Dovelas para túneles
Ingeniero Jaime Gomezjurado Sarria Manufacturas de Cemento S.A.
Las técnicas para abrir túneles comenzaron a desarrollarse hace más de 5.000 años. La primera construcción de un túnel para conducción de agua y drenaje se remonta al año 2500 AC, cuando la mítica reina asiria Semíramis hizo construir un túnel de un kilómetro de longitud bajo el rio Éufrates para conectar su palacio con el templo de Baal en Babilonia. En el año 700 AC, y utilizando únicamente cinceles y martillos, se excavaron túneles que alcanzan 540 m de longitud para el suministro de agua en Jerusalén, y en el año 36 AC el emperador romano Octavio construyó cerca de Nápoles el primer túnel para caminos, que aún permanece en uso.
Entre los equipos más eficientes para la construcción de túneles en nuestros días se cuentan las máquinas del tipo TBM, Tunnel Boring Machine), también llamadas tuneladoras o topos, las cuales excavan túneles a sección completa. La excavación se realiza normalmente con una cabeza giratoria equipada con elementos de corte de 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 para formar un anillo troncocónico. La construcción del túnel con revestimiento por anillos prefabricados permite el trazado con alineación en curva horizontal o vertical. Esto se debe a que los anillos son troncos de conos, los cuales pueden generar una alineación curva según la posición en que se coloquen sus caras contiguas.
Las dovelas que se colocan como revestimiento de los túneles aportan la resistencia del túnel a presiones externas, constