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Excavación

C on las tuneladoras se pueden conseguirresultados impresionantes en la cons-

trucción de túneles; tal como ha sucedido enlas sucesivas ampliaciones del Metro de Ma-drid, donde con facilidad se alcanzaban avan-ces del orden de 1000 m/mes; en la construc-ción del Túnel de Guadarrama (AVE Madrid –Valladolid) donde se han conseguido –a lo lar-go de 14 km de excavación– avances mediosde 530 m/mes, y en el Túnel de La Cabrera(AVE Madrid – Levante) donde se han batidoampliamente todos los récord mundiales.

A pesar de estos grandes éxitos, no hayque olvidar que las tuneladoras constituyen unsistema muy rígido en el que es muy difícil in-troducir modificaciones durante la obra y conel que las posibilidades de actuar sobre el te-rreno son mucho más reducidas que en losmétodos convencionales.

Estas circunstancias han sido el origen dealgunos fracasos importantes, entre los quecabe citar:

• Túnel de Pinglin, actualmente denominadoTúnel de Hsuehshan (Taiwan), cuya cons-trucción se inició en 1991 y finalizó en 2004.En este túnel dos tuneladoras tipo Doble-Escudo, de 11,8 m de diámetro, quedaronatrapadas durante más de un año.

• Túnel de Hallandsas, que formará partede la línea de alta velocidad entre Malmö yGotemburgo (Suecia), cuya construcciónfue iniciada en 1992 y se piensa que finali-ce en 2015. En este túnel una tuneladoratuvo que ser retirada; pues se hundió enunas argilitas sin poder avanzar. Posterior-mente la excavación se retomó mediantemedios convencionales y, actualmente, seestá utilizando de nuevo una tuneladora.

La mayor dificultad con que puede encontrar-se una tuneladora son los cambios imprevistosdel terreno y, por esa razón, se considera im-prescindible que las previsiones sobre los avan-ces de las tuneladoras estén relacionadas direc-tamente con la calidad del terreno; ya que, en

caso contrario, la probabilidad de que las previ-siones se aproximen a la realidad es muy baja.

Evaluación de la excavabilidaddel terrenoHasta ahora no existía una metodología espe-cífica para valorar la excavabilidad del terreno;ya que los índices habitualmente empleadospara evaluar el comportamiento tensional delterreno, como el RMR de Bieniawski o el Q deBarton, no tienen en cuenta los parámetrosque habitualmente están relacionados con ex-cavabilidad y su aplicación para predecir losavances de las tuneladoras lleva consigo unaexcesiva dispersión (Sapigni et alt. 2002).

Para solventar este problema, en base a lasexperiencias habidas durante la construcciónde los Túneles de Guadarrama, San Pedro yAbdalajís en España, así como las obtenidasdurante la construcción del Túnel de Katzem-berg (Alemania) y los del complejo hidroeléctri-co Gilge Gibe II (Etiopía) se desarrolló el índicedenominado Rock Mass Excavability (RME);que, inicialmente, se orientó hacia la previsiónde los avances de las tuneladoras.

El RME fue presentado en el Congreso dela ITA en Seoul (Bieniawski et alt, 2006) y du-

rante 2007 y 2008 se continuaron los traba-jos de investigación para mejorar su aplicacio-nes.

El RME tiene una estructura similar a la delRMR, ya que se calcula sumando la valora-ción de cinco parámetros; aunque se diferen-cia de él en que tres de estos cinco paráme-tros están relacionados con la excavabilidad.

Los parámetros que es necesario evaluarpara calcular el RME son los siguientes:

1. Resistencia a compresión simple de laroca intacta ((σσccii)):: (0-25 puntos)

2. Drilling Rate Index (DRI): (0-15 puntos)3. Discontinuidades en el frente de excava-

ción: (0-30 puntos)4. Tiempo de autoestabilidad del frente:

(0-25 puntos)5. Afluencia de agua en el frente:

(0-5 puntos)

La resistencia a compresión simple y el índi-ce DRI pueden ser determinadas mediante sen-cillos ensayos de laboratorio, la valoración delefecto de las discontinuidades en el frente deltúnel exige hacer un levantamiento geotécnicodel terreno y el tiempo de autoestabilidad puedecalcularse mediante el ábaco de la Fig. 1.

