Ciclos constructivos de un túnel
Los métodos de excavación de túneles mediante perforación y voladura
dependen fundamentalmente en primer lugar, del tipo de terreno a atravesar.
De este modo cabe destacar por separado la excavación de túneles en roca y la
excavación de túneles en suelos o terrenos blandos. En este artículo nos
centraremos siempre a la excavación en roca, que es lo más habitual en
los túneles de carretera.
Las partes o trabajos elementales de que consta el ciclo de trabajo
característico de las excavaciones mediante perforación y voladura son las
siguientes:
- Replanteo en el frente del esquema de tiro.
- Perforación de los taladros.
- Carga de los taladros con explosivo (barrenos).
- Voladura y ventilación.
- Retirada del escombro y saneo del frente, bóveda y hastiales.
- Perforación para fortificación.
- Lechado de pernos, colocación y acondicionamiento de malla.
- Proyección de shotcrete
El esquema de tiro es la disposición en el frente del túnel de los taladros
que se van a perforar, la carga de explosivo que se va a introducir en cada uno
y el orden en que se va a hacer detonar cada barreno, diseñándose al principio
de la obra en base a la experiencia y a una serie de reglas empíricas recogidas
en los manuales sobre explosivos. Posteriormente, a lo largo de la excavación
del túnel, se va ajustando en función de los resultados obtenidos en cada
voladura.
La voladura de la destroza con barrenos horizontales,
tiene la ventaja de que se utiliza el mismo sistema de trabajo y maquinaria que
la fase de avance, pudiendo recortarse con la voladura la forma teórica del
túnel. Por otro lado, la voladura en banco es más rápida de llevarse a cabo,
con un consumo menor de explosivo, y no necesita ser retirado el escombro en
cada voladura, pero requiere de un recorte posterior para conseguir el perfil
del túnel en los hastiales.
Los taladros deben de tener una longitud de un 5 a 10 % superior a la
distancia que se quiera avanzar con la pega, llamada longitud de
avance, ya que siempre se producen pérdidas que impiden aprovechar al máximo la
longitud de los taladros. Las longitudes de avance típicas están comprendidas
entre 1 y 4 metros
y se fijan en función de la calidad de la roca, cuanto mejor es la calidad del
terreno, mayores serán los avances posibles. Con una roca de calidad
media-adecuada es habitual perforar taladros de 3 a 3,50 metros para
avanzar entre 2,80 y 3,20
metros en cada voladura.
Para la perforación y voladura, la sección teórica del túnel se divide en
zonas, en las que las exigencias, tanto de densidad de perforación, como de
carga específica de explosivo y secuencia de encendido son distintas. Estas
zonas son:
- Cuele
- Contracuele
- Destroza
- Zapateras
- Contorno
Cuele. El cuele es la fase de la voladura que dispara en
primer lugar. Su finalidad es crear una primera abertura en la roca que ofrezca
al resto de las fases una superficie libre hacia la que puede escapar la roca
con lo cual se posibilita y facilita su arranque. El cuele es sin duda la más
importante de todas las fases de la voladura de un túnel en relación con el
avance de la voladura.
Existen distintos tipos de cuele, los cueles en V y en abanico, que
facilitan la salida de la roca hacia el exterior, pero tienen el inconveniente
de que los taladros forman un ángulo con respecto al eje del túnel, por lo que
su correcta perforación tiene una mayor dificultad y exige variar el esquema de
perforación para cada longitud de avance. En túneles de secciones de excavación
reducidas estos cueles no permiten grandes avances por voladura.
El cuele más usado por su simplicidad es el cuele paralelo. Consiste en un
taladro vacío (barreno de expansión), sin explosivos, de mayor diámetro que el
resto (de 75 a
102 mm)
y, a su alrededor, tres o cuatro secciones de taladros cargados que explotan
sucesivamente siguiendo una secuencia preestablecida. La misión del barreno de
expansión es la de ofrecer una superficie libre que evite el confinamiento de
la roca de modo que facilite su arranque. Su diámetro varía entre 100 y 300 milímetros. En
ocasiones puede sustituirse por dos taladros vacíos de diámetro menor (2 x 75 mm).
