Construccion de tuneles

Construccin de Tneles CAPITULO IV 4. CONSTRUCCION DE TUNELES Gran parte del territorio chileno se desarrolla entre dos cordilleras; la Cordillera de Los Andes, columna vertebral de Amrica Latina y la Cordillera de La Costa. Chile se encuentra cubierto aproximadamente en un 70% por montaas, cerros y lomajes. Ello, sumado a su actividad minera, ha exigido una cantidad considerable de socavones y tneles. El espritu innato del excavador est muy dentro de la mentalidad nacional, kilmetros y kilmetros de tnel se han labrado en la explotacin de yacimientos; incluso bajo el ocano, como es el caso del carbn; en las obras de regado; en las lneas ferroviarias y rutas viales; en las centrales hidroelctricas y en muchas otras faenas de progreso. Desde la fundacin del Ministerio de Obras Pblicas de Chile, todos los tneles de los ferrocarriles, de las obras hidrulicas y de los caminos, estuvieron a su cargo. Dentro de los ms recordados se encuentran los siguientes: En la red ferroviaria norte, tramo La Calera - Cabildo, se abri el tnel Palos Quemados, con 1050m de longitud. En la zona de Cabildo se construyeron cuatro tneles, 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 construy el de Cavilolen, de poco ms 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 construy el tnel Caracoles, del Ferrocarril Transandino, inaugurado en 1910, con una extensin de 3.143 m. (con 1.460 m. en el lado chileno). Al sur, prximo a Lonquimay se termin el tnel Las Races en 1939, con una longitud que alcanz a los 4.528 m. y que tambin est a cargo de la Direccin de Vialidad en la actualidad. En Santiago, el tnel 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 Pblicas a ejecutado las siguientes obras: En 1948 tnel Angostura, Ruta 5 en la VI regin con 347 m. de longitud, en 1950 tnel La Calavera Ruta 5 en la V regin con una longitud de 298 m., en 1955 se entrega la construccin del tnel Zapata ubicado en la Ruta 68, ruta que une la ciudad de Santiago con la ciudad de Valparaso, con una longitud de 1.215 m. El tnel Lo Prado, data de 1970, con una extensin de 2.744 m. ubicado en la Ruta 68 y en 1972 la construccin del tnel Chacabuco con 2.045 m. de longitud ubicado en la Ruta 57 CH en la V regin. En cuanto a las obras ejecutadas en los ltimos 20 aos se cita la construccin del tnel Cristo Redentor en 1980 ubicado en la Ruta Internacional 60 CH en la V regin con una extensin de 3.080 m. (con 1.564 m. en el lado chileno), posteriormente en el ao 1984 la construccin del tnel El Farelln en Coyhaique, XI regin, con 240 m. de longitud 350

Construccin de Tneles y en el norte de Chile en la segunda regin de Antofagasta la construccin del tnel Pedro Galleguillos de 793 m. de longitud, construido en 1994. La construccin del tnel El Meln (1995) construido mediante el sistema de concesin, se encuentra ubicado en la Ruta 5, V regin, con una longitud de 2.500 m. y permite evitar la cuesta del mismo nombre. Finalmente el reciente inaugurado tnel La Calavera II en la misma ruta. En la actualidad se est considerando el mejoramiento de la Ruta 68, por la va de las concesiones; con cargo a este proyecto se estn construyendo dos tneles adicionales, uno en Lo Prado y otro en Zapata, a fin de garantizar un mejor nivel de servicio, disminucin de los tiempos de viaje y disminucin de congestin vehicular en poca estival. Toda esta actividad tnelera creciente en nuestro pas, hace que la ingeniera chilena est particularmente interesada en esta materia, aplicando nuevas tcnicas de proyecto y de construccin para los proyectos viales. La realizacin de un tnel se presenta con frecuencia como una solucin alternativa de otras a cielo abierto. Chile, nuestro pas tiene una accidentada orografa a causa de grandes sistemas montaosos, esto ha dado origen a construcciones de tneles de carretera de razonables longitudes para poder enlazar en forma ms expedita ciudades o lugares de importancia y facilitar los transportes ms diversos. Adems dado al notable crecimiento en la ltima dcada de la actividad econmica de nuestro pas ha sido necesario estudiar nuevas alternativas de transito a las ya existentes (tneles paralelos), mejorando as los niveles de servicios de nuestros caminos. Para seleccionar la mejor alternativa o solucin es necesario proceder sistemticamente; primero un estudio previo, que permita recomendar una solucin ( a veces varias) y el ao ptimo de su puesta en servicio. Luego viene la etapa de anteproyecto de la o las soluciones recomendadas y por ltimo el proyecto de la obra completa. A continuacin se indican las fases que se deben considerar al construir un tnel: El objetivo de la obra subterrnea La geometra del Proyecto: trazado y seccin tipo La geologa y geotecnia del macizo El sistema Constructivo La estructura resistente: el Clculo Las instalaciones para la explotacin

4.1 Mtodo de Excavacin de Tneles En forma esquemtica podemos ver los diversos mtodos clsicos empleados en la perforacin de tneles y que se centran fundamentalmente en diferentes secuencias de excavacin:

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Construccin de Tneles Mtodo Ingls: recibe su nombre por haber sido aplicado en tneles a travs del tipo de terreno que usualmente se localiza en Inglaterra, como son las arenas y areniscas. Su principal caracterstica es proceder el avance de la perforacin a seccin completa del tnel, en una sola operacin.

Mtodo Belga: Se basa en los principios que permitieron la construccin, en 1828, del tnel del Charleroi en el canal que enlaza Bruselas y Charleroi.

Mtodo Alemn: En este mtodo se procede siguiendo el sistema de ncleo central. Mtodo Alemn Modificado: Se aplica en el caso en que durante la operacin de perforacin del tnel a travs de un terreno bastante firme, surja la aparicin de agua, lo que origina una alteracin en el mtodo Clsico Alemn en cuanto a las etapas sucesivas de ataque del frente.

Mtodo Austraco: Los austracos desarrollaron un plan de trabajo basado en la utilizacin de puntales de madera formando un sistema de entibacin.

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Construccin de Tneles Mtodo Italiano: Consiste en extraer solo el medio arco ms la galera 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 (mtodo similar al mtodo belga). 4.2 Mtodos Constructivos Los mtodos constructivos se clasifican en cuatro grupos, que se describen a continuacin: a) Excavacin con explosivos: Durante muchos aos ha sido el mtodo ms empleado para excavar tneles en roca de dureza media o alta, hasta el punto de que se conoci tambin como Mtodo Convencional de Excavacin de Avance de Tneles. La excavacin se hace en base a explosivos, su uso adecuado, en cuanto a calidad, cantidad y manejo es muy importante para el xito de la tronadura y seguridad del personal, generalmente se usa dinamita. La excavacin mediante explosivo se compone de las siguientes operaciones: Perforacin Carga de explosivo Disparo de la carga Evacuacin de humos y ventilacin Saneo de los hastales y bveda Carga y transporte de escombro Replanteo de la nueva tronadura b) Excavaciones mecnicas con Mquina: Se consideran en este grupo las excavaciones que se avanzan con mquinas rozadoras; con excavadoras, generalmente hidrulica 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 hidrulicas o elctricas. c) Excavacin mecnica con mquinas integrales no presurizadas: Esta excavacin se realiza a seccin completa empleando las mquinas integrales de primera generacin o no presurizadas. Otro rasgo comn es que, en general, la seccin de excavacin es circular. d) Excavacin mecnica con mquinas integrales presurizadas: La baja competencia del terreno suele asociarse a casos de alta inestabilidad y presencia de niveles freticos a cota superior a la del tnel la primera solucin aplicada a los escudos mecanizados abiertos para trabajar en estas condiciones fue la presurizacin total del Tnel.

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Construccin de Tneles 4.3 Seccin transversal de un tnel

(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 lquidos Canaletas para ductos Glibo til vertical mnimo de 5m., en todas las pistas de circulacin vehicular Pendiente longitudinal mnima, la que permita un adecuado drenaje. Zonas de aparcamiento en tneles de ms de 1.000 m.

4.4 Tneles Chilenos En la actualidad la Direccin Nacional de Vialidad, tiene a su cargo la fiscalizacin de la construccin de las Obras Concesionadas y la mantencin, conservacin y operacin de las obras construidas y no concesionadas. La conservacin de los Tneles tiene por finalidad mantener los equipos e instalaciones, as como efectuar la conservacin y operacin de todos los sistemas involucrados, a fin de proporcionar condiciones de trnsito expeditas y seguras, tanto en circunstancias normales como bajo situaciones de emergencia. Dentro de la red Vial Bsica Nacional, existen en operacin 19 Tneles, con una longitud total de 22.091 m, su ubicacin, longitud y puesta en operacin se indican en el cuadro siguiente. 354

Construccin de Tneles Nombre del Tnel Angostura Caracoles Curvo Chacabuco Del Cristo Redentor Ruta 5S 60 CH D-37E 57 CH 60 CH Km. Regin / 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 - Valparaso Longitud m 347 1460 212 2045 1564 Ch. 1516 Ar. 2543 240 245 245 298 1277 787 980 4528 2800 793 370 142 1215 Ao PS 1948 1910 1910 1972 1980 1995 1988 1996 1996 1950 1910 1910 1910 1939 1970 1994 1997 1910 1955

El Meln 5N El Farelln 245 Jardn Botnico O 60 CH Jardn Botnico P 60 CH La Calavera 5N La Grupa E-35 Las Astas D-37 E Las Palmas E-37 D Las Races R-953 Lo Prado 68 Pedro Galleguillos 1 Puclaro 41 CH Recto D 37 E Zapata 68 LONGITUD TOTAL 22.091 M.

En cuanto a la construccin de nuevos Tneles, actualmente se construyen los Tneles Lo Prado II y Zapata II en la ruta 68, a travs de la Concesionaria Rutas del Pacfico S.A. y Tnel La Calavera II en la ruta 5 N en la Concesin de la citada ruta, el cual fue recientemente inaugurado, a principios del presente ao. Para el futuro se construirn los Tneles La plvora I, II y III, en el sector Placilla Valparaso, nuevo acceso al puerto y a la ciudad de Valparaso por Puertas Negras. Tambin se contemplan Tneles 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 Tnel es variable, pues depende de sus caractersticas, longitud, emplazamiento, equipamiento, etc. Sin embargo se estima que el costo por Km. de Tnel es de aproximadamente US$ 15.000.000.-

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Construccin de Tneles 4.5 Construccin de Tneles El sistema de perforacin y voladura para la excavacin de tneles y galeras es una tcnica convencional que an hoy se utiliza con profusin, debido a las numerosas ventajas que presenta frente a la excavacin mecnica 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 inversin inicial.

(Fig. A4.2) Tnel Puclaro en Construccin En cuanto a las secciones, stas pueden ser completas o, si son muy grandes, realizarse la excavacin por fases por galeras de avance, en la construccin de tneles carreteros, en oportunidades se realizan tneles pilotos de inspeccin. 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 rgido. Por otro lado, adems de perforar en el frente, los Jumbos pueden usarse en la perforacin para el sostenimiento y si van montados sobre un chasis de neumticos 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 mecnico, es que los perfiles de excavacin son mucho ms irregulares y la alteracin del macizo rocoso remanente puede ser intensa si las voladuras no se disparan con las tcnicas de contorno en el permetro. Ambos aspectos inciden en los costos del sostenimiento y revestimiento.

(Fig. A4.3) 356

Construccin de Tneles 4.5.1 Ciclo Bsico de Excavacin en Tneles mediante Explosivos El ciclo bsico de excavacin mediante perforacin y voladura se compone de las siguientes operaciones 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Perforacin de Barrenos Carga del explosivo Disparo Evacuacin de humos y ventilacin Carga y transporte de los escombros Sostenimiento Replanteo de la nueva voladura

(Fig. A4.4) Ciclo Bsico de Excavacin Mediante Perforacin y Voladura El tiempo de ciclo de excavacin de un tnel a seccin completa, suele durar de uno a dos relevos, segn la seccin y el tipo de sostenimiento necesario. La distribucin de los tiempos suele ser la siguiente: 1. Perforacin 2. Carga del explosivo 3. Voladura y ventilacin 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 seccin de avance puede en los casos ms desfavorables , llegar a superar el 50% de la duracin del ciclo.

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Construccin de Tneles 4.5.1.1 Perforacin con Jumbos 4.5.1.1.1 Fundamentos de la Perforacin Rotopercutiva

Jumbos de Perforacin

La perforacin a rotopercucin se basa en la combinacin de las siguientes acciones: Percusin, Rotacin, Empuje y Barrido. Percusin: Los impactos producidos por el golpeo del pistn originan unas ondas de choque que se transmiten a la boca a travs del varillaje. Cuando la onda de choque alcanza la boca de perforacin, una parte de la energa se transforma en trabajo haciendo penetrar el til y el resto se refleja y retrocede a travs del varillaje. Rotacin: 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 ptima de rotacin para lo cual se producen los detritus de mayor tamao al aprovechar la superficie libre del hueco que se crea en cada impacto. Empuje : Para mantener en contacto el til de perforacin con la roca se ejerce un empuje sobre la sarta de perforacin. La energa 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 perforacin resulte eficaz, es necesario que el fondo de los barrenos se mantenga constantemente limpio evacuando el detritus justo despus de su formacin. El barrido de los barrenos se realiza con un fluido que se inyecta a presin hacia el fondo a travs de un orificio central del varillaje y de unas aberturas practicadas en las bocas de perforacin. las partculas se evacuan por el hueco anular comprendido entre el varillaje y la pared de los barrenos. El barrido con agua es el sistema ms utilizado en la perforacin subterrnea, que sirve, adems, para suprimir el polvo, aunque supone generalmente una prdida 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 presin superior nicamente para el barrido. Slo en el caso de martillos de fondo se utilizan compresores de alta presin (1-1,7 Mpa), porque adems de servir para evacuar los detritus aumenta la potencia de percusin. 4.5.1.1.2 Tipos de Martillo Hasta 1970, el accionamiento neumtico era el nico utilizado en las perforadoras en los trabajos subterrneos. Pero desde 1974, las perforadoras hidrulicas las fueron reemplazando en casi todos los trabajos de barrenado.

