Construccion de tuneles

Construcción de Túneles CAPITULO IV 4. CONSTRUCCION DE TUNELES Gran parte del territorio chileno se desarrolla entre dos cordilleras; la Cordillera de Los Andes, columna vertebral de América Latina y la Cordillera de La Costa. Chile se encuentra cubierto aproximadamente en un 70% por montañas, cerros y lomajes. Ello, sumado a su actividad minera, ha exigido una cantidad considerable de socavones y túneles. El espíritu innato del excavador está muy dentro de la mentalidad nacional, kilómetros y kilómetros de túnel se han labrado en la explotación de yacimientos; incluso bajo el océano, como es el caso del carbón; en las obras de regadío; en las líneas ferroviarias y rutas viales; en las centrales hidroeléctricas y en muchas otras faenas de progreso. Desde la fundación del Ministerio de Obras Públicas de Chile, todos los túneles de los ferrocarriles, de las obras hidráulicas y de los caminos, estuvieron a su cargo. Dentro de los más recordados se encuentran los siguientes: En la red ferroviaria norte, tramo La Calera - Cabildo, se abrió el túnel Palos Quemados, con 1050m de longitud. En la zona de Cabildo se construyeron cuatro túneles, que suman 2.180 m. de los cuales La Grupa y Las Palmas son utilizados por Vialidad desde que dejo de correr el ferrocarril. De Los Vilos al Choapa se construyó el de Cavilolen, de poco más de 1.600 m. de longitud y de Illapel a San Marcos, el de Espino, con cerca de 1.500 m. de longitud. En la zona central se construyó el túnel Caracoles, del Ferrocarril Transandino, inaugurado en 1910, con una extensión de 3.143 m. (con 1.460 m. en el lado chileno). Al sur, próximo a Lonquimay se terminó el túnel Las Raíces en 1939, con una longitud que alcanzó a los 4.528 m. y que también está a cargo de la Dirección de Vialidad en la actualidad. En Santiago, el túnel de Matucana fue finalizado en 1943 con 2.300 m. de longitud, para comunicar bajo tierra las estaciones ferroviarias Central y Mapocho. En cuanto a las rutas viales, el Ministerio de Obras Públicas a ejecutado las siguientes obras: En 1948 túnel Angostura, Ruta 5 en la VI región con 347 m. de longitud, en 1950 túnel La Calavera Ruta 5 en la V región con una longitud de 298 m., en 1955 se entrega la construcción del túnel Zapata ubicado en la Ruta 68, ruta que une la ciudad de Santiago con la ciudad de Valparaíso, con una longitud de 1.215 m. El túnel Lo Prado, data de 1970, con una extensión de 2.744 m. ubicado en la Ruta 68 y en 1972 la construcción del túnel Chacabuco con 2.045 m. de longitud ubicado en la Ruta 57 CH en la V región. En cuanto a las obras ejecutadas en los últimos 20 años se cita la construcción del túnel Cristo Redentor en 1980 ubicado en la Ruta Internacional 60 CH en la V región con una extensión de 3.080 m. (con 1.564 m. en el lado chileno), posteriormente en el año 1984 la construcción del túnel El Farellón en Coyhaique, XI región, con 240 m. de longitud 350

Construcción de Túneles y en el norte de Chile en la segunda región de Antofagasta la construcción del túnel Pedro Galleguillos de 793 m. de longitud, construido en 1994. La construcción del túnel El Melón (1995) construido mediante el sistema de concesión, se encuentra ubicado en la Ruta 5, V región, con una longitud de 2.500 m. y permite evitar la cuesta del mismo nombre. Finalmente el reciente inaugurado túnel La Calavera II en la misma ruta. En la actualidad se está considerando el mejoramiento de la Ruta 68, por la vía de las concesiones; con cargo a este proyecto se están construyendo dos túneles adicionales, uno en Lo Prado y otro en Zapata, a fin de garantizar un mejor nivel de servicio, disminución de los tiempos de viaje y disminución de congestión vehicular en época estival. Toda esta actividad túnelera creciente en nuestro país, hace que la ingeniería chilena esté particularmente interesada en esta materia, aplicando nuevas técnicas de proyecto y de construcción para los proyectos viales. La realización de un túnel se presenta con frecuencia como una solución alternativa de otras a cielo abierto. Chile, nuestro país tiene una accidentada orografía a causa de grandes sistemas montañosos, esto ha dado origen a construcciones de túneles de carretera de razonables longitudes para poder enlazar en forma más expedita ciudades o lugares de importancia y facilitar los transportes más diversos. Además dado al notable crecimiento en la última década de la actividad económica de nuestro país ha sido necesario estudiar nuevas alternativas de transito a las ya existentes (túneles paralelos), mejorando así los niveles de servicios de nuestros caminos. Para seleccionar la mejor alternativa o solución es necesario proceder sistemáticamente; primero un estudio previo, que permita recomendar una solución ( a veces varias) y el año óptimo de su puesta en servicio. Luego viene la etapa de anteproyecto de la o las soluciones recomendadas y por último el proyecto de la obra completa. A continuación se indican las fases que se deben considerar al construir un túnel: • • • • • •

El objetivo de la obra subterránea La geometría del Proyecto: trazado y sección tipo La geología y geotecnia del macizo El sistema Constructivo La estructura resistente: el Cálculo Las instalaciones para la explotación

4.1 Método de Excavación de Túneles En forma esquemática podemos ver los diversos métodos clásicos empleados en la perforación de túneles y que se centran fundamentalmente en diferentes secuencias de excavación:

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Construcción de Túneles Método Inglés: recibe su nombre por haber sido aplicado en túneles a través del tipo de terreno que usualmente se localiza en Inglaterra, como son las arenas y areniscas. Su principal característica es proceder el avance de la perforación a sección completa del túnel, en una sola operación.

Método Belga: Se basa en los principios que permitieron la construcción, en 1828, del túnel del Charleroi en el canal que enlaza Bruselas y Charleroi.

Método Alemán: En este método se procede siguiendo el sistema de núcleo central. Método Alemán Modificado: Se aplica en el caso en que durante la operación de perforación del túnel a través de un terreno bastante firme, surja la aparición de agua, lo que origina una alteración en el método Clásico Alemán en cuanto a las etapas sucesivas de ataque del frente.

Método Austríaco: Los austríacos desarrollaron un plan de trabajo basado en la utilización de puntales de madera formando un sistema de entibación.

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Construcción de Túneles Método Italiano: Consiste en extraer solo el medio arco más la galería central por la cual se retira la marina, luego se concreta el medio arco, luego se extrae el resto del material por zonas y se van concretando los muros (método similar al método belga). 4.2 Métodos Constructivos Los métodos constructivos se clasifican en cuatro grupos, que se describen a continuación: a) Excavación con explosivos: Durante muchos años ha sido el método más empleado para excavar túneles en roca de dureza media o alta, hasta el punto de que se conoció también como Método Convencional de Excavación de Avance de Túneles. La excavación se hace en base a explosivos, su uso adecuado, en cuanto a calidad, cantidad y manejo es muy importante para el éxito de la tronadura y seguridad del personal, generalmente se usa dinamita. La excavación mediante explosivo se compone de las siguientes operaciones: • Perforación • Carga de explosivo • Disparo de la carga • Evacuación de humos y ventilación • Saneo de los hastíales y bóveda • Carga y transporte de escombro • Replanteo de la nueva tronadura b) Excavaciones mecánicas con Máquina: Se consideran en este grupo las excavaciones que se avanzan con máquinas rozadoras; con excavadoras, generalmente hidráulica – brazo con martillo pesado o con cuchara, sea de tipo frontal o retro; con tractores y cargadoras (destrozas) e, incluso, con herramientas de mano, generalmente hidráulicas o eléctricas. c) Excavación mecánica con máquinas integrales no presurizadas: Esta excavación se realiza a sección completa empleando las máquinas integrales de primera generación o no presurizadas. Otro rasgo común es que, en general, la sección de excavación es circular. d) Excavación mecánica con máquinas integrales presurizadas: La baja competencia del terreno suele asociarse a casos de alta inestabilidad y presencia de niveles freáticos a cota superior a la del túnel la primera solución aplicada a los escudos mecanizados abiertos para trabajar en estas condiciones fue la presurización total del Túnel.

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Construcción de Túneles 4.3 Sección transversal de un túnel

(Fig. A4.1) • • • • • • •

Calzada bidireccional con pistas de 4m c/u Veredas peatonales de 0,85 m. a cada lado Canaletas de drenaje de filtraciones y derrame de líquidos Canaletas para ductos Gálibo útil vertical mínimo de 5m., en todas las pistas de circulación vehicular Pendiente longitudinal mínima, la que permita un adecuado drenaje. Zonas de aparcamiento en túneles de más de 1.000 m.

4.4 Túneles Chilenos En la actualidad la Dirección Nacional de Vialidad, tiene a su cargo la fiscalización de la construcción de las Obras Concesionadas y la mantención, conservación y operación de las obras construidas y no concesionadas. La conservación de los Túneles tiene por finalidad mantener los equipos e instalaciones, así como efectuar la conservación y operación de todos los sistemas involucrados, a fin de proporcionar condiciones de tránsito expeditas y seguras, tanto en circunstancias normales como bajo situaciones de emergencia. Dentro de la red Vial Básica Nacional, existen en operación 19 Túneles, con una longitud total de 22.091 m, su ubicación, longitud y puesta en operación se indican en el cuadro siguiente. 354

Construcción de Túneles Nombre del Túnel Angostura Caracoles Curvo Chacabuco Del Cristo Redentor

Ruta 5S 60 CH D-37E 57 CH 60 CH

El Melón 5N El Farellón 245 Jardín Botánico O 60 CH Jardín Botánico P 60 CH La Calavera 5N La Grupa E-35 Las Astas D-37 E Las Palmas E-37 D Las Raíces R-953 Lo Prado 68 Pedro Galleguillos 1 Puclaro 41 CH Recto D 37 E Zapata 68 LONGITUD TOTAL 22.091 M.

Km. Región / Provincia 56 RM-VI Maipo - Cachapoal 207 V Los Andes IV 59 RM-V Chacabuco – Los Andes 207 V Los Andes 130 12 8 8 90 32

V Petorca - Quillota XI V V V San Felipe V Petorca IV 20 IV Petorca - Coquimbo 95 IX Malleco 24 RM Santiago - Melipilla 209 II Tocopilla 45 IV IV 56 RM – V Melipilla - Valparaíso

Longitud m 347 1460 212 2045 1564 Ch. 1516 Ar. 2543 240 245 245 298 1277 787 980 4528 2800 793 370 142 1215

Año PS 1948 1910 1910 1972 1980 1995 1988 1996 1996 1950 1910 1910 1910 1939 1970 1994 1997 1910 1955

En cuanto a la construcción de nuevos Túneles, actualmente se construyen los Túneles Lo Prado II y Zapata II en la ruta 68, a través de la Concesionaria Rutas del Pacífico S.A. y Túnel La Calavera II en la ruta 5 N en la Concesión de la citada ruta, el cual fue recientemente inaugurado, a principios del presente año. Para el futuro se construirán los Túneles La pólvora I, II y III, en el sector Placilla Valparaíso, nuevo acceso al puerto y a la ciudad de Valparaíso por Puertas Negras. También se contemplan Túneles en el acceso Sur a Santiago, la Costanera Norte, Radial Nor-Oriente, cuyos antecedentes se encuentran en la Unidad de Concesiones del MOP. El costo por metro lineal de Túnel es variable, pues depende de sus características, longitud, emplazamiento, equipamiento, etc. Sin embargo se estima que el costo por Km. de Túnel es de aproximadamente US$ 15.000.000.-

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Construcción de Túneles 4.5 Construcción de Túneles El sistema de perforación y voladura para la excavación de túneles y galerías es una técnica convencional que aún hoy se utiliza con profusión, debido a las numerosas ventajas que presenta frente a la excavación mecánica con minadores y tuneladoras: versatilidad en cuanto a los tipos de rocas y secciones de obras, adaptabilidad a otros trabajos, movilidad de los equipos y reducida inversión inicial.

(Fig. A4.2) “Túnel Puclaro en Construcción” En cuanto a las secciones, éstas pueden ser completas o, si son muy grandes, realizarse la excavación por fases por galerías de avance, en la construcción de túneles carreteros, en oportunidades se realizan túneles pilotos de inspección. Hay que tener en cuenta que los Jumbos (Fig. A4.3) poseen secciones de cobertura de grandes dimensiones y formas. Con los topos el sistema de trabajo es muy rígido. Por otro lado, además de perforar en el frente, los Jumbos pueden usarse en la perforación para el sostenimiento y si van montados sobre un chasis de neumáticos disponen de gran movilidad con capacidad de desplazamiento de un frente a otro. Sin embargo los principales inconvenientes que presenta el arranque con explosivos, frente al mecánico, es que los perfiles de excavación son mucho más irregulares y la alteración del macizo rocoso remanente puede ser intensa si las voladuras no se disparan con las técnicas de contorno en el perímetro. Ambos aspectos inciden en los costos del sostenimiento y revestimiento.

(Fig. A4.3) 356

Construcción de Túneles 4.5.1 Ciclo Básico de Excavación en Túneles mediante Explosivos El ciclo básico de excavación mediante perforación y voladura se compone de las siguientes operaciones 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Perforación de Barrenos Carga del explosivo Disparo Evacuación de humos y ventilación Carga y transporte de los escombros Sostenimiento Replanteo de la nueva voladura

(Fig. A4.4) “Ciclo Básico de Excavación Mediante Perforación y Voladura” El tiempo de ciclo de excavación de un túnel a sección completa, suele durar de uno a dos relevos, según la sección y el tipo de sostenimiento necesario. La distribución de los tiempos suele ser la siguiente: 1. Perforación 2. Carga del explosivo 3. Voladura y ventilación 4. Saneo y desescombro 5. Sostenimiento

: 10 – 30 % : 5 – 15 % : 5 – 15 % : 15 – 35 % : 65 – 10 %

Se observa que el tiempo destinado al sostenimiento en la sección de avance puede en los casos más desfavorables , llegar a superar el 50% de la duración del ciclo.

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Jumbos de Perforación

4.5.1.1 Perforación con Jumbos 4.5.1.1.1 Fundamentos de la Perforación Rotopercutiva La perforación a rotopercución se basa en la combinación de las siguientes acciones: Percusión, Rotación, Empuje y Barrido. Percusión: Los impactos producidos por el golpeo del pistón originan unas ondas de choque que se transmiten a la boca a través del varillaje. Cuando la onda de choque alcanza la boca de perforación, una parte de la energía se transforma en trabajo haciendo penetrar el útil y el resto se refleja y retrocede a través del varillaje. Rotación: Con este movimiento se hace girar la boca para que los impactos se produzcan sobre la roca en distintas posiciones. En cada tipo de roca existe una velocidad óptima de rotación para lo cual se producen los detritus de mayor tamaño al aprovechar la superficie libre del hueco que se crea en cada impacto. Empuje : Para mantener en contacto el útil de perforación con la roca se ejerce un empuje sobre la sarta de perforación. La energía generada por el mecanismo de impactos del martillo debe transmitirse a la roca, por lo que es necesario que la boca se encuentre en contacto permanente con el fondo del barreno. Barrido: Para que la perforación resulte eficaz, es necesario que el fondo de los barrenos se mantenga constantemente limpio evacuando el detritus justo después de su formación. El barrido de los barrenos se realiza con un fluido que se inyecta a presión hacia el fondo a través de un orificio central del varillaje y de unas aberturas practicadas en las bocas de perforación. las partículas se evacuan por el hueco anular comprendido entre el varillaje y la pared de los barrenos. El barrido con agua es el sistema más utilizado en la perforación subterránea, que sirve, además, para suprimir el polvo, aunque supone generalmente una pérdida de rendimiento del orden del 10% al 20%. En el caso del aire, con martillos en cabeza, no es frecuente disponer de un compresor de presión superior únicamente para el barrido. Sólo en el caso de martillos de fondo se utilizan compresores de alta presión (1-1,7 Mpa), porque además de servir para evacuar los detritus aumenta la potencia de percusión. 4.5.1.1.2 Tipos de Martillo Hasta 1970, el accionamiento neumático era el único utilizado en las perforadoras en los trabajos subterráneos. Pero desde 1974, las perforadoras hidráulicas las fueron reemplazando en casi todos los trabajos de barrenado.

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a) Martillo Neumático: Un martillo accionado por aire comprimido consta básicamente de cilindro, pistón, válvula, mecanismo de rotación y sistema de barrido. Estos elementos son comunes en todos los martillos existentes en el mercado. Estos martillos funcionan con la misma presión del aire para el mecanismo de impacto que para el sistema de barrido. b) Martillo Hidráulico: Una perforadora hidráulica consta básicamente de los mismos elementos constructivos que la neumática, la diferencia más importante entre ambos sistemas estaba en que en el lugar de usar aire comprimido, generado por un compresor accionado por un motor diesel o eléctrico, para el gobierno del motor de rotación y para producir el movimiento alternativo del pistón, un motor actúa sobre un grupo de bombas que suministra un caudal de aceite que acciona aquellos componentes.

(Fig. A4.5) “Martillo Hidráulico Atlas Copco Modelo COP 1838” Existen diversos tipos de martillos, clasificados de acuerdo a su potencia generada por su mecanismo de impacto, es así como encontramos: a) Martillos Ligeros: Con potencia de impacto de 6 kW, se utiliza con varillaje integral para perforar barrenos de 33 a 38 mm de diámetro. b) Martillos Medios: Con potencia de impactos de 7,5 kW, para varillaje R32 y diámetros de perforación de 38 mm. c) Martillos Pesados: Con potencias de impactos de 15 a 20 kW, para varillaje de R38 y diámetro normal de perforación de 45 mm. Utilizado principalmente en la perforación de barrenos largos y banqueos. d) Martillos de Alta Potencia: Con potencia máxima de 40 kW, utilizado para perforación de barrenos largos con diámetros de 89 a 115 mm. Las principales ventajas de la perforación hidráulica son el menor consumo de energía, menor costo de los accesorios de perforación, mayor capacidad de perforación, mejores condiciones ambientales, por otro lado la tecnología de este tipo de martillos ha permitido mayor elasticidad de la operación, mayor facilidad de automatización y mejora en el mantenimiento.

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4.5.1.1.3 Sistema de Avance Para obtener un rendimiento elevado de las perforadoras, las bocas deben estar en contacto con la roca en el momento en que el pistón transmite su energía mediante el mecanismo de impacto. Para conseguir esto son necesarios los empujadores y las deslizaderas. a) Empujadores: Básicamente un empujador consta de dos tubos. Uno exterior de aluminio y el otro interior generalmente de acero, que va unido a la perforadora. El tubo interior actúa como un pistón de doble efecto. b) Deslizaderas: Estas pueden ser de cadena (Fig. A4.6), tornillo o hidráulicas (Fig. A4.7). La primera de estas formada por una cadena que se desplaza por dos canales y que es arrastrada por un motor hidráulico, la cadena actúa sobre la cuna del martillo que se desplaza sobre el lado superior de la deslizadera. Las principales ventajas de estas delizaderas radica en su bajo precio, facilidad de reparación, y posibilidad de longitudes de avance grandes. Las deslizaderas de tornillo producen su avance al girar el tornillo accionado por un motor, este tornillo es pequeño de diámetro en relación a su longitud y esta sujeto a esfuerzos de pandeo y vibraciones por esta razón no permite longitudes superiores a 1.8 m. Por último las deslizaderas hidráulicas son las más comunes hoy en día, constan de un cilindro hidráulico que desplaza la perforadora a lo largo de la viga de soporte. Las principales ventajas de esta última deslizadera radica en su simplicidad, robustez, fácil control y precisión, capacidad para perforar grandes profundidades y adaptabilidad a gran variedad de máquinas y longitudes de barreno.

(Fig. A4.6) “Deslizadera de Cadena Atlas Copco BMM 1100”

(Fig. A4.7) “Deslizadera Hidráulica BMH 6000” 360



Cada uno de los componentes antes mencionado para lograr la perforación de rocas, no podrían actuar sin un sistema de montaje, para lograr esto existen los Jumbos. Son unidades de perforación equipadas con uno o varios martillos y cuyas principales aplicaciones subterráneas se encuentran en el avance de túneles carreteros. 4.5.1.1.4 Sistemas de Desplazamiento del Jumbo Los componentes básicos de estos equipos son el mecanismo de traslación, el sistema de accionamiento y los brazos, todos ellos combinados con las deslizaderas y martillos. Estas máquinas son actualmente autopropulsadas, disponiendo de un tren de rodaje sobre neumáticos, orugas o carriles. El primero de estos es el más usado por la gran movilidad que posee, por la resistencia frente a las aguas corrosivas y por los menores desgastes sobre pisos irregulares. Los chasis articulados que poseen algunos permiten la excavación en curvas.

(Fig. A4.8a) “Rodaje sobre rieles”

(Fig. A4.8b) “Rodaje sobre Neumáticos”

Las fuentes de energía suelen ser de tipo diesel o eléctrica. Los motores diesel sirven para el accionamiento del tren de rodadura, por transmisión mecánica o hidráulica, pueden usarse también para accionar todos los elementos de perforación, incluidas las unidades compresoras e hidráulicas. Más habitual es usar el motor diesel para el desplazamiento del equipo y un motor eléctrico para el accionamiento de los elementos de perforación. En este caso se necesita disponer de una instalación de distribución de energía eléctrica en la obra. También suelen llevar un compresor de aire, usado para la lubricación de los martillos y para el doble barrido, es decir, el cambio de barrido de agua a barrido de aire para limpiar y secar los barrenos una vez taladrados.

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4.5.1.1.5 Brazos para Jumbos Los brazos de los Jumbos modernos están accionados hidráulicamente, existiendo una gran variedad de diseños, pero, pueden clasificarse en los siguientes grupos: del tipo trípode, de giro en la base o en línea. Del número de cilindros y movimientos del brazo dependen la cobertura y posibilidades de trabajo de los Jumbos, por lo que la selección de los brazos es un aspecto muy importante.

(Fig. A4.9) “Brazo Plataforma de Trabajo HL 210 de Atlas Copco”

(Fig. A4.10) “Brazo extensible con giro en línea Atlas Copco” Como criterios generales debe cumplirse que: el número de barrenos que realiza cada brazo sea aproximadamente el mismo, la superposición de coberturas entre brazos no sea superior del 30% y el orden de ejecución de los barrenos sea el que permita globalmente unos tiempos de desplazamiento de los brazos menor. En los últimos años la técnica de perforación subterránea ha experimentado un fuerte impulso, basado en una mayor potencia de percusión de los martillos y en la robotización de los equipos. El control informático permite medir todo los parámetros de la perforación y adaptarlos a las necesidades requeridas; además, la utilización de precisos sensores y servoválvulas permite situar los barrenos en su posición exacta, evitándose así las imprecisiones provocadas por los errores humanos.

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Las ventajas principales de la informática aplicada en Jumbos resume en: a) b) c) d) e) f) g)

Ahorro de mano de obra Menor tiempo de perforación Menor sobre - perforación Control de la operación Mayor avance Ahorro en varillaje y explosivos Menores costos de excavación

Los Jumbos robotizados cuentan básicamente de los siguientes elementos, que se añaden a los de un Jumbo convencional. Entre estos esta un Ordenador, Sensores, Servoválvulas, Monitor. 4.5.1.1.6 La Forma de Operar Jumbos 1. Una vez conducido el Jumbo hasta el frente, y estabilizado con sus gatos, se alinea una de las deslizaderas con el láser que marca la alineación del túnel. Para ello, se usan dos dianas o colimadores situados en uno de los brazos. 2. El ordenador lee la posición relativa que ha tomado dicha deslizadera respecto al Jumbo, y a partir de la posición de éste respecto al láser efectúa el cambio de coordenadas correspondientes, sobre el esquema de perforación. 3. A continuación, se indica la roca que más sobresale en el frente, mediante la ayuda de uno de los brazos. Esta información da al sistema de control un plano de posicionamiento desde el cual se puede mover los brazos sin chocar con el frente. 4. Una vez finalizado el posicionamiento, existen tres métodos distintos de operación; automático, semiautomático y manual. Automático: El Jumbo es manejado totalmente por el operador de abordo, posicionando automáticamente cada brazo frente al correspondiente punto de emboquille de acuerdo a la secuencia programada.

(Fig. A4.11) “Comandos Automáticos de un Jumbo de ultima generación” 363



Semiautomático: Cuando las regularidades del frente impiden emboquillar algún barreno en el punto programado, el perforista moverá el brazo a una nueva zona. El sistema de control ajustará automáticamente la dirección de avance de modo que el fondo del barreno esté en el punto previsto. Manual: El Jumbo se puede operar manualmente como uno normal, sin intervención del ordenador. Este modo de operación es útil para perforar los taladros de bulonaje u otras aplicaciones no coincidente con el avance convencional. Los esquemas de perforación se diseñan en un ordenador personal en la oficina, pudiendo obtenerse por impresora gráficos de cada uno de ellos. En cada esquema de perforación cada barreno aparece asociado con la siguiente información: 1. 2. 3. 4.

Número de barreno Coordenadas X e Y Divergencia Tipo de barreno: vacío, del cuele, de contorno, de destroza y de zapatera.

Otra información adicional corresponde a la secuencia de barrenos de cada brazo. Se pueden programar dos o más brazos para perforar el mismo barreno, lo cuál permite que sea realizado por el brazo que llegue primero al número de taladro indicado en la secuencia. A la hora de establecer la secuencia de cada brazo, se procurará seguir los siguientes criterios: 1. Utilización simultánea de todos los brazos 2. Evitar que los brazos trabajen muy cerca uno de otro 3. Evitar que un brazo trabaje en la vertical de otro, para eliminar riego de caída de rocas. Durante la operación, el sistema de control actualiza continuamente el esquema de perforación mostrando en el monitor el estado de los barrenos: sin perforar, a perfora a continuación, perforando. Los barrenos del cuele se muestran actuando en un menú específico, ya que los taladros se encuentran a distancias muy pequeñas. Por otro lado, se puede disponer de un completo conjunto de datos de cada barreno para su posterior análisis: Velocidad de penetración, presión de percusión, presión de avance, presión de rotación y presión de barrido. Estas curvas, procedentes del registro continuo de los parámetros, proporcionan valiosa información acerca de las condiciones geológicas del terreno, así como de la propia maquina, por ejemplo los tiempos muertos de parada, cambios de material fungible, etc. Los diámetros de perforación dependen de la sección de los túneles, que para una roca de resistencia media a dura pueden fijarse según lo indicado 27 – 40 mm 35 – 45 mm 38 – 51 mm

Túneles de sección menor a 10 m2 Túneles de sección entre 10 – 30 m2 Túneles de sección superior a 30 m2

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4.5.1.1.7 Accesorios de Perforación Para realizar un trabajo de perforación específico pueden elegirse diversas combinaciones de accesorios. La sarta de perforación, en general, está constituida por los siguientes elementos: Adaptadores de Culata, Manguitos, Varillas de Extensión y Bocas. Roscas: Tiene como función unir las culatas, los manguitos, las varillas y las bocas durante la perforación. Los tipos de roscas son: Rosca R (Soga), Rosca T, Rosca C y Rosca GD o HL. a) Rosca R (Soga): Se usan en barrenos pequeños con varillas de 22 a 38 mm y perforadoras potentes de rotación independiente. b) Rosca T: Adecuada para casi todas las condiciones de perforación y se usa en diámetros de varilla de 38 a 51 mm. c) Rosca C: Se usa en equipos de 51 mm con barras grandes. d) Rosca GD o HL: Tiene una característica intermedia entre la R y la T, se usa en diámetros de 25 a 57 mm. Adaptadores: Los adaptadores de culata o espigas son aquellos elementos que se fijan a la perforación para transmitir la energía de impacto y la rotación del varillaje, existen Adaptadores de Arrastre Leyner, Arrastre Total o Tangencial y Adaptadores Estriados. a) Adaptadores de Arrastre Leyner: Usado con varillas de 25 y 32 mm. b) Adaptadores de Arrastre Total: Usado en perforadoras neumáticas con pistones de 100 y 120 mm. c) Adaptadores Estriados: Usado con varillas de 38, 44 y 50 mm. Varillaje: Los elementos de prolongación de la sarta son generalmente: son las varillas o barras y los tubos. Las primeras pueden ser circulares o hexagonales, con un extremo para el adaptador más grande, para que coincida con las dimensiones del pistos y un extremo para la boca con una rosca más fina. En el grupo de barrenas integrales con culata se subdividen según la forma de la boca y forma de los insertos. Las principales son Barrenas tipo Cincel, Barrenas de Insertos Múltiples y Barrena de Botones. Manguitos: Los manguitos sirven para unir las barras unas a otras hasta conseguir la longitud deseada, con ajuste suficiente para asegurar que los extremos estén en contacto y que la transmisión de energía sea efectiva. Existen manguitos simples, con semipuentes, con puente, con estrías, y con aletas de gran diámetro.

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Bocas: Las bocas que se emplean en la perforación rotopercutiva son de dos tipos: Bocas con pastillas o plaquitas, y bocas de botones.

(Fig. A4.12) a) Bocas de Pastillas: Se dispone de dos configuraciones de diseño: (1) Bocas en Cruz y (2) Bocas en X. Las primeras están construidas con 4 plaquitas de carburo de tungsteno dispuestas en ángulo recto, mientras que las bocas en X estas plaquitas forman ángulos de 75° y 105° unas con otras. Estas bocas se fabrican a partir de diámetros de35 mm, siendo habitual llegar hasta 57 mm en las bocas en cruz, y usar a partir de los 64 mm las bocas en X.

(Fig. A4.13) “Boca de Pastillas en Cruz” b) Bocas de Botones: Estas bocas disponen de unos botones o insertos cilíndricos de carburo de tungsteno distribuidos sobre la superficie de la misma. Se fabrican en diámetros que van desde los 50 mm hasta los 125 mm. Las bocas de botones permiten obtener velocidades de avance superiores que con bocas de pastillas y también presentan una mayor resistencia al desgaste.

(Fig. A4.15) “Boca de Botones” c) Bocas Especiales: Las bocas con diseño especial son conocidas como bocas retráctiles y bocas de escariar.

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4.5.1.1.8 Especificaciones Técnicas Generales, Jumbo Rocket Boomer L2C Atlas Copco. 4.5.1.1.8.1 Dimensiones Generales

Brazo Deslizadera Martillo Peso (kg.) Longitud con BMH 6816 (mm) Ancho (mm) Altura de Transporte (mm) Fuente de Poder kW

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2 x BTU 35 F 2 x BMH 6800 2 x COP 1838 24000 14220 2500 2360 158



4.5.1.1.8.2 Especificaciones del Brazo BUT 35 F

Peso del brazo Extensión de alimentación Extensión telescópica del brazo Giro Area de cobertura Máximo peso de alimentación y martillo montado

2800 1800 1600 350 85 850

kg. mm mm ° m2 kg.

4.5.1.1.8.3 Especificaciones del Martillo COP 1838

Peso Longitud Ancho Altura Poder de impacto a presión máxima Torque Velocidad de Rotación Presión hidráulica

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174 kg. 1098 mm 251 mm 251 mm 19 kW 980 Nm 0-140 RPM 230 bar



4.5.1.1.8.4 Obras de Utilización de Jumbos

(Fig. A4.16) “Jumbo utilizado en la construcción del túnel El Melón V región”

(Fig. A4.17) “Jumbo utilizado en la construcción tramo Canela – Combarbala IV región”

(Fig. A4.18) “Jumbo en faenas de perforación frentes al diagrama de disparo”

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Equipos de Desescombro

4.6.1.2 Equipos de Desescombro En el método clásico de excavación de túneles carreteros a través de explosivos, genera la operación de desescombro o extracción de marina cada vez que se produce la voladura. Para esta operación existen en el mercado actual variados equipos, que se pueden agrupar en función del método de transporte sobre el que van montados, sobre vía o sobre neumático. Tradicionalmente el transporte se realizaba sobre vía; si bien, en la actualidad, hay una alternativa entre ambos métodos según las características particulares de cada obra, e incluso con tendencia hacia el transporte sobre neumáticos. Ello es debido, al alto costo que supone la infraestructura ferroviaria y su menor flexibilidad. Debemos destacar que toda la tecnología referida a equipos de extracción de marina, se ha abocado a la realización de túneles mineros, debido a que los principales compradores de estos equipos son empresas mineras. En la construcción de túneles carreteros las empresas han optado por la utilización de métodos de extracción convencionales como Cargadores Frontales y Camiones Tolvas. Sin embargo en oportunidades las empresas han optado por invertir en equipos antiguos utilizados en la minería para realizar faenas de túneles. Dentro de los equipos más comunes se encuentran los siguientes: a) Cargadoras de Volteo: Este equipo se compone principalmente por un bastidor, montado sobre ruedas o cadenas, donde se alojan los motores y los mandos. Sobre la plataforma horizontal del bastidor bascula la cuchara descargando por la parte trasera de la maquina sobre un elemento transportador. El elemento transportador más utilizado con este equipo, son los vagones sobre rieles. Una de las principales desventajas que ha hecho que las cargadoras de volteo hoy en día sean poco utilizadas, es la imposibilidad de realizar otros tipos de trabajos similares con rendimientos buenos. Sin embargo en la minería se usa en la construcción de túneles de pequeña sección. b) Palas Conway: Este tipo de palas permite sustituir las vagonetas y depositar directamente a un elemento transportador normalmente cintas transportadoras. Además, las palas disponen de un movimiento de giro con eje vertical, con lo que se puede acceder a diferentes zonas del frente sin la necesidad desplazar todo el equipo. c) Cargadora de Brazos Recolectores: Este tipo de cargadora, llamada Haggloader, se sustituye el cazo por los brazos recolectores que introducen el escombro en la cinta transportadora que lo descarga sobre un vehículo situado tras ella. d) Cargadoras LHD : La característica fundamental de las cargadoras (Load-Haul-Dump; Carga-Transporte-Vertido) es su diseño compacto, tanto en altura como en anchura, perfectamente adaptados para trabajar en bajo perfil. Si a esto unimos su estructura articulada, que le permite un radio de giro mínimo y su maniobrabilidad en zonas estrechas. Otro de los nombres que se ha hecho conocida esta maquina es Scoop.

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4.6.1.2.1 Especificaciones Técnicas Generales Scoop Elphinstone R 1700

(Fig. A4.19) Potencia : 310 HP Velocidad Adelante 1° : 4.7 km./h 2° : 8.4 km./h 3° : 15.0 km./h 4° : 26.5 km./h Velocidad Reversa 1° : 5.3 km./h 2° : 9.6 km./h 3° : 17.0 km./h 4° : 30.2 km./h Tiempo del Ciclo Hidráulico Levante : 6.8 s descarga : 2.8 s Bajada : 2.4 s Total : 11.9 s 4.6.1.2.1.1Dimensiones Generales Carga útil Capacidad balde Ancho Alto Largo Radio de Giro Peso Vació Peso Cargado

: 12000 kg. : 5.8 m3 : 2818 mm : 2630 mm : 10417 mm : 6756 mm : 34500 kg. : 46500 kg.

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4.6.1.2.1.2 Dimensiones de Trabajo

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4.6.1.2.2 Otros Equipos de Desescombro Cuando las distancias de transporte excede los 1000 m aproximadamente, es recomendable separar las operaciones de carga y transporte. En este caso los Scoop se combinan con camiones de bajo perfil, existen camiones rígidos y articulados según la necesidad.

(Fig. A4.20a) “Camión de bajo Perfil Rígido”

(Fig. A4.20b) “Camión de bajo Perfil Articulado”

(Fig. A4.20c) “Scoop y Camión de Bajo Perfil, Extracción de Marina desde el Túnel” Otro de los métodos empleados muy frecuentemente para la extracción de marina son las cintas transportadoras y vagones , estas unidades de transporte por lo general se ocupan en la construcción de túneles carreteros donde intervienen empresas contratistas que trabajan además en la minería, pues de otra forma es poco probable que las empresas se hagan de este tipo de equipo de extracción. En el caso de vagones estos estan compuestos por una caja donde se carga el escombro, el bastidor en el que aquella se asienta y al que fijan los topes y ganchos o elementos de tracción. Bajo el bastidor se sitúan los elementos de rodadura. Las características ideales de un vagón son poco peso, gran volumen de carga, resistencia a los golpes y al desgaste, descarga cómoda, etc. Los vagones poseen un sistema de descarga lateral o bien por la parte de debajo de la caja.

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Las cintas transportadoras son muy usadas en túneles largos, pues sus principales ventajas son la operación continua, altas capacidades de transporte, adaptables a cualquier tamaño de túnel, necesidad de un espacio reducido para su instalación y bajos costos de operación y rendimiento, entre otras. Sin embargo no esta ajena a dificultades tales como, el alto costo de inversión, limitación de los tamaños de roca a transportar, necesidad de buenos soportes estructurales, frecuentes problemas cuando se introduce material con agua. Los elementos constitutivos de una cinta transportadora clásica son:

(1) Bastidores (2) Estaciones de cabeza (3) Estaciones de cola (4) Tambor de tensado (5) Tambores guías (6) Tambores guías (7) Dispositivos de tensado de la banda (8) Rodillos del ramal superior (9) Rodillos del ramal inferior (10) Amortiguadores de impacto en la zona de carga (11) Banda (12) Grupo motriz (13) Tolvas (14) Guiaderas (15) Estrelladero

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Sostenimiento de Túneles

4.6.1.3 Sostenimiento de Túneles Se entiende como sostenimiento el conjunto de elementos que se colocan en una excavación subterránea para contribuir a su estabilización. Según esta definición, el trabajo que debe realizar el sostenimiento está íntimamente ligado al reajuste tensional que se produce en el terreno como consecuencia de la realización de la excavación. En el caso de los túneles, como en la mayoría de las excavaciones subterráneas destinadas al uso civil, se suele colocar un revestimiento que asegure que la calidad de acabado de la obra es adecuada al uso a que se destina la obra. Normalmente, el revestimiento se coloca una vez que la excavación ha sido estabilizada por el sostenimiento; por ello, el revestimiento no se suele cargar una vez colocado. En esta situación la función estructural del revestimiento se limita a ofrecer un margen de seguridad adicional a la obra. Dentro de las metodológicas de sostenimiento una de las más comunes y necesarias es la de bulonaje o apernado. Esta técnica consiste en anclar en el interior de las rocas una barra de material resistente que aporta una resistencia a la tracción y, confinando al macizo rocoso, permite aprovechar las características resistentes propias de las rocas facilitando así su sostenimiento. 4.6.1.3.1 Tipos de Anclaje Tradicionalmente los pernos se han clasificado en función de que su anclaje al terreno se materializa en un extremo, anclaje puntual, o a lo largo de toda la barra del perno, anclaje repartido. En la actualidad se clasifican fundamentalmente por su Adherencia y Fricción.

(Fig. A4.21) “Tipos de Pernos de Anclaje utilizados para el Sostenimiento de Túneles”

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Anclajes por Adherencia: Los pernos anclados por adherencia, el espacio anular que se crea entre la barra del perno y las paredes de la perforación en que se ancla, se rellena con un mortero que, al fraguar, debe asegurar la adherencia suficiente para solidarizar la barra al terreno. Dentro de los anclajes de adherencia se encuentran en base de resina y en base de cemento. El primero de estos son fabricados con una resina de poliéster, armada con una fibra de vidrio, embebida en un material inerte granular. Para que la resina inicie su fraguado es necesario ponerla en contacto con un catalizador, que esta incluido en el mismo cartucho que la resina, pero en un compartimento separada. Con respecto a los pernos en base de cemento se consiguen mediante una inyección clásica de lechada, que se utiliza sobre todo cuando los pernos superan una longitud de unos 6 m, o mediante cartuchos, similares a las resinas, pero con cemento como agente adherente al que se añaden aditivos para facilitar el proceso de hidratación del cemento. Anclajes por Fricción: Una característica común a os anclajes por adherencia, es que el perno anclado posee una rigidez muy superior a la del terreno circundante. Esto puede plantear serios problemas, llegando a producirse la rotura del perno, si la excavación debe sufrir una plastificación importante como consecuencia del reajuste tensional. Dentro de los pernos de anclaje por fricción existen de elevada presión de contacto y baja presión de contacto. Los de alta presión de contacto son del tipo anclaje puntual, fueros uno de los primeros tipos de pernos en el mercado, su anclaje s logra a través de la expansión de piezas metálicas que penetran en el terreno, en la actualidad su uso se restringe exclusivamente a la minería y no en obras civiles. Los anclajes de baja presión pertenecen al tipo de anclaje repartido y en la actualidad se comercializan del tipo Split-Set y Swellex. El primero de estos pertenece a una marca patentada por Ingersoll-Rand y esta constituido por un tubo, de 2,3 mm de espesor, que tiene una ranura longitudinal y un diámetro superior a la perforación en que va a ser anclado. Los pernos Swellex, desarrollados por Atlas Copco, están constituidos por un doble tubo de chapa que se infla con agua a presión, una vez introducido en la perforación, para adaptarse a la superficie lateral del terreno. En la construcción de túneles carreteros uno de los pernos más usados es el Swellex.

(Fig. A4.22) 1° El perno es introducido en la perforación 2° Inyección de agua a alta presión dilatando el tubo 3° Se libera la presión de agua y la roca luego se contrae 376



(Fig. A4.23) Como se menciona anteriormente los tiempos de sostenimiento y refuerzos a veces pueden significar más del 50% del tiempo de construcción de un túnel, entonces la tecnología ha permitido que en obra de gran envergadura, empresa arrienden o compren maquinaria que permita optimizar las faenas de sostenimiento. En muchos caso, los Jumbos son utilizados para la realización de las perforaciones de sostenimiento, sin embargo esta maquina plantea un problema importante ya que, en este caso, los diámetros de perforación de 43 mm y, de esta forma, no es posible respetar la diferencia máxima de 10 mm entre el diámetro de la perforación y la del perno, ya que los pernos normalmente utilizados son de 25 mm de diámetro. Estos ocho milímetros que aparentemente no tienen importancia, suponen que deben utilizarse bastante más cartuchos de resina o cemento. Por otra parte la utilización de pernos de fricción obedece a la utilización de pernos de mayor diámetro con un costo mayor. Por esta razón se han diseñado en el mercado maquinas similares a los Jumbos, pero su diferencia principal radica en la maniobrabilidad de su brazo en las faenas de sostenimiento y la posibilidad de colocación inmediata de los pernos. Esta maquina es fabricada principalmente pos Tamrock y Atlas Copco con sus series Robolt y Boltec respectivamente.

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4.6.1.3.2 Equipos para Anclaje 4.6.1.3.2.1 Descripción General Robolt 330 – 50 C de Tamrock

(Fig. A4.24) “Equipo de Perforación y Apernado Robolt 330 – 50 C de Tamrock” 4.6.1.3.2.2 Dimensiones Principales

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4.6.1.3.2.3 Dimensiones de Trabajo

El Robolt 330 - 50C es totalmente mecanizado, un solo operador puede aplicar es sistema electro-hidráulico colocando los pernos de refuerzo en las rocas de minas subterráneas y túneles medianos. La cabina del operador le permite tener control de los comandos en un solo tablero, siendo más eficaz las operaciones de perforación y colocación de pernos.

( Cabezal ) ( Long. Perno) (Altura mín y máx del túnel)

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Utilitarios

4.6.1.3.3 Utilitarios Dentro de las faenas propias de construcción de túneles tanto mineros como carreteros, existe la posibilidad de utilizar equipos de apoyo denominados vehículos utilitarios. Los vehículos utilitarios más utilizados son los cargadores de explosivos, grúas de levante, mezcladores de concreto y plataformas de levante. Cargadores de Explosivos: Este tipo de vehículos utilitario es uno de los más usados, permite optimizar el trabajo de carguío de explosivos en el frente del túnel. Cada uno de los equipos, permite gracias a su capacidad, realizar la carga del explosivo de una sola vez, sin necesidad de salir del túnel al polvorín. Posee además una plataforma de trabajo que le permite llegar a todos los puntos del diagrama de disparo (Fig. A4.25a y A4.25b).

(Fig. A4.25a)

(Fig. A4.25b)

Plataforma de Trabajo: Este tipo de vehículos utilitarios es también uno de los más usados, permite realizar variados trabajos, entre estos se encuentran la colocación de instalaciones de agua, ventilación, aire etc. Son muy útiles además en la fortificación cuando no se dispone de maquinaria para esta faena (Fig. A4.26 a, b, c y d).

(b)

(a) (Fig. A4.26a)

(c)

(d) (Fig. A4.26b c y d)

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Revestimiento con Shotcrete

4.6.1.4 Revestimiento de Túneles con Shotcrete Un hecho bien conocido de la industria de la construcción y en particular de la industria de la construcción subterránea, es que no hay un proyecto que sea igual a otro. Cada uno está acompañado por gran cantidad de parámetros y circunstancias que generan un grado de complejidad superior al de otras industrias. El shotcrete posee ventajas enormes en su calidad de proceso de construcción y de soporte de rocas; ello, sumado al avance logrado en materiales, equipos y conocimientos de aplicación, ha hecho de esta técnica una herramienta muy importante y necesaria para los trabajos de construcción subterránea. En particular, la tecnología moderna de shotcrete por vía húmeda ha ampliado el campo de trabajo de la construcción subterránea. Proyectos que en el pasado eran imposibles de llevar a cabo, son ahora viables. Independientemente del tipo de terreno, hoy en día es posible aplicar esta tecnología en cualquier condición. 4.6.1.4.1 ¿Qué significa shotcrete? El shotcrete (mortero, o «gunita») comenzó a utilizarse hace casi 90 años. Los primeros trabajos con shotcrete fueron realizados en los Estados Unidos por la compañía Cement-Gun (Allentown, Pennsylvania) en 1907. Un empleado de la empresa, Carl Ethan Akeley, necesitaba una máquina que le permitiera proyectar material sobre mallas para construir modelos de dinosaurios, e inventó el primer dispositivo creado para proyectar materiales secos para construcciones nuevas. Cement-Gun patentó el nombre «Gunite» para su mortero proyectado, un mortero que contenía agregados finos y un alto porcentaje de cemento. Hoy en día todavía se utiliza el nombre «gunita». En ciertas clasificaciones equivale al mortero proyectado, pero los límites de tamaño de grano varían (según el país, la definición del límite para el agregado máximo es de 4, 5, o incluso hasta 8 mm). Actualmente existen dos métodos de aplicación para el shotcrete: el proceso de vía seca y el de vía húmeda. Las primeras aplicaciones del shotcrete se hicieron mediante la vía seca; en este método se coloca la mezcla de cemento y arena en una máquina, y la misma se transporta por mangueras mediante la utilización de aire comprimido; el agua necesaria para la hidratación es aplicada en la boquilla. El uso del método por vía húmeda comenzó después de la Segunda Guerra Mundial. A semejanza del hormigón normal, se preparan las mezclas con toda el agua necesaria para hidratarlas, y se bombean en equipos especiales a través de las mangueras. La proyección del material se efectúa mediante la aplicación de aire comprimido a la boquilla. Si bien algunas personas afirman que el shotcrete es un hormigón especial, lo cierto es que no es sino otra manera más de colocar el hormigón. Al igual como ocurre con los métodos tradicionales de colocación, el shotcrete requiere ciertas características particulares de la mezcla durante la colocación, y al mismo tiempo requiere satisfacer todas las demandas tecnológicas normales del hormigón – relación agua/cemento, cantidad de cemento, consistencia correcta y curado.

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4.6.1.4.2 ¿Dónde se utiliza el shotcrete? La gran cantidad de ventajas que tiene el shotcrete como proceso de construcción, y los avances logrados en equipos, materiales y conocimientos, lo han convertido en una herramienta importante para una variedad de trabajos. Se aplica shotcrete para resolver problemas de estabilidad en túneles y en otras construcciones subterráneas (Fig. A4.27). Además, hoy en día esta técnica es un factor clave para el soporte de rocas en aplicaciones tales como: • Construcción de túneles • Operaciones mineras • Hidroeléctrica • Estabilización de taludes

(Fig. A4.27) “Faenas de Revestimientos con Shotcrete en el interior del Túnel” Más del 90 % de todo el shotcrete es utilizado para soporte de rocas. Actualmente el uso del shotcrete es menos frecuente que el del hormigón tradicional; sin embargo, este material ofrece la posibilidad de una gran variedad de aplicaciones, entre ellas: • Recubrimientos de canales • Reconstrucción y reparaciones • Pantallas marinas • Hormigón Refractario • Protección contra incendio y anticorrosiva • Construcciones nuevas • Agricultura (pozos de estiércol) • Mampostería y estabilización de muros de ladrillo

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4.6.1.4.3 Diferencia Entre los Dos Métodos de Revestimiento con Shotcrete Hay dos métodos de shotcrete: seco (al que se le añade el agua de hidratación en la boquilla de proyección), y húmedo (aquel en el que las mezclas transportadas contienen ya el agua necesaria para la hidratación). Ambos métodos tienen sus ventajas y desventajas, y la selección de uno u otro dependerá de los requisitos del proyecto y de la experiencia del personal encargado de ejecutarlo. Hasta hace pocos años, el método más utilizado era el de proyección por vía seca, pero hoy en día la tendencia ha cambiado, especialmente en shotcrete para soporte de rocas. El método dominante del futuro será el de proyección por vía húmeda debido a que ofrece un mejor ambiente de trabajo, mayor calidad, uniformidad y producción. Los desarrollos en la tecnología del shotcrete están relacionados con el proceso de vía húmeda. Entre algunos ejemplos de desarrollos recientes figuran la adición de nuevas generaciones de adiciones como la microsílice y fibras metálicas. Actualmente, un 70 % del shotcrete se aplica mediante vía húmeda, mientras que el 30 % restante se aplica por vía seca. En algunas regiones del mundo predomina el método por vía húmeda. 4.6.1.4.3.1 Método por vía seca 4.6.1.4.3.1.1 Problemas del Proceso de Proyección de Mezclas Secas Todo proceso tiene sus desventajas; las del método por vía seca son sus costos operativos relativamente superiores debido al desgaste y daños en las máquinas de rotor, especialmente en los empaques de caucho y los discos de fricción. Para mantener estos costos dentro de límites razonables, es necesario configurar bien las máquinas, hacer cambios oportunos de piezas y utilizar procedimientos adecuados de pulverización. Otra desventaja es la formación de polvo, pero el mismo puede reducirse procurando un contenido favorable de humedad natural (o prehumidificación adecuada) y utilizando aglomerantes de polvo. Otro problema importante del proceso de proyección en seco es el rebote relativamente alto. Según la superficie de aplicación en cuestión (vertical o en clave), se pierde entre un 15 y un 35 % de la mezcla. La pérdida promedio es del 20 al 25 %, comparada con 5 a 10 % con el proceso de proyección por vía húmeda. Para reducir el rebote de una manera significativa, se pueden utilizar las nuevas clases de adiciones y aditivos mencionados anteriormente. El uso de microsílice o de sistemas de control de la hidratación puede ayudar, y la pérdida promedio puede reducirse hasta un 15 %, lo cual es comparable con los resultados obtenidos con el proceso de proyección por vía húmeda. Frecuentemente se cita una desventaja adicional: el bajo rendimiento del equipo. No obstante, las máquinas modernas permiten aplicar más de 10 m3/h; esto es algo que 383



