladoras blindadas en roca, en lugar de tuneladoras de pulpa, es la facilidad de las inspecciones de las cortadoras y los cabezales de corte. En áreas sin presión y con lechada frecuente o continua, el cabezal de corte se puede inspeccionar regularmente y sin el requisito de intervenciones presurizadas costosas, lentas y a menudo riesgosas o procedimientos complicados para eliminar la lechada del cabezal de corte. Las inspecciones frecuentes significan que los daños en la cortadora y el cabezal de corte pueden detectarse tempranamente antes de que causen un tiempo de inactividad significativo.

El desgaste abrasivo en cualquier tipo de tuneladora puede ser alto dependiendo de la abrasividad del material, ya sea roca, arena u otro. Sin embargo, en las máquinas de lodo, que trituran la roca y envían las astillas de roca a través de un sistema de tuberías, el desgaste abrasivo es incluso más preocupante que en las máquinas de roca dura. El material que se excava con una tuneladora de lodos está constantemente en contacto con el cabezal de corte y las herramientas de corte, lo que aumenta la cantidad de tiempo que puede ocurrir desgaste abrasivo. Incluso con tuberías de lodo duraderas, los puntos de transferencia y los codos de tubería requerirán tasas de reemplazo más altas, lo que provocará más demoras asociadas con la eliminación de lodo que una operación típica de excavación de túneles NCP utilizando una cinta transportadora.

Si las irrupciones repentinas de agua a alta presión son un riesgo conocido, las tuneladoras presurizadas no continuas pueden diseñarse de manera efectiva para mantener estáticamente la presión utilizando tolvas de estiércol sellables en el mamparo. Este tipo de diseño se puede utilizar como compuerta de alivio de presión en modo semi-EPB, abriéndose mediante presión y permitiendo que la suciedad se dosifique sobre la cinta. O, en casos extremos, se pueden activar las compuertas selladas y se pueden utilizar taladros de sonda/lechada para avanzar la perforación y la lechada para la consolidación del terreno y sellar el agua. Los sellos adicionales alrededor del cojinete principal se pueden llenar con grasa presurizada y otros puntos vulnerables se pueden sellar de la misma manera.

También se puede diseñar una tuneladora cruzada para mantener la perforación bajo presión implementando un transportador de tornillo montado en el centro. Se puede utilizar un transportador de tornillo largo para reducir altas presiones de agua y se puede agregar un revestimiento duro resistente a la abrasión a los tramos del transportador de tornillo para el desgaste abrasivo. En tales condiciones, una máquina podría funcionar continuamente con, digamos, 3 bar de presión y secuencialmente a alta presión de 15 a 20 bar. Un ejemplo de esto es el Metro de Mumbai, un proyecto que utilizó dos tuneladoras Robbins Crossover. En estas máquinas, el transportador de tornillo central puede sellar/mantener la presión para que la tuneladora pueda perforar u operar continuamente usando el transportador de tornillo de manera secuencial. El barrenado se realiza cuando no hay suficientes finos para formar un tapón.

La operación secuencial se desarrolla de la siguiente manera: la compuerta de descarga del transportador de tornillo se cierra y la cámara del cabezal de corte y el transportador de tornillo se presurizan con agua. Las compuertas del conducto de estiércol permanecen abiertas para que el estiércol pueda ingresar a la cámara del cabezal de corte y al transportador de tornillo a medida que la máquina avanza. A medida que el transportador de tornillo se llena de lodo, el agua sale del tornillo y regresa a la cámara de corte. Una vez que el transportador de tornillo está casi lleno, la compuerta del conducto de estiércol se cierra y la presión del agua dentro del transportador de tornillo se reduce vaciándola en un tanque de retención en el respaldo. Luego, la suciedad se retira del transportador de tornillo al transportador de respaldo, se vuelve a cerrar la compuerta de descarga y el transportador de tornillo se vuelve a llenar con agua a presión. Una vez más, se abre la compuerta del conducto de estiércol para que la máquina pueda avanzar. Todo el proceso se puede automatizar para simplificar la operación de la tuneladora en terrenos acuíferos (consulte las Figuras 1 y 2).

En terrenos rocosos o mixtos con pocos finos donde no se puede formar un tapón de manera efectiva con un transportador de tornillo EPB, anteriormente había opciones limitadas. El uso de tuneladoras de lodo en tales condiciones conlleva un alto riesgo de explosión en la superficie. Se han desarrollado nuevos conceptos utilizando la tuneladora cruzada con control de presión positiva (PPC). El Crossover con PPC puede perforar en operación secuencial usando aire comprimido y transportadores de doble tornillo cuando la presión del agua es alta, o en modo abierto, descargando lodo en una cinta transportadora cuando no se necesita control de alta presión. El efecto neto es adaptable a condiciones cambiantes del terreno que requieren un control estable de la presión frontal (ver Figuras 3-5).

