Avances en Túneles y Excavaciones Subterráneas por Drill & Blast

Jumbo de pluma múltiple

Aquí en los Estados Unidos solíamos referirnos a la excavación de túneles mediante perforación y voladura como excavación de túneles "convencional", lo que supongo que deja la excavación de túneles mediante tuneladora u otros medios mecanizados como "no convencional". Sin embargo, con la evolución de la tecnología TBM, se vuelve cada vez más raro hacer túneles mediante perforación y voladura y, como tal, es posible que deseemos pensar en cambiar la expresión y comenzar a referirnos a la excavación de túneles mediante perforación y voladura como "no convencional". "Tunelización.

La excavación de túneles mediante perforación y voladura sigue siendo el método más común en la industria de la minería subterránea, mientras que la excavación de túneles para proyectos de infraestructura se está convirtiendo cada vez más en un túnel mecanizado mediante tuneladora u otros métodos. Sin embargo, en túneles cortos, para secciones transversales grandes, construcción de cavernas, cruces, pasajes transversales, pozos, tuberías forzadas, etc., Drill and Blast es a menudo el único método posible. Mediante perforación y voladura también tenemos la posibilidad de ser más flexibles para adoptar perfiles variables en comparación con un túnel TBM que siempre brinda una sección transversal circular, especialmente para túneles de carretera, lo que resulta en una excavación excesiva en relación con la sección transversal real necesaria.

En los países nórdicos, donde la formación geológica de la construcción subterránea es a menudo de granito duro sólido y gneis, lo que se presta a la minería de perforación y voladura de manera muy eficiente y económica. Por ejemplo, el sistema de metro de Estocolmo generalmente consta de una superficie de roca expuesta construida con perforación y voladura y rociada con hormigón proyectado como revestimiento final sin ningún revestimiento moldeado en el lugar.

Actualmente se está construyendo el proyecto de AECOM, el Bypass de Estocolmo, que consiste en una carretera de 21 km (13 millas), de los cuales 18 km (11 millas) son subterráneos bajo el archipiélago occidental de Estocolmo, véase la Fig. 1. Estos túneles tienen secciones transversales variables, para dar cabida a tres carriles en cada dirección y se están construyendo rampas de entrada y salida que se conectan a la superficie utilizando la técnica de perforación y voladura. Este tipo de proyectos sigue siendo competitivo como Drill and Blast debido a la buena geología y la necesidad de sección transversal variable para adaptarse a los requisitos de espacio. Para este proyecto, se han desarrollado varias rampas de acceso para dividir los largos túneles principales en varios tramos, lo que reducirá el tiempo total de excavación del túnel. El soporte inicial del túnel consta de pernos de roca y hormigón proyectado de 4" y el revestimiento final consiste en una membrana impermeabilizante y hormigón proyectado de 4 pulgadas suspendido por pernos espaciados alrededor de 4 por 4 pies, instalados a 1 pie de la superficie de roca revestida de hormigón proyectado, actúa como un agua y escarcha. aislamiento.

Circunvalación de Estocolmo

Noruega es aún más extrema en lo que respecta a la perforación y voladura de túneles y, a lo largo de los años, ha refinado los métodos de perforación y voladura a la perfección. Con la topografía muy montañosa de Noruega y los fiordos muy largos que cortan la tierra, la necesidad de túneles debajo de los fiordos tanto para carreteras como para trenes es de gran importancia y puede reducir considerablemente el tiempo de viaje. Noruega tiene más de 1000 túneles de carretera, que es la mayor cantidad en el mundo. Además, Noruega es también el hogar de innumerables centrales hidroeléctricas con túneles forzados y pozos construidos por Drill and Blast. Durante el período de 2015 a 2018, solo en Noruega, hubo alrededor de 5,5 millones de CY de excavación de roca subterránea por perforación y voladura. Los países nórdicos perfeccionaron la técnica de Drill and Blast y exploraron sus tecnologías y estado del arte en todo el mundo. Además, en Europa Central, especialmente en los países alpinos, la perforación y voladura sigue siendo un método competitivo en la excavación de túneles a pesar de la gran longitud de los túneles. La principal diferencia con los túneles nórdicos es que la mayoría de los túneles alpinos tienen un revestimiento final de hormigón moldeado en el lugar.