indudablemente no es posible lograr con aplicación manual, sino con el uso de un brazo robotizado. Sin embargo, dado el aumento en los costos de desgaste, una producción superior a 8 m3/h resulta crítica desde el punto de vista económico. 4.6.1.4.3.2 Método por Vía Húmeda Tal como se mencionó anteriormente, este método es el único utilizado en un gran número de importantes proyectos subterráneos en todo el mundo. El uso del shotcrete para aplicaciones de soporte de rocas ha aumentado en forma exponencial en los últimos 15 a 20 años, lo cual ha impulsado un intenso desarrollo del mismo. Entre 1971 y 1980 se produjo un desarrollo impresionante del método por vía húmeda, con consiguiente transformación total de su mercado de shotcrete: se pasó de 100 % de vía seca a 100 % de vía húmeda, y la aplicación pasó de manual a robótica. Este cambio radical ocurrió sólo en Noruega. Desde aproximadamente 1976 -1978 se han venido agregando cada vez más el humo de sílice y la fibra metálica al shotcrete fabricado por vía húmeda. Sin duda alguna los noruegos llevan la delantera en la tecnología del shotcrete fabricado por vía húmeda, tanto en teoría como en práctica. La mala fama de la técnica de proyección por vía húmeda se debe a los deficientes equipos utilizados y al poco conocimiento del método, factores que han acarreado la producción de una mezcla de muy baja calidad. Para que la mezcla pudiera pasar por el equipo, se utilizaban contenidos muy altos de agua, con una relación de agua/cemento hasta de 1,0. Gracias a la tecnología de la industria del hormigón actual, hoy en día es totalmente factible producir shotcrete por vía húmeda que tenga una resistencia a la compresión a los 28 días superior a 60 MPa. 4.6.1.4.3.2.1 Razones del Cambio al Método por Vía Húmeda a) Economía La capacidad de proyección ha aumentado considerablemente desde los tiempos de maquinarias/robots de mezclado en seco, hasta los robots de vía húmeda modernos. En un turno de 8 horas, la capacidad promedio de proyección del método por vía húmeda es usualmente de 4 a 5 veces mayor que la del método por vía seca. Si bien los costos de inversión en los nuevos robots de vía húmeda aumentaron significativamente, al mismo tiempo hubo una caída igualmente significativa del costo de colocación del shotcrete, y también disminuyó uno de los principales factores de costo, a saber: el tiempo de preparación por cada ciclo. Gracias a los sistemas robóticos integrados, la aplicación del shotcrete puede comenzar a los pocos minutos de la llegada de los equipos al frente. La introducción de los perforadores hidráulicos aumentó la capacidad de perforación en un 100 %. El aumento de la inversión se tradujo en menores tiempos por ciclo de perforación y explosión; por tanto, el costo del tiempo aumentó. El tiempo gastado en la operación de proyección tenía que disminuir lo máximo posible, y por tanto fue fundamental aumentar la capacidad de aplicación de shotcrete. Asimismo, la reducción del rebote en aproximadamente un 25 % tuvo importantes repercusiones económicas.

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b) Ambiente de trabajo Los operarios del proceso por vía seca estaban acostumbrados a trabajar en medio de una gran cantidad de polvo. Se emitía polvo no sólo desde la boquilla, sino también desde la máquina de proyección. Como norma general, los resultados de las mediciones de polvo en el ambiente de trabajo eran más de tres veces la cantidad permisible. El método por vía húmeda mejoró significativamente las condiciones del ambiente de trabajo, trayendo consigo mayor seguridad para los trabajadores de túneles. Una de las situaciones que impulsó el desarrollo del método por vía húmeda fue el lanzamiento de concreto bajo condiciones peligrosas. c) Calidad Todavía se piensa equivocadamente que el método por vía húmeda no ofrece resultados de alta calidad. Lo cierto es que si se utilizan aditivos reductores de agua (baja relación agua/cemento) y microsílice, se pueden obtener resistencias a la compresión de hasta 100 MPa aplicando shotcrete por vía húmeda. A diferencia del método por vía seca, el de vía húmeda ofrece una calidad homogénea. d) Aplicación Con el método húmedo se utiliza un hormigón ya mezclado en planta o un mortero preenvasado. La mezcla de shotcrete se prepara de la misma forma que el hormigón normal. En cualquier momento del proceso es posible inspeccionar y controlar la relación agua/cemento. La consistencia puede ser ajustada por medio de aditivos. Con el método de vía húmeda es más fácil producir una calidad constante a lo largo del proceso de proyección. La mezcla ya lista se descarga en una bomba y se transporta a presión a través de la manguera. Al principio se utilizaban principalmente bombas helicoidales; hoy en día predominan las bombas de pistón. En la boquilla del extremo de la manguera, se agrega aire a la mezcla a razón de 7-15 m3/min y una presión de 7 bars según el tipo de aplicación (manual o robot). El aire tiene la función de aumentar la velocidad del concreto a fin de lograr una buena compactación y adherencia a la superficie. Un error común que se comete con el método de vía húmeda es utilizar cantidades insuficientes de aire. Generalmente se agregan entre 4 y 8 m3/min, lo cual lleva a menores resistencias a la compresión así como también adherencia deficiente y rebote. Para la proyección robotizada se requieren hasta 15 m3/min de aire. 4.6.1.4.3.2.2 Ventajas A continuación se expone un resumen de las ventajas del método de vía húmeda en comparación con el de vía seca: • Rebote mucho menor. Con el uso de equipos apropiados y de personal capacitado, se obtienen pérdidas normales que oscilan entre 5 y 10 %, incluso para el caso de proyección de mezclas reforzada con fibras. 385



• Mejor ambiente de trabajo debido a la reducción del polvo. • Capas más gruesas gracias al uso eficiente de los materiales de mezcla. • Dosificación controlada del agua (relación agua/cemento constante y definida). • Mejor adherencia. • Mayor resistencia a la compresión, y uniformidad de resultados. • Producción muy superior, y por tanto más economía. • Uso de fibras metálicas y nuevos aditivos. 4.6.1.4.3.2.3 Desventajas • Distancia de transporte limitada (máx. 300 m). • Mayores demandas en la calidad del agregado. • Sólo se permiten interrupciones limitadas. • Costos de limpieza. 4.6.1.4.4 Equipos para Proyectar Shotcrete El mundo de la construcción subterránea se caracteriza por situaciones de alto riesgo y fechas de entrega apremiantes. Por eso, y a pesar de las numerosas aplicaciones técnicas disponibles. Para lograr la calidad y la eficiencia requeridas, es fundamental disponer de equipos, productos y servicios fiables y de alta calidad. Al igual que ha pasado con la tecnología de materiales, ha habido también un desarrollo acelerado en el sector de equipos, por lo cual hoy en día existen maquinarias adaptables a las siempre cambiantes condiciones de la industria de la construcción. Existe una amplia gama de sistemas aplicables a todas las obras de shotcrete, desde la construcción de grandes túneles que requieren la proyección de grandes cantidades de concreto, hasta pequeños trabajos de reparación. La tendencia general apunta hacia sistemas integrados y automatizados que garanticen volúmenes de producción más altos, uniformes y de calidad controlable, y mejores condiciones laborales. 4.6.1.4.4.1 Aplicación manual 4.6.1.4.4.1.1 Equipos/sistemas para la proyección por vía seca La mayoría de las maquinarias modernas funcionan con sistema de rotor.

(Fig. A4.28) “Máquina típica de proyección por vía seca” 386



a) Principios de funcionamiento La mezcla por vía seca es agregada a la tolva de alimentación (Fig. A4.29). A medida que el rotor gira, dicha mezcla va cayendo por su propio peso por una ranura de alimentación situada en una de las cámaras del rotor (2). Mientras se llena una de las cámaras, se sopla aire comprimido en la otra cámara (llena). La mezcla se descarga en la abertura de la salida (3), impulsada bajo una presión de 3 - 6 bars a través de la tubería de transporte y hacia la boquilla de proyección, en donde se le agrega el agua. El rotor está sellado por ambos lados con discos de caucho.

