¿Cómo funciona una máquina aburrida de túnel?

A Máquina de túnel (TBM) es esencialmente una fábrica autónoma sobre rieles, diseñada para excavar los túneles de manera precisa y eficiente. A diferencia de los métodos tradicionales de perforación y explosión, los TBM ofrecen ventajas significativas en términos de velocidad, seguridad e impacto ambiental.

En el corazón de cada TBM está su cabezal . Esta rueda giratoria masiva está equipada con cortadores de disco, brocas de corte o raspadores, dependiendo de las condiciones geológicas. A medida que el cabezal gira y se empuja hacia adelante contra la cara del túnel, estas herramientas excavan el material. El botín excavado se canaliza a través de aberturas en el cabezal a un sistema de transporte (a menudo atornillan los transportadores o los transportadores de la cinta) que lo transportan a la parte trasera de la máquina para eliminar el túnel.

Componentes clave y sus funciones:

• Cutterhead: La parte más frontal del TBM, responsable de excavar el suelo. El tipo de cortadores varía:

  • Cortadores de disco se usan para la roca dura, aplastando la roca mientras la rodan.

  • Cortar brocas y raspadores son más comunes para suelos más suaves, cortando y raspando el material.

• Sistema de empuje: Detrás de la cabeza de corte hay potentes cilindros hidráulicos que empujan el TBM hacia adelante. Estos cilindros generalmente empujan contra los segmentos de revestimiento del túnel previamente instalados o contra las pinzas que ejercen presión sobre las paredes del túnel.

• Blindaje: Este es el cuerpo principal del TBM, que brinda apoyo al terreno excavado y protege a la tripulación y la maquinaria de trabajo de los colapsos. El escudo también alberga varios sistemas.

• Sistema erector: A medida que avanza el TBM, instala simultáneamente el segmentos de concreto prefabricados que forman el revestimiento de túnel permanente. El brazo erector recoge estos segmentos y los coloca precisamente para crear un anillo.

• Sistema de lechada: Una vez que se instala un anillo de túnel, la lechada se inyecta en el espacio anular entre los segmentos instalados y el suelo excavado. Esto sirve para estabilizar el suelo, transferir cargas y evitar la entrada de agua.

• Sistema de eliminación de estiércol: Como se mencionó, los transportadores transportan el material excavado ("Muck") a la parte trasera del TBM, donde se carga en trenes, camiones u otros sistemas para la extracción del túnel.

• Sistema de orientación: Los TBM modernos utilizan sofisticados sistemas de guía láser, GPS y otros equipos de topografía para garantizar que el túnel se excave con precisión a lo largo de la alineación y el gradiente diseñados.

• Equipo de final (sistema de respaldo): Extendiéndose detrás del escudo TBM durante cientos de metros, el engranaje final alberga sistemas de soporte cruciales. Esto incluye transformadores para energía, conductos de ventilación, líneas de agua y lechada, salas de control e instalaciones de tripulación.

Tipos de TBM:

La selección de un tipo TBM es crucial y depende en gran medida de las condiciones geológicas y la presencia de agua subterránea:

• TBMS de cara abierta (TBMS de Gripper): Ideal para condiciones de roca estable. Avanzan agarrando las paredes del túnel y empujando hacia adelante.

• SHIELD TBMS: Utilizado en condiciones de tierra inestables donde se requiere apoyo inmediato. El escudo protege el suelo hasta que se instalan segmentos.

  • Máquinas de balance de presión de la Tierra (EPBMS): Comúnmente utilizado en terreno blando con una consistencia variable. Mantienen un equilibrio entre la presión del suelo excavado en la cámara y la presión requerida para soportar la cara del túnel, evitando el asentamiento del suelo.

  • Slurry TBMS: El mejor adecuado para tierra o tierra muy húmeda, saturada con alta presión de agua. Se usa una lechada presurizada (mezcla de bentonita o polímero) para soportar la cara del túnel, y el material excavado se mezcla con esta lechada y se bombea.

  • TBMS de escudo único: Operar en tierra cohesiva donde el suelo puede soportar un corto período antes de la instalación de revestimiento.

  • TBMS de doble escudo: Utilizado en roca fracturada o terreno mixto. Tienen dos escudos que permiten la excavación continua y la erección del segmento, lo que lleva a tasas de avance más rápidas.

Ventajas de TBM:

• Velocidad: Los TBM pueden lograr tasas de excavación significativamente más rápidas en comparación con los métodos convencionales, especialmente a largas distancias.

• Seguridad: Proporcionan un ambiente de trabajo más seguro al apoyar inmediatamente el suelo detrás de la cabeza de corte, reduciendo el riesgo de colapsos y la exposición a condiciones peligrosas.

• Precisión: Los TBM pueden mantener tolerancias muy apretadas, asegurando que el túnel se excave a las especificaciones de diseño exactas.

• Impacto ambiental: Causan menos interrupción de la superficie, reducen el ruido y la vibración, y minimizan la necesidad de explosión, lo que los hace ideales para las áreas urbanas.

• Trabajo reducido: Si bien requieren operadores calificados, los TBM generalmente necesitan menos personal en la cara del túnel en comparación con el perforación y el bloqueo.

Desafíos y consideraciones:

• Costo: Los TBM son extremadamente caros de comprar y operar.

• Logística: Transportar, ensamblar y lanzar un TBM es una tarea logística masiva.

• Condiciones del suelo: Los cambios inesperados en la geología, como encontrar rocas altamente fracturadas o rocas grandes en terreno blando, pueden reducir o detener significativamente las operaciones. El ingreso de agua es otro gran desafío.

• Mantenimiento: Los TBM son máquinas complejas que requieren mantenimiento continuo y repuestos especializados.

• Longitud del túnel: Los TBM son más rentables para los túneles largos, ya que los costos de configuración iniciales son altos.

En conclusión, los TBM son un testimonio de las maravillas de la ingeniería modernas, revolucionando cómo se construyen los túneles a nivel mundial. Su capacidad para aburrir a través de condiciones de tierra desafiantes con precisión, velocidad y seguridad mejorada los convierte en una herramienta indispensable para grandes proyectos de infraestructura en todo el mundo, desde sistemas de metro hasta túneles de suministro de agua y derivaciones de carreteras.