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Dovelas para túneles

Dovelas para túneles Ing.

Jaime Gómez Jurado Sarria


 

 

Las técnicas para construir túneles se empezaron a desarrollar hace más de 5000 años.
 
La primera construcción de un túnel para la conducción de agua y para drenaje se remonta al año 2500 AC cuando la reina Semíramis mando a construir un túnel de un kilometro de longitud bajo el rio Éufrates, el cual conectaba el palacio real con el templo de Baal en Babilonia; en el año 700 AC se construyeron túneles que alcanzan 540 m de longitud para el suministro de agua en Jerusalem, los que fueron excavados utilizando únicamente cinceles y martillos y en el año 36 AC el emperador Octavio de Roma construyó el primer túnel para caminos cerca a Nápoles, el cual aún permanece en uso.

Una de las formas más eficientes para la construcción de túneles en nuestros días son las máquinas del tipo TBM, (del inglés Tunnel Boring Machine) también llamadas Tuneladoras o Topos, las cuales excavan túneles a sección completa.
 
 
 
Normalmente la excavación se realiza con una cabeza giratoria equipada con elementos de corte, que tienen un diámetro ligeramente superior al del túnel, el cual se puede conformar con anillos por dovelas.
 
 
 
Las dovelas son elementos prefabricados de concreto, que se atornillan entre sí, formando un anillo troncocónico. La construcción del túnel con revestimiento por anillos prefabricados permite el trazado con alineación en curva horizontal o vertical.  Esto es debido a que los anillos son troncos de conos, los cuales según la posición en que se coloquen sus caras contiguas pueden generar una alineación curva. 
 
Las dovelas que se colocan como revestimiento de los túneles aportan la resistencia del túnel a presiones externas, constituyen el recubrimiento interno del túnel y proporcionan soporte axial a la máquina TBM para asegurar el avance del túnel.
 
En algunos casos, los anillos soportan la construcción de un carril de rieles por el que avanza la máquina tuneladora. 
 
El sistema de armado de dovelas queda localizado en la parte trasera de la máquina tuneladora, de tal manera que una vez esta avanza una distancia equivalente a la longitud de las dovelas, se detiene el corte y se coloca un nuevo anillo. 
 El empuje necesario para que la tuneladora avance, se consigue mediante un sistema de gatos perimetrales que se apoyan en el último anillo que conforman las dovelas o en zapatas móviles que las empujan contra la pared del túnel, de forma que se obtiene un punto fijo de apoyo para el avance de la tuneladora.  Detrás de la tuneladora se engancha una serie de plataformas arrastradas por la propia máquina, en las cuales se alojan los transformadores, equipos de ventilación, depósitos de mortero y el sistema de evacuación del material excavado, el cual para suelos blandos es a menudo un tornillo sin fin. 
 
Durante la fase de excavación, las dovelas que conforman el anillo son transportadas en la parte de atrás del túnel hacia la tuneladora por un tren, en el que las colocan en orden de ensamblaje. La manipulación de las dovelas en el túnel se hace por medio de una o varias reservaciones o dispositivos que se dejan en la superficie interior de las dovelas, las cuales permiten enganchar los implementos de izaje. Para la instalación se utiliza un robot.
 
 Los túneles construidos con TBMs tienen diferentes aplicaciones, pueden ser para tráfico vehicular, trazado de trenes, líneas de metros, transporte de agua o en general para fines utilitarios. 
 
La construcción de túneles con TBM es eficiente debido a que la excavación se realiza en secciones completas de terreno y a que las dovelas colocadas proporcionan resistencia al túnel para continuar avanzando. Los diámetros del túnel son variables y pueden ser muy pequeños, p.e. menores de 4,2 m para utilitarios o hasta muy grandes para los de tráfico. El diámetro mínimo para tráfico debe ser mayor de 4.2 m. El mayor diámetro alcanzado hasta el momento es de 15.55 m para la construcción de la autopista entre Bologna y Florencia en Italia.
 