(Fig. A4.29) “Principio de operación de un equipo de rotor para proyección por vía seca” Este equipo tiene ventajas esenciales como facilidad de uso, resistencia y adaptabilidad a las condiciones específicas de la obra. Según el diámetro de la salida y de la tubería de transporte así como del tipo del rotor, su rendimiento varía entre 0,5 y 10 m3/h. Si se aumenta la producción de proyección incrementando el volumen de la cámara y la velocidad rotativa, es necesario redimensionar consiguientemente la tubería de transporte. El diámetro máximo para proyección es 65 mm, mientras que para propósitos únicamente de transporte, se pueden emplear diámetros hasta de 80 mm. Asimismo el aumento de los diámetros de las tuberías va acompañado de un aumento en el consumo de aire comprimido. Entre otros parámetros que determinan el tamaño de la tubería de transporte figuran la granulometría de la mezcla por vía seca, la forma de grano de los agregados, el abastecimiento de aire comprimido, la distancia y la altura de transporte. 4.6.1.4.4.1.2 Equipos/sistemas para la proyección por vía húmeda La proyección por vía húmeda se efectúa con bombas de doble pistón. Para garantizar una proyección uniforme, los últimos desarrollos en maquinarias procuran un transporte sin pulsaciones de la mezcla por vía húmeda, desde la bomba hasta la boquilla. Un ejemplo de ello es la máquina MEYCO Suprema de MBT. Diseñada con un sistema de avance integrado al ajuste de la salida y controlado electrónicamente, esta máquina minimiza la pulsación del flujo de material hasta un punto en que éste prácticamente no se nota en la boquilla. Todas las funciones de la máquina están supervisadas, coordinadas y controladas por un sistema integrado de control programable 387



de memoria (PLC) que permite verificar y controlar datos que también pueden imprimirse (p. ej., cantidad de dosificación de aditivos, capacidad de producción, etc.). El sistema de accionamiento de la máquina tiene incorporada una unidad dosificadora de aditivos líquidos, la cual está también conectada al sistema PLC. Este diseño asegura un ajuste de la dosificación análogo a la capacidad de proyección. a) Características del Equipo MEYCO Suprema Máxima capacidad de transporte Distancia de transporte, horizontal Distancia de transporte, vertical Consumo de aire en la boquilla Proyección a mano Proyección robotizada Dimensiones Altura de alimentación Peso (vacío) Máx. presión de bombeo de la mezcla Tubería de transporte

: 2-14 m3/h ó 3-20 m3/h (teórico) : 300 m : 100 m : 5–7 m3/min a 5–6 bars : 10–15 m3/min a 7 bars : Largo 2,5 m; Ancho 1,5 m; Alto 1,95 m (aprox.) : 1,1 m : 2200 kg. : 75 ó 50 bars : 50 mm, 65 mm ó 100 mm

(Fig.A4.30) “MEYCO Suprema, Sistema de dosificación integrado, sistema de control computarizado (PLC), proyección sin pulsaciones, con ajuste automático de la dosificación con el volumen proyectado.”

(Fig.A4.31) “Aplicación Manual del Shotcrete”

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b) Especificaciones Técnicas de una de las Bombas para Shotcrete más usadas de Putzmeister Modelo Motor Diesel Capacidad de combustible Altura de la tolva Capacidad de la tolva Tamaño máximo de agregado Volumen de salida Presión máximo del hormigón Distancia máxima de bombeo Altura máxima de bombeo Diámetro del cilindro de hormigón Longitud del cilindro de hormigón Máximos recorridos por minuto Longitud Ancho Altura Peso

: Thom-Katt 2030 Putzmeister : 57 HP : Estándar: 49 L : 1,40 m : 285 L : 38 mm : 23 m3/h : 79 bar : 366 m : 122 m : 152 mm : 762 mm : 27 : 4.01 m : 1,63 m : 1,65 m : 1950 kg.

(Fig. A4.32a)

(Fig. A4.32b) “Bomba Thom-Katt 2030 Putzmeister”

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4.6.1.4.4.2 Proyección Mecanizada a) Brazos de proyección Los brazos de proyección (robots) sirven para aplicaciones de grandes cantidades de shotcrete, especialmente en construcciones de túneles y galerías, o para protección de chimeneas y taludes. Gracias a equipos mecanizados y automatizados, es posible aplicar grandes volúmenes de shotcrete - por vía seca o húmeda - en condiciones óptimas y mejores condiciones laborales para los operarios de la boquilla. Los robots de proyección se componen típicamente de los siguientes elementos: • ensamblaje de lanza con boquilla • brazo mecanizado • control remoto • unidad de mando • plato giratorio o adaptador-consola (para diferentes versiones de montaje) La lanza permite cualquier movimiento de la boquilla que se requiera para la proyección. Estos equipos están disponibles en longitudes de 1, 2 o 3 metros. El montaje de lanza está acoplado al brazo, el cual puede moverse en cualquier dirección y alargarse mediante una extensión incorporada. Se controla mediante un control remoto portátil. El equipo MEYCO Robojet (Fig. A4.33), tiene 16 funciones separadas de movimiento individual que se controlan mediante 4 palancas de mando. Permite automatizar operaciones rutinarias tales como movimientos horizontales de avance y retroceso, o movimientos circulares de la boquilla. La activación del cabezal de proyección se efectúa mediante tres accionadores hidráulicos independientes, lo cual garantiza el funcionamiento de la boquilla en ángulos ideales para la superficie. La boquilla puede girar 360°, en sentido horario o antihorario. El montaje de lanza se mantiene automáticamente paralelo al eje del túnel. El control remoto está equipado con un cable de 20 m de largo y por tanto puede operarse desde un lugar seguro para el personal. La unidad de mando puede instalarse de varias maneras, según el montaje. El equipo tiene su propia fuente de energía eléctrica, pero es también posible activarlo mediante el generador.

(Fig. A4.33) “Brazo de proyección MEYCO Robojet” 390



b) Brazos de Proyección Asistidos por Computadora El equipo MEYCO Robojet Lógica (Fig. A4.34), es un brazo de proyección de última generación, que ha sido desarrollado en conjunto con la industria y universidades. Tiene 8 grados de libertad y permite al operario manipular la proyección en varios modos, desde puramente manual a semiautomático o totalmente automático, dentro de áreas seleccionadas del túnel. En uno de los modos, el operario emplea una palanca de mando de 6 dimensiones. La función de este brazo de proyección asistido por computadora no es la de automatizar toda la tarea de proyección, sino más bien de simplificarla y permitir al operario utilizar el robot como una herramienta inteligente y trabajar de una manera eficiente y con alto nivel de calidad. Debido a que permite mantener un ángulo correcto de proyección y una distancia uniforme de proyección, se logra una reducción significativa del rebote y por tanto, del costo.

(Fig. A4.34) “MEYCO Robojet Lógica” La nueva maquinaria está basada en el bien conocido principio cinemático del MEYCO Robojet. Un sistema de control efectúa el cálculo cinemático. Un sensor de láser mide la geometría del túnel, y esta información se utiliza para controlar automáticamente la distancia y el ángulo de la proyección. Además, si después de la proyección se mide nuevamente el perfil del túnel, el sistema proporciona información del espesor de la capa de shotcrete aplicada, algo que hasta ahora únicamente era posible mediante extracción de testigos y mediciones. Si se requiere una forma final exacta del perfil del túnel, el sistema de control opera el robot para que realice la proyección de estos límites definidos de forma automática. c) Sistemas Móviles de Proyección Muchos proveedores también ofrecen sistemas móviles completos con equipos integrados para el todo el trabajo de proyección. Por ejemplo, el equipo MEYCO Spraymobile de MBT (Fig. A4.35) consta típicamente de los siguientes componentes: • Máquina de proyección por vía húmeda • Brazo de proyección

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• Recipiente de almacenamiento de acelerante • Unidad dosificadora para el acelerante • Carrete de cable con accionamiento hidráulico • Compresor de aire, capacidad de 12m3/min • Conexión central y sistema de control para energía externa • Limpiador de agua a alta presión con depósito de agua • Focos

(Fig. A4.35a) “MEYCO Spraymobile: El sistema modular permite construir sistemas de proyección especiales para satisfacer las necesidades de clientes o productos”

(Fig. A4.35b) “MEYCO Cobra Spraymobile (para aplicaciones mineras)”

(Fig.A4.35c) “MEYCO Mamba Spraymobile (para aplicaciones mineras)”

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(Fig. A4.36a)

(Fig. A4.36b) “MEYCO Roadrunner 2000”

Este sistema de proyección móvil contiene todos los equipos específicos del MEYCO Spraymobile, instalado en un camión idóneo para circulación. Todos los equipos pueden ser activados bien sea desde una fuente diesel externa, o bien mediante su propio motor diesel. Además del MEYCO Spraymobile, también contiene un depósito para el agente de curado. 4.6.1.4.4.2.1 Faenas de Aplicación de Shotcrete con Equipo Robotizado Sobre Camión

(Fig. A4.37a) (Fig. A4.37b) “Equipo MEYCO Roadrunner en Faenas de Aplicación de Shotcrete”

(Fig. A4.38) “Esquema típico del MEYCO Spraymobile en faena de Shotcrete” 393



(Fig. A4.39) “Equipo sobre camión en faena de Shotcrete al interior de Túnel”

(Fig. A4.40) “Equipo sobre camión revistiendo el talud de un canal”

(Fig. A4.41a) (Fig. A4.41b) “ Vista del Brazo Robotizado sobre camión revistiendo el interior del Túnel”

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Construccion de tuneles

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