Ampliando el rango de aplicación en tuneladoras de lodos de pequeño diámetro: Últimas tendencias y tecnologías

En la excavación con microtuneladoras de lodos (AVN), el desarrollo continuo juega un papel fundamental para superar los límites de viabilidad y satisfacer las crecientes exigencias de cada proyecto. Durante las últimas décadas, el rango de aplicación de las máquinas de lodos para microtúneles se ha ampliado considerablemente utilizándose en proyectos cada vez más exigentes para servicios públicos subterráneos, así como en la instalación de tuberías y cableado.

En condiciones de roca, el uso de microtuneladoras de lodos de pequeño diámetro ha estado especialmente limitado. Con la AVN 800 HR para roca dura, Herrenknecht ha desarrollado un nuevo concepto de máquina, equipada con un rodamiento principal más fuerte, una mayor fuerza de empuje y un diseño de rueda de corte adaptado. Los cortadores TCI (inserto de carburo de tungsteno) permiten longitudes de hasta 200 metros sin intervenciones, ya que ofrecen un alto grado de resistencia al desgaste.

Para aumentar la longitud del trazado en instalaciones de diámetro pequeño, se ha integrado con éxito el sistema de bomba de evacuación de lodos con línea de alta presión (Jet Pump) en la micortuneladora de lodos AVN, creando la nueva serie AVNS. Esta nueva serie AVNS se utiliza para métodos como E-Power Pipe y para Direct Pipe de diámetro pequeño de 24” en adelante. En el futuro, estos avances ampliarán aún más los límites de la excavación con microtuneladoras de lodos y de métodos alternativos como E-Power Pipe y Direct Pipe en terrenos difíciles, para que las soluciones sin zanja resulten aún más atractivas a las partes implicadas.

Actualmente el enfoque principal en la construcción de servicios subterráneos es completar las obras de forma segura, en el plazo y con el coste previsto y con un mínimo impacto en el entorno y el medio ambiente. Esto es de especial interés tanto para clientes como responsables del proyecto y contratistas. Los proyectos ejecutados con éxito ayudan a ganarse la confianza y la aceptación pública de las tecnologías sin zanja y a convencer a las autoridades de sus ventajas.

Las soluciones de microtúneles con máquinas de lodos desempeñan un papel clave en la industria sin zanjas. Los conceptos de microtuneladoras se desarrollan cada vez más para ampliar los límites de lo que es actualmente factible. El hincado de tuberías y tecnologías relacionadas como Direct Pipe y E-Power Pipe, que también utilizan el concepto de máquina de lodos, se consideran para una gran variedad de aplicaciones: desde la instalación de tuberías para agua y alcantarillado hasta la instalación de cables subterráneos, para tomas, emisarios o cruces bajo el agua y vías de tráfico en la superficie.

Cada vez se planifican más proyectos en terrenos difíciles, que pueden ser de rocas duras y sólidas, suelos blandos y acuíferos o condiciones cambiantes a lo largo del trazado del túnel. Hay que revisar los conceptos de las máquinas y desarrollar nuevas soluciones para responder a los requisitos de proyectos que se realizan en terrenos complicados y a la tendencia a trazados cada vez más largos en todos los diámetros. Al mismo tiempo, las normas de seguridad han aumentado en la construcción de túneles de pequeño diámetro.

Este artículo ofrece una descripción general de las tendencias en ejecución de microtúneles de lodos de diámetro pequeño y las últimas soluciones tecnológicas desarrolladas por Herrenknecht. Como fabricante líder de tecnologías sin zanjas, Herrenknecht se esfuerza por proporcionar a la industria sin zanjas el más alto grado de flexibilidad en la planificación y construcción de infraestructuras de servicios públicos sostenibles para realizar proyectos cada vez más exigentes y superar los límites de viabilidad existentes.

Las microtuneladoras de lodos tienen una amplia gama de aplicaciones. Esto incluye también las formaciones de roca dura. El equipo se selecciona sobre la base de una minuciosa investigación geotécnica. En roca dura, se presta especial atención a los factores de rendimiento de la máquina y al diseño de los componentes críticos, como la rueda de corte, herramientas, la capacidad del rodamiento principal o las medidas anti-giro. Todos los componentes y su capacidad deben ajustarse entre sí. Así pues, el éxito de la excavación del microtúnel viene determinado por la mejor incorporación de todos los componentes en un sistema que funcione. Para aumentar el rendimiento, es importante encontrar el cuello de botella del sistema y aumentar su capacidad. Todo el sistema puede ser tan eficaz como lo permita su componente más débil.