Destroza. La destroza es la parte central y más amplia de
la voladura, cuya eficacia depende fundamentalmente del éxito de la zona del
cuele y contracuele, que es la zona crítica de la voladura.
Zapateras. La zapatera es la zona de la voladura situada en
la base del frente, a ras del suelo. Los taladros extremos suelen ir un poco
abiertos “pinchados” hacia fuera con objeto de dejar sitio suficiente para la
perforación del siguiente avance. Los barrenos de las zapateras son los que más
carga explosiva contienen ya que, aparte de romper la roca han de levantar ésta
hacia arriba. Para evitar repiés, van ligeramente “pinchados” hacia abajo y son
disparados en último lugar.
Contorno. Los taladros perimetrales o de contorno son
importantes pues de ellos dependerá la forma perimetral de la excavación
resultante. Lo ideal es que la forma real del perímetro del túnel sea lo más
parecida posible a la teórica, aunque las irregularidades y discontinuidades de
la roca dificultan dicho objetivo.
Existen dos técnicas de efectuar los tiros perimetrales: el recorte y el
precorte. El recorte, que es la técnica más empleada, consiste en perforar un
número importante de taladros paralelos al eje del túnel en el contorno, a la
distancia conveniente (entre 45
cm y 100
cm) y con una concentración de explosivo pequeña o
incluso nula. En la secuencia de encendido son los últimos barrenos en detonar.
Por otro lado, la técnica del precorte se perfora un mayor número de taladros
perimetrales y paralelos entre sí unas distancias entre 25 cm y 50 cm, con una concentración
de carga explosiva entre 0,1 y 0,3 kg/m. Esta técnica exige una perforación muy
precisa que asegure un buen paralelismo y una homogénea separación entre los
taladros. En la secuencia de encendido, son los primeros en detonar, con lo que
se crea una fisura perimetral que aísla y protege la roca de las vibraciones
del resto de la voladura. La técnica del precorte, por su esmerada ejecución y
costo elevado, es de uso poco frecuente en túneles, excepto en casos muy
especiales.
Maquinaria de perforación
La perforación de los taladros se puede hacer por dos procedimientos: el
primero es mediante el uso de martillos manuales accionados por aire comprimido,
y el segundo es mediante martillos hidráulicos montados sobre una maquina
automóvil denominada jumbo.
Martillos manuales. Los martillos manuales de aire
comprimido funcionan a percusión, es decir, la barrena golpea contra la roca y
gira de forma discontinua entre cada percusión, separándose del fondo del
taladro. El detritus es arrastrado hasta el exterior del taladro mediante agua,
que tiene también la finalidad de refrigerar la barrena. Los martillos manuales
son actualmente de uso poco frecuente, sólo se usan, obviamente, en túneles muy
pequeños o de forma accidental, pues tienen rendimientos muy inferiores a los
jumbos y requieren mucha mano de obra.
Jumbos. La máquina habitual de perforación es el jumbo,
como se muestra en la imagen que incluimos más abajo. Consta de una carrocería
de automóvil dotada de dos o tres brazos articulados, según los modelos. En
cada brazo puede montarse un martillo de perforación (perforadora) o una cesta
donde pueden alojarse uno o dos operarios y que permite el acceso a cualquier
parte del frente. El funcionamiento de los jumbos es eléctrico cuando están
estacionados en situación de trabajo y pueden disponer también de un motor
Diesel para el desplazamiento. Los martillos funcionan a rotopercusión, es
decir, la barrena gira continuamente ejerciendo simultáneamente un impacto
sobre el fondo del taladro. El accionamiento es hidráulico, con lo que se
consiguen potencias mucho más elevadas que con el sistema neumático. El
arrastre del detritus y la refrigeración se consiguen igualmente con agua.
Los rendimientos de perforación que se consiguen en los jumbos hidráulicos
modernos, pueden superar los 3,5 m/min de velocidad instantánea de perforación.