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a) Martillo Neumtico: Un martillo accionado por aire comprimido consta bsicamente de cilindro, pistn, vlvula, mecanismo de rotacin y sistema de barrido. Estos elementos son comunes en todos los martillos existentes en el mercado. Estos martillos funcionan con la misma presin del aire para el mecanismo de impacto que para el sistema de barrido. b) Martillo Hidrulico: Una perforadora hidrulica consta bsicamente de los mismos elementos constructivos que la neumtica, la diferencia ms importante entre ambos sistemas estaba en que en el lugar de usar aire comprimido, generado por un compresor accionado por un motor diesel o elctrico, para el gobierno del motor de rotacin y para producir el movimiento alternativo del pistn, un motor acta sobre un grupo de bombas que suministra un caudal de aceite que acciona aquellos componentes.

(Fig. A4.5) Martillo Hidrulico Atlas Copco Modelo COP 1838 Existen diversos tipos de martillos, clasificados de acuerdo a su potencia generada por su mecanismo de impacto, es as 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 dimetro. b) Martillos Medios: Con potencia de impactos de 7,5 kW, para varillaje R32 y dimetros de perforacin de 38 mm. c) Martillos Pesados: Con potencias de impactos de 15 a 20 kW, para varillaje de R38 y dimetro normal de perforacin de 45 mm. Utilizado principalmente en la perforacin de barrenos largos y banqueos. d) Martillos de Alta Potencia: Con potencia mxima de 40 kW, utilizado para perforacin de barrenos largos con dimetros de 89 a 115 mm. Las principales ventajas de la perforacin hidrulica son el menor consumo de energa, menor costo de los accesorios de perforacin, mayor capacidad de perforacin, mejores condiciones ambientales, por otro lado la tecnologa de este tipo de martillos ha permitido mayor elasticidad de la operacin, mayor facilidad de automatizacin y mejora en el mantenimiento.

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Construccin de Tneles 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 pistn transmite su energa mediante el mecanismo de impacto. Para conseguir esto son necesarios los empujadores y las deslizaderas. a) Empujadores: Bsicamente 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 acta como un pistn de doble efecto. b) Deslizaderas: Estas pueden ser de cadena (Fig. A4.6), tornillo o hidrulicas (Fig. A4.7). La primera de estas formada por una cadena que se desplaza por dos canales y que es arrastrada por un motor hidrulico, la cadena acta 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 reparacin, 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 pequeo de dimetro en relacin a su longitud y esta sujeto a esfuerzos de pandeo y vibraciones por esta razn no permite longitudes superiores a 1.8 m. Por ltimo las deslizaderas hidrulicas son las ms comunes hoy en da, constan de un cilindro hidrulico que desplaza la perforadora a lo largo de la viga de soporte. Las principales ventajas de esta ltima deslizadera radica en su simplicidad, robustez, fcil control y precisin, capacidad para perforar grandes profundidades y adaptabilidad a gran variedad de mquinas y longitudes de barreno.

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

(Fig. A4.7) Deslizadera Hidrulica BMH 6000 360



Cada uno de los componentes antes mencionado para lograr la perforacin de rocas, no podran actuar sin un sistema de montaje, para lograr esto existen los Jumbos. Son unidades de perforacin equipadas con uno o varios martillos y cuyas principales aplicaciones subterrneas se encuentran en el avance de tneles carreteros. 4.5.1.1.4 Sistemas de Desplazamiento del Jumbo Los componentes bsicos de estos equipos son el mecanismo de traslacin, el sistema de accionamiento y los brazos, todos ellos combinados con las deslizaderas y martillos. Estas mquinas son actualmente autopropulsadas, disponiendo de un tren de rodaje sobre neumticos, orugas o carriles. El primero de estos es el ms 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 excavacin en curvas.

(Fig. A4.8a) Rodaje sobre rieles

(Fig. A4.8b) Rodaje sobre Neumticos

Las fuentes de energa suelen ser de tipo diesel o elctrica. Los motores diesel sirven para el accionamiento del tren de rodadura, por transmisin mecnica o hidrulica, pueden usarse tambin para accionar todos los elementos de perforacin, incluidas las unidades compresoras e hidrulicas. Ms habitual es usar el motor diesel para el desplazamiento del equipo y un motor elctrico para el accionamiento de los elementos de perforacin. En este caso se necesita disponer de una instalacin de distribucin de energa elctrica en la obra. Tambin suelen llevar un compresor de aire, usado para la lubricacin 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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Construccin de Tneles 4.5.1.1.5 Brazos para Jumbos


Los brazos de los Jumbos modernos estn accionados hidrulicamente, existiendo una gran variedad de diseos, pero, pueden clasificarse en los siguientes grupos: del tipo trpode, de giro en la base o en lnea. Del nmero de cilindros y movimientos del brazo dependen la cobertura y posibilidades de trabajo de los Jumbos, por lo que la seleccin 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 lnea Atlas Copco Como criterios generales debe cumplirse que: el nmero de barrenos que realiza cada brazo sea aproximadamente el mismo, la superposicin de coberturas entre brazos no sea superior del 30% y el orden de ejecucin de los barrenos sea el que permita globalmente unos tiempos de desplazamiento de los brazos menor. En los ltimos aos la tcnica de perforacin subterrnea ha experimentado un fuerte impulso, basado en una mayor potencia de percusin de los martillos y en la robotizacin de los equipos. El control informtico permite medir todo los parmetros de la perforacin y adaptarlos a las necesidades requeridas; adems, la utilizacin de precisos sensores y servovlvulas permite situar los barrenos en su posicin exacta, evitndose as las imprecisiones provocadas por los errores humanos.

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Las ventajas principales de la informtica aplicada en Jumbos resume en: a) b) c) d) e) f) g) Ahorro de mano de obra Menor tiempo de perforacin Menor sobre - perforacin Control de la operacin Mayor avance Ahorro en varillaje y explosivos Menores costos de excavacin

Los Jumbos robotizados cuentan bsicamente de los siguientes elementos, que se aaden a los de un Jumbo convencional. Entre estos esta un Ordenador, Sensores, Servovlvulas, 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 lser que marca la alineacin del tnel. Para ello, se usan dos dianas o colimadores situados en uno de los brazos. 2. El ordenador lee la posicin relativa que ha tomado dicha deslizadera respecto al Jumbo, y a partir de la posicin de ste respecto al lser efecta el cambio de coordenadas correspondientes, sobre el esquema de perforacin. 3. A continuacin, se indica la roca que ms sobresale en el frente, mediante la ayuda de uno de los brazos. Esta informacin 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 mtodos distintos de operacin; automtico, semiautomtico y manual. Automtico: El Jumbo es manejado totalmente por el operador de abordo, posicionando automticamente cada brazo frente al correspondiente punto de emboquille de acuerdo a la secuencia programada.

(Fig. A4.11) Comandos Automticos de un Jumbo de ultima generacin 363



Semiautomtico: Cuando las regularidades del frente impiden emboquillar algn barreno en el punto programado, el perforista mover el brazo a una nueva zona. El sistema de control ajustar automticamente la direccin de avance de modo que el fondo del barreno est en el punto previsto. Manual: El Jumbo se puede operar manualmente como uno normal, sin intervencin del ordenador. Este modo de operacin es til para perforar los taladros de bulonaje u otras aplicaciones no coincidente con el avance convencional. Los esquemas de perforacin se disean en un ordenador personal en la oficina, pudiendo obtenerse por impresora grficos de cada uno de ellos. En cada esquema de perforacin cada barreno aparece asociado con la siguiente informacin: 1. 2. 3. 4. Nmero de barreno Coordenadas X e Y Divergencia Tipo de barreno: vaco, del cuele, de contorno, de destroza y de zapatera.

