EXCAVACIÓN CON MÁQUINAS INTEGRALES: TOPOS Y ESCUDOS
TOPOS
Son convenientes cuando la excavación es en roca dura o media, sin grandes necesidades de soporte inicial
constan de una cabeza giratoria, dotada de cortadores, que se acciona mediante motores eléctricos y que avanza en cada ciclo mediante empuje de unos gatos que reaccionan sobre las zapatas de los grippers, los cuales a su vez están anclados contra la pared del túnel.
Descripción de la máquina
Partes fundamentales
La cabeza
Es la parte móvil que realiza la excavación de la roca
Está dotada de cortadores que normalmente son discos de metal duro que giran libremente sobre su eje, y cuya carcasa se fija a la cabeza
El proceso de corte mecánico se produce inicialmente mediante un proceso de rotura frontal originado por la presión que el cortador ejerce sobre el terreno y, posteriormente, en el resto de la sección, la rotura entre los círculos concéntricos anteriormente aludidos se produce por identación, con la formación de un escombro lajoso típico de este tipo de máquinas.
Actualmente, se empiezan a utilizar accionamientos eléctricos con regulación de velocidad mediante la variación de frecuencias. La regulación de esta velocidad, así como la del par, es esencialmente valiosa cuando se excavan rocas de muy distinta calidad, debido a que:
Para excavar rocas duras, no es necesario un par demasiado elevado, pero sí interesa una velocidad alta que permita utilizar toda la potencia de la máquina.
En terrenos más blandos, donde la penetración de la máquina puede alcanzar altos índices, será necesario disminuir la velocidad para no sobrecargar el sistema.
En el caso de terrenos con bloques, puede igualmente ser aconsejable una disminución de la velocidad para evitar el movimiento o derrumbe de bloques en el frente o en la clave del túnel.
Los grippers
Son las zapatas que acodalan a la máquina contra la roca durante el avance, siendo su superficie mayor cuanto menor sea la resistencia de la roca, y existiendo, como es lógico, unos límites en ambos sentidos
no pasan de 0.70 m de anchura, para que puedan apoyarse entre cerchas
En algún caso, cuando se prevé trabajar en terrenos blandos, pueden llegar a tener una acanaladura central que aloje en su momento el gálibo de una cercha en caso de ser necesario
Los cilindros de empuje
Son normalmente 2 ó 4 y proporcionan a la máquina el empuje necesario contra el frente para realizar la excavación
Su recorrido, comprendido entre 1.50 y 2.00 m, marca la longitud de cada ciclo de avance, ya que una vez agotada su carrera es necesario soltar los grippers y retraer los cilindros de empuje para conseguir el avance de la parte fija de la máquina
El sistema de guiado
El back-up
Se denomina así al conjunto de plataformas posteriores que arrastra la máquina en su avance y que, normalmente
incorporan los siguientes equipos
Transformadores y carretes de mangueras eléctricas
Captadores de polvo
Casetes de ventilación que almacenan habitualmente 100 m de tubería soplante
Polipastos para manejo de vías y dovela de solera
Guiado
El guiado de un topo se suele hacer materializando con un rayo láser un eje paralelo al del túnel.
El operador de la máquina ve constantemente la señal en la diana cuadriculada que facilita el guiado manual de la máquina
En cualquier caso, es necesario cada vez que se adelante el láser y en las tangentes de entrada y salida a las curvas verificar el eje y la rasante con topografía convencional
Limitaciones de utilización
La mayoría están ligadas a la geometría del túnel. En efecto:
La sección debe ser circular y la longitud tal que permita asumir una inversión elevada y unos gastos igualmente importantes de transporte y montaje en obra.
El radio de curvatura mínimo está alrededor de los 300 m, aunque son deseables al menos 500 m.
La pendiente máxima debe ser tal que permita una circulación fluida de trenes y está en un entorno máximo del 3.5-4 %
Rendimientos
La penetración pura de la máquina en el terreno puede oscilar entre 3 y 6 m/hora e incluso ser superior
Sin embargo, los rendimientos puros vienen afectados por las paradas necesarias para realizar el mantenimiento de la máquina o de su back up, para el cambio de cortadores, averías y sobre todo para colocar los sostenimientos que fueran necesarios. En consecuencia, el coeficiente de utilización real de una máquina rara vez supera el 50 %.