Diseño de la rueda de corte

El diseño y selección de las herramientas de la rueda de corte es la parte más crítica en las aplicaciones de roca. El tamaño y la disposición de la herramienta se determinan de acuerdo con las propiedades de la roca. El arreglo conduce a tamaños razonables de lascas de roca que pueden ser manejadas por el sistema de descarga. Las placas de protección contra el desgaste y el revestimiento duro son importantes para proteger la estructura de acero de la rueda de corte del desgaste excesivo. Se han desarrollado nuevas ruedas de corte para microtúneles en roca dura para proporcionar:

• protección adicional contra el desgaste, como cortadores TCI con revestimiento duro y placas de desgaste tipo sándwich en el borde
• rodamiento de alto rendimiento en los cortadores para soportar mayores cargas
• estructura del cortador sólida y estable para soportar mayores cargas

Se pueden considerar tres tipos principales de herramientas de corte en esta aplicación. La herramienta de corte más común sigue siendo el cortador standard, que es bien conocido por las tuneladoras de roca dura de gran diámetro. Si existe un alto requisito en la vida útil de los cortadores, se recomiendan TCI o cortadores de botones. Este tipo de cortador ejerce una fuerza de carga puntual sobre la roca, lo que genera numerosas lascas pequeñas. Los cortadores trituradores pueden llenar un nicho en la excavación de túneles de diámetro pequeño en base a la observación de que los cortadores estándares y TCI tienen rendimientos comparativamente bajos en rocas de baja resistencia y comportamiento dúctil.

Rodamiento principal y accionamiento principal

El rodamiento principal es la conexión fundamental entre la rueda de corte y el sistema de empuje de la microtuneladora incluyendo los cilindros de dirección. No solo tiene que transferir las cargas de empuje a través de la rueda de corte al frente del túnel, sino que al mismo tiempo tiene que lidiar con el par de giro generado por el accionamiento principal y la velocidad de rotación de la rueda de corte para romper la roca. Al mismo tiempo, el rodamiento principal sella la cámara de excavación contra la presión atmosférica en el túnel. Es por eso que el diseño del rodamiento principal se considera crucial para el éxito de la operación del túnel. Para minimizar el riesgo de fallas en los rodamientos principales, especialmente en proyectos de roca dura, donde se espera usar equipos usados, se debe considerar una reparación o incluso su reemplazo.

Cilindros de dirección

Los cilindros de dirección deben ser lo suficientemente fuertes para transferir la fuerza de empuje necesaria para superar la presión del agua subterránea y la fuerza de contacto de los cortadores para romper la roca. Además, la carrera de los cilindros de dirección debe ser lo suficientemente larga para permitir que la máquina haga curvas y pueda seguir el trazado del túnel proyectado.

Figura 2.- Estación telescópica, estaciones de empuje intermedia y bastidor de empuje principal.

Estación telescópica

Una estación telescópica es vital especialmente para tramos largos. Consiste en un anillo de cilindros hidráulicos ensamblados directamente detrás del escudo de la microtuneladora. Con la estación telescópica, las cargas de fricción de la microtuneladora se separan de las del trazado del túnel. Al operar la estación telescópica, las cargas de empuje se pueden maximizar y controlar con mayor sensibilidad el avance de la máquina, sin sobrecargar las herramientas de corte.

Soluciones anti-giro

Una unidad anti-giro es otro factor importante en la excavación en roca dura. Especialmente en diámetros pequeños, una buena lubricación genera poca fricción entre el escudo y la roca circundante. Por lo tanto, la microtuneladora tiende a girar incluso con un par de giro bajo. Sin embargo, se requieren grandes fuerzas de empuje, altas revoluciones y todo el par disponible para poder transferir una fuerza de empuje lo suficientemente alta como para romper la roca. Esto es necesario especialmente con una rueda de corte pequeña con cortadores pequeños de anillos múltiples. Desde un punto de vista técnico, las unidades anti-giro se pueden dividir en zapatas accionadas por cilindros 'grippers' justo detrás de la estación telescópica y en cortadores montados en cilindros hidráulicos dentro del escudo. El uso de la unidad anti-giro nos asegura que se pueda aplicar todo el empuje disponible y lograr el mejor rendimiento posible durante la excavación.

Figura 3.- Ejemplo unidades antigiro: versión gripper (izquierda) o versión con cortador (derecha).

Estaciones de empuje intermedias

Las estaciones de empuje intermedias son importantes, especialmente para recorridos largos, ya que proporcionan una fuerza de empuje intermedia en una sección de túnel muy larga. Aseguran que la microtuneladora se pueda mover incluso cuando la fricción en la sección de la tubería es demasiado alta o las tuberías alcanzan su capacidad máxima de empuje. Son otro factor clave de éxito para la ejecución de proyectos con largas distancias y especialmente en aplicaciones de roca dura.

Bastidor de empuje principal

El bastidor de empuje principal está ubicado en el pozo de ataque y tiene como objetivo mover la microtuneladora y los tubos hincados hasta el pozo de salida. Sin embargo, su capacidad de empuje a menudo está limitada por el diseño y las cargas admisibles de la propia tubería de hinca, lo que finalmente lleva a una longitud de trazado limitada o al uso más frecuente de las estaciones de empuje intermedias.

Tubos de hinca

Las tuberías para hincar deben ser lo suficientemente resistentes para transferir las cargas de empuje desde el bastidor de empuje principal o estaciones intermedia hasta la microtuneladora que se encuentra delante de la cadena de tubos. Se están utilizando varios tipos de materiales de tubos de hinca en todo el mundo, incluidos acero, hormigón armado y plástico reforzado con fibras entre otros. Crucial para el éxito es el diseño, con suficiente factor de seguridad, calidad en la fabricación y control de calidad antes y durante la instalación en el pozo de ataque.

Otro componente crítico es la unión de la tubería, que tiene que transferir las cargas de empuje de una tubería a otra y debe ser lo suficientemente fuerte para evitar daños. Esto es extremadamente importante en trazados con curvas donde solo una parte de la sección transversal de la tubería se puede utilizar para la transferencia de carga.

Concepto de máquina AVN 800 HR para roca dura

En el pasado, la aplicabilidad de las máquinas de lodos ha sido especialmente limitada en el rango de diámetros no accesibles. Con la AVN 800 HR para roca dura, Herrenknecht ha desarrollado un concepto de máquina equipada con un rodamiento principal más fuerte, una fuerza de empuje tres veces mayor en la rueda de corte en comparación con la AVN tradicional del mismo tamaño y un diseño de rueda de corte adaptado utilizando cortadores TCI (insertos de carburo de tungsteno). Estas herramientas de corte ofrecen un alto grado de resistencia al desgaste, permitiendo trazados de hasta 200 metros sin intervenciones como se ha demostrado en proyectos de referencia internacional.

Proyecto de referencia en Hong Kong, Proyecto de mejora de la red de suministro de agua

Para este proyecto de mejora de la red principal de agua en Hong Kong, el Departamento de Suministros de Agua ha seleccionado una AVN 800 HR. El proyecto incluía la instalación y puesta en servicio de nuevas tuberías, y la rehabilitación e inspección de tuberías existentes con diámetros de hasta DN 1400. Se seleccionó el sistema de hinca de tubería como el método preferido para instalar la sección en Wood Road en el área de Wan Chai.

El contratista de Hong Kong VTEC (Victory Trenchless Eng. Co. Inc.) ha sido adjudicatario para instalar la sección de 107 metros de largo, con un radio constante de 153 metros. El trazado completo del túnel discurría por roca granítica (grado II) con un UCS máximo de 200 MPa.

Debido a las condiciones de roca dura y al pequeño diámetro de solo 960 mm (DE), se seleccionó una AVN 800 HR con cortadores cónicos de 317 mm con cortadores TCI. Debido a la alta abrasividad de la roca, la rueda de corte se ha reforzado con placas de protección adicionales, especialmente en el área del borde, y revestimiento duro adicional en todas las zonas críticas. El AVN 800 HR seleccionado tenía una potencia instalada de 90 kW, lo que permitía una rotación de la rueda de corte de máx. 26rpm @ 260l/min y un par máximo de 55kNm.

Como suele suceder en los proyectos en Hong Kong, el espacio para instalar el equipo para la operación de túnel es muy limitado. Esto dio lugar a desafíos adicionales, no solo para el montaje de la máquina, sino también para la extensión y soldadura de tuberías con un tiempo de soldadura promedio de 2 a 3 horas. Se eligió un diseño de pozo de ataque extremadamente compacto con unas dimensiones aproximadas de 3,5 m de ancho y 6,5 m de largo. Aun con la gran abrasividad de la roca, solo hubo un desgaste moderado de las herramientas de corte.

Figura 4.-. Alrededores de obra, pozo de ataque y AVN 800 HR después del tramo.

Llevó un total de 60 días completar el tramo, incluidos varios días de inactividad. El rendimiento medio diario fue de 4m/día. En el comienzo de la excavación durante el periodo de aprendizaje, se ajustó el accionamiento de la rueda de corte para maximizar el rendimiento. Las medidas de ajuste incluyeron el reemplazo de la bomba hidráulica en el contenedor de control para facilitar una mayor velocidad de rotación de la rueda de corte de hasta 26 rpm.

Máquina de lodos AVNS con bomba de evacuación de lodos con línea de alta presión (Jet Pump)

La gama de máquinas tuneladoras AVNS utiliza la bomba 'jet pump' como bomba de lodo única. El concepto AVNS se ha desarrollado para ampliar el campo de aplicación de las microtuneladoras de lodos y permitir tramos más largos en diámetros pequeños no accesibles. Actualmente, el sistema AVNS se utiliza para la tecnología E-Power Pipe y Direct Pipe. La bomba 'jet pump' está integrada en la microtuneladora y permite una gran capacidad de transporte de lodos al mismo tiempo que requiere muy poco espacio. El grupo hidráulico para el suministro de la rueda de corte y los cilindros de dirección está integrado en la microtuneladora. Esto elimina el acoplamiento de las líneas hidráulicas, que de otro modo sería típico en los procedimientos de hinca de tuberías de pequeño diámetro. La rueda de corte está especialmente diseñada y equipada con herramientas de corte extremadamente resistentes. El cono triturador ubicado detrás de la rueda de corte tritura cantos rodados, rocas u otros materiales hasta un tamaño de grano bombeable.

Figura 5.-  AVNS350 XB (Ø 505 mm diámetro de excavación) con sus componentes.

La primera de su tipo, una AVNS 350 XB, se utiliza en la tecnología de dos etapas E-Power Pipe y está diseñada para un diámetro de excavación de 20 pulgadas. Puede cubrir un espectro geológico que va desde suelos sueltos a rocas blandas de hasta 30 MPa, mientras maneja tamaños de grano de hasta 100 milímetros. En el pasado, incluso las capas de cuarcita con resistencias a la compresión de hasta 100 MPa se han superado con éxito.

AVNS para E-Power Pipe

E-Power Pipe se utiliza para la instalación sin zanjas de tuberías de diámetro pequeño a poca profundidad. En largas distancias de más de un kilómetro, se pueden instalar tuberías tanto resistentes a la presión como no resistentes a la presión. El proceso de dos etapas integra aspectos de la probada tecnología de perforación horizontal dirigida (PHD) y de la hinca de tuberías (microtúneles). Incluso con los requisitos de proyectos más diversos, E-Power Pipe ofrece la posibilidad de instalar tuberías protectoras (camisas) cerca de la superficie, así como otras tuberías que se utilizan en la tecnología sin zanjas, con un impacto mínimo en el paisaje. El amplio rango de aplicaciones abarca desde la instalación de tuberías de protección para cableado e instalación de cables subterráneos para la expansión de la red eléctrica, hasta tuberías para suministro de gas, calefacción urbana o transporte de hidrógeno.

Figura 6.- Etapas del método E-Power Pipe para la instalación sin zanjas de diferentes tuberías en tramos con grandes distancias.

La perforación se sostiene mecánicamente todo el tiempo. Durante la instalación, si es necesario, la tubería se conecta mecánica y térmicamente al suelo añadiendo material de relleno. La longitud de instalación récord actualmente es de 2 km y se logró a principios del 2022 en los Países Bajos, donde se instaló un paquete de tuberías de HDPE para cables subterráneos en una perforación de 20".