Otra informacin adicional corresponde a la secuencia de barrenos de cada brazo. Se pueden programar dos o ms brazos para perforar el mismo barreno, lo cul permite que sea realizado por el brazo que llegue primero al nmero de taladro indicado en la secuencia. A la hora de establecer la secuencia de cada brazo, se procurar seguir los siguientes criterios: 1. Utilizacin simultnea 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 cada de rocas. Durante la operacin, el sistema de control actualiza continuamente el esquema de perforacin mostrando en el monitor el estado de los barrenos: sin perforar, a perfora a continuacin, perforando. Los barrenos del cuele se muestran actuando en un men especfico, ya que los taladros se encuentran a distancias muy pequeas. Por otro lado, se puede disponer de un completo conjunto de datos de cada barreno para su posterior anlisis: Velocidad de penetracin, presin de percusin, presin de avance, presin de rotacin y presin de barrido. Estas curvas, procedentes del registro continuo de los parmetros, proporcionan valiosa informacin acerca de las condiciones geolgicas del terreno, as como de la propia maquina, por ejemplo los tiempos muertos de parada, cambios de material fungible, etc. Los dimetros de perforacin dependen de la seccin de los tneles, que para una roca de resistencia media a dura pueden fijarse segn lo indicado 27 40 mm 35 45 mm 38 51 mm Tneles de seccin menor a 10 m2 Tneles de seccin entre 10 30 m2 Tneles de seccin superior a 30 m2

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Construccin de Tneles 4.5.1.1.7 Accesorios de Perforacin


Para realizar un trabajo de perforacin especfico pueden elegirse diversas combinaciones de accesorios. La sarta de perforacin, en general, est constituida por los siguientes elementos: Adaptadores de Culata, Manguitos, Varillas de Extensin y Bocas. Roscas: Tiene como funcin unir las culatas, los manguitos, las varillas y las bocas durante la perforacin. 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 pequeos con varillas de 22 a 38 mm y perforadoras potentes de rotacin independiente. b) Rosca T: Adecuada para casi todas las condiciones de perforacin y se usa en dimetros 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 caracterstica intermedia entre la R y la T, se usa en dimetros de 25 a 57 mm. Adaptadores: Los adaptadores de culata o espigas son aquellos elementos que se fijan a la perforacin para transmitir la energa de impacto y la rotacin 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 neumticas con pistones de 100 y 120 mm. c) Adaptadores Estriados: Usado con varillas de 38, 44 y 50 mm. Varillaje: Los elementos de prolongacin 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 ms grande, para que coincida con las dimensiones del pistos y un extremo para la boca con una rosca ms fina. En el grupo de barrenas integrales con culata se subdividen segn la forma de la boca y forma de los insertos. Las principales son Barrenas tipo Cincel, Barrenas de Insertos Mltiples 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 estn en contacto y que la transmisin de energa sea efectiva. Existen manguitos simples, con semipuentes, con puente, con estras, y con aletas de gran dimetro.

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Bocas: Las bocas que se emplean en la perforacin 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 diseo: (1) Bocas en Cruz y (2) Bocas en X. Las primeras estn construidas con 4 plaquitas de carburo de tungsteno dispuestas en ngulo recto, mientras que las bocas en X estas plaquitas forman ngulos de 75 y 105 unas con otras. Estas bocas se fabrican a partir de dimetros 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 cilndricos de carburo de tungsteno distribuidos sobre la superficie de la misma. Se fabrican en dimetros 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 tambin presentan una mayor resistencia al desgaste.

(Fig. A4.15) Boca de Botones c) Bocas Especiales: Las bocas con diseo especial son conocidas como bocas retrctiles y bocas de escariar.

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4.5.1.1.8 Especificaciones Tcnicas 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

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

367

Construccin de Tneles 4.5.1.1.8.2 Especificaciones del Brazo BUT 35 F


Peso del brazo Extensin de alimentacin Extensin telescpica del brazo Giro Area de cobertura Mximo peso de alimentacin y martillo montado 4.5.1.1.8.3 Especificaciones del Martillo COP 1838

2800 1800 1600 350 85 850

kg. mm mm m2 kg.

Peso Longitud Ancho Altura Poder de impacto a presin mxima Torque Velocidad de Rotacin Presin hidrulica

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

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Construccin de Tneles 4.5.1.1.8.4 Obras de Utilizacin de Jumbos


(Fig. A4.16) Jumbo utilizado en la construccin del tnel El Meln V regin

(Fig. A4.17) Jumbo utilizado en la construccin tramo Canela Combarbala IV regin

(Fig. A4.18) Jumbo en faenas de perforacin frentes al diagrama de disparo

369

Construccin de Tneles 4.6.1.2 Equipos de Desescombro

Equipos de Desescombro

En el mtodo clsico de excavacin de tneles carreteros a travs de explosivos, genera la operacin de desescombro o extraccin de marina cada vez que se produce la voladura. Para esta operacin existen en el mercado actual variados equipos, que se pueden agrupar en funcin del mtodo de transporte sobre el que van montados, sobre va o sobre neumtico. Tradicionalmente el transporte se realizaba sobre va; si bien, en la actualidad, hay una alternativa entre ambos mtodos segn las caractersticas particulares de cada obra, e incluso con tendencia hacia el transporte sobre neumticos. Ello es debido, al alto costo que supone la infraestructura ferroviaria y su menor flexibilidad. Debemos destacar que toda la tecnologa referida a equipos de extraccin de marina, se ha abocado a la realizacin de tneles mineros, debido a que los principales compradores de estos equipos son empresas mineras. En la construccin de tneles carreteros las empresas han optado por la utilizacin de mtodos de extraccin convencionales como Cargadores Frontales y Camiones Tolvas. Sin embargo en oportunidades las empresas han optado por invertir en equipos antiguos utilizados en la minera para realizar faenas de tneles. Dentro de los equipos ms 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 ms utilizado con este equipo, son los vagones sobre rieles. Una de las principales desventajas que ha hecho que las cargadoras de volteo hoy en da sean poco utilizadas, es la imposibilidad de realizar otros tipos de trabajos similares con rendimientos buenos. Sin embargo en la minera se usa en la construccin de tneles de pequea seccin. b) Palas Conway: Este tipo de palas permite sustituir las vagonetas y depositar directamente a un elemento transportador normalmente cintas transportadoras. Adems, 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 vehculo situado tras ella. d) Cargadoras LHD : La caracterstica fundamental de las cargadoras (Load-Haul-Dump; Carga-Transporte-Vertido) es su diseo 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 mnimo 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 Tcnicas 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 Hidrulico Levante : 6.8 s descarga : 2.8 s Bajada : 2.4 s Total : 11.9 s 4.6.1.2.1.1Dimensiones Generales Carga til Capacidad balde Ancho Alto Largo Radio de Giro Peso Vaci Peso Cargado : 12000 kg. : 5.8 m3 : 2818 mm : 2630 mm : 10417 mm : 6756 mm : 34500 kg. : 46500 kg.

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Construccin de Tneles 4.6.1.2.1.2 Dimensiones de Trabajo


372

Construccin de Tneles 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 rgidos y articulados segn la necesidad.