En los túneles de lodo, tratar los gases en el túnel es relativamente fácil porque los gases están contenidos en las tuberías de lodo. Los gases también se pueden contener de forma eficaz y dispersar de forma segura en tuneladoras no presurizadas utilizando depuradores y grandes volúmenes de aire. En una tuneladora Robbins reciente en Australia, la máquina era capaz de operar en modo abierto con gases usando un mamparo equipado con puertos de succión para extraer el gas desde la parte superior de la cámara del cabezal de corte y directamente a un sistema de ventilación sellado.

Los contaminantes como el asbesto pueden estar mejor contenidos en las tuberías de lodo, pero es posible que muchos otros tipos de contaminantes no se separen fácilmente del lodo y, por lo tanto, sean más fáciles de tratar utilizando los métodos de construcción de túneles NCP. En la operación de lodo, la calidad de la bentonita en sí puede variar ampliamente, y algunos materiales de menor costo contienen metales pesados, lo que tiene el potencial de ser perjudicial para el medio ambiente. La propia solución de suspensión también tiende a unirse bien con los metales pesados, contaminando la suspensión y dificultando la separación.

En terrenos con finos, la separación de lodos puede resultar costosa y difícil. La construcción de túneles de lodo tampoco es inmune a problemas como explosiones o pérdida de presión frontal cuando se encuentra una zona de falla o una zona de baja cobertura, como es bien conocido en nuestra industria por proyectos como Hallandsås en Suecia y el túnel SMART en Malasia.

En cualquier evaluación de costos, se deben considerar los mayores requisitos de energía resultantes del sistema de separación y transporte de lodos. Para que el material excavado sea bombeable mediante bombas centrífugas y evitar su sedimentación, se requieren altos niveles de flujo a lo largo del túnel con pérdidas sustanciales debido a la fricción, lo que provoca desgaste y mayores necesidades de energía. Dado que las bombas del sistema de transporte transportan el material excavado, se utilizan bombas de alto espacio libre, lo que reduce aún más la eficiencia de los sistemas. Una vez en la superficie, el fluido añadido debe separarse, lo que requiere energía adicional. Se requiere además una mayor potencia cuando están presentes partículas finas como limo y arcilla.

En general, las tuneladoras de pulpa necesitan un nivel de experiencia en operación que la construcción de túneles NCP con una máquina blindada simplemente no requiere. El funcionamiento de la mayoría de las tuneladoras de roca protegidas es sencillo y directo, lo que a su vez ahorra costes de personal. Los miembros de la tripulación pueden estar más expuestos al entorno de los túneles en las operaciones de túneles NCP, pero los riesgos no aumentan. Con un buen informe de referencia geotécnico y herramientas de investigación del terreno, los contratistas pueden determinar las zonas que requieren lechada antes de la máquina. Ahora es común perforar pozos de sondeo con una precisión de más de 100 metros con perforadoras de fondo de pozo (DTH).

Si bien la inyección requiere tiempo y cuesta dinero, este costo debe equilibrarse con el costo y el tiempo de realizar una intervención hiperbárica durante la excavación de túneles de lodo. Incluso la inyección del 100 por ciento en un túnel de roca podría requerir menos tiempo que las intervenciones hiperbáricas de alta presión. La práctica del pre-inyección se ha realizado durante años en túneles de perforación y voladura de roca en Escandinavia y en todo el mundo.

Por supuesto, la inyección también se puede realizar desde una tuneladora de lodos y normalmente se realiza para establecer zonas seguras. Sin embargo, al tener una cara presurizada llena de lodo, perforar a través del cabezal es muy difícil. Las tuberías/puertos sellados deben instalarse con antelación, lo que consume espacio y compromete las condiciones de trabajo durante las intervenciones hiperbáricas.

Ha habido un desarrollo reciente para realizar cambios en las cortadoras accediendo a las cortadoras a través del cabezal de corte bajo presión atmosférica. Sin embargo, este sistema requiere una máquina de gran diámetro así como una estructura de cabezal de corte profundo. La estructura profunda afecta gravemente el flujo de lodo y aumenta sustancialmente la necesidad de inspecciones y reparaciones más frecuentes del cabezal de corte. Estos cabezales de corte con acceso atmosférico no abordan los problemas de reparación de cabezales de corte, cambio de cortadores centrales o reemplazo de raspadores, todos los cuales son elementos de alto desgaste en túneles de roca en grandes diámetros.

Los requisitos de revestimiento son otra posible razón para no utilizar lodo: la operación de una tuneladora de lodo va de la mano con el uso de un revestimiento segmentado (a menudo costoso). La inyección de lechada previa a la excavación en túneles NCP desde una TBM protegida ofrece enormes ahorros de costos cuando se realiza en un túnel sin revestimiento o cuando el revestimiento se puede instalar de forma independiente después de la excavación. Una tuneladora de lodos puede tener más sentido en los casos en los que se debe instalar un revestimiento final mediante perforación de túneles y, a menudo, en los casos en los que se prevén entradas excesivas de agua. En caso de entradas excesivas de agua, una operación de inyección aún puede experimentar fugas después de la construcción inicial del túnel, lo que hace que la instalación posterior de un revestimiento final sea potencialmente costosa y requiera mucho tiempo.

