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Antecedentes

Un túnel es un pasaje subterráneo o submarino que es principalmente horizontal. Los de diámetro relativamente pequeño llevan líneas de servicios públicos o funcionan como tuberías. Los túneles que transportan personas por ferrocarril o por automóvil a menudo comprenden dos o tres pasajes grandes y paralelos para el tráfico en dirección opuesta, los vehículos de servicio y las rutas de salida de emergencia.

El túnel más largo del mundo transporta agua a 170 km de la ciudad de Nueva York desde el río Delaware. El túnel de transporte de personas más largo es el túnel ferroviario de Seikan. Se trata de una conexión ferroviaria de 33 mi (53 km) de longitud y 9,7 m de diámetro entre las dos islas más grandes de Japón, Honshu y Hokkaido.

Uno de los túneles más esperados fue el del Canal de la Mancha. Terminado en 1994, este túnel conecta Gran Bretaña con Europa a través de tres túneles de 31 millas (50 km) de longitud (dos de ida y uno de servicio). Veintitrés millas (37 km) de este túnel están bajo el agua.

Historia

Los túneles fueron excavados a mano por varias civilizaciones antiguas en las regiones de la India y el Mediterráneo. Además de las herramientas de excavación y las sierras de cobre para roca, a veces se utilizaba el fuego para calentar una obstrucción de roca antes de rociarla con agua para romperla. El método de cortar y cubrir -excavar una zanja profunda, construir un techo a una altura adecuada dentro de la zanja y cubrir la zanja por encima del techo (una técnica de excavación de túneles que todavía se emplea hoy en día)- se utilizaba en Babilonia hace 4.000 años.

El primer avance más allá de la excavación manual fue el uso de la pólvora para volar un túnel de canal de 515 pies (160 m) de largo en Francia en 1681. Los dos siguientes avances importantes se produjeron hacia 1850. La nitroglicerina (estabilizada en forma de dinamita) sustituyó a la menos potente pólvora negra en la voladura de túneles. El vapor y el aire comprimido se utilizaron para impulsar los taladros para crear agujeros para las cargas explosivas. Esta mecanización acabó sustituyendo el proceso manual que se hizo famoso por John Henry, el «hombre del acero», que movía un mazo de 10 libras (4,4 kg) con cada mano durante 12 horas al día, clavando cinceles de acero a una profundidad de hasta 14 pies (4,2 m) en la roca sólida.

Entre 1820 y 1865, los ingenieros británicos Marc Brunel y James Greathead desarrollaron varios modelos de escudo para túneles que les permitieron construir dos túneles bajo el río Támesis. Un recinto rectangular o circular (el escudo) estaba dividido horizontal y verticalmente en varios compartimentos. Un hombre que trabajaba en cada compartimento podía retirar un tablón a la vez de la cara del escudo, excavar unos centímetros más adelante y volver a colocar el tablón. Cuando se había excavado el espacio de toda la superficie frontal, se empujaba el escudo hacia delante y se repetía el proceso de excavación. Los trabajadores de la parte trasera del escudo revestían el túnel con ladrillos o anillos de hierro fundido.

En 1873, el tunelero estadounidense Clinton Haskins evitó que el agua se filtrara en un túnel ferroviario en construcción bajo el río Hudson llenándolo de aire comprimido. La técnica se sigue utilizando hoy en día, aunque presenta varios peligros. Los trabajadores deben pasar un tiempo en cámaras de descompresión al final de su turno, un requisito que limita las salidas de emergencia del túnel. La presión dentro del túnel debe equilibrarse cuidadosamente con la presión de la tierra y el agua circundantes; un desequilibrio hace que el túnel se derrumbe o reviente (lo que posteriormente permite la inundación).