 
 
  • Características de las dovelas 
 
 El número de dovelas para conformar los anillos y la calidad de los materiales son definidos de acuerdo con la geometría y el diseño del túnel, de manera que para cada proyecto se establecen unas especificaciones determinadas para las dovelas, que requieren de moldes únicos para cada túnel. Dependiendo de las condiciones del túnel, se acostumbra a utilizar anillos universales conformados por 6 a 11 dovelas, de las cuales hay una más pequeña que permite cerrar el anillo. Los extremos de los anillos no son paralelos lo que permite al túnel tener diferentes alineaciones. La fabricación de las dovelas requiere moldes de gran precisión y perfecta geometría, puesto que la tolerancia de los anillos es de pocos milímetros.
 
El diseño del concreto que se utiliza en las dovelas es crucial para asegurar el buen desempeño de las mismas, por lo que se deben considerar las características en estado fresco requeridas para lograr una adecuada compactación, el tiempo de manejabilidad, el fraguado, la resistencia a diferentes edades y los parámetros asociados con durabilidad, para asegurar que el túnel tenga un horizonte de servicio de acuerdo a las necesidades del proyecto. 
 
Las dovelas tienen reservaciones o puntos de conexión que permiten que al momento de la instalación de los anillos se coloquen unos pases que aseguran la posición y dan continuidad a las dovelas; así mismo tiene unas ranuras para la instalación de barras guía que facilitan el ensamble de unas dovelas contra las otras y unas almohadillas en las zonas de empuje de los gatos de avance encargadas de distribuir de manera uniforme los esfuerzos en todo el perímetro de los anillos que conforman; así mismo, para evitar las infiltraciones cada dovela tiene un empaque perimetral que trabaja por compresión entre las uniones, estos empaques se colocan antes de salir de planta por lo que deben ser resistentes a los rayos ultravioleta para que no se deterioren durante el periodo de almacenamiento, antes de ser utilizadas. 
 
 
 
  • Fabricación de Dovelas 
 
 El sistema de fabricación de dovelas, depende de las condiciones particulares de cada proyecto y puede ser con moldes estacionarios o con moldes en carrusel. La vibración y los sistemas de desmolde, así como la distribución de la planta para la fabricación de dovelas y los elementos de los moldes deben ser cuidadosamente establecida. La vibración depende del peso de cada dovela y su geometría, así como la consistencia del concreto y el tiempo establecido para el vaciado del concreto. La consistencia del concreto varía desde mezclas muy secas que requieren alta energía de compactación hasta mezclas autocompactantes que no requieren de vibración.
 
En general las etapas de fabricación de dovelas son: armado de canastas, alistamiento de los moldes, aplicación de desmoldante y cierre de la formaleta, vaciado del concreto, aplicación de vapor, desmolde y volteado de dovelas, colocación de accesorios, almacenamiento y el transporte de dovelas al sitio de la obra.
 
El armado de las canastas de refuerzo convencional requiere de mucha mano de obra o de costosos equipos si se hace de manera semiautomática, por lo que algunos proyectos han utilizado fibras de macrorefuerzo. Las tolerancias de figuración del acero para cumplir con la geometría de las canastas son más estrictas que para otros tipos de prefabricados y para el ensamble de las canastas se utilizan matrices milimétricas para ensamblar las varillas.  
 
El alistamiento de los moldes consiste en verificar las dimensiones, la nivelación, los empaques y los vibradores, para asegurar que al momento de realizar el vaciado se obtengan dovelas con la geometría establecida.
 
La aplicación del desmoldante se hace antes de colocar la armadura dentro del molde para prevenir que el concreto se adhiera al molde y se presenten desportilladuras indeseables.
 
 El cierre de la formaleta se hace posterior al colocado de la armadura dentro del molde y es uno de los momentos más críticos para asegurar la calidad de las dovelas por cuanto en caso de que no se realice de manera controlada podría moldearse una dovela por fuera de especificaciones que no permita ensamblar los anillos dentro de las tolerancias establecidas. 
 
El vaciado del concreto se hace de manera continúa mientras permanecen encendidos los vibradores de los moldes. En esta etapa del proceso se requiere que la trabajabilidad del concreto sea uniforme y que el suministro sea constante para que se obtenga buena compacidad dentro del molde, de manera que se obtenga una textura cerrada e igual en las todas las caras de las dovelas. 
 