(Fig. A4.20a) Camin de bajo Perfil Rgido

(Fig. A4.20b) Camin de bajo Perfil Articulado

(Fig. A4.20c) Scoop y Camin de Bajo Perfil, Extraccin de Marina desde el Tnel Otro de los mtodos empleados muy frecuentemente para la extraccin de marina son las cintas transportadoras y vagones , estas unidades de transporte por lo general se ocupan en la construccin de tneles carreteros donde intervienen empresas contratistas que trabajan adems en la minera, pues de otra forma es poco probable que las empresas se hagan de este tipo de equipo de extraccin. 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 traccin. Bajo el bastidor se sitan los elementos de rodadura. Las caractersticas ideales de un vagn son poco peso, gran volumen de carga, resistencia a los golpes y al desgaste, descarga cmoda, etc. Los vagones poseen un sistema de descarga lateral o bien por la parte de debajo de la caja.

373



Las cintas transportadoras son muy usadas en tneles largos, pues sus principales ventajas son la operacin continua, altas capacidades de transporte, adaptables a cualquier tamao de tnel, necesidad de un espacio reducido para su instalacin y bajos costos de operacin y rendimiento, entre otras. Sin embargo no esta ajena a dificultades tales como, el alto costo de inversin, limitacin de los tamaos de roca a transportar, necesidad de buenos soportes estructurales, frecuentes problemas cuando se introduce material con agua. Los elementos constitutivos de una cinta transportadora clsica son:

(1) Bastidores (2) Estaciones de cabeza (3) Estaciones de cola (4) Tambor de tensado (5) Tambores guas (6) Tambores guas (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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Construccin de Tneles 4.6.1.3 Sostenimiento de Tneles

Sostenimiento de Tneles

Se entiende como sostenimiento el conjunto de elementos que se colocan en una excavacin subterrnea para contribuir a su estabilizacin. Segn esta definicin, el trabajo que debe realizar el sostenimiento est ntimamente ligado al reajuste tensional que se produce en el terreno como consecuencia de la realizacin de la excavacin. En el caso de los tneles, como en la mayora de las excavaciones subterrneas 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 excavacin ha sido estabilizada por el sostenimiento; por ello, el revestimiento no se suele cargar una vez colocado. En esta situacin la funcin estructural del revestimiento se limita a ofrecer un margen de seguridad adicional a la obra. Dentro de las metodolgicas de sostenimiento una de las ms comunes y necesarias es la de bulonaje o apernado. Esta tcnica consiste en anclar en el interior de las rocas una barra de material resistente que aporta una resistencia a la traccin y, confinando al macizo rocoso, permite aprovechar las caractersticas resistentes propias de las rocas facilitando as su sostenimiento. 4.6.1.3.1 Tipos de Anclaje Tradicionalmente los pernos se han clasificado en funcin 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 Friccin.

(Fig. A4.21) Tipos de Pernos de Anclaje utilizados para el Sostenimiento de Tneles

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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 perforacin 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 polister, 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 inyeccin clsica 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 aaden aditivos para facilitar el proceso de hidratacin del cemento. Anclajes por Friccin: Una caracterstica comn 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 excavacin debe sufrir una plastificacin importante como consecuencia del reajuste tensional. Dentro de los pernos de anclaje por friccin existen de elevada presin de contacto y baja presin de contacto. Los de alta presin de contacto son del tipo anclaje puntual, fueros uno de los primeros tipos de pernos en el mercado, su anclaje s logra a travs de la expansin de piezas metlicas que penetran en el terreno, en la actualidad su uso se restringe exclusivamente a la minera y no en obras civiles. Los anclajes de baja presin 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 dimetro superior a la perforacin en que va a ser anclado. Los pernos Swellex, desarrollados por Atlas Copco, estn constituidos por un doble tubo de chapa que se infla con agua a presin, una vez introducido en la perforacin, para adaptarse a la superficie lateral del terreno. En la construccin de tneles carreteros uno de los pernos ms usados es el Swellex.

(Fig. A4.22) 1 El perno es introducido en la perforacin 2 Inyeccin de agua a alta presin dilatando el tubo 3 Se libera la presin 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 ms del 50% del tiempo de construccin de un tnel, entonces la tecnologa 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 realizacin de las perforaciones de sostenimiento, sin embargo esta maquina plantea un problema importante ya que, en este caso, los dimetros de perforacin de 43 mm y, de esta forma, no es posible respetar la diferencia mxima de 10 mm entre el dimetro de la perforacin y la del perno, ya que los pernos normalmente utilizados son de 25 mm de dimetro. Estos ocho milmetros que aparentemente no tienen importancia, suponen que deben utilizarse bastante ms cartuchos de resina o cemento. Por otra parte la utilizacin de pernos de friccin obedece a la utilizacin de pernos de mayor dimetro con un costo mayor. Por esta razn se han diseado 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 colocacin 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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Construccin de Tneles 4.6.1.3.2 Equipos para Anclaje 4.6.1.3.2.1 Descripcin General Robolt 330 50 C de Tamrock


(Fig. A4.24) Equipo de Perforacin y Apernado Robolt 330 50 C de Tamrock 4.6.1.3.2.2 Dimensiones Principales

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Construccin de Tneles 4.6.1.3.2.3 Dimensiones de Trabajo


El Robolt 330 - 50C es totalmente mecanizado, un solo operador puede aplicar es sistema electro-hidrulico colocando los pernos de refuerzo en las rocas de minas subterrneas y tneles medianos. La cabina del operador le permite tener control de los comandos en un solo tablero, siendo ms eficaz las operaciones de perforacin y colocacin de pernos.

( Cabezal ) ( Long. Perno) (Altura mn y mx del tnel)

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Construccin de Tneles 4.6.1.3.3 Utilitarios

Utilitarios

Dentro de las faenas propias de construccin de tneles tanto mineros como carreteros, existe la posibilidad de utilizar equipos de apoyo denominados vehculos utilitarios. Los vehculos utilitarios ms utilizados son los cargadores de explosivos, gras de levante, mezcladores de concreto y plataformas de levante. Cargadores de Explosivos: Este tipo de vehculos utilitario es uno de los ms usados, permite optimizar el trabajo de carguo de explosivos en el frente del tnel. Cada uno de los equipos, permite gracias a su capacidad, realizar la carga del explosivo de una sola vez, sin necesidad de salir del tnel al polvorn. Posee adems 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 vehculos utilitarios es tambin uno de los ms usados, permite realizar variados trabajos, entre estos se encuentran la colocacin de instalaciones de agua, ventilacin, aire etc. Son muy tiles adems en la fortificacin cuando no se dispone de maquinaria para esta faena (Fig. A4.26 a, b, c y d).

