OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE ESCUDOS: PRESENTE Y

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE ESCUDOS:
PRESENTE Y FUTURO
ESCUDOS “EPB” DE ÚLTIMA GENERACIÓN
(15 AÑOS DE EXPERIENCIAS EN ESPAÑA)
F. MENDAÑA
Dr. Ingeniero de Caminos
Canales y Puertos
Barcelona Abril 2009
0
• Sección
circular
• Excavación
manual
(recintos)
• Empuje y
revestimiento
mecanizados
• Tracción
animal
ESCUDOS EN TÚNELES DE FINALES DEL SIGLO XIX
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BREVE RESUMEN HISTÓRICO DE LAS TBMs
FECHA
APARICION
AÑOS DESDE
ORIGEN (1818)
TIPO DE MAQUINA
1818
Máquina de Brunel
ESC
0
1869
Máquina de Greathead
ESC
50
1875
Presurización integral
ESC
57
1956
TBM Robbins
TBM
145
1962/67
Anillos de hormigón
roca
145
1960/70
Primeros “Hidroescudos”
ESC
150
1979/89
Primeras “EPBMs”
ESC
165
1990/99
Escudos convertibles
ESC
170
(“Hidro” / ”EPB”)
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Campos de aplicación de escudos EPB / Hidros
EPB / Mixshield application fields
Sieve Size
100
Clay
Silt
Medium
Fine
Coarse
Sand
Medium
Fine
Coarse
Gravel
Medium
Fine
Coarse
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,001
0,002
0,006
0,02
0,06
0,2
0,6
2,0
EPB Methods
6,0
20.0
60,0
Hydroshield Methods
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Esquema general de un ESCUDO “EPB”
General layout of a EPB Shield
2
9
5
10
1
4
8
10
7
3
6
1. Mamparo
3. Cojinete principal
5. Esclusa
2. Barras batideras 4. Motores (Rueda de corte)
7. Tornillo 9. Erector dovelas
6. Cilindros (empuje) 8. Cinta
10. Dovelas
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Escudos “EPB”.- Esquema de presiones de sostenimiento.
EPB Shields.Pressure Supporting schemes
Presión de agua
Water Pressure
Presión del terreno
Ground Pressure
Presión de tierras de la cámara
Earth chamber Pressure
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Límites usuales del trabajo de los Escudos EPB
Usual limits of EPB Operation
Particle Size Distribution
100
Clay
Fine
Silt
Medium
Coarse
Fine
Sieve Size
Sand
Medium
Coarse
Gravel
Medium
Fine
Coarse
Percentage Passing
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,001 0,002
0,006
0,02
0,06
0,2
0,6
2,0
6,0
20.0
60,0
Particle size in mm
Trabajo normal sin aditivos. / Normally work without foam additives.
Trabajo posible sólo con aditivos. / Only possible with foam additives.
Trabajo posible sólo con aditivos y sin carga de agua. / Only possible with foam additives /
no groundwater presence
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MEJORAS DE DISEÑO LOGRADAS EN LOS ESCUDOS EPB
ESPAÑOLES (2005-2009
1)
Accionamiento de la rueda de corte
2)
Los diseños de tipo “dual”.
3)
Colmatación de la rueda / Formación de bloques.
____________
4)
Mantenimiento de la presión en cámara.
5)
Relleno del “gap” escudo / terreno.
6)
Sistemas “antirrolling”.
7)
Detector de desgastes (frentes mixtos)
____________
8)
¿Detección de obstáculos?
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PARÁMETROS PRINCIPALES DE LOS ESCUDOS EPB
En los escudos EPB se pueden utilizar las siguientes fórmulas
aproximadas para calcular el Empuje y el Par
Empuje
Fn = Esfuerzo nominal en KN
Fn  100  K  Sex
Con 7,5 < K < 15
Sex = sección excavación en m2
Par
M = Par de giro en KNm
M    D3
22 < α < 30
D = Diámetro excavación en m
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ESCUDOS “EPB”. Herramientas de corte. Aberturas
Terrenos blandos: Cuchillas, tipo “scrapers”
Frentes mixtos: Añadir “cortadores de disco” o herramientas tipo “ripper”
19 CORTADORES
DE DOBLE
DISCO Ø 17"
NARIZ
CORTADOR DE
DOBLE DISCO Ø17"
2 CORTADORES
DE G ÁLIBO
186 “SCRAPERS ”
Cuchillas tipo
“SCRAPERS”
16 RASTRILLOS
(2 COPY
CUTTERS )
30% Stotal < ∑ABERTURAS = 32% Stotal <40% Stotal
α: Ángulo de arranque
β: Ángulo de ataque
γ: Ángulo de desprendimiento
δ: Ángulo de corte (α+β)
s: Espesor de desprendimiento
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Escudo E.P.B. Øexc = 12,06 m
LÍNEA 9 (Gorg-Sagrera) METRO BARCELONA
33% de Aberturas
Par nominal: 38.022 KN* m
Desplazamiento axil: 400 mm
Zapatas orientables.
