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Tunnel Boring Machine (TBM)

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by

Dylan Alvarez Echeverria

on 4 June 2015

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Transcript of Tunnel Boring Machine (TBM)

“BACK-UPS”
Introducción
Estos son carros que van adosados a la tunelera los cuales tienen distintos propósitos, Estos contienen los equipos electrónicos y eléctricos que controlan la cabeza de la TBM, talleres para los mecánicos, lugares de descanso para los técnicos y zona de acopio de material que se utiliza en la obra. Estos carros están montados sobre ruedas, los cuales se desplazan a través de los rieles que van siendo colocados en la zona de fortificación de manera paralela al proceso de excavación y sostenimiento del túnel.
Se utilizan en su mayor parte en la excavación de rocas blandas y en suelos, frecuentemente inestables y en ocasiones por debajo del nivel. Estos escudos a diferencia de los topos incorpora picas o rascadores y avanza mediante el empuje de una serie de gatos perimetrales, que se apoyan sobre el revestimiento ya colocado.
TBM tipo escudo
TUNNEL BORING MACHINE (TBM)
El método TBM consiste en ir excavando el túnel con una máquina llamada “tuneladora”, la cual va rompiendo la roca al frente y el material fracturado se retira con una correa transportadora. Esta máquina tiene una forma cilíndrica y va rotando su cabeza a medida que excava, obteniendo un túnel de forma circular ya fortificado.
Un poco de historia
El primer éxito de túnel escudo fue desarrollado por Sir. Marc Isambard Brunel para excavar el Támesis en 1825; Sin embargo, esto sólo fue el concepto y no incluyó la construcción de una tuneladora completa.
La tunelería y fortificación minera cumple un rol importante para mejorar la eficiencia en preparación y avance de túneles mineros, buscando mejorar los métodos existentes y desarrollar nuevos métodos tecnológicos parar afrontar nuevos desafíos.
Las tuneladoras, básicamente se dividen en tres grupos, los cuales difieren de forma importante por el tipo de roca o suelo a excavar, así también, como las necesidades de sostenimiento o revestimiento que requiera cada tipo de terreno.

Tipos de TBM
Tunnel Boring Machine (TBM)
La gran innovación ah sido la excavación mecanizada de túneles a través de máquinas de gran escala, como lo es método de tunnel boring machine (TBM).
Este método de excavación de túneles a sección completa logro un tremendo avance, logrando reducir costos y tiempo en las operación de avances de perforación.
La primera tuneladora fue construido era Henri-Joseph Maus 'Slicer; en 1845 para excavar el túnel de ferrocarril "Frjus" entre Francia e Italia por los Alpes
Se componía de más de 100 taladros de percusión montado en la parte delantera de una máquina locomotora
Existen tuneleras de diversos tamaños, con diámetros desde los 1m. hasta los 20m. Los rendimientos varían mucho dependiendo del diámetros de ésta, así como también del material a excavar, hay distintos tipos de TBM, los cuales sirven para excavar suelos de distinta naturaleza y con distintas condiciones naturales.
Es un escudo metálico provisto de discos de corte y elementos escariadores que es presionada contra el terreno y gira a una velocidad controlada.
Frente
Discos
Son de diamante, tienen una alta dureza y son capaces de romper el material con que se encuentre en contacto. La distribución de los discos de corte en la frente de la tunelera presenta una leve concentración de estos en el centro, además de un pequeño grado de conicidad.

De la misma forma que para la excavación utilizando el método de perforación y voladura, esto hace que al presionar la frente de la tunelera con el túnel se comience a fracturar primero el centro del frente, facilitando luego el fracturamiento de los contornos. Los discos tienen un diámetro de aprox. 30 [cm] y pesan alrededor de 250 [kg].
Cabeza
Es la sección a la cual está adosada a la frente de la tunelera. Ésta tiene un motor la cual hace que gire la frente con los discos, así como también un sistema de cilindros hidráulicos que se extienden para generar la presión de contacto necesaria entre la cabeza y la frente del túnel.
Algunas TBM utilizan un método distinto para poder ejercer la presión sobre la frente de excavación, la cual es ir apoyándose sobre un anillo de dovelas de hormigón que va colocando a medida que ésta va avanzando.
Los cuales se diseñan principalmente para poder excavar rocas duras y medias, sin tener mayor necesidad de un soporte inicial. Estos equipos constan de una cabeza giratoria, dotada de cortadores, los cuales se accionan mediante motores eléctricos que avanza en cada ciclo mediante el empuje de unos gatos que reaccionan sobre las zapatas de grippers, estando a su vez anclados contra la pared del túnel.
TBM tipo topo
RENDIMIENTOS DE LA MAQUINA
: Los rendimientos son más bien elevados. La penetración pura de la maquina en el terreno puede oscilar entre 3 y 6 m/h e incluso puede ser superior.
TBM tipo doble escudo

