Una tuneladora (tuneladora), también conocida como» topo», es una máquina utilizada para excavar túneles con una sección transversal circular a través de una variedad de estratos de suelo y roca. Pueden atravesar rocas duras, arena y casi cualquier cosa intermedia. Los diámetros de túnel pueden variar desde un metro (hecho con microtobinas) hasta casi 16 metros hasta la fecha. Los túneles de menos de un metro de diámetro se realizan normalmente utilizando métodos de construcción sin zanja o perforación direccional horizontal en lugar de tuneladoras.

Las perforadoras de túneles se utilizan como alternativa a los métodos de perforación y voladura (D&B) en la minería manual de rocas y convencional en el suelo. Las tuneladoras tienen la ventaja de limitar la perturbación del suelo circundante y producir una pared de túnel lisa. Esto reduce significativamente el costo de revestimiento del túnel y lo hace adecuado para su uso en áreas muy urbanizadas. La principal desventaja es el costo inicial. Las tuneladoras son costosas de construir y pueden ser difíciles de transportar. Sin embargo, a medida que los túneles modernos se hacen más largos, el costo de las máquinas perforadoras de túneles en comparación con las perforadoras y voladuras es en realidad menor, esto se debe a que la construcción de túneles con tuneladoras es mucho más eficiente y resulta en un proyecto más corto.

La tuneladora de mayor diámetro, de 15,43 m, fue construida por Herrenknecht AG para un proyecto reciente en Shanghai, China. La máquina fue construida para perforar a través de tierra blanda, incluyendo arena y arcilla. La tuneladora de roca dura de mayor diámetro, de 14,4 m, fue fabricada por The Robbins Company para el Proyecto del Túnel del Niágara de Canadá. La máquina actualmente está perforando un túnel hidroeléctrico debajo de las Cataratas del Niágara, la máquina ha sido nombrada «Big Becky» en referencia a las presas hidroeléctricas Sir Adam Beck a las que está haciendo un túnel para proporcionar un túnel hidroeléctrico adicional.

TBM de roca dura

En roca dura, se pueden usar TBM blindadas o abiertas. Todos los tipos de tuneladoras de roca dura excavan roca utilizando cortadores de disco montados en el cabezal de corte. Los cortadores de disco crean fracturas por esfuerzo de compresión en la roca, lo que hace que se desprenda de la roca frente a la máquina, llamada cara del túnel. La roca excavada, conocida como lodo, se transfiere a través de aberturas en el cabezal de corte a una cinta transportadora, donde pasa a través de la máquina a un sistema de transportadores o vagones de lodo para su extracción del túnel.

Las tuneladoras de tipo abierto no tienen blindaje, dejando el área detrás del cabezal de corte abierta para el soporte de roca. Para avanzar, la máquina utiliza un sistema de agarre que empuja contra las paredes laterales del túnel. La máquina se puede dirigir continuamente mientras las zapatas de agarre empujan las paredes laterales para reaccionar al empuje hacia adelante de la máquina. Al final de una carrera, las patas traseras de la máquina se bajan, las pinzas y los cilindros de propulsión se retraen. La retracción de los cilindros de propulsión reposiciona el conjunto de la pinza para el siguiente ciclo de mandrinado. Las pinzas están extendidas, las patas traseras levantadas y el taladro comienza de nuevo. La tuneladora de tipo abierto, o viga principal, no instala segmentos de concreto detrás de ella como lo hacen otras máquinas. En su lugar, la roca se sostiene utilizando métodos de apoyo al suelo, como vigas anulares, pernos de roca, hormigón proyectado, correas de acero y malla de alambre (Stack, 1995).

En roca fracturada, se pueden usar TBM blindadas de roca dura, que erigen segmentos de concreto para soportar paredes de túnel inestables detrás de la máquina. Las tuneladoras de doble blindaje se llaman así porque tienen dos modos; en suelo estable pueden agarrarse contra las paredes del túnel para avanzar hacia adelante. En terrenos inestables y fracturados, el empuje se desplaza a cilindros de empuje que empujan contra los segmentos del túnel detrás de la máquina. Esto evita que las fuerzas de empuje significativas impacten en las frágiles paredes del túnel. Las tuneladoras de blindaje único funcionan de la misma manera, pero solo se utilizan en terrenos fracturados, ya que solo pueden empujarse contra los segmentos de concreto (Stack, 1995).

TBM de tierra blanda

En tierra blanda, hay dos tipos principales de TBM: Máquinas de Equilibrio de presión de tierra (EPB) y Protector de lodo (SS). Ambos tipos de máquinas funcionan como tuneladoras de blindaje único, utilizando cilindros de empuje para avanzar empujando contra segmentos de concreto. Las máquinas de equilibrio de presión de tierra se utilizan en tierra blanda con menos de 7 bar de presión. El cabezal de corte no utiliza solo cortadores de disco, sino una combinación de brocas de corte de carburo de tungsteno, cortadores de disco de carburo y/o cortadores de disco de roca dura. El EPB recibe su nombre porque es capaz de soportar tierra blanda manteniendo un equilibrio entre tierra y presión. El operador de la tuneladora y los sistemas automatizados mantienen la tasa de eliminación del suelo igual a la tasa de avance de la máquina. Por lo tanto, se mantiene un entorno estable. Además, se inyectan aditivos como bentonita, polímeros y espuma en el suelo para estabilizarlo aún más.