En este trabajo se presentan los últimos desarrollos de la metodología basadaen el llamado Rock Mass Excavability (RME) Index, que ha sido desarrolladocon la colaboración del ADIF y la financiación de Geocontrol. Mediante elíndice RME es posible evaluar la dificultad que presentan los terrenos paraser excavados, predecir los avances de las tuneladoras, seleccionar el tipode tuneladora más apropiado y predecir el consumo de cortadores. Hay queseñalar que el índice RME no es aplicable a los terrenos que generan frentesinestables, en los que es necesario aplicar una presión para estabilizarlos.

Selección de tuneladoras para macizos rocosos con frentes estables

Palabras clave: ABRASIVIDAD, AVANCES DETUNELADORA, CONSUMO DE CORTADORES, EXCAVABILIDAD, ÍNDICE CERCHAR, RME.

- BIENIAWSKI, Richard. Bieniawski Design Enterprise.

CELADA, Benjamín. GEOCONTROL, S.A.TARDÁGUILA, Isidoro. GEOCONTROL, S.A.

m [Figura 1] .-Ábaco para el cálculo deltiempo deautoestabilidad.

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Excavación

Es conveniente recordar que para calcularel tiempo de autoestabilidad hay que utilizar elRMR del terreno excavado con tuneladora(RMRTBM ) que está definido (Alber, 1996) porla relación:

RMRTBM = 0,80 RMR + 20Finalmente, la valoración de la posible

afluencia de agua en el terreno debe estimar-se en función de las características hidrogeo-lógicas locales.

En el Cuadro I se muestran los criteriosmedios para la evaluación de los cinco pará-metros que integran el RME; aunque, paraevitar interpolaciones y conseguir mayor pre-cisión es más recomendable utilizar los gráfi-cos que se presentan en las Figs. 2 y 3.

Para valorar la homogeneidad del frente deltúnel se ha considerado que los terrenos sepueden clasificar en tres grandes grupos; se-gún el valor de la resistencia a compresiónsimple de la roca intacta (σσcc ii ):

- Rocas semi-duras: σσcc ii < 45 MPa- Rocas duras: 45 MPa< σσcc ii <120 MPa- Rocas muy duras: σσcc ii >120 MPa

A partir de estos tres grupos se han consi-derado seis situaciones típicas para el frente deun túnel; que, con sus valoraciones, se mues-tran en la Fig. 4.

A partir del valor del RME la excavabilidadde los terrenos puede clasificarse en cuatrograndes grupos:

I.- Excelente: 80 < RME < 100II.- Muy buena: 60 < RME < 79III.- Buena: 40 < RME < 59IV.- Mala: RME < 40

Estimación de la velocidad de avancede las tuneladorasPara estimar la velocidad de avance de unatuneladora se podría partir de la penetraciónneta, definida por los milímetros avanzados encada rotación de la cabeza de la tuneladora, ode la velocidad de penetración, expresada enmm/minuto; pero para llegar a obtener elavance en un día de trabajo es necesario co-nocer el porcentaje de tiempo en el que la tu-neladora está realmente excavando.

Como este parámetro es difícil de conocercon precisión; en la metodología del RME, seha considerado preferible trabajar con losavances medios diarios (ARA) conseguidosen tramos normales de un túnel.

Estos tramos normales deben reunir las si-guientes características:

• La Longitud debe ser superior a 30 m.• Las características geomecánicas del te-

rreno no deben variar sensiblementedentro del tramo.

• En el tramo no se consideran reparacio-nes extraordinarias de mantenimiento dela tuneladora o del back-up.

m [CUADRO I] .- Valoraciones medias de los cinco parámetros que integran el RME08.

m [Figura 3] .- Gráficas para la valoración del DRI, Tiempo de Autoestabilidad y Afluencia deagua en el frente.

m [Figura 2] .- Gráficas para la valoración de σσci y del número de discontinuidades en el frente.

• A lo largo del tramo el tiempo dedicadoa la excavación debe estar comprendidoentre el 30 % y el 60 % del tiempo dis-ponible.

