miércoles, 21 de noviembre de 2012

Escudos para perforar. 200 años de historia.


De mis primeros años de oficio guardo grandes recuerdos, desde aquellas risas de los operarios cuando pregunté donde estaba la burra, apoyado en el grupo electrógeno, hasta frases como la siguiente, dicha por un perforista:

Perforar tiene dos dificultades, romper el material de abajo y subirlo, también tiene una putada, que el agujero se mantenga abierto para poder seguir.

Si no recuerdo mal, el perforista estaba realizando anclajes, pero creo que su frase es aplicable a todas las perforaciones, incluso a los túneles. En este punto llegamos a los escudos para la construcción de túneles.
 
 

Este artículo muestra mi visión de la evolución de los escudos en la construcción de túneles en terrenos blandos, para ello me apoyo en tres ejemplos, separados en el tiempo casi 200 años.

 

Empezaré con el escudo utilizado en el primer túnel que atravesó el río Támesis en  1841, el segundo es el Holland Tunnel en New York realizado en 1935 y finalmente un túnel actual realizado en el puerto Miami (Florida) mediante la técnica EPB, espero que os guste.
 
Empecemos con el primer túnel.
 
En 1799 se empezó el primer intento de construcción de un túnel bajo el Támesis, fracasó, al igual que un segundo intento, lo cual sirvió para que los técnicos de entonces llegaran a la conclusión, que la construcción del túnel era simplemente imposible debido a la naturaleza inestable de los materiales a atravesar, formado por arenas, gravas y arcillas con gran carga de agua.
 
En definitiva, como decía el perforista, la putada era el sostenimiento, ya que el terreno lo podían arrancar y además podían sacarlo.
 
Pero un ingeniero francés, Marc Brunel pensaba diferente y llegó a patentar en 1818 lo que sería el primer escudo para la perforación de túneles en terrenos blandos, iniciándose en 1824 la construcción del túnel.
 
La idea de Brunel era ir hincando horizontalmente un gran prisma hueco de unos 65 m2 mediante gatos mecánicos construyendo, por detrás del prisma, el sostenimiento definitivo del túnel, el cual a su vez serviría como reacción para el avance del propio escudo.
 
Para proteger de derrumbamientos la zona de construcción del sostenimiento definitivo existía un solape, a modo de protección, mediante chapas gruesas, entre el escudo y el recubrimiento. Abajo os pongo figura, aunque en ella no se aprecia este solape.
 
 
 
El frente del escudo rectangular estaba dividido en 12 columnas cada una de ellas con 3 celdas, pudiendo trabajar en cada celda dos operarios. Cada una de las columnas podía avanzar independientemente y las celdas estaban cerradas frontalmente con madera. Abajo os pongo figura de una de las columnas así como una maqueta que puede verse en el Brunel Museum.
 
 


La metodología de trabajo consistía, en función de la estabilidad del terreno a perforar, abrir más o menos celdas a la vez y excavar el frente unos centímetros, cuando una columna había sido excavada totalmente se avanzaba ésta. El frente de cada celda estaba cerrado con tablones de madera, de forma que en casos de terrenos muy inestables, se sacada el tablón superior, se excavaban unos centímetros, se colocaba de nuevo el tablón y se pasaba al tablón inferior hasta que se completaban todos los tablones de la celda. Abajo os pongo una figura de la época.





El invento de Brunel funcionó razonablemente bien, sobre todo porque la mayoría del túnel discurría por material básicamente arcilloso, de forma que las entradas de agua se podían controlar con los sistemas de bombeo de la época.

 

No sin pocos problemas, accidentes y muertos ( una historia detallada la podéis ver en este artículo, El desafío de construir untúnel bajo el Támesis), el túnel se acabó en 1841, 17 años después del inicio de los primeros trabajos.

 

El segundo ejemplo es el Holland Tunnel en New York bajo el río Hudson, aunque realmente se trataba de un doble túnel. La construcción de este túnel se inició en 1920 y finalizó en 1927, para realizar ésta se utilizó un escudo presurizado con aire, estabilizando así el frente y controlando el riesgo de entrada de agua.

 

El avance del escudo era mediante sistemas hidráulicos y en la zona del avance se trabajaba con presiones de aire de hasta 3-4 Kg/cm2. El sostenimiento se realizaba con piezas metálicas hasta completar un anillo en cada avance. Abajo os pongo una sección transversal del escudo.




 
En la siguiente foto se aprecia la entrada del material a través del frente del escudo
 
 


 
En esta foto puede verse el frente del escudo con las celdas de ataque.




 


En esta foto se ve como cargaban el material detrás del frente del escudo ( zona presurizada) para sacarlo fuera, también se puede ver el mecanismo responsable de la colocación de los tramos de sostenimiento.
 

 
Foto de la zona de acceso y salida de personal a la zona presurizada.
 


Foto de la zona de acceso y salida de material a la zona presurizada.
 





Las fotos anteriores y alguna más las podéis encontrar aquí.
 
Os dejo este muy interesante video donde podréis ver detalles de la construcción del túnel en un video original, son 20 minutos y a veces se oye mal, pero el documento vale la pena.
 
 
 
 
Una comparativa del proceso constructivo del  Holland Tunnel respecto al túnel bajo el Támesis nos muestra que aunque la operativa del escudo es muy similar, se han aplicado avances tecnológicos de gran ayuda, destaco:
 
  • Utilización de la técnica del aire comprimido como elemento de estabilización del frente y control de entrada de agua.
  • Utilización de la hidráulica para el empuje del escudo.
  • Construcción del sostenimiento con ayuda de maquinaria.
  • Sostenimiento circular realizando cada anillo mediante elementos prefabricados metálicos.
  • Utilización de maquinaria para la gestión del terreno excavado.
 
En este punto llegamos al último ejemplo, el cual es un túnel que actualmente se está realizando en el puerto de Miami (Florida) y que he escogido porque me ha sorprendido lo bien explicado y clara que es la información de su web ( aquí).
 
Abajo tenéis un video explicativo, podréis ver que se trata de una TBM ( Tunnel Boring Machine) tipo EPB (Earth Pressure Balance) es decir una tuneladora como las que han realizado la mayoría de los últimos túneles bajo Barcelona.
 
 
Comparando el proceso constructivo de este túnel con el Holland Tunnel se puede ver que la operativa es muy similar salvo aspectos como los siguientes:
 
  • La estabilización del frente se consigue mediante una cámara de presión de tierras.
  • Toda la operativa es hidráulica.
  • Existen sistemas de inyección enfocados a minimizar los asientos en superficie.
  • La gestión del material excavado está totalmente mecanizada.
  • El sostenimiento se resuelve con anillos de hormigón armado.
 
Llegados a este punto, pediros perdón por la longitud de este post, pero es que el tema me ha enganchado y no he podido evitarlo, he tenido tentaciones de dividirlo en tres partes pero creo que es más coherente un único artículo.
 
Para él que le atraiga esto de la arqueología geotécnica, le dejo otro artículo de GEOJUANJO donde hablé de los equipos de hinca.
 
Y si lo que os mola son los procesos constructivos de túneles antiguos dejo este otro artículo de GEOJUANJO que hace referencia a la construcción de los túneles en el metro de Chicago allá por 1938.
 
 
Gracias por vuestro tiempo.
juanjo



 

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