En el noreste de EE. UU. y en las regiones de las Montañas Rocosas existen condiciones similares a las de los países nórdicos con rocas duras y competentes que permiten un uso económico de perforación y voladura. Algunos ejemplos incluyen el metro de la ciudad de Nueva York, el túnel Eisenhower en Colorado y el túnel Mt McDonald en las Montañas Rocosas canadienses.

Los proyectos de transporte recientes en Nueva York, como el metro de la Segunda Avenida recientemente terminado o el proyecto East Side Access, han tenido una combinación de túneles de explotación minados con TBM con Station Caverns y otros espacios auxiliares realizados por Drill and Blast.

El uso de jumbos de perforación ha evolucionado a lo largo de los años desde los primitivos taladros manuales o los jumbos de un aguilón hasta los jumbos de múltiples aguilones autoperforantes computarizados en los que los patrones de perforación se introducen en la computadora de a bordo, lo que permite una perforación rápida y de alta precisión hasta un nivel preestablecido. -establecer un patrón de perforación calculado con precisión. (ver figura 2)

Los jumbos de perforación avanzados vienen como totalmente automatizados o semiautomáticos; en el primero, después de completar el pozo, el taladro retrocede y se mueve automáticamente a la siguiente posición del pozo y comienza a perforar sin necesidad de posicionamiento por parte del operador; para los brazos semiautomáticos, el operador mueve el taladro de un pozo a otro. Esto permite que un operador maneje de manera efectiva perforadoras jumbo con hasta tres brazos con el uso de la computadora a bordo. (ver figura 3)

Taladro jumbo totalmente automatizado

Con el desarrollo de perforadoras de roca de 18, 22, 30 y hasta 40 kW de potencia de impacto y perforadoras de alta frecuencia con alimentadores que sostienen barras perforadoras de hasta 20' y el uso del sistema de adición de barras (RAS) automatizado, el avance y la velocidad de perforación ha mejorado mucho con tasas de avance reales de hasta 18' por ronda y un hundimiento del pozo de entre 8 y 12 pies/min, según el tipo de roca y la perforadora utilizada. Un jumbo de perforación automatizado de 3 brazos puede perforar de 800 a 1200 pies por hora con varillas perforadoras de 20 pies. El uso de varillas perforadoras de 20 pies requiere un cierto tamaño mínimo de túnel (alrededor de 25 pies) para permitir perforar pernos de roca perpendiculares al eje del túnel usando el mismo equipo.

Un desarrollo reciente es el uso de jumbos multifunción suspendidos de la corona del túnel que permiten que múltiples funciones se lleven a cabo simultáneamente, como la perforación y el desescombrado. El jumbo también se puede utilizar para instalar vigas de celosía y hormigón proyectado. Este enfoque se superpone a las operaciones secuenciales en la tunelización, lo que genera un ahorro de tiempo en el cronograma. Ver figura 4.

Jumbos multifunción suspendidos de la corona del túnel

El uso de emulsión a granel para cargar los pozos desde un camión de carga separado, cuando el jumbo de perforación se usa para varios frentes, o como una característica incorporada al jumbo de perforación cuando se excava un solo frente, se está volviendo más común a menos que existen restricciones locales para esta aplicación. Este método se usa comúnmente en varias áreas del mundo, con dos o tres agujeros que se pueden cargar al mismo tiempo; la concentración de la emulsión se puede ajustar dependiendo de qué agujeros se estén cargando. Los orificios de corte y los orificios inferiores normalmente se cargan con una concentración del 100 %, mientras que los orificios de contorno se cargan con una concentración mucho más ligera, de alrededor del 25 %. (ver figura 5)

