Métodos de excavación mecánica

En la excavación mecánica, la energía utilizada se concentra en la punta del útil o útiles de la máquina en contacto con la roca, de modo que supera la resistencia de la roca a su penetración o indentación y la resistencia a tracción y cizallamiento. Generalmente, la energía inicial es suministrada por motores eléctricos que, mediante un circuito hidráulico, la transmiten a las herramientas de corte en contacto con la roca. Los sistemas de excavación mecánica son fundamentalmente tres: rozadoras, tuneladoras y martillos hidráulicos.

En la excavación mecánica se utilizan distintas herramientas o útiles de corte, que son los elementos que impactan sobre la roca y arrancan de ella pequeños fragmentos. Algunos de estos útiles de corte son:

• Picas de fricción (o de desgaste).
• Cortadoras de disco.
• Cortadoras de ruedas dentadas.
• Cortadora de botones.
• Impactadores.
• Cortadores vibrantes.

Las picas de fricción son el elemento de corte utilizado por las rozadoras y por algunas tuneladoras de terrenos blandos. Básicamente constan de un inserto de metal duro (Widia) dentro de una matriz de acero de alta dureza y tenacidad. El campo óptimo de utilización de las picas está dentro de las rocas que no superen los 800 Kp/cm2 de resistencia a compresión, o menor si es muy abrasiva.

Para rocas de mayores resistencias, entre los 800 y los 2200 Kp/cm, el elemento de corte adecuado es el cortador de disco, que es el que habitualmente utilizan las tuneladoras o topos. Para resistencias aún mayores se emplean los cortadores de botones, pero no es frecuente utilizarlo en excavaciones mecánica en tales casos. El cortador de disco consiste en una base de metal duro en forma de disco con uno o varios filos recambiables de acero endurecido y montado sobre un soporte de rodamientos.

Máquinas topo (TPM)

Las máquinas topo, tuneladoras o TBM (Tunnel Boring Machine) son máquinas integrales de construcción de túneles, por cuanto son capaces por sí solas de excavar roca, retirar el escombro y aplicar el revestimiento del túnel. La máquina va avanzando dejando detrás de sí el túnel terminado.

En la imagen de arriba se observa el esquema de un topo. Consta de una cabeza de corte giratoria de forma circular donde van alojados los discos cortadores. Detrás de la cabeza se encuentra un sistema formado por gatos que presionando sobre el terreno y sobre la cabeza ejercen en ésta la presión necesaria como para realizar con éxito la excavación de la roca. El escombro se carga automáticamente en el frente y se conduce hacia atrás mediante una cinta transportadora, que lo deposita en unas vagonetas para su traslado al exterior.

También pueden existir sistemas adicionales de colocación de bulones, de cerchas y de hormigonado. Los topos también pueden tener sistemas para colocación de railes sobre los que circulan las vagonetas y una plataforma donde va alojado todo el sistema de control, guiado y suministro de energía. En definitiva, el topo consta de todos los elementos necesarios para completar el túnel, montados uno tras otro y actuando de forma sucesiva.

Rozadoras

La rozadora es una máquina excavadora que, mediante una cabeza rotatoria provista de picas de fricción que inciden sobre la roca, arranca pequeños fragmentos de ésta. La cabeza va montada sobre un brazo articulado con el fin de que pueda acceder a todos los puntos del frente de excavación. Completan la rozadora un sistema de recogida y transporte del escombro y un chasis automóvil sobre orugas.

Existen dos sistemas distintos de corte en las rozadoras actuales: el ripping de cabezal frontal y el milling de cabezal radial. En el ripping la cabeza gira en torno a un eje que es perpendicular al eje del túnel, tratándose en realidad de dos cabezas simétricas. Las picas golpean frontalmente a la roca. En el milling la cabeza gira en torno a un eje longitudinal, paralelo al eje del túnel. Las picas van dispuestas en forma helicoidal y golpean a la roca de forma lateral. Ambos sistemas proporcionan resultados similares, por lo que no se puede considerar que uno sea mejor que el otro, si bien a igualdad de potencia de la cabeza de corte y para una roca de dureza determinada, el rendimiento de excavación de las rozadoras de cabezal frontal es un 30% superior al de las rozadoras con cabezal radial. Por otra parte, también existen varios sistemas de carga del escombro: mediante brazos recolectores, mediante mesa recolectora, paletas, cinta transportadora acoplada al brazo, etcétera.

Las picas son de dimensiones y formas distintas según el uso a dar. Cada fabricante proporciona unos criterios de uso de sus picas, que también han de comprobarse sobre el terreno hasta elegir el tipo más adecuado. Generalmente se usan picas delgadas y estrechas para suelos y rocas blandas y picas gruesas de forma fusiforme para las rocas más duras.

Las rozadoras se clasifican por su peso, dado que la fuerza que ejerce la cabeza contra la roca es contrarrestada únicamente por el peso de la máquina. De este modo, a mayor peso mayor será la capacidad de la rozadora para excavar rocas más resistentes, y por tanto irá dotada de mayor potencia de corte.

Martillo hidráulico

El martillo hidráulico montado sobre una retroexcavadora ordinaria de cadenas tiene una importante utilidad cuando se trata de excavar rocas blandas o fisuradas en las fases de destroza, donde compite ventajosamente con los otros métodos más potentes. En la fase de avance no debe emplearse, pues este sistema necesita al menos dos caras libres de salida de la roca para lograr un rendimiento adecuado. Las ventajas principales son el bajo coste, necesidad de pocos operarios, y una mayor producción, movilidad y flexibilidad.

Hoy en día existen sistemas automáticos que ajustan la fuerza y la cadencia de los golpes en función de la resistencia que presenta el terreno, con lo que se consiguen rendimientos muy elevados. También se montan martillos sobre excavadoras-cargadoras provistas de un sistema de evacuación de escombros como mostramos en el esquema de abajo.

Referencias bibliográficas:

• Sinha R.S.: “Underground Structures. Design and Construction”, Elsevier.
• Cornejo, L.: “Excavación Mecánica de Túneles”, Ed. Rueda.
• Edwards J.T.: “Civil Engineering for Underground Rail Transport”, Butterworths.
• I.T.G.E.: “Manual de perforación y voladura de rocas”, Instituto Tecnológico Geominero de España.