Con el propósito de reutilizar las formaletas con la mayor frecuencia posible, de la misma manera que para otros prefabricados de concreto, se acostumbra aplicar vapor para acelerar la resistencia del concreto. La aplicación de vapor se hace de acuerdo con curvas establecidas por cada fabricante en la que en términos generales se establece un gradiente máximo de temperatura de 15º C por hora para evitar choques térmicos. 
 
Para el desmolde y volteado de las dovelas se requiere que se haya alcanzado la resistencia a compresión para manipulación establecida por el diseño estructural y que, la diferencia de temperatura de las dovelas con el medio ambiente, no sea superior a 15º C, en caso de que se hayan curado con vapor; esta actividad se puede hacer con dispositivos que sacan la dovela de la formaleta y le dan la vuelta para dejarla en la posición de almacenamiento, momento en el que se pueden colocar los accesorios, tales como empaques de caucho, barras guía y almohadillas de empuje.
 
El almacenamiento y el transporte de dovelas al sitio de la obra se hace colocando las dovelas que conforman un anillo en un solo arrume de acuerdo con el orden de instalación.
 
 
 
  • Plantas con moldes estacionarios 
 
En este sistema de fabricación los moldes permanecen en el mismo sitio durante el proceso de fabricación, lo que significa que las operaciones de colocación de refuerzo y vaciado de concreto se realizan en cada molde, desplazando el personal y las materias primas para cada dovela. Una vez que se alcanza la resistencia para manipulación, cada dovela se desencofra y transporta de manera individual a la zona de almacenamiento inicial en donde se pueden llevar a cabo las actividades de colocación de los accesorios y al almacenamiento en patio donde se organizan por anillos.
Este tipo de disposición de plantas es seleccionado para proyectos cortos o en países en los que el costo de la mano de obra es bajo, como en Colombia, en donde se ha utilizado esta metodología para los proyectos de saneamiento del rio Bogotá. 
 
 
 
  • Plantas en carrusel 
 
En esta modalidad los moldes son transportados de manera automática a las estaciones de trabajo, las cuales son: Preparación y lubricación de molde, Colocación de refuerzo, vaciado del concreto en cabina, cabina de curado (entre 5 y 10 horas) y estación de desmolde. 
Está metodología aumenta la velocidad de producción para el mismo número de moldes y resulta conveniente en países con alto costo de mano de obra en los que es preferible hacer mayor inversión en equipos. Una ventaja de este método es que reduce la contaminación auditiva porque la vibración del concreto es realizada en un espacio cerrado y la manipulación se realiza con un robot.
 
 
 
  • Instalación de Dovelas
 
La instalación de dovelas requiere de un constante suministro, de manera que cualquier parada de la TBM debido a falta de suministro de dovelas o deficiente calidad podría ser desastrosa y muy costosa, por ello, se debe balancear muy cuidadosamente el ritmo de producción con la velocidad de instalación, lo que generalmente requiere que se tenga almacenada una cantidad suficiente de dovelas con la resistencia adecuada para la operación de empuje.
 
 
 
  • Saneamiento del Río Bogotá 
 
 Dentro de las obras que hacen parte del programa de saneamiento del Río Bogotá y que mejorarán sustancialmente la calidad de vida de más de 8 millones de bogotanos, se ha utilizado tecnología sin zanja con Tuneladora TBM y revestimiento con dovelas prefabricadas en el Interceptor Fucha-Tunjuelo y actualmente se construye el Interceptor Tunjuelo - Canoas. 
 
El Interceptor Fucha-Tunjuelo estuvo a cargo del consorcio colombo francés I.F.T., conformado por las firmas: Conconcreto; CSM Bessac; y Soletanche Bachy Cimas. La construcción del Interceptor Tunjuelo-Canoas está a cargo del consorcio Colombo brasilero I.T.C., conformado por las firmas Norberto Odebrech; y Cass Constructores y compañía. 
El interceptor Fucha-Tunjuelo consiste en un túnel de 9.4 km de longitud, de diámetro interior de 3.75 m y el interceptor Tunjuelo-Canoas tiene una longitud de 8.1 km con un diámetro de 4.20 m, el cual tiene además un túnel de emergencia de 3.1 km con un diámetro de 3.20 m.
 
 
 

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