(b)

(c)

(a) (Fig. A4.26a)

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

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Construccin de Tneles 4.6.1.4 Revestimiento de Tneles con Shotcrete

Revestimiento con Shotcrete

Un hecho bien conocido de la industria de la construccin y en particular de la industria de la construccin subterrnea, es que no hay un proyecto que sea igual a otro. Cada uno est acompaado por gran cantidad de parmetros y circunstancias que generan un grado de complejidad superior al de otras industrias. El shotcrete posee ventajas enormes en su calidad de proceso de construccin y de soporte de rocas; ello, sumado al avance logrado en materiales, equipos y conocimientos de aplicacin, ha hecho de esta tcnica una herramienta muy importante y necesaria para los trabajos de construccin subterrnea. En particular, la tecnologa moderna de shotcrete por va hmeda ha ampliado el campo de trabajo de la construccin subterrnea. Proyectos que en el pasado eran imposibles de llevar a cabo, son ahora viables. Independientemente del tipo de terreno, hoy en da es posible aplicar esta tecnologa en cualquier condicin. 4.6.1.4.1 Qu significa shotcrete? El shotcrete (mortero, o gunita) comenz a utilizarse hace casi 90 aos. Los primeros trabajos con shotcrete fueron realizados en los Estados Unidos por la compaa Cement-Gun (Allentown, Pennsylvania) en 1907. Un empleado de la empresa, Carl Ethan Akeley, necesitaba una mquina que le permitiera proyectar material sobre mallas para construir modelos de dinosaurios, e invent el primer dispositivo creado para proyectar materiales secos para construcciones nuevas. Cement-Gun patent el nombre Gunite para su mortero proyectado, un mortero que contena agregados finos y un alto porcentaje de cemento. Hoy en da todava se utiliza el nombre gunita. En ciertas clasificaciones equivale al mortero proyectado, pero los lmites de tamao de grano varan (segn el pas, la definicin del lmite para el agregado mximo es de 4, 5, o incluso hasta 8 mm). Actualmente existen dos mtodos de aplicacin para el shotcrete: el proceso de va seca y el de va hmeda. Las primeras aplicaciones del shotcrete se hicieron mediante la va seca; en este mtodo se coloca la mezcla de cemento y arena en una mquina, y la misma se transporta por mangueras mediante la utilizacin de aire comprimido; el agua necesaria para la hidratacin es aplicada en la boquilla. El uso del mtodo por va hmeda comenz despus de la Segunda Guerra Mundial. A semejanza del hormign normal, se preparan las mezclas con toda el agua necesaria para hidratarlas, y se bombean en equipos especiales a travs de las mangueras. La proyeccin del material se efecta mediante la aplicacin de aire comprimido a la boquilla. Si bien algunas personas afirman que el shotcrete es un hormign especial, lo cierto es que no es sino otra manera ms de colocar el hormign. Al igual como ocurre con los mtodos tradicionales de colocacin, el shotcrete requiere ciertas caractersticas particulares de la mezcla durante la colocacin, y al mismo tiempo requiere satisfacer todas las demandas tecnolgicas normales del hormign relacin agua/cemento, cantidad de cemento, consistencia correcta y curado.

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Construccin de Tneles 4.6.1.4.2 Dnde se utiliza el shotcrete?


La gran cantidad de ventajas que tiene el shotcrete como proceso de construccin, 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 tneles y en otras construcciones subterrneas (Fig. A4.27). Adems, hoy en da esta tcnica es un factor clave para el soporte de rocas en aplicaciones tales como: Construccin de tneles Operaciones mineras Hidroelctrica Estabilizacin de taludes

(Fig. A4.27) Faenas de Revestimientos con Shotcrete en el interior del Tnel Ms del 90 % de todo el shotcrete es utilizado para soporte de rocas. Actualmente el uso del shotcrete es menos frecuente que el del hormign tradicional; sin embargo, este material ofrece la posibilidad de una gran variedad de aplicaciones, entre ellas: Recubrimientos de canales Reconstruccin y reparaciones Pantallas marinas Hormign Refractario Proteccin contra incendio y anticorrosiva Construcciones nuevas Agricultura (pozos de estircol) Mampostera y estabilizacin de muros de ladrillo

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4.6.1.4.3 Diferencia Entre los Dos Mtodos de Revestimiento con Shotcrete Hay dos mtodos de shotcrete: seco (al que se le aade el agua de hidratacin en la boquilla de proyeccin), y hmedo (aquel en el que las mezclas transportadas contienen ya el agua necesaria para la hidratacin). Ambos mtodos tienen sus ventajas y desventajas, y la seleccin de uno u otro depender de los requisitos del proyecto y de la experiencia del personal encargado de ejecutarlo. Hasta hace pocos aos, el mtodo ms utilizado era el de proyeccin por va seca, pero hoy en da la tendencia ha cambiado, especialmente en shotcrete para soporte de rocas. El mtodo dominante del futuro ser el de proyeccin por va hmeda debido a que ofrece un mejor ambiente de trabajo, mayor calidad, uniformidad y produccin. Los desarrollos en la tecnologa del shotcrete estn relacionados con el proceso de va hmeda. Entre algunos ejemplos de desarrollos recientes figuran la adicin de nuevas generaciones de adiciones como la microslice y fibras metlicas. Actualmente, un 70 % del shotcrete se aplica mediante va hmeda, mientras que el 30 % restante se aplica por va seca. En algunas regiones del mundo predomina el mtodo por va hmeda. 4.6.1.4.3.1 Mtodo por va seca 4.6.1.4.3.1.1 Problemas del Proceso de Proyeccin de Mezclas Secas Todo proceso tiene sus desventajas; las del mtodo por va seca son sus costos operativos relativamente superiores debido al desgaste y daos en las mquinas de rotor, especialmente en los empaques de caucho y los discos de friccin. Para mantener estos costos dentro de lmites razonables, es necesario configurar bien las mquinas, hacer cambios oportunos de piezas y utilizar procedimientos adecuados de pulverizacin. Otra desventaja es la formacin de polvo, pero el mismo puede reducirse procurando un contenido favorable de humedad natural (o prehumidificacin adecuada) y utilizando aglomerantes de polvo. Otro problema importante del proceso de proyeccin en seco es el rebote relativamente alto. Segn la superficie de aplicacin en cuestin (vertical o en clave), se pierde entre un 15 y un 35 % de la mezcla. La prdida promedio es del 20 al 25 %, comparada con 5 a 10 % con el proceso de proyeccin por va hmeda. Para reducir el rebote de una manera significativa, se pueden utilizar las nuevas clases de adiciones y aditivos mencionados anteriormente. El uso de microslice o de sistemas de control de la hidratacin puede ayudar, y la prdida promedio puede reducirse hasta un 15 %, lo cual es comparable con los resultados obtenidos con el proceso de proyeccin por va hmeda. Frecuentemente se cita una desventaja adicional: el bajo rendimiento del equipo. No obstante, las mquinas modernas permiten aplicar ms de 10 m3/h; esto es algo que 383