El suelo blando es propenso al colapso y puede obstruir el equipo de excavación. Una forma de estabilizar el suelo es congelarlo haciendo circular refrigerante a través de tuberías incrustadas a intervalos por toda la zona. Esta técnica se utiliza en Estados Unidos desde principios del siglo XX. Otra técnica de estabilización e impermeabilización -ampliamente utilizada desde la década de 1970- consiste en inyectar lechada (agente adhesivo líquido) en el suelo o en la roca fracturada que rodea el trazado del túnel.

El hormigón proyectado es un hormigón líquido que se pulveriza sobre las superficies. Inventado en 1907, se ha utilizado como revestimiento preliminar y final de los túneles desde la década de 1920.

En 1931, se idearon los primeros jumbos de perforación para excavar los túneles que desviarían el río Colorado alrededor de la obra de construcción de la presa Hoover. Estos jumbos consistían en 24-30 taladros neumáticos montados en un bastidor soldado a la plataforma de un camión. Los jumbos modernos permiten que un solo operador controle varias perforadoras montadas en brazos controlados hidráulicamente. En 1954, mientras construía túneles de desviación para la construcción de una presa en Dakota del Sur, James Robbins inventó la tuneladora (TBM), un dispositivo cilíndrico con cabezales de excavación o corte montados en una cara frontal giratoria que tritura la roca y el suelo a medida que la máquina avanza. Las tuneladoras modernas se adaptan a cada proyecto adaptando los tipos y la disposición de los cabezales de corte a la geología del lugar; además, el diámetro de la tuneladora debe ser igual al del túnel diseñado (incluido su revestimiento).

Materias primas

Los materiales utilizados en los túneles varían según el diseño y los métodos de construcción elegidos para cada proyecto. La lechada utilizada para estabilizar el suelo o rellenar los huecos detrás del revestimiento del túnel puede contener varios materiales, incluyendo silicato de sodio, cal, humo de sílice, cemento y bentonita (una arcilla volcánica altamente absorbente). La lechada de bentonita y agua también se utiliza como medio de suspensión y transporte de escombros (restos excavados en el túnel) y como lubricante para los objetos que se empujan a través del túnel (por ejemplo, tuneladoras, escudos). El agua se utiliza para controlar el polvo durante la perforación y después de la voladura, que a menudo se realiza con un explosivo de gelatina de baja congelación. La salmuera de agua y sal o el nitrógeno líquido son refrigerantes habituales para estabilizar el terreno blando por congelación. El material de revestimiento moderno más común, el hormigón reforzado con acero o fibra, puede ser pulverizado, fundido en el lugar o prefabricado en paneles.

Elección del método

El método de construcción de un túnel viene determinado por varios factores, como la geología, el coste y la posible interrupción de otras actividades. Diferentes métodos pueden ser utilizados en los túneles individuales que forman parte del mismo proyecto más grande; por ejemplo, cuatro métodos separados se están utilizando en partes del proyecto de la arteria central / túnel de Boston.

El proceso de fabricación

Preparación de

• 1 La geología del emplazamiento se evalúa examinando las características de la superficie y las muestras del núcleo del subsuelo. Se puede construir un túnel piloto de aproximadamente un tercio del diámetro del túnel principal previsto a lo largo de todo el trazado para seguir evaluando la geología y probar el método de construcción seleccionado. El túnel piloto puede discurrir a lo largo del trazado del túnel principal y conectarse a él a intervalos para proporcionar ventilación, acceso de servicio y una vía de escape. O el túnel piloto puede ampliarse para dar lugar al túnel principal.
• 2 Si es necesario estabilizar el suelo, puede hacerse inyectando lechada a través de pequeños tubos colocados en el suelo a intervalos. Alternativamente, se puede hacer circular un refrigerante a través de tubos empotrados en el suelo para congelar el suelo.