En terrenos blandos con una presión de agua muy alta y grandes cantidades de agua subterránea, se necesitan TBM de protección de lodo. Estas máquinas ofrecen un entorno de trabajo completamente cerrado. Los suelos se mezclan con lodo de bentonita, que debe eliminarse del túnel a través de un sistema de tubos de lodo que salen del túnel. Para este proceso, se necesitan grandes plantas de separación de lodos en la superficie, que separan la suciedad de la suspensión para que pueda reciclarse de nuevo en el túnel.

Mientras que el uso de tuneladoras alivia la necesidad de un gran número de trabajadores a altas presiones, a veces se forma un sistema de cajón en el cabezal de corte para tuneladoras de protección de lodo. Los trabajadores que ingresan a este espacio para inspección, mantenimiento y reparación deben estar certificados médicamente como «aptos para bucear» y capacitados en el funcionamiento de las cerraduras.

Sistemas de respaldo
Detrás de todos los tipos de perforadoras de túneles, dentro de la parte terminada del túnel, hay cubiertas de soporte de arrastre conocidas como sistema de respaldo. Los mecanismos de apoyo ubicados en el respaldo pueden incluir: transportadores u otros sistemas para la eliminación de estiércol, tuberías de lodo, si procede, salas de control, sistemas eléctricos, eliminación de polvo, ventilación y mecanismos para el transporte de segmentos pre-fundidos.

Túnel urbano y túnel cercano a la superficie
El túnel urbano tiene el desafío especial de requerir que la superficie del suelo no se perturbe. Esto significa que debe evitarse el hundimiento del suelo. El método normal de hacer esto en suelo blando es mantener las presiones del suelo durante y después de la construcción del túnel. Hay cierta dificultad en hacer esto, particularmente en estratos variados (p. ej., perforando a través de una región donde la parte superior de la cara del túnel es arena húmeda y la parte inferior es roca dura).

Las tuneladoras con control facial positivo, como EPB y SS, se utilizan en tales situaciones. Ambos tipos (EPB y SS) son capaces de reducir el riesgo de hundimiento y huecos de la superficie si se operan correctamente y si las condiciones del suelo están bien documentadas.

Al hacer túneles en entornos urbanos, es necesario abordar otros túneles, líneas de servicios públicos existentes y cimientos profundos en las primeras etapas de planificación. El proyecto debe incluir medidas para mitigar cualquier efecto perjudicial para otras infraestructuras.

1 – Balanza de presión de lodo (SPB) TBM

El principio básico de esta TBM es mantener la presión de la cara durante la fase de excavación llenando la cámara de trabajo, ubicada detrás del cabezal de corte, con lodo.

Ventajas

• Permite tunelar terrenos blandos, húmedos o inestables con una velocidad y seguridad que antes no eran posibles
• Adecuado para terrenos con altas presiones de agua (debajo de la capa freática)
• Limita el asentamiento del suelo y produce una pared de túnel lisa. Esto reduce significativamente el costo de revestimiento del túnel y lo hace adecuado para su uso en áreas muy urbanizadas.

Desventajas

• La principal desventaja es el costo de capital inicial. Las tuneladoras son costosas de construir, difíciles de transportar, requieren sistemas de respaldo y energía significativos.
• La unidad puede verse obstaculizada por piedras y cantos rodados grandes

Características principales

• Revestimiento de túneles: Segmentos de hormigón prefabricado
• Rendimiento típico: 5 m a 30 m por día. El rendimiento y los costos reales dependerán de las condiciones del terreno y del diámetro del túnel.

2- Tuneladora de equilibrio de presión de tierra (EPB)

Este es un método de tunelización mecanizado en el que los desechos se admiten en la tuneladora (tuneladora) a través de una disposición de transportador de tornillo que permite que la presión en la cara de la tuneladora permanezca equilibrada sin el uso de lodo.

Ventajas

• Permite un túnel de tierra blanda, húmeda o inestable con una velocidad y seguridad que antes no eran posibles
• Limita el asentamiento del suelo y produce una pared de túnel lisa. Esto reduce significativamente el costo de revestimiento del túnel y lo hace adecuado para su uso en áreas muy urbanizadas

Desventajas
La principal desventaja es el costo de capital inicial. Las tuneladoras son costosas de construir, difíciles de transportar, requieren sistemas de respaldo y energía significativos.

Características principales

• Revestimiento de túneles – Segmentos de Hormigón Prefabricado.
• Rendimiento típico-9m a 35m por día. El rendimiento y los costos reales dependerán de las condiciones del terreno y del diámetro del túnel.

3- Tuneladora de roca dura

Este método implica el uso de una máquina tuneladora con un escudo y un cabezal cortador adecuados para roca dura.

Ventajas
Ofrecen un medio continuo y controlado de tunelización capaz de altas tasas de avance en condiciones favorables.

Desventajas

• La principal desventaja es el costo de capital inicial. Las tuneladoras son costosas de construir, difíciles de transportar, requieren sistemas de respaldo y energía significativos.
• Su aplicabilidad se limita a túneles largos donde las altas tasas de avance y la calidad del túnel pueden compensar su alto costo de capital.

Características principales

• Revestimiento de túneles: Segmentos de hormigón prefabricado / Hormigón proyectado / Sin revestimiento
• Rendimiento típico: 12 a 67 m por día. El rendimiento y los costos reales dependerán de las condiciones del terreno y del diámetro del túnel.

Etapas de construcción de tuneladoras