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– Diámetro de excavación..................................................12,06 m (Htas. Nuevas)
– % de aberturas de la rueda………………………………..33%
– Par nominal máximo………………………………………..38.022 kN* m (α≈22)
– Par de desbloqueo……………………………………….
45.626 kN * m (α≈26)
– Velocidad de giro de la rueda…………………………….. 0 – 3,6 rpm
– Diámetro del cojinete principal…………………………….6.600 mm
– Tipo de motorización de la rueda………………………… Hidráulica
(24 moto-reductores)
– Potencia de la motorización………………………………. 4.000 kW
– Desplazamiento axial rueda……………………………….400 mm
– Empuje nominal máximo...…………………………………120.759 kN (K = 10)
– Empuje excepcional………………………………………...138.010 kN (K = 12)
– Presión hidráulica………………………………………….. 400 Bar
– Antirrolling………………………………………………… si (zapatas orientables)
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PROYECTO “CALLE 30” DE MADRID) (Segmento SE-S-SW del periférico M-30)
• Circuito bitubo subterráneo de 12 km. / 3 carriles / ruta rescate.
• Comprende 2 Túneles Øexc = 15 m (L ≈ 3.600 m /ud)
• MEJORAS:
– Δ 100% Capacidad de tráfico
– Reducción contaminación (-35.000 t/año CO2
– Mejora de la seguridad (-400 acc/año)
– Restitución de amplias zonas verdes
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ESCUDO “EPB” HNK Øexc : 15,16 m
TÚNEL NORTE CALLE 30
• Doble cabeza: Impedir “autorrolling” / Compensar los Pares de giro parcialmente.
• Rueda interior: Øexc = 7 m / 6 radios / Configuración mixta / Par = 84.500 kN* m (10 motores)
• Corona exterior: 12 radios / Configuración mixta / Par = 96.000 kN* m (24+32 motores)
• Motorización hidráulica: 14.000 kW (10.700 kW aplicados)
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ESCUDO “EPB” HNK Øexc : 15,16 m
TÚNEL NORTE CALLE 30
• Tornillos sinfín: 1 ud. central Ø 600 mm / 2 uds. en corona Ø 1.200 mm/ud.
• Cabeza (conjunto): 57 cortadores dobles Ø 17” / 332 “scrapers” / 24 piezas periféricas.
• Aberturas: 32% de la Superficie total. Plazo y rendto.: 6,25 meses / 543 m/mes.
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TÚNEL SUR CALLE 30
ESCUDO “EPB” MHI
• Rueda única Øext= 15,10 m
–Configuración mixta
–44 cortadores triple disco 17 “ / 678
piezas ( “scrapers” y “rippers”)
–Antirrolling por reorientación de las
zapatas.
• Motorización eléctrica. F.V.
–Par nominal: 86.000 kN* m (α=25)
Par desbloqueo 127.000 kN*m (α=37)
–Potencia: 10.700 kW
28 Motores de 358 kW/ud (a la cara
exterior de la corona)
• Aberturas: 43%
• Tornillo sinfín:
–1 ud. Ø 1.500 mm
–1 agitador 3 brazos (cámara)
• Varios
–Erector con 2 mesas de vacío
• Plazo y rendto. mantenido: 6,25
meses / 566 m/mes
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Montajes en factoría y en
obra
de los escudos de
Calle 30 (Madrid)
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ESCUDOS: EVOLUCIÓN DEL PAR DE GIRO
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ESCUDOS: EVOLUCIÓN DEL EMPUJE NOMINAL
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ESCUDOS EN TERRENOS CAMBIANTES
 ESCUDOS CONVERTIBLES (“Hidro” / “EPB”)
– Diseño alternativo para trabajar en “modo
E.P.B. (terrenos cohesivos) o bien en
“modo” Hydro (terrenos granulares)
– En las máquinas modernas, el cambio de
modo se hace en el túnel, en un plazo
máximo del orden de 1 mes.
– Es obligado montar Instalaciones de
transporte de escombro de ambas
tipologías.
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