indudablemente no es posible lograr con aplicacin manual, sino con el uso de un brazo robotizado. Sin embargo, dado el aumento en los costos de desgaste, una produccin superior a 8 m3/h resulta crtica desde el punto de vista econmico. 4.6.1.4.3.2 Mtodo por Va Hmeda Tal como se mencion anteriormente, este mtodo es el nico utilizado en un gran nmero de importantes proyectos subterrneos en todo el mundo. El uso del shotcrete para aplicaciones de soporte de rocas ha aumentado en forma exponencial en los ltimos 15 a 20 aos, lo cual ha impulsado un intenso desarrollo del mismo. Entre 1971 y 1980 se produjo un desarrollo impresionante del mtodo por va hmeda, con consiguiente transformacin total de su mercado de shotcrete: se pas de 100 % de va seca a 100 % de va hmeda, y la aplicacin pas de manual a robtica. Este cambio radical ocurri slo en Noruega. Desde aproximadamente 1976 -1978 se han venido agregando cada vez ms el humo de slice y la fibra metlica al shotcrete fabricado por va hmeda. Sin duda alguna los noruegos llevan la delantera en la tecnologa del shotcrete fabricado por va hmeda, tanto en teora como en prctica. La mala fama de la tcnica de proyeccin por va hmeda se debe a los deficientes equipos utilizados y al poco conocimiento del mtodo, factores que han acarreado la produccin 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 relacin de agua/cemento hasta de 1,0. Gracias a la tecnologa de la industria del hormign actual, hoy en da es totalmente factible producir shotcrete por va hmeda que tenga una resistencia a la compresin a los 28 das superior a 60 MPa. 4.6.1.4.3.2.1 Razones del Cambio al Mtodo por Va Hmeda a) Economa La capacidad de proyeccin ha aumentado considerablemente desde los tiempos de maquinarias/robots de mezclado en seco, hasta los robots de va hmeda modernos. En un turno de 8 horas, la capacidad promedio de proyeccin del mtodo por va hmeda es usualmente de 4 a 5 veces mayor que la del mtodo por va seca. Si bien los costos de inversin en los nuevos robots de va hmeda aumentaron significativamente, al mismo tiempo hubo una cada igualmente significativa del costo de colocacin del shotcrete, y tambin disminuy uno de los principales factores de costo, a saber: el tiempo de preparacin por cada ciclo. Gracias a los sistemas robticos integrados, la aplicacin del shotcrete puede comenzar a los pocos minutos de la llegada de los equipos al frente. La introduccin de los perforadores hidrulicos aument la capacidad de perforacin en un 100 %. El aumento de la inversin se tradujo en menores tiempos por ciclo de perforacin y explosin; por tanto, el costo del tiempo aument. El tiempo gastado en la operacin de proyeccin tena que disminuir lo mximo posible, y por tanto fue fundamental aumentar la capacidad de aplicacin de shotcrete. Asimismo, la reduccin del rebote en aproximadamente un 25 % tuvo importantes repercusiones econmicas.

384

Construccin de Tneles b) Ambiente de trabajo


Los operarios del proceso por va seca estaban acostumbrados a trabajar en medio de una gran cantidad de polvo. Se emita polvo no slo desde la boquilla, sino tambin desde la mquina de proyeccin. Como norma general, los resultados de las mediciones de polvo en el ambiente de trabajo eran ms de tres veces la cantidad permisible. El mtodo por va hmeda mejor significativamente las condiciones del ambiente de trabajo, trayendo consigo mayor seguridad para los trabajadores de tneles. Una de las situaciones que impuls el desarrollo del mtodo por va hmeda fue el lanzamiento de concreto bajo condiciones peligrosas. c) Calidad Todava se piensa equivocadamente que el mtodo por va hmeda no ofrece resultados de alta calidad. Lo cierto es que si se utilizan aditivos reductores de agua (baja relacin agua/cemento) y microslice, se pueden obtener resistencias a la compresin de hasta 100 MPa aplicando shotcrete por va hmeda. A diferencia del mtodo por va seca, el de va hmeda ofrece una calidad homognea. d) Aplicacin Con el mtodo hmedo se utiliza un hormign ya mezclado en planta o un mortero preenvasado. La mezcla de shotcrete se prepara de la misma forma que el hormign normal. En cualquier momento del proceso es posible inspeccionar y controlar la relacin agua/cemento. La consistencia puede ser ajustada por medio de aditivos. Con el mtodo de va hmeda es ms fcil producir una calidad constante a lo largo del proceso de proyeccin. La mezcla ya lista se descarga en una bomba y se transporta a presin a travs de la manguera. Al principio se utilizaban principalmente bombas helicoidales; hoy en da predominan las bombas de pistn. En la boquilla del extremo de la manguera, se agrega aire a la mezcla a razn de 7-15 m3/min y una presin de 7 bars segn el tipo de aplicacin (manual o robot). El aire tiene la funcin de aumentar la velocidad del concreto a fin de lograr una buena compactacin y adherencia a la superficie. Un error comn que se comete con el mtodo de va hmeda es utilizar cantidades insuficientes de aire. Generalmente se agregan entre 4 y 8 m3/min, lo cual lleva a menores resistencias a la compresin as como tambin adherencia deficiente y rebote. Para la proyeccin robotizada se requieren hasta 15 m3/min de aire. 4.6.1.4.3.2.2 Ventajas A continuacin se expone un resumen de las ventajas del mtodo de va hmeda en comparacin con el de va seca: Rebote mucho menor. Con el uso de equipos apropiados y de personal capacitado, se obtienen prdidas normales que oscilan entre 5 y 10 %, incluso para el caso de proyeccin de mezclas reforzada con fibras. 385



Mejor ambiente de trabajo debido a la reduccin del polvo. Capas ms gruesas gracias al uso eficiente de los materiales de mezcla. Dosificacin controlada del agua (relacin agua/cemento constante y definida). Mejor adherencia. Mayor resistencia a la compresin, y uniformidad de resultados. Produccin muy superior, y por tanto ms economa. Uso de fibras metlicas y nuevos aditivos. 4.6.1.4.3.2.3 Desventajas Distancia de transporte limitada (mx. 300 m). Mayores demandas en la calidad del agregado. Slo se permiten interrupciones limitadas. Costos de limpieza. 4.6.1.4.4 Equipos para Proyectar Shotcrete El mundo de la construccin subterrnea se caracteriza por situaciones de alto riesgo y fechas de entrega apremiantes. Por eso, y a pesar de las numerosas aplicaciones tcnicas 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 tecnologa de materiales, ha habido tambin un desarrollo acelerado en el sector de equipos, por lo cual hoy en da existen maquinarias adaptables a las siempre cambiantes condiciones de la industria de la construccin. Existe una amplia gama de sistemas aplicables a todas las obras de shotcrete, desde la construccin de grandes tneles que requieren la proyeccin de grandes cantidades de concreto, hasta pequeos trabajos de reparacin. La tendencia general apunta hacia sistemas integrados y automatizados que garanticen volmenes de produccin ms altos, uniformes y de calidad controlable, y mejores condiciones laborales. 4.6.1.4.4.1 Aplicacin manual 4.6.1.4.4.1.1 Equipos/sistemas para la proyeccin por va seca La mayora de las maquinarias modernas funcionan con sistema de rotor.

(Fig. A4.28) Mquina tpica de proyeccin por va seca 386

Construccin de Tneles a) Principios de funcionamiento


La mezcla por va seca es agregada a la tolva de alimentacin (Fig. A4.29). A medida que el rotor gira, dicha mezcla va cayendo por su propio peso por una ranura de alimentacin situada en una de las cmaras del rotor (2). Mientras se llena una de las cmaras, se sopla aire comprimido en la otra cmara (llena). La mezcla se descarga en la abertura de la salida (3), impulsada bajo una presin de 3 - 6 bars a travs de la tubera de transporte y hacia la boquilla de proyeccin, en donde se le agrega el agua. El rotor est sellado por ambos lados con discos de caucho.