Carga de agujeros

El uso de emulsión a granel necesita un refuerzo en forma de barra de explosivos empacados (cebador) que junto con el detonador se inserta en el fondo de los pozos y es necesario para encender la emulsión a granel que se bombea en el pozo. El uso de emulsión a granel reduce el tiempo de carga general en comparación con los cartuchos tradicionales, donde se pueden cargar de 80 a 100 orificios por hora desde un camión de carga equipado con dos bombas de carga y cestas para una o dos personas para alcanzar la sección transversal completa. Ver Fig. 6

camión de carga de emulsión

El uso de cargadores de ruedas y camiones sigue siendo la forma más común de realizar el desescombro en combinación con perforación y voladura para túneles que tienen acceso a la superficie. En el caso de acceso por piques el estiércol será transportado en su mayoría por pala cargadora hasta el pique donde será izado a superficie para su posterior transporte al área de disposición final.

Sin embargo, el uso de una trituradora en el frente del túnel para romper los pedazos de roca más grandes y permitir su transferencia con una cinta transportadora para llevar el lodo a la superficie es otra innovación que se desarrolló en Europa Central, a menudo para túneles largos a través de los Alpes. Este método reduce en gran medida el tiempo de limpieza, especialmente en túneles largos y elimina los camiones en el túnel, lo que a su vez mejora el entorno de trabajo y reduce la capacidad de ventilación necesaria. También libera el fondo del túnel para obras de hormigón. Tiene una ventaja adicional si la roca es de tal calidad que puede usarse para la producción de agregados. En este caso, la roca triturada puede procesarse mínimamente para otros usos beneficiosos, como áridos de hormigón, balasto ferroviario o pavimento. Para reducir el tiempo desde la voladura hasta la aplicación del hormigón proyectado, en los casos en los que el tiempo de reposo puede ser un problema, se puede aplicar la capa inicial de hormigón proyectado en el techo antes de que termine el desescombrado.

Al excavar grandes secciones transversales en combinación con malas condiciones de la roca, el método de perforación y voladura nos brinda la posibilidad de dividir el frente en varios frentes y aplicar el método de excavación secuencial (SEM) para la excavación. Un encabezado piloto central seguido de galerías laterales escalonadas se usa a menudo en SEM en la construcción de túneles, como se puede ver en la Fig. 7 para la excavación del encabezado superior de la estación de la calle 86 en el proyecto del metro de la Segunda Avenida en Nueva York. El tramo superior se excavó en tres galerías y luego se realizaron dos excavaciones en banco para completar la sección transversal de la caverna de 60' de ancho por 50' de alto.

Subterráneo de Second Avenue – Excavación de la estación de 86th St. usando múltiples encabezados

Para minimizar la intrusión de agua en el túnel durante la excavación, a menudo se utiliza lechada previa a la excavación. La lechada de la roca antes de la excavación es obligatoria en Escandinavia para abordar los requisitos medioambientales relacionados con la fuga de agua en el túnel a fin de minimizar el impacto de la construcción en el régimen hídrico en la superficie o cerca de ella. La lechada previa a la excavación se puede realizar para todo el túnel o para ciertas áreas donde la condición de la roca y el régimen de aguas subterráneas requieren lechada para reducir la intrusión de agua a una cantidad manejable, como en las zonas de falla o corte. En el grouting selectivo previo a la excavación, se perforan de 4 a 6 pozos de sondeo y, dependiendo del agua medida en los pozos de sondeo en relación con el disparador de grouting establecido, el grouting se realizará con grouts de cemento o químicos.

Normalmente, un abanico de lechada previo a la excavación consta de 15 a 40 orificios (de 70 a 80 pies de largo) perforados delante del frente y se les inyecta lechada antes de la excavación. El número de agujeros depende del tamaño del túnel y de la cantidad prevista de agua. Luego se realiza la excavación dejando una zona de seguridad de 15 a 20 pies más allá de la última ronda cuando se realiza el siguiente sondeo y lechada previa a la excavación. El uso del Sistema de adición de varillas (RAS) automatizado, mencionado anteriormente, hace que sea simple y rápido perforar los orificios de sonda y lechada con una capacidad de 300 a 400 pies/hora. El requisito de lechada previa a la excavación es más factible y confiable cuando se usa el método de perforación y voladura en comparación con el uso de una tuneladora.