CABEZA:
Es la parte que realiza la excavación de la roca, la cual se complementa de cortadores que normalmente son de discos de metal. Estos cortadores serán de mayor diámetro dependiendo de la dureza de la roca.

Partes fundamentales

GRIPPERS:
Son las zapatas que acodalan a la maquina contra la roca durante el avance, siendo su superficie menor a la resistencia de la roca. Los grippers normalmente no pasa de 0,70 m de anchura.

BACK –UP:
Se refiere al conjunto de plataformas posteriores que arrastra la maquina en su avance.
Partes fundamentales
Partes fundamentales

CABEZA O ELEMENTO EXCAVADOR:
Esta incluido en un primer cuerpo de la coraza, e incorpora el elemento excavador, que puede ser manual, una rozadura, una cabeza giratoria, entre otros.

CUERPO DE MANDO:
Estos cuerpos están instalados, al igual que los motores, en un segundo cuerpo de la cabeza.

CILINDROS DE EMPUJE Y ERECTOR DE DOVELAS:
Están situados en un tercer cuerpo de la coraza, también llamado cola del escudo, los cuales, están distribuidos en toda la periferia del de la maquina.
RENDIMIENTOS:
Al igual que los topos el rendimiento suele ser elevado, aunque sean variables en función del tipo de dovela a colocar.
Este tipo de TBM, son maquinas capases de trabajar en terrenos de muy diferente naturaleza y que presentan características conjuntas de los topos y los escudos.

CABEZA DE CORTE:
Su diseño viene impuesto por las condiciones geológicas de los terrenos que se pretenden excavar.

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:
Es también llamado escudo de anclaje, es el que incorpora las zapatas de los grippers operables a través de ventanas.

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.
La tuneladora de doble escudo es una de las más utilizadas. Esta máquina consta de diversas secciones, entre las cuales se puede destacar su frente, cabeza, fortificación y backup.

La tuneladora de doble escudo es una de las más utilizadas. Esta máquina consta de diversas secciones, entre las cuales se puede destacar su frente, cabeza, fortificación y backup.

FORTIFICACIÓN
La tercera zona de la TBM es la zona de fortificación. Luego de los escudos, se extienden hacia atrás planchas de acero denominados “fingers”, los cuales tienen como objetivo permitir reducir el sostenimiento temporal que tiene la roca de manera gradual desde el escudo de la tunelera, la cual no permite desplazamientos significativos a estas planchas, que permiten mayores deformaciones.
SISTEMA PRINCIPAL DE EMPUJE
Está constituido por una serie de cilindros dispuestos alrededor de la zona telescópica y anclada entre la parte trasera del escudo delantero y la parte delantera del escudo de anclaje, esta disposición proporciona el empuje durante la perforación, así como el control en la dirección de la máquina.
VENTAJAS DEL MÉTODO TBM
1:
La excavación produce una mejor superficie terminada de las paredes del túnel. No existe una zona fragmentada circundante, por lo que la sobreexcavación se reduce y por lo tanto se reduce la necesidad de sostenimiento adicional.
2:
No se requiere el uso de explosivos.
3:
Los túneles pueden ahora ser perforados económicamente, existen algunos túneles que requieren una forma regular y circular, por ejemplo los acueducto o túneles de aducción hidráulica, que tienen un gran beneficio en reducción de costos si son perforados con TBM.
4:
Respecto al costo de la construcción del túnel, existen aspectos importantes a considerar, es la velocidad de avance y remuneraciones de los trabajadores del túnel. La potencia de corte y el costo de capital de una tuneladora se vuelven progresivamente más eficaces con el aumento de longitud de los túneles.
5:
Debido a la tecnología de la TMB no necesitan un gran número de mano de obra y personal de planta.
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