Minería

• 3 Hay siete métodos diferentes utilizados para eliminar el material del recorrido del túnel. El primero es el método del tubo sumergido. Los trabajadores preparan el emplazamiento de un túnel submarino excavando una zanja en el fondo del cauce. Las secciones de acero o de hormigón armado del revestimiento del túnel se construyen en tierra firme. Cada sección puede tener varios cientos de pies (100 m o más) de longitud. Los extremos de la sección se sellan y la sección se lleva flotando al lugar del túnel. La sección se ata a los anclajes adyacentes a la zanja y se inundan los tanques de lastre incorporados a la sección. A medida que la sección se hunde, es guiada hasta su lugar en la zanja. La sección se conecta a la sección contigua, previamente colocada, y se retiran las placas que sellan ese extremo de cada sección. Una junta de goma entre las dos secciones asegura una conexión estanca.

  En el método de cortar y cubrir, los trabajadores excavan una zanja lo suficientemente grande como para contener el túnel y su revestimiento. Se construye un tubo en forma de caja, a menudo mediante el vertido in situ de hormigón armado. En determinados tipos de suelo o en la proximidad de otras estructuras, pueden construirse paredes para el túnel antes de empezar a excavar, con el fin de evitar que la zanja se derrumbe durante la excavación. Esto puede hacerse introduciendo chapas de acero en el suelo o construyendo un muro de contención (una zanja profunda que se rellena con arcilla acuosa a medida que se retira la tierra). Cuando se alcanza el tamaño deseado para una sección del muro, se baja una jaula de varillas de acero para reforzarlo y se bombea hormigón para desplazar la arcilla húmeda. A medida que la excavación avanza lo suficiente como para que la maquinaria de excavación esté por debajo del nivel del suelo, se pueden colocar paneles superficiales temporales a lo largo de la zanja para permitir que el tráfico circule por ella. Cuando se ha completado el armazón del túnel, se cubre sustituyendo la tierra excavada.

  El tercer método es el de arriba abajo. Un par de muros paralelos se empotran en el suelo a lo largo del trazado del túnel mediante la hinca de tablestacas de acero o la construcción de muros pantalla. Se excava una zanja entre los muros a una profundidad igual a la distancia prevista desde la superficie hasta el interior del techo del túnel. El techo del túnel se forma entre los muros enmarcando y vertiendo hormigón armado en el fondo de la zanja poco profunda. Una vez curado el techo del túnel, se cubre con una membrana impermeabilizante y se repone la tierra excavada por encima. Se utiliza maquinaria de excavación convencional, como una cargadora frontal, para excavar el suelo entre los muros pantalla y bajo el techo del túnel. Cuando se ha alcanzado una profundidad suficiente, se vierte un suelo de hormigón armado para completar el armazón del túnel.

  Con el método de perforación y voladura se utiliza un jumbo de perforación para realizar un patrón predeterminado de agujeros en la roca a lo largo del recorrido del túnel. Se insertan cargas de dinamita cuidadosamente planificadas en los agujeros perforados. Las cargas se detonan en una secuencia diseñada para romper el material de la trayectoria del túnel sin dañar excesivamente la roca circundante. El aire circula por la zona de la voladura para eliminar los gases y el polvo de la explosión. Los escombros desprendidos por la voladura se retiran. Se utilizan taladros neumáticos y herramientas manuales para alisar la superficie de la sección volada y eliminar los trozos de roca sueltos.

  

  El Eurotúnel.

  La construcción del túnel del Canal de la Mancha entre Inglaterra y Francia, un sueño de siglos previsto y alentado por Napoleón, se inició en 1987. Originalmente denominado Chunnel y ahora conocido como Eurotúnel, se completó en 1994 con un coste de 13.000 millones de dólares. Los dos túneles ferroviarios (uno para el tráfico en dirección norte y otro para el tráfico en dirección sur) y el túnel de servicio tienen una longitud de 50 km y una profundidad media de 46 m bajo el lecho marino. Es el primer enlace físico entre Gran Bretaña y el continente europeo. Hay servicio ferroviario de pasajeros, así como transporte de automóviles y camiones. El tiempo de viaje de Londres a París se ha reducido de más de cinco horas (por mar) a tres horas a través del Eurotúnel.