La seguridad en la perforación y voladura de túneles siempre ha sido una preocupación importante que requiere disposiciones especiales de medidas de seguridad. Además de los problemas de seguridad tradicionales en la construcción de túneles, la construcción mediante perforación y voladura, los riesgos en el frente, incluidos la perforación, la carga, el escalado, el desescombrado, etc., agregan riesgos de seguridad adicionales que deben abordarse y planificarse. Con el avance de las tecnologías en las técnicas de perforación y voladura y la aplicación del enfoque de mitigación de riesgos a los aspectos de seguridad, la seguridad en la construcción de túneles ha mejorado significativamente en los últimos años. Por ejemplo, con el uso de la perforación jumbo automatizada con el patrón de perforación cargado en la computadora de a bordo, no es necesario que nadie esté frente a la cabina de perforación jumbo, lo que reduce la exposición potencial de los trabajadores a peligros potenciales y, por lo tanto, aumenta su seguridad

La mejor característica relacionada con la seguridad es probablemente el sistema automatizado de adición de varillas (RAS). Con este sistema, se utiliza principalmente para la perforación de pozos largos en relación con la lechada previa a la excavación y la perforación de pozos de prueba; la perforación de extensión se puede realizar de forma totalmente automática desde la cabina del operador y, como tal, elimina el riesgo de lesiones (especialmente lesiones en las manos); de lo contrario, la adición de varillas se hacía manualmente y los trabajadores estaban expuestos a lesiones al agregar varillas a mano. Vale la pena señalar que la Sociedad Noruega de Túneles (NNF) emitió en 2018 su publicación No. 27 titulada "Seguridad en la perforación y voladura de túneles en Noruega". La publicación aborda de manera sistemática las medidas relacionadas con la gestión de la salud, la seguridad y el medio ambiente durante la excavación de túneles utilizando métodos de perforación y voladura y proporciona las mejores prácticas para los empleadores, los capataces y los trabajadores de la construcción de túneles. La publicación refleja el estado del arte en la seguridad de la construcción de perforación y voladura, y se puede descargar de forma gratuita desde el sitio web de la Sociedad Noruega de Túneles: http://tunnel.no/publikasjoner/engelske-publikasjoner/

Drill and Blast utilizado en el concepto correcto, incluso para túneles largos, con la posibilidad de dividir la longitud en numerosos encabezados, aún puede ser una alternativa viable. Recientemente se han realizado avances significativos en equipos y materiales que han dado como resultado una mayor seguridad y una mayor eficiencia. Aunque la excavación mecanizada con tuneladora suele ser más favorable para túneles largos con una sección transversal constante, en caso de que se produzca una avería en la tuneladora que provoque una parada prolongada, todo el túnel se detendrá, mientras que en la operación de perforación y voladura con varios frentes, el la construcción aún puede estar avanzando, incluso si un título tiene problemas técnicos.

Sobre el Autor:

Lars Jennemyr es un ingeniero experto en construcción de túneles en la oficina de AECOM Nueva York. Tiene toda una vida de experiencia en proyectos subterráneos y de túneles de todo el mundo, incluido el Sudeste de Asia, América del Sur, África, Canadá y los EE. UU. en proyectos de tránsito, agua e hidroenergía. Tiene amplia experiencia en tunelería convencional y mecanizada. Su experiencia especial incluye la construcción de túneles de roca, la capacidad de construcción y la planificación de la construcción. Entre sus proyectos se encuentran: el Metro de la Segunda Avenida, Estación de la Calle 86 en Nueva York; la Extensión de la Línea de Metro No. 7 en Nueva York; el Conector Regional y la Extensión de la Línea Púrpura en Los Ángeles; Citytunnel en Malmo, Suecia; el proyecto de energía hidroeléctrica Kukule Ganga, Sri Lanka; Proyecto de energía hidroeléctrica Uri en India; y el Plan Estratégico de Alcantarillado de Hong Kong.