Dado que cada túnel tiene unas caracterís-ticas determinadas, por lo que se refiere aldiámetro de excavación, longitud del túnel ycualificación del equipo que conduce la tune-ladora; resulta necesario definir un ARA teóri-co u homogeneizado, cuya expresión es la si-guiente:

Siendo:ARAR = Avance medio diario, obtenido en

un tramo dado de un túnel.FE = Factor que depende de la capacita-

ción de la tripulación de la tuneladora.FA = Factor que depende de la adapta-

ción al terreno excavado.FD = Factor que depende de diámetro de

excavación.

El factor de equipo (FE ) está definido por laexpresión:

FE = FE1 + FE2 + FE3

Y las variables se determinan con los crite-rios FE1; FE2 y FE3 contenidos en el Cuadro II.

El factor de adaptación al terreno excava-do (FA) está definido por la gráfica que semuestra en la Fig. 5, en función de la longitudde túnel que lleva excavada la tuneladora conla misma tripulación

Finalmente el factor que depende del diá-metro de excavación, FD, está definido por:

Durante el período 2004-2007 se han idorecogiendo datos sobre diversos túnelesconstruidos con tuneladoras; totalizando unalongitud acumulada de más de 100 km de tú-neles.

Estos datos se han clasificado y analizadoy de ellos se ha obtenido información de 336tramos normales de túneles, que superan unalongitud de 26 km y corresponden a tramosconstruidos con los tres tipos de tuneladorasmás habituales: TMB Abierta, Escudo Simpley Doble Escudo.

Para cada uno de estos tramos se hacalculado el avance medio por día ARAR y,después de homogeneizado para obtenerel ARAT, se han correlacionado con elRME.

Como resultado del análisis estadístico re-alizado se han obtenido las correlaciones quese presentan en las Figs. 6 y 7.

La Figura 6 es de aplicación para los túne-les excavados en macizos con rocas semi-du-ras (σσcc ii < 45 MPa); mientras que la Figura 7 esde aplicación cuando las rocas excavadaspueden calificarse de duras o muy duras (σσcc ii

> 45 MPa).En el caso de que se excaven macizos

con rocas de dureza media; si el RME essuperior a 75 puntos, la tuneladora másventajosa es el Doble-Escudo y si el RMEes inferior a 75 puntos, la tuneladora másrecomendable es el Escudo-Simple.

Obviamente, dado que un Doble-Escudopuede trabajar como Simple Escudo, los Do-bles-Escudos pueden cubrir con ventaja todoel campo de variación del RME para rocascon σσcc ii < 45 MPa; siempre y cuando el Do-ble-Escudo deje de utilizar los grippers y pase

€

F D mD = ( )10

€

ARA ARAF F FT

R

E A D=

⋅ ⋅

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Excavación

mm [Figura 4] .-Valoracióndel gradodehomogeneidad delfrente.

m [CUADRO II] .- Criterios para evaluar FE1 , FE2 y FE3 .

m [Figura 5] .-Definición deFA en funciónde la longitudexcavada.

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Excavación

a apoyarse en los anillos de dovelas cuando elRME baje de 75 puntos.

Al excavar macizos con rocas de durezamedia (σσcc ii i < 45 MPa) las TBM abiertas sonlas tuneladoras que consiguen peores resulta-dos; lo cual es debido a que en estos terre-nos, debido a su baja resistencia, es precisocolocar sostenimientos pesados que ralenti-zan el avance de las TBM abiertas.

En el caso de los macizos con rocas duraso muy duras (σσcc ii > 45 MPa), a partir de la Fig. 7se pueden obtener las tres conclusiones si-guientes:

1ª Para valores del RME comprendidosentre 70 y 80 puntos con los tres tiposde tuneladoras se obtienen avancessimilares.

2ª Si el RME es superior a 80 puntos, lastuneladoras que proporcionan los me-jores resultados son las TBM abiertas.

3ª Si el RME es inferior a 70 puntos, lastuneladoras que que proporcionan losmejores resultados son los EscudosSimples.

Tiempo neto de excavaciónEn general los túneles construidos con tunela-doras tienen varios kilómetros de longitud y ensu construcción se suele atravesar tramos deterreno de características muy diferentes.

