Métodos de extracción de escombros en excavaciones subterráneas

Un sistema eficiente de transporte y extracción del escombro reduce el tiempo de los ciclos de trabajo y el coste de la propia obra. Esto es debido a que en una excavación subterránea se dispone siempre de poco espacio y, además, el acceso al frente de excavación es muy restringido (únicamente a lo largo del túnel ya excavado). Es fundamental, pues, quitar el escombro rápidamente para que puedan iniciarse las tareas de sostenimiento, extrayéndolo para que no dificulte el movimiento de máquinas y materiales por el túnel.

El sistema que se debe emplear dependerá de la cantidad de material a transportar por ciclo y de la longitud de transporte. En túneles de carretera las secciones de excavación son grandes (entre 80 y 110 m² por lo general), con lo que el volumen de escombro es importante. Esto hace que no se usen en general los sistemas de transporte mediante cinta o vagonetas, sino los sistemas mediante maquinaria sobre neumáticos. Los métodos más usuales, en función de la distancia de transporte, son los siguientes:

Palas cargadoras de perfil bajo: Para distancias cortas (inferiores a unos 500 metros) y túneles de pequeña y mediana sección, se utiliza una pala con un cazo de gran capacidad (3m³) que carga el escombro del frente y lo lleva hasta el exterior. No es necesario girar la máquina ya que el maquinista se sienta lateralmente y puede conducir igualmente en ambos sentidos. Para distancias más largas se utilizan zonas de acopio intermedio de escombros.

Palas cargadora + camión dumper: Se usa en distancias mayores de 500 metros en túneles de gran sección (>70 m²). Una pala cargadora sobre neumáticos recoge el escombro y lo carga sobre el camión, que lo saca fuera del túnel. La pala suele ser articulada para facilitar sus movimientos dentro del túnel. Si la distancia es muy grande, se pueden habilitar zonas de ensanche a lo largo del túnel que permiten el cruce de camiones dumper o emplear dumpers formados por una cabeza tractora y cajas desacoplables. Cuando la excavación se realiza con máquina tuneladora y para túneles de gran sección, la extracción se escombros se realiza con camiones dumper que son cargados en el frente por la cinta porticada del topo.

Vagonetas sobre vía: Para túneles muy largos y de secciones medianas, la extracción de escombros se realiza con vagonetas sobre vía. Son recomendables para distancias de transporte superiores a los 1500 m.

Para elegir el sistema de excavación a emplear en un determinado túnel se manejan varios criterios, algunos de índole técnica y otros económica. A continuación mostramos los aspectos que se tienen en cuenta en cada uno de ellos. Por supuesto, en cada caso concreto puede tener condicionantes de otro tipo que obliguen a una determinada solución.

Resistencia del terreno. Cuando la roca tiene una alta resistencia es obligado a emplear la excavación mediante explosivos, mientras que si la resistencia es media o baja pueden emplearse indistintamente la voladura o la excavación mecánica. En la imagen inferior se muestra un criterio generalmente aceptado de la excavabilidad mecánica de las rocas en función de su resistencia, compresión simple y de su RQD.

Abrasividad de la roca. Una alta abrasividad de la roca hace inviable la excavación mecánica, principalmente con rozadora. Hay que tener en cuenta las condiciones de la excavación mecánica en función del Contenido Equivalente de Cuarzo (CEC) de la roca. El CEC se obtiene a partir de la composición mineralógica de la roca y aplicando a cada mineral el factor determinado requerido. Existen ensayos de laboratorio, como el ensayo Cerchar, que determinan la abrasividad de una roca.

Forma y dimensiones de la sección. La sección tipo del túnel puede ser un condicionante por alguno de los siguientes motivos:

Los topos permiten únicamente perforar túneles de forma circular, por lo que en túneles de carretera, que necesitan una base plana, se desaprovecha mucho espacio. Hoy en día ya se fabrican topos con varias cabezas que proporcionan secciones ovaladas, pero son relativamente caros y sus uso está limitado a suelos o rocas blandas.

En la excavación de túneles de carretera en roca, los topos se usan en ciertas ocasiones en la ejecución de galerías piloto. Estas galerías sirven para el reconocimiento del terreno y actúan como un gran cuele que facilita la excavación posterior del resto de la sección con perforación y voladura o con cualquier otro sistema de excavación.

Actualmente los topos más grandes existentes en el mercado alcanzan los 12 m. de diámetro y las rozadoras de mayor envergadura de brazo alcanzan los 7,50 m. de altura de corte. Los túneles de carretera, por su gran sección, generalmente se excavan en fases, usándose mayoritariamente el método de perforación y voladura para rocas duras y las rozadoras y excavadoras hidráulicas para rocas blandas.

Coste de la maquinaria. Los topos tienen un coste elevado de inversión inicial. Esta inversión resultará rentable para un determinado número de metros lineales de túnel perforado, lo que exigirá un proyecto con importantes longitudes de túneles que permitan la amortización del topo. Para secciones normales, existe un amplio mercado de topos de segunda mano que, convenientemente readaptados pueden ser utilizados en régimen de alquiler o compra con unos costes razonables.

Vibraciones. Los explosivos producen unas vibraciones que los hacen muy complicados de utilizar en zonas urbanas o próximos a edificios habitados o de interés. Incluso pueden existir problemas cuando la voladura se efectúa en la proximidad de vías de circulación en uso como carreteras, ferrocarriles, etcétera. En tales casos, normalmente se prefiere utilizar medios mecánicos de excavación por razones de seguridad con el fin de evitar posibles daños.