  El túnel de Seikan, en Japón, se puso en servicio en 1988. El túnel, de 53 km de longitud, conecta el extremo norte de la isla principal de Honshu con la isla de Hokkaido, pasando por debajo del estrecho de Tsugaru. El Túnel de Seikan es el túnel submarino más largo del mundo, ya que supone una excavación de 100 metros bajo el lecho marino a través de un estrecho en el que el mar tiene hasta 140 metros de profundidad.

  Suele ser necesario estabilizar y reforzar la superficie de la sección recién volada con un revestimiento previo. Una técnica consiste en insertar una serie de costillas de acero conectadas por tirantes de madera o acero. Otra técnica, denominada nuevo método austriaco de excavación de túneles (NATM), consiste en rociar la superficie con unos pocos centímetros de hormigón. En condiciones geológicas adecuadas,

  

  Túnel de escudo.

  Este revestimiento de «hormigón proyectado» puede complementarse insertando largas varillas de acero (pernos de roca) en la roca y apretando las tuercas contra las placas de acero que rodean la cabeza de cada perno.

  Un quinto método para eliminar el material del túnel es el método de hincado de escudos o de túneles con gatos. Algunos túneles todavía se excavan utilizando un escudo de tipo Greathead. La parte superior del escudo se extiende más allá de los lados y el fondo, proporcionando un techo de protección para los trabajadores que cavan por delante del escudo. El borde superior del escudo es afilado para poder cortar el suelo. La excavación puede hacerse a mano o con herramientas eléctricas. El material sobrante se devuelve a través del escudo en una cinta transportadora, se carga en carros y se saca del túnel. Cuando los trabajadores han excavado el material delante del escudo hasta la parte superior, los gatos de la parte trasera del escudo se apoyan en la sección más reciente del revestimiento del túnel. La activación de los gatos empuja el escudo hacia delante para que los trabajadores puedan empezar a excavar otra sección. Una vez que el escudo ha avanzado, los gatos se retraen y los segmentos de anillo de acero u hormigón armado se atornillan en su lugar para formar una sección de revestimiento permanente para el túnel.

  La perforación de túneles es una técnica similar, pero el escudo que se introduce en el suelo es en realidad una sección prefabricada del revestimiento del túnel.

  En el método de galerías paralelas se perforan una serie de agujeros horizontales paralelos (galerías) utilizando maquinaria de microtunelación (los microtúneles son demasiado pequeños para que los mineros trabajen en su interior), como barrenas o pequeñas versiones de TMB. Estas galerías se rellenan; por ejemplo, se introducen tubos de acero y se rellenan con lechada. Las galerías rellenas forman un arco de protección alrededor del túnel. Se utiliza maquinaria de excavación para retirar la tierra del interior del arco.

  El último método es el de la tuneladora. Los tipos y la disposición de los dispositivos de corte en la cara de la tuneladora están determinados por la geología en el lugar del túnel. El frente gira lentamente y tritura la roca y el suelo que tiene delante (por ejemplo, las tuneladoras utilizadas para construir el túnel del Canal de la Mancha podían girar hasta 12 revoluciones por minuto en un suelo óptimo). La tuneladora es empujada constantemente hacia delante para mantener la cara en contacto con su objetivo. La presión hacia delante puede ser ejercida por gatos en la parte trasera de la tuneladora que empujan contra la sección de revestimiento del túnel instalada más recientemente. Otra posibilidad es que los brazos de agarre se extiendan desde los laterales de la tuneladora y empujen contra las paredes rocosas del túnel para mantener la máquina en su sitio mientras se empuja el frente hacia delante. El escombro pasa a través de los agujeros del frente y se transporta mediante una cinta transportadora hasta la parte trasera de la tuneladora, donde cae en carros que lo transportan fuera del túnel. Se puede bombear bentonita a través del frente de la tuneladora para hacer más manejable la superficie del suelo y arrastrar el escombro. Algunas tuneladoras están equipadas en su parte trasera con brazos robóticos que colocan y fijan segmentos del revestimiento del túnel en cuanto la máquina ha avanzado

  

  Los pernos del techo hechos de acero se fijan a la roca para soportar la parte superior del túnel.

  una distancia suficiente. En otros casos, el NATM se utiliza para crear un revestimiento preliminar a medida que la tuneladora avanza.