Por ello; para escoger el tipo de tuneladoramás conveniente es necesario determinar eltiempo neto de excavación del túnel dividién-dolo en tramos en los que el RME sea prácti-camente homogéneo y calculando el ARAR ,en cada tramo y para cada tipo de tuneladora,mediante las correlaciones antes presentadas.

A partir de la longitud de cada tramo, sepuede calcular el tiempo que se invertirá enexcavarlo y, evidentemente, la tuneladora más

recomendable será aquella que permita unmenor tiempo neto de excavación para lasuma de todos los tramos del túnel.

Hay que tener en cuenta que la metodolo-gía del RME no es aplicable a los tramos enfalla; ya que las correlaciones entre el RME yel ARAT se han determinado trabajando condatos de tramos normales.

Para calcular el tiempo previsto para la ex-cavación del túnel, al tiempo neto de excava-ción hay que sumar el tiempo dedicado alpaso de las fallas y el necesario para hacer lasreparaciones generales, que no están inclui-das en el ciclo de trabajo habitual.

Paso de las zonas de fallaSe consideran zonas de falla los tramos del te-rreno en los que su excavabilidad resulta másdifícil que la del resto del túnel debido a la pre-sencia del propio plano de falla, de la roca me-canizada a ambos lados de éste y de la roca,contigua a la zona mecanizada, que ha resul-tado alterada por la circulación de agua al dis-minuir la permeabilidad por efecto de la falla.

Hay que tener presente que, con esta defi-nición, en los túneles con bajo recubrimiento,en los cuales la alteración producida por la cir-culación del agua es intensa, una simple fallade 1 m de espesor puede dar lugar a unazona de falla que tenga un espesor de variasdecenas de metros.

A pesar de que las zonas de falla son siem-pre tramos de dificultad elevada, en los túne-les construidos con tuneladora, hay que tenerpresente que en muchos de ellos se puedenobtener avances medios comprendidos entre5 y10 m/día; siempre que se den las dos con-diciones siguientes:

I.- La zona de falla está suficientemente re-conocida; de tal forma que puede evitar-se que la tuneladora se hinque en ella deimproviso.

II.-La tuneladora dispone de los mediostecnológicos necesarios para el trata-miento de las inestabilidades que se pro-duzcan en el frente de excavación.

En base a las experiencias habidas en losTúneles de Guadarrama, Abdalajís y San Pe-dro, en el año 2008 se presentaron unas esti-maciones sobre las posibles velocidades deavance en las zonas de falla (Bieniawski et alt.2008) que se reproducen en el Cuadro III.

Estas estimaciones están hechas atendiendoal recubrimiento sobre clave en la zona de falla,cuyo aumento es desfavorable debido a la bajacalidad mecánica de los terrenos fallados; a lapresencia de agua que siempre es desfavorable,de manera especial en las fallas de naturaleza ar-cillosa y al tipo de terreno mecanizado por la fa-lla, que si es de tipo bloque, es más desfavora-ble que si se trata de un terreno arcilloso.

mm [Figura 6] .- Avances medios diarios excavando en rocas semi-duras (σci < 45 MPa).

mm [Figura 7] .- Avances medios diarios excavando en rocas duras o muy duras (σci > 45 MPa).

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Excavación

Consumo de cortadoresEl consumo de cortadores en las tuneladorases un índice que tiene una fuerte incidencia enlos resultados de las tuneladoras; directamen-te por el coste de los cortadores cambiados eindirectamente por el tiempo de excavaciónque se pierde al cambiar los cortadores.

Para hacer una previsión sobre el consumode cortadores se consideró necesario com-plementar el RME con un parámetro relacio-nado específicamente con la abrasividad delterreno; pues ninguno de los cinco paráme-tros que integran el RME está relacionado di-rectamente con la abrasividad.

Después de analizar los distintos ensayosactualmente utilizados para evaluar la abrasi-vidad del terreno, Nilsen et alt (2006) y Thuro yKäsling (2009) se llegó a la conclusión de queel más representativo de todos es el Índice deAbrasividad Cerchar (IAC).