Los jumbos actuales tienen sistemas electrónicos para controlar la dirección de
los taladros, el impacto y la velocidad de rotación de los martillos e incluso
pueden memorizar el esquema de tiro y perforar todos los taladros
automáticamente. En este caso un único maquinista puede perforar una pega
completa en unas pocas horas.
Accesorios de perforación. Los accesorios de perforación
comúnmente usados son las varillas o barrenas y las bocas de perforación.
Además se emplean manguitos y otros adaptadores para el ensamblaje de las
piezas. Las barrenas de perforación son simplemente barras de acero con un
conducto interior para el paso del agua de refrigeración y unas roscas en los
extremos donde se acoplan las bocas o los manguitos. La boca de perforación es
la herramienta de corte, que generalmente es de metal endurecido (carburo de
tungsteno) o widia, dispuesto en formas diversas: en cruz, en X o botones, con
unos diámetros habitualmente comprendidos entre 45 y 102 milímetros.
La elección de un tipo u otro de boca, así como de sus diámetros, depende
del tipo de maquinaria de perforación, de las características de la roca y del
diámetro de los cartuchos del explosivo a introducir. Generalmente las bocas de
botones son las que proporcionan un mayor rendimiento, al golpear la roca de
forma más homogénea y ser más fácil la evacuación del detritus de roca. Para
tal fin se pueden disponer varias entradas de agua frontales y también
laterales. Para la elección del material de perforación y sus accesorios se
recomienda el uso de los manuales especializados facilitados por los
fabricantes.
Explosivos y detonadores
Los tipos de explosivo que deben utilizarse en túneles dependen de las
características de la roca, principalmente de su densidad, resistencia a
compresión y velocidad de propagación sónica de la roca. Además los explosivos,
durante la detonación, deben generar gases no tóxicos, lo que limita el tipo de
explosivos en interior. El tipo de explosivo también depende del grado de
humedad existente en la roca.
El explosivo más utilizado para el cuele y contracuele, destroza y
zapateras, es la GOMA-2 E-C
o RIOMEX E20/40. El diámetro de los cartuchos deberá ser lo más próximo al
diámetro de perforación de los taladros, compatible con su introducción dentro
del barreno. La iniciación de la explosión en cada barreno se realiza en el
cartucho cebo instalado en el fondo del barreno y que contiene un detonador.
La activación de los detonadores puede ser eléctrica o por impacto; en el
primer caso se utilizan detonadores eléctricos. Por razones de seguridad,
contra corrientes parásitas, se utilizan exclusivamente detonadores de alta
insensibilidad (Al). Una mayor seguridad ofrecen los detonadores de iniciación
no eléctrica, tipo Nonel, cuyo uso sería especialmente aconsejable. Atendiendo
a los tiempos de retardo, los detonadores pueden ser: instantáneos, de
microretardo (retardo de 25 ó 30 mseg), o de retardo (retardo de 0,5 seg).
El resto de los elementos que se utilizan para la voladura son los
siguientes:
Cañas. Son tubos de PVC (tubos omega) abiertos
longitudinalmente en cuyo interior se colocan los explosivos, cordón detonante,
etc. Permiten introducir fácilmente todos los elementos en su disposición
correcta dentro del taladro.
Retacador. El retacador es el material que cierra o tapona
el taladro y de este modo impide que la energía debida a la explosión se escape
por la boca del mismo. Normalmente se usan unos cartuchos de arcilla muy
plástica.
Explosor. Es el mecanismo que produce la corriente
eléctrica que da lugar a la explosión. Suelen estar basados en un condensador
que se va cargando con una manivela o una batería y que cierra el circuito
manual o automáticamente
Cables. Los cables eléctricos que transmiten la corriente
desde el explosor hasta los detonadores son los usados habitualmente en
trabajos eléctricos.
Control de las vibraciones
Las vibraciones producidas por las voladuras se transmiten por el terreno y
pueden llegar a producir daños en edificios y estructuras próximas al túnel así
como a la roca circundante y al revestimiento. Por este motivo tiene interés el
estudio de la ley que rige la propagación de las ondas sísmicas y los valores
máximos de vibración admisibles en cada proyecto.