(Fig. A4.29) Principio de operacin de un equipo de rotor para proyeccin por va seca Este equipo tiene ventajas esenciales como facilidad de uso, resistencia y adaptabilidad a las condiciones especficas de la obra. Segn el dimetro de la salida y de la tubera de transporte as como del tipo del rotor, su rendimiento vara entre 0,5 y 10 m3/h. Si se aumenta la produccin de proyeccin incrementando el volumen de la cmara y la velocidad rotativa, es necesario redimensionar consiguientemente la tubera de transporte. El dimetro mximo para proyeccin es 65 mm, mientras que para propsitos nicamente de transporte, se pueden emplear dimetros hasta de 80 mm. Asimismo el aumento de los dimetros de las tuberas va acompaado de un aumento en el consumo de aire comprimido. Entre otros parmetros que determinan el tamao de la tubera de transporte figuran la granulometra de la mezcla por va 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 proyeccin por va hmeda La proyeccin por va hmeda se efecta con bombas de doble pistn. Para garantizar una proyeccin uniforme, los ltimos desarrollos en maquinarias procuran un transporte sin pulsaciones de la mezcla por va hmeda, desde la bomba hasta la boquilla. Un ejemplo de ello es la mquina MEYCO Suprema de MBT. Diseada con un sistema de avance integrado al ajuste de la salida y controlado electrnicamente, esta mquina minimiza la pulsacin del flujo de material hasta un punto en que ste prcticamente no se nota en la boquilla. Todas las funciones de la mquina estn supervisadas, coordinadas y controladas por un sistema integrado de control programable 387



de memoria (PLC) que permite verificar y controlar datos que tambin pueden imprimirse (p. ej., cantidad de dosificacin de aditivos, capacidad de produccin, etc.). El sistema de accionamiento de la mquina tiene incorporada una unidad dosificadora de aditivos lquidos, la cual est tambin conectada al sistema PLC. Este diseo asegura un ajuste de la dosificacin anlogo a la capacidad de proyeccin. a) Caractersticas del Equipo MEYCO Suprema Mxima capacidad de transporte Distancia de transporte, horizontal Distancia de transporte, vertical Consumo de aire en la boquilla Proyeccin a mano Proyeccin robotizada Dimensiones Altura de alimentacin Peso (vaco) Mx. presin de bombeo de la mezcla Tubera de transporte : 2-14 m3/h 3-20 m3/h (terico) : 300 m : 100 m : 57 m3/min a 56 bars : 1015 m3/min a 7 bars : Largo 2,5 m; Ancho 1,5 m; Alto 1,95 m (aprox.) : 1,1 m : 2200 kg. : 75 50 bars : 50 mm, 65 mm 100 mm

(Fig.A4.30) MEYCO Suprema, Sistema de dosificacin integrado, sistema de control computarizado (PLC), proyeccin sin pulsaciones, con ajuste automtico de la dosificacin con el volumen proyectado.

(Fig.A4.31) Aplicacin Manual del Shotcrete

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b) Especificaciones Tcnicas de una de las Bombas para Shotcrete ms usadas de Putzmeister Modelo Motor Diesel Capacidad de combustible Altura de la tolva Capacidad de la tolva Tamao mximo de agregado Volumen de salida Presin mximo del hormign Distancia mxima de bombeo Altura mxima de bombeo Dimetro del cilindro de hormign Longitud del cilindro de hormign Mximos recorridos por minuto Longitud Ancho Altura Peso : Thom-Katt 2030 Putzmeister : 57 HP : Estndar: 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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Construccin de Tneles 4.6.1.4.4.2 Proyeccin Mecanizada a) Brazos de proyeccin


Los brazos de proyeccin (robots) sirven para aplicaciones de grandes cantidades de shotcrete, especialmente en construcciones de tneles y galeras, o para proteccin de chimeneas y taludes. Gracias a equipos mecanizados y automatizados, es posible aplicar grandes volmenes de shotcrete - por va seca o hmeda - en condiciones ptimas y mejores condiciones laborales para los operarios de la boquilla. Los robots de proyeccin se componen tpicamente 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 proyeccin. Estos equipos estn disponibles en longitudes de 1, 2 o 3 metros. El montaje de lanza est acoplado al brazo, el cual puede moverse en cualquier direccin y alargarse mediante una extensin incorporada. Se controla mediante un control remoto porttil. 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 activacin del cabezal de proyeccin se efecta mediante tres accionadores hidrulicos independientes, lo cual garantiza el funcionamiento de la boquilla en ngulos ideales para la superficie. La boquilla puede girar 360, en sentido horario o antihorario. El montaje de lanza se mantiene automticamente paralelo al eje del tnel. El control remoto est 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, segn el montaje. El equipo tiene su propia fuente de energa elctrica, pero es tambin posible activarlo mediante el generador.

(Fig. A4.33) Brazo de proyeccin MEYCO Robojet 390

Construccin de Tneles b) Brazos de Proyeccin Asistidos por Computadora


El equipo MEYCO Robojet Lgica (Fig. A4.34), es un brazo de proyeccin de ltima generacin, que ha sido desarrollado en conjunto con la industria y universidades. Tiene 8 grados de libertad y permite al operario manipular la proyeccin en varios modos, desde puramente manual a semiautomtico o totalmente automtico, dentro de reas seleccionadas del tnel. En uno de los modos, el operario emplea una palanca de mando de 6 dimensiones. La funcin de este brazo de proyeccin asistido por computadora no es la de automatizar toda la tarea de proyeccin, sino ms 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 ngulo correcto de proyeccin y una distancia uniforme de proyeccin, se logra una reduccin significativa del rebote y por tanto, del costo.

(Fig. A4.34) MEYCO Robojet Lgica La nueva maquinaria est basada en el bien conocido principio cinemtico del MEYCO Robojet. Un sistema de control efecta el clculo cinemtico. Un sensor de lser mide la geometra del tnel, y esta informacin se utiliza para controlar automticamente la distancia y el ngulo de la proyeccin. Adems, si despus de la proyeccin se mide nuevamente el perfil del tnel, el sistema proporciona informacin del espesor de la capa de shotcrete aplicada, algo que hasta ahora nicamente era posible mediante extraccin de testigos y mediciones. Si se requiere una forma final exacta del perfil del tnel, el sistema de control opera el robot para que realice la proyeccin de estos lmites definidos de forma automtica. c) Sistemas Mviles de Proyeccin Muchos proveedores tambin ofrecen sistemas mviles completos con equipos integrados para el todo el trabajo de proyeccin. Por ejemplo, el equipo MEYCO Spraymobile de MBT (Fig. A4.35) consta tpicamente de los siguientes componentes: Mquina de proyeccin por va hmeda Brazo de proyeccin

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Construccin de Tneles Recipiente de almacenamiento de acelerante Unidad dosificadora para el acelerante Carrete de cable con accionamiento hidrulico Compresor de aire, capacidad de 12m3/min Conexin central y sistema de control para energa externa Limpiador de agua a alta presin con depsito de agua Focos


(Fig. A4.35a) MEYCO Spraymobile: El sistema modular permite construir sistemas de proyeccin 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) MEYCO Roadrunner 2000

(Fig. A4.36b)

Este sistema de proyeccin mvil contiene todos los equipos especficos del MEYCO Spraymobile, instalado en un camin idneo para circulacin. Todos los equipos pueden ser activados bien sea desde una fuente diesel externa, o bien mediante su propio motor diesel. Adems del MEYCO Spraymobile, tambin contiene un depsito para el agente de curado. 4.6.1.4.4.2.1 Faenas de Aplicacin de Shotcrete con Equipo Robotizado Sobre Camin

(Fig. A4.37a) (Fig. A4.37b) Equipo MEYCO Roadrunner en Faenas de Aplicacin de Shotcrete

(Fig. A4.38) Esquema tpico del MEYCO Spraymobile en faena de Shotcrete 393



(Fig. A4.39) Equipo sobre camin en faena de Shotcrete al interior de Tnel

(Fig. A4.40) Equipo sobre camin revistiendo el talud de un canal

(Fig. A4.41a) (Fig. A4.41b) Vista del Brazo Robotizado sobre camin revistiendo el interior del Tnel

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Construccion de tuneles

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