En la Fig. 8 se ilustra el procedimiento parala determinación del IAC; que es realmentesimple, pues consiste en desplazar una puntade acero, bajo una carga de 7kg, sobre unamuestra de roca a lo largo de 1 cm.

El IAC se determina como la pérdida de laaltura de la punta de acero, expresada en dé-cimas de milímetro y presenta los valores ca-racterísticos que se muestran en el Cuadro IV.

En ensayo para determinar el IAC es muyfácil de realizar y este índice, además, presen-ta la ventaja de estar muy bien correlacionadocon el contenido de cuarzo equivalente de laroca; tal como se muestra en la Fig. 9, (Thuroy Käsling, 2009).

Para encontrar una relación entre el RME, elIAC y el número de cortadores cambiados, a lolargo de 2008 se revisaron los datos de los 336tramos normales de la base de datos y se rea-lizaron ensayos para determinar el IAC de lostramos en los que no se conocía este índice.

Este trabajo fue parcialmente financiadopor el Instituto Madrileño de Desarrollo (IMA-DE), con el contrato PIE/312/2008 y por elprograma PROFIT del Ministerio de Industria,con el contrato IAP-530000-2008-50.

Al igual que en el caso de las correlacionesentre el RME y el ARAT, para correlacionar el

RME y el IAC con el ARA se han dividido losterrenos en dos grandes grupos; el primeroestá integrado por las rocas de dureza media,

σσcc ii < 45 MPa, y el segundo por las rocas du-ras y muy duras, σσcc ii > 45 MPa.

En la Fig. 10 se presenta la correlación en-contrada entre el RME e IAC con el cocienteentre el número de cortadores cambiados enun tramo y los metros cúbicos excavados enese mismo tramo.

En esta figura se aprecia que el consumode cortadores es máximo para valores delRME comprendidos entre 55 y 60 puntos.

En el caso de la curva correspondiente alas rocas muy abrasivas, IAC > 3, el máximoconsumo de cortadores supone 0,01 cam-bios/m3 excavado. Esto, para un túnel de 10m de diámetro, que tiene 78 m2 de sección,supone cambiar 0,78 cortadores cada m3 ex-cavado.

mm [CUADRO III].- Estimación de los avances en zonas de fallas.

m [Figura 9].-Relación entreel Índice deAbrasividadCerchar y elcontenido decuarzoequivalente.

m [Figura 8].-Determinacióndel Índice deAbrasividadCerchar.

m [CUADRO IV].-Grado seabrasividadsegún el IAC.

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Excavación

En la Fig. 11 se muestra la gráfica homólo-ga a la anterior para las rocas duras y muy du-ras, σσcc ii > 45 MPa.

En este caso, para las rocas muy abrasi-vas, el consumo de cortadores tiende al infini-to para valores del RME próximos a 50 pun-tos; esto es lógico pues para rocas con σσcc ii >45 MPa, el RME se aproxima a 50 puntossólo en el caso de rocas sin fracturar y muyresistentes; que, en la práctica, no son exca-vables con tuneladora.

ConclusionesDesde su presentación en el año 2006 el índi-ce RME ha sido objeto de importantes mejo-

ras para conseguir que se consolide comouna herramienta de proyecto, que sea útil enla elección del tipo de tuneladora más apro-piado para un túnel dado.

Las mejoras que se han introducido en elRME son las siguientes:

• Criterios objetivos para evaluar la homo-geneidad del frente de los túneles.

• Correlaciones específicas entre el RMEy el Avance medio diario (ARAT) paralos tres tipos más normales de tunela-doras.

• Correlaciones entre el RME, el Índice deAbrasividad Cerchar y el consumo espe-cífico de cortadores.

En la actualidad el RME esta siendo utiliza-do con éxito en varias partes para predecir losavances de las tuneladoras en función de lascaracterísticas del terreno y aunque se siguenrealizando investigaciones, no se espera quese hagan modificaciones a la metodología ac-tual antes del año 2012.

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m

m [Figura 10].- Correlación entre el RME e IAC con el número de cortadores cambiados porm3 excavado.

m [Figura 11].- Correlación entre el RME e IAC con el número de cortadores cambiados por m3

excavado.

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