Figura 7.- Máquina E-Power utilizada en los Países Bajos, acoplamiento de las tuberías temporal (izquierda) y preparación de la instalación del paquete de tuberías.

AVNS para Direct Pipe

El concepto de máquina AVNS también se ha incorporado en la conocida tecnología Direct Pipe para permitir la instalación en un solo paso de tuberías más largas de menos de 36 pulgadas. Tradicionalmente, los diámetros pequeños estaban limitados por el hecho de que las bombas centrífugas eran demasiado grandes para caber dentro de la tubería. La bomba de evacuación de lodos con línea de alta presión 'jet pump' es esencialmente la misma que se usa para el sistema E-Power Pipe más pequeño y se aplican los mismos principios y requisitos para el equipo auxiliar. Las líneas umbilicales que suministran a la microtuneladora de Direct Pipe de energía, datos de comunicación y todas las demás líneas necesarias, así como el suministro y el retorno de lodo, se han rediseñado para su uso en diámetros pequeños. Lo más notable aquí es que las líneas de lodo de alta presión son totalmente intercambiables para diferentes diámetros de tubería, es decir, se pueden usar dentro de tuberías de 24” así como también en tuberías de 60”.

En Polonia, el primer sistema Direct Pipe de pequeño diámetro que utiliza tecnología de bomba 'jet pump' ha logrado cruzar dos ríos recientemente. Un AVNS 600 completó dos tramos de 28” para el Interconector de Gas Polonia-Lituania.

El primer cruce de 340 metros se completó con la instalación de un único tramo de tuberías soldadas, mientras que el segundo cruce de 884 metros se dividió en dos tramos de tuberías soldadas.

Las condiciones del suelo anticipadas en ambos cruces fueron arena, limo, arcilla, algo de turba y algunos guijarros. Sin embargo, las condiciones del terreno encontradas en el primer cruce fueron significativamente diferentes y cambiaron poco después a grava pesada y algunos cantos rodados durante casi el resto del recorrido. Este prototipo demostró lo que se consideró imposible durante décadas: la instalación de tuberías de pequeño diámetro con una máquina AVN de lodos son factibles incluso para largas distancias.

Figura 8.- Instalación en obra en Polonia para un cruce de río con tubería de 28” con Direct Pipe.

Direct Pipe se usa típicamente para cruzar ríos de manera segura. Gracias al mayor desarrollo técnico y a la creciente popularidad entre clientes y contratistas, la gama de aplicaciones de Direct Pipe se ha ampliado constantemente en los últimos años. Hoy en día, Direct Pipe también se usa cada vez más para la instalación de tuberías de tomas y descarga o cables, especialmente cuando se deben respetar estrictos requisitos ambientales en las áreas costeras. Los nuevos desarrollos en tecnología de máquinas, por ejemplo, la bomba 'jet pump' y el diseño del cabezal de corte, ahora hacen posible usar Direct Pipe incluso con diámetros pequeños a partir de 24".

Debido a la conciencia ambiental pública y a la necesidad de cada vez más instalaciones subterráneas de servicios públicos, se requieren métodos inteligentes de instalación sin zanjas para una instalación rápida y segura, con un impacto mínimo en el entorno. No solo se trata de redes de alcantarillado y agua, sino también de tuberías o instalaciones de cables subterráneos para conectar y utilizar nuevas fuentes de energía, como la eólica marina o la hidroeléctrica.

Dentro de la gama de tecnologías sin zanjas, las microtuneladoras de lodos desempeñan un papel clave, no solo en la hinca de tuberías. Las microtuneladoras de lodos también se utilizan en otras tecnologías más nuevas como E-Power Pipe y Direct Pipe.

Los nuevos métodos de construcción sin zanjas y el mayor desarrollo de las tecnologías existentes ofrecen una mayor flexibilidad a las partes involucradas en la planificación y ejecución de obras sin zanjas. Hoy en día, las tecnologías sin zanjas cubren todo el espectro geológico, con una gran flexibilidad en cuanto a diámetros, longitudes y profundidades en los tramos de red a instalar.

Las nuevas tecnologías como E-Power Pipe muestran sus puntos fuertes donde los métodos establecidos desde hace mucho tiempo como PHD alcanzan sus límites en términos de viabilidad.