  Especialmente en los casos en los que dos tuneladoras excavan la una hacia la otra desde extremos opuestos de un túnel, puede ser demasiado difícil o costoso retirarlas al finalizar la excavación. A medida que se acerca al final de su misión, la tuneladora puede ser dirigida fuera de la trayectoria del túnel para cavar un corto espolón en el que queda permanentemente sellada.

Revestimiento final

• 4 En algunos casos, el revestimiento final se coloca durante el proceso de excavación. Dos ejemplos son las tuneladoras que instalan segmentos de revestimiento y los túneles prefabricados que se colocan con gatos. En otros casos, el revestimiento final debe construirse tras la excavación de todo el túnel. Una opción es verter un revestimiento de hormigón armado in situ. El encofrado deslizante es una técnica eficaz en la que una sección de encofrado se mueve lentamente hacia delante mientras se vierte el hormigón entre ella y la pared del túnel; el hormigón se endurece lo suficientemente rápido como para sostenerse por sí mismo en el momento en que el encofrado avanza.

  Una segunda opción es instalar segmentos de revestimiento de hormigón preformado o de acero, tal y como hacen algunas tuneladoras. Los segmentos de revestimiento se construyen de manera que varios de ellos puedan unirse para formar un anillo completo de unos pocos pies (un metro o dos) de ancho. Una vez atornillado el anillo, se inyecta lechada entre éste y la pared del túnel.

  Una tercera opción es rociar una capa de hormigón proyectado de varios centímetros (70 mm o más) de espesor sobre las paredes del túnel. Podrían colocarse primero una o dos capas de malla metálica para reforzar el hormigón proyectado, o podrían añadirse fibras de refuerzo a la mezcla de hormigón para aumentar su resistencia.

Subproductos/Residuos

A veces la tierra extraída de un túnel se desecha simplemente en un vertedero. En otros casos, sin embargo, se convierte en materia prima para otros proyectos. Por ejemplo, puede utilizarse para formar la capa de base de una calzada de aproximación o para crear terraplenes en la calzada para ampliar los arcenes o controlar la erosión.

Control de calidad

Además de mantener la estabilidad del suelo alrededor del túnel y garantizar la integridad estructural del revestimiento del túnel, hay que conseguir una alineación adecuada de la trayectoria de la excavación. Dos herramientas valiosas son los sensores del sistema de posicionamiento global (GPS) que reciben datos precisos de localización a través de señales de satélite y los sistemas de guiado que proyectan y detectan un rayo láser dentro del túnel.

El futuro

Los métodos de exploración, los materiales y la maquinaria son posibles áreas de mejora. Las ondas sonoras transmitidas a través de la tierra pueden generar ahora un TAC virtual del recorrido del túnel, reduciendo la necesidad de perforar muestras de núcleo y túneles piloto. Algunos ejemplos de investigación de materiales son las herramientas de corte más eficaces y duraderas, el hormigón con índices de endurecimiento controlados con mayor precisión y mejores procesos para modificar el suelo y facilitar su corte, excavación o extracción. Entre los últimos avances en la tecnología de las máquinas se encuentran las tuneladoras de cabezales múltiples que pueden perforar dos o tres túneles paralelos simultáneamente y una tuneladora que puede girar una esquina hasta 90º mientras corta. Una mejor capacidad de control remoto de la maquinaria de excavación mejoraría la seguridad al reducir el tiempo que las personas tienen que estar bajo tierra durante el proceso de excavación.