El factor principal que provoca los daños es la Velocidad Pico de
Partícula, que se define como la velocidad máxima que alcanzan las partículas
del terreno al vibrar por acción de la onda sísmica.
Retirada del escombro y saneo del
frente, bóveda y hastiales
Consiste básicamente en el retiro del material fracturado resultante de la
tronadura, el equipamiento a utilizar
quedara condicionado a las dimensiones del área y restricciones particulares de terreno.
Fortificación
Minera
La fortificación de minas es un tema complejo y crítico dentro de la minería subterránea, tanto por su condición de elemento de protección para trabajadores y y equipos, como por su importancia económica en los costos de operación.
La explotación subterránea de minerales es considerada como una de las actividades más riesgosas que realiza el hombre.
Son muchos los factores de riesgo presentes en la minería subterránea. El uso de explosivos, la presencia de gases tóxicos o inflamables, el empleo creciente de máquinas y equipos, la presencia de aguas subterráneas, las probabilidades siempre latentes de incendio, entre otras, conforman un espectro de riesgos de alto potencial de severidad.
Una de las funciones de la fortificación es evitar desprendimientos o caídas de rocas que puedan lesionar al personal y/o dañar equipos e instalaciones. Hay que recordar que el 30% a 40% de los accidentes de la minería subterránea ocurren por caídas, deslizamientos o derrumbes de rocas.
Los sistemas de fortificación más importantes son:
Fortificación con madera. Fue el sistema más utilizado hasta la Segunda Guerra Mundial, cuando comenzó a ser desplazada por el acero. Sus principales desventajas es ser un material altamente combustible y que se degrada fácilmente por organismos parasitarios (ej: hongos, insectos).
Fortificación con arcos de acero. Es uno de los sistemas más utilizados ya que el acero es uno de los elementos que mejor resiste el agresivo ambiente minero, especialmente los relacionados a temperatura, humedad, gases y agua. Además, el acero tiene dos características de gran relevancia en la minería subterránea: es un elemento incombustible y reutilizable.
Fortificación con Pernos. Los sistemas señalados anteriormente se basan en oponerse a la deformación del macizo rocoso. El sistema con pernos se basa en el principio de ayudar al macizo rocoso a autosoportarse. El perno pasa a formar parte del mismo entorno, reforzando la resistencia de la roca. El empleo de este sistema se ha ampliado debido a los avances de la mecánica de rocas y al desarrollo de nuevos pernos.
Sus ventajas son:
Versatilidad, puede ser usado bajo cualquier
geometría de la galería.Relativamente económico. La instalación puede ser mecanizada. Simple de transportar e instalar. Insensible a los efectos de proyección
de tronaduras. En este sistema se utiliza malla tejida en los techos de las galerías para prevenir accidentes al personal o equipos, por caídas de trozos de roca. Las mallas tejidas son flexibles y fuertes y se apernan a intervalos de 1 a 1.5 metros, y dependiendo de esta distancia, pueden acumular un considerable peso de roca quebrada.
Sistema de Hormigón Proyectado con Malla y Pernos. Las armaduras de hormigón proyectado se fabrican con mallas tejidas, entre otros materiales. La armadura sirve para absorber las solicitaciones por contracción, aumentar la resistencia a la tracción / cizallamiento y para repartir las cargas concentradas. Esta alternativa de fortificación es recomendable cuando se quiere garantizar obras subterráneas sometidas a los esfuerzos mencionados anteriormente. La abertura o luz de la malla no debe ser inferior a 5 centímetros, siendo las más aconsejables las de 10 a 15 centímetros. Las mallas de mayor utilización son aquellas de 10 centímetros de abertura y diámetros de alambre entre 3 y 6 mm.
Malla para Fortificación
Estas mallas fabricadas en alambre galvanizado se emplean en la fortificación
de túneles mineros y en la contención de terrenos y taludes. Los rollos de
fabrican en el largo y ancho especificado por el cliente, siendo el rollo más
común el de 25 x 2.50 para la malla 100-06 y de 25 x 2.00 para el resto.
Tenemos capacidad para tejer mallas de hasta 5 metros de ancho.
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