Uno de los mejores ejemplos recientes de construcción de túneles NCP aplicados correctamente se puede ver en el túnel de reparación del acueducto de Delaware en Nueva York, EE. UU. En ese proyecto, el contratista ganó como la oferta de menor costo utilizando túneles NCP con una tuneladora Single Shield de roca dura y lechada porque entendía los riesgos y la geología del proyecto. Anticiparon impactos hídricos significativamente menores que el máximo indicado en los documentos de licitación, así como menos esfuerzos de inyección después de un análisis cuidadoso de todos los datos geotécnicos disponibles. Sin embargo, Robbins y el contratista incluyeron plantas de lechada previas a la excavación redundantes en la tuneladora en caso de posibles altos flujos de agua. Al final, estas plantas redundantes rara vez se utilizaron durante la construcción de túneles.

La tuneladora Robbins Single Shield de 6,8 m de diámetro presentaba una configuración única para hacer frente a la presión del agua. El túnel se perforó desde 270 ma 180 m por debajo del río Hudson y la máquina disponía de un mamparo para sellar en caso de grandes entradas de agua en el frente del túnel. El mamparo que se puede cerrar permitió sellar la cámara de excavación en caso de que las entradas de agua subterránea (flujos de derivación) de la parte excavada del túnel causaran el lavado de la lechada del anillo. Si se cerrara el mamparo, se podrían detener los flujos de agua subterránea y se podría realizar una inyección secundaria del revestimiento prefabricado, cortando efectivamente la ruta del flujo.

Cuando las entradas de agua excedieron los valores permitidos por contrato, se requirió lechada para reducir las entradas de agua a niveles aceptables. La tuneladora podría entonces avanzar dentro del área cementada de la alineación. Para lograr esta hazaña, la tuneladora fue equipada con dos tipos de sistemas de inyección. El sistema de inyección previo a la excavación era un sistema de inyección monocomponente utilizado para inyectar delante de la tuneladora. El sistema de lechada de dos componentes (A+B) se utilizó para rellenar el espacio anular entre el revestimiento segmentado y el túnel perforado. La máquina estaba equipada con dos taladros en los escudos para perforar el cabezal de corte en 16 posiciones diferentes y un tercer taladro en el erector para perforar los escudos en 14 posiciones adicionales. Además, los martillos de fondo de pozo (DTH) de alta presión impulsados ​​por agua permitieron perforar 120 m por delante de la máquina a presiones de hasta 20 bar si era necesario.

La configuración fue un uso novedoso de martillos DTH en un túnel TBM de América del Norte (las perforadoras se han utilizado en otros proyectos a nivel internacional). El contratista necesitaba poder perforar de dos a cuatro sondas hasta 120 m por delante de la máquina, luego extraer 115 m y luego perforar nuevamente 120 m. La rectitud de los orificios de perforación DTH es una gran ventaja, ya que los martillos DTH pueden mantenerse dentro de la alineación del túnel incluso a esta distancia. Más típicamente, cuando se utilizan taladros de percusión en cabeza, lo que significa que la acción del percutor se realiza en la parte superior de la varilla de perforación, la acción del percutor solo permite que la sarta de perforación alcance con precisión entre 45 y 60 m por delante de la tuneladora. Al final, el proyecto fue un gran éxito. , con la tuneladora alcanzando velocidades de penetración instantáneas de 6 m por hora y perforando de forma segura zonas de roca fracturada con agua subterránea a alta presión.

¿Hay ocasiones en las que la construcción de túneles con lodo tiene ventajas sobre la construcción de túneles con NCP en roca? Sí. Las propiedades de la roca pueden influir en la decisión: algunas formaciones rocosas son muy difíciles o casi imposibles de inyectar y, por lo tanto, el éxito de la inyección previa a la excavación no será un hecho. Si se prevén importantes entradas de agua y la roca no aceptará fácilmente el material de lechada común, o la lechada química no es una opción aprobada, una máquina de lechada es la opción lógica.

Las conclusiones que se pueden extraer de esta discusión son sencillas. La construcción de túneles con lodo es una opción válida en rocas con potencial de alta presión de agua. Sin embargo, ¿es la construcción de túneles con lodo la opción más rentable? ¿Es más segura que cualquier otra opción? En muchas circunstancias la respuesta es no.

En la mayoría de los casos, las tuneladoras de lodos no son las de menor costo cuando se espera agua en un túnel, y otros métodos pueden ser igual de seguros y más sencillos de operar. Si bien la inyección lleva tiempo, también lo requiere la construcción de túneles con lodo, con sus tasas de avance típicamente más bajas y la posible necesidad de intervenciones hiperbáricas costosas y de alto riesgo. Cuando las máquinas de pulpa operan en roca, la necesidad de inspecciones frecuentes del cabezal de corte hace que su uso sea cuestionable. En la mayoría de los casos, el túnel NCP es la mejor opción.

Este artículo fue contribuido por The Robbins Company.

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