Se define dicho coeficiente (CU) como:
CU: horas reales de trabajo de la máquina / horas efectivas de trabajo
ESCUDOS
Diseñados para la excavación en roca blanda y en suelos, en muchos casos inestables y en ocasiones por debajo del nivel freático, en terrenos saturados de agua que
necesitan la colocación inmediata de un sostenimiento definitivo.
disponen también de una cabeza giratoria igualmente accionada por motores eléctricos
Cabezas o elemento excavador
Está incluido en un primer cuerpo de la coraza, e incorpora el elemento excavador, que puede ser manual, una rozadora, una cabeza giratoria, etc
La cabeza, cuando es giratoria o de rueda, dispone de una serie de aberturas, frecuentemente regulables, por las que el escombro arrancado pasa a una cámara en la que una cinta primaria se ocupa de su evacuación.
Cuerpo de mando y controles
Están alojados, al igual que los motores, en un segundo cuerpo de la coraza.
Cilindros de empuje y erector de dovelas
Están situados en un tercer cuerpo de la coraza, también llamado cola del escudo
Los cilindros de empuje están distribuidos en toda la periferia de la máquina, y están equipados con zapatas articuladas que permiten un apoyo uniforme sobre las dovelas del revestimiento
Su recorrido marca el ciclo de avance, estando normalmente comprendido entre 1.20 y 1.50 m
Back-up
está constituido por una serie de plataformas que, deslizándose sobre el propio revestimiento de hormigón, se mueven arrastradas por la máquina simultáneamente a su avance
Escudos abiertos
Se utiliza normalmente cuando el frente del túnel es estable y las afluencias de agua reducidas, bien por trabajarse por encima del nivel freático o bien por ser terrenos impermeables
Escudos cerrados
Están diseñados para trabajar en terrenos difíciles, no cohesivos y con frecuencia bajo el nivel freático y saturados de agua, en frentes claramente inestables.
Escudo mecanizados de rueda con cierre mecánico
En estas máquinas, se dispone de unas puertas de abertura controlada hidráulicamente, que en caso necesario se pueden cerrar totalmente, quedando el túnel sellado
Escudos presurizados con aire comprimido
El aire comprimido se ha utilizado desde hace bastantes años para presurizar totalmente los túneles construidos bajo freáticos no muy importantes (0.1 o 0.2 Mpa), entre la esclusa inicial de entrada y el frente, en cifras ligeramente superiores a la carga agua + terreno.
Hidroescudos o escudos de bentonita (Slurry Shield)
Los hidroescudos o escudos de bentonita utilizan la propiedad tixotrópica de los lodos bentoníticos para conseguir la estabilización del frente del túnel
Son máquinas adecuadas para trabajar en terrenos difíciles, constituidos principalmente por arenas y gravas u otros materiales blandos y fracturados bajo presión de agua, en los que la inyección de lodos, además de contribuir a la estabilidad del terreno, ayuda al transporte mediante bombeo de los productos de excavación
Escudos de frente en presión de tierras
En este tipo de escudos, llamados E.P.B. (“Earth Pressure Balance”) se abarcan prácticamente la totalidad de los terrenos que pueden presentar inestabilidades.
Guiado
El sistema de guiado de un escudo se compone de una diana para analizar la posición en la misma de un rayo láser, complementado con un distanciómetro y un inclinómetro que permita fijar la posición y el giro de la máquina.
Limitaciones de utilización
De la misma manera que en los topos, las principales limitaciones en la mayoría de los casos se centran en la geometría del túnel, sección circular, longitud mínima del túnel y pendiente adecuada al transporte sobre vía.
Rendimientos
DOBLES ESCUDOS
Descripción de la máquina
Es una máquina concebida basándose en un escudo telescópico articulado en dos piezas
Son máquinas que pueden trabajar en terrenos de muy diferente naturaleza y que presentan características conjuntas de los topos y los escudos.
Sus componentes principales son los siguientes: cabeza de corte, el escudo delantero, el escudo trasero y el sistema principal de empuje.
Cabeza de corte
Su diseño viene impuesto por las condiciones geológicas de los terrenos que se pretende excavar, siendo más o menos cerrada en función de la calidad del mismo.
Normalmente son cabezas mixtas que incorporan cortadores de disco y picas simultáneamente.
Escudo delantero
Además de servir como estructura soporte de la cabeza de corte, contiene el rodamiento principal, la corona de accionamiento y los sellos interno y externo.
Escudo trasero
También llamado escudo de anclaje, es el que incorpora las zapatas de los grippersoperables a través de ventanas.
La parte posterior de este escudo incorpora en su interior al erector de dovelas y a los cilindros auxiliares de empuje, similares a los de un escudo normal.
Sistema principal de empuje
Está constituido por una serie de cilindros dispuestos alrededor de la zona telescópica y anclados entre la parte trasera del escudo delantero y a la parte delantera del escudo de anclaje.
Modo de operación
En terrenos que permiten a la máquina fijarse con la ayuda de los grippers (sistema topo), la máquina avanza mediante el empuje de los cilindros principales.