Sistema de ampliación de gálibos en túneles (TES)

En este artículo, Íñigo Suárez de la Riera, gerente de Proyectos en Herrenknecht Ibérica, desarrolla un nuevo concepto empleado en la ampliación de túneles convencionales para la instalación de un tercer carril en la infraestructura de vía, con la novedad de permitir el tráfico de trenes utilizando la red electrificada durante los trabajos de excavación y sostenimiento. Una máquina Herrenknecht D-835 se ha fabricado y se va a emplear para la ampliación de gálibos en tres túneles en el tramo Irún-Astigarraga.

En muchos países europeos existen multitud de túneles de considerable antigüedad que por razones técnicas y de seguridad, se están quedando obsoletos en relación a la normativa actual. La principal razón de obsolescencia se debe a los gálibos insuficientes, tanto por las mayores velocidades de los trenes como por los criterios y normativa de seguridad de túneles en la actualidad.

Como solución a este problema es posible la utilización de maquinaria para la ampliación de la sección de dichos túneles, sin necesidad de interrumpir o desviar el tráfico de la línea ferroviaria correspondiente. Así, existen referencias de máquinas empleadas en proyectos en Alemania (concretamente los túneles de Jähroder y Mausenmühlen) donde se realizó exitosamente la ampliación de los gálibos existentes sin interrupción del tráfico con locomotoras diésel.

Un paso más allá en el estado de la técnica y nunca realizado hasta la fecha implica la realización de la ampliación del gálibo del túnel simultáneamente al tráfico ferroviario alimentado por catenaria.

De forma novedosa y por primera vez en España, la empresa Herrenknecht AG no sólo ha suministrado una máquina para la ampliación de los gálibos en tres túneles de la red convencional con el objeto de instalar un tercer carril sin interrumpir el tráfico ferroviario en un tramo de la densamente transitada línea Madrid-Irún, sino que además se va a realizar los trabajos durante el tráfico de trenes alimentados con la catenaria electrificada instalada en el túnel.

Es el caso de los túneles de Gaintxurizqueta (535 metros de longitud), Loyola (288 metros de longitud) y Capuchinos (196 metros de longitud) de los que el primero a ejecutar, Gaintxurizqueta, se encuentra actualmente en fase de inicio de realización de los trabajos.

El desplazamiento de la máquina de ampliación de túneles, en adelante TES (Tunnel Enlargement System), se realiza sobre zapatas provisionales en las cuales hay un perfil metálico embebido que hace de carril de guiado y rodadura para la máquina, que se mueve sobre ruedas metálicas.

El tráfico debe pasar de doble vía a vía simple provisional, al igual que la catenaria, que va alimentada a 3.000 V CC y se instala centrada de forma provisional sobre las zapatas.

El aislamiento entre la estructura del TES y la catenaria se realiza por medio de mantas aislantes que se fijan a la estructura metálica del TES por la parte interior.

Principio operativo del TES

La máquina de ampliación de túneles está compuesta por cuatro unidades principales:

• Unidad de sostenimiento
• Unidad de excavación y gunitado
• Unidad de perforación
• Unidad de equipos auxiliares

a) Unidad de sostenimiento

La unidad de sostenimiento tiene como función principal soportar la bóveda original del túnel previamente y durante los trabajos de excavación y sostenimiento de la sección final del túnel. Para ello está dotada de dos placas de grandes dimensiones accionadas hidráulicamente mediante cilindros que pueden desplazar las placas en dirección vertical en ambos sentidos (hacia arriba y hacia abajo).

La geometría de las placas se adapta mediante el radio de curvatura teórico lo mejor posible a la geometría de las bóvedas de los túneles a excavar. Además, la unidad de sustentación debe encajar en las secciones de los tres túneles originales. Para ello se ha realizado una medición por láser de los túneles originales cada 10 metros longitudinalmente. Debido a las condiciones de los tres túneles originales y a la existencia en los mismos de zonas con geometría afectada y también debido a los trabajos de reparación realizados a lo largo de los años, es necesario considerar una tolerancia adicional a la teórica impuesta por el proyecto. Sin embargo, en algunas secciones sólo resulta unos centímetros de distancia disponibles para la estructura de la unidad de sostenimiento. Aun así, existe la posibilidad de que en algunas zonas sea necesario realizar trabajos manuales de perfilado (excavación) previamente al paso del TES para conseguir encajar la estructura de la unidad de sostenimiento en los túneles.

Además, la unidad de sostenimiento equipa las plataformas de trabajo en la zona de excavación, así como las consolas para el cambio rápido de herramientas (martillo hidráulico y cabeza de gunitado).

La unidad de sostenimiento está equipada con 4 ruedas para la rodadura sobre las zapatas.

Además, incorpora unas consolas de centrado que estabilizan la posición de la maquina durante el desplazamiento y que van encajadas en los perfiles metálicos de las zapatas.

Componentes principales:

• Chapas de sostenimiento activadas por cilindros hidráulicos.
• Consolas de almacenamiento para cambio rápido de accesorios de los brazos hidráulicos (martillo y cabeza de gunitado).
• Plataformas de trabajo con barandillas.
• Consola de centrado en la guía de las zapatas.
• Ruedas de traslacion.

b) Unidad de excavación

La unidad de excavación tiene la función principal de excavar el revestimiento original y el terreno hasta alcanzar la sección final prevista del túnel. Para ello, consta de 3 brazos multifunción dotados de martillos hidráulicos que son los encargados de romper la sección a excavar mediante percusión mecánica. Los martillos están equipados para trasladarse en dirección longitudinal en ambos sentidos mediante un carro portante sobre guías mecanizadas de forma que su movimiento tiene gran precisión.

Durante la excavación el escombro cae en la zona delantera de la unidad de excavación hacia abajo en ambos laterales por gravedad.

Una vez terminada la excavación en cada ciclo de trabajo, es necesario desalojar el escombro generado. Esto se realiza mediante un vehículo rodante de forma que su tamaño permita el acceso a la parte donde cae el escombro a través de la sección que resulta entre la máquina y la sección excavada y revestida.

Posteriormente se intercambian los martillos hidráulicos por las cabezas de gunitado, que están posicionadas sobre las consolas en la unidad de sostenimiento a tal fin, mediante un acoplamiento rápido que facilita una operación rápida y en las mejores condiciones de seguridad.

La superficie excavada se sostiene mediante una capa de gunita de espesor determinado en función de cada túnel.

Sobre la capa de gunita proyectada se colocan cerchas de sostenimiento específicas según el túnel y sobre las cerchas a su vez se proyecta una capa final de gunita que conforma el sostenimiento provisional del túnel.

Una vez finalizado la excavación y sostenimiento provisional se procede a realizar el drenaje, impermeabilización y hormigonado finales.

La unidad de excavación equipa estabilizadores laterales hidráulicos que apoyan contra el revestimiento y estabilizadores hidráulicos en las zapatas. Mediante los estabilizadores se transmiten las cargas originadas durante los trabajos de excavación y se reduce la vibración en la máquina. En esta unidad se aloja el dispositivo que permite el desplazamiento de toda la máquina. Este dispositivo consta de dos cilindros, uno a cada lado, que una vez fijados al perfil metálico embebido en la zapata se activan empujando la maquina en sentido del eje del túnel hacia adelante/atrás.

La unidad de excavación está equipada con 4 ruedas para la rodadura sobre las zapatas. Además, incorpora unas consolas de centrado que estabilizan la posición de la maquina durante el desplazamiento y que van encajadas en los perfiles metálicos de las zapatas.

Componentes principales:

• 3x brazos multifunción accionados hidráulicamente.
• Carro y soporte de desplazamiento de los brazos.
• Acoplamiento rápido en brazos laterales.
• Estabilizador derecho e izquierdo.
• Ruedas de traslacion.
• Cilindros de conexión entre unidades.
• Consola de centrado en el carril de la zapata.
• Conexión mecánica de sellado entre unidades.

c) Unidad de perforación

La unidad de perforación está equipada con una perforadora que está montada sobre una guía-carrilera de cremallera radial para abarcar el alcance completo que debe realizarse para la realización de los paraguas de micropilotes. Además, la unidad equipa las plataformas de trabajo para el servicio de la perforadora.

Para realizar el paraguas de micropilotes es necesario realizar previamente una sobreexcavación con los martillos hidráulicos según la sección preestablecida. A su vez el sostenimiento debe ser considerado para dicha sobreexcavación.

La unidad de perforación está equipada con 4 ruedas para la rodadura sobre las zapatas.

Características principales de los paraguas de micropilotes:

• 12 m longitud de perforacion.
• 5º ángulo de inclinación de micropilotes respecto al eje del túnel.
• 0,4 m entre micropilotes.
• 116º amplitud del rango de operación.
• 3 metros de solape entre paraguas de micropilotes adyacentes.
• Sobreexcavación necesaria a la realización de un paraguas de micropilotes.
• Soportes de guiado del varillaje de perforación antes y en el frente.

d) Unidad de equipos auxiliares

La unidad de equipos auxiliares está equipada con los dispositivos que permiten el funcionamiento y suministro de los componentes de las unidades de sostenimiento, excavación y perforación. Los principales elementos son: transformador para convertir la tensión de alimentación, grupo hidráulico con depósito y bombas hidráulicas de alimentación de todos los dispositivos hidráulicos de la maquina (cilindros, motores, etc.), compresor de aire, depósitos y bombas de aditivo y agua, armario eléctrico que alberga la instrumentación necesaria y el autómata de control, bomba de agua a alta presión y tambor de cable de alimentación.

La unidad de equipos auxiliares está equipada con 4 ruedas para la rodadura sobre las zapatas.

Componentes principales:

• 1x transformador.
• 1x tambor con cable de alta tensión.
• 1x grupo hidraulico.
• 1x armario electrico.
• Bombas de membrana para agua /aditivo.
• Deposito de agua y aditivo.
• 1x bomba de inyección de agua alta presión.
• Unión entre unidades mediante cilindros hidráulicos.
• Conexiones de estanqueidad entre unidades.
• Ruedas de traslación.

Para este proyecto en concreto se han definido dos tipos de sostenimiento en función de la estabilidad del terreno a excavar y la cobertura existente. De esta forma resulta un ciclo de trabajo correspondiente al sostenimiento con perfiles TH-29 y otro ciclo de trabajo correspondiente a perfiles HEB-160.

1. Soporte de la sección excavada con TH-29

• A instalar cada 1000 mm.
• La ultima cercha TH-29 instalada debe estar a una distancia mínima de 1.000 mm detrás del frente de excavación.
• Excavación máxima posible es de 2.000 mm.
• La distancia máx. sin soportar alcanza 2.000 mm.
• Desplazamiento de la maquina necesario cada 1.000 mm.
• Primeramente se estabiliza la superficie ampliada con una capa de gunita de espesor 5 mm.
• La instalación de cerchas TH29 se realiza según procedimiento.
• Se finaliza con la inyección de gunita de 15 mm de espesor adicional.

2. Soporte de la sección excavada con HEB-160

• A instalar cada 750 mm.
• La ultima cercha HEB-160 instalada debe estar a una distancia mínima de 1.000 mm detrás del frente de excavacion.
• Excavación máxima posible de 1.500 mm.
• La distancia máx. sin soportar alcanza 3.000 mm.
• Desplazamiento de la maquina necesario cada 1.000mm.
• Primeramente se estabiliza la superficie ampliada con una capa de gunita de espesor 5 mm.
• La instalacion de cerchas HEB-160 se realiza según procedimiento.
• Se finaliza con la inyeccion de gunita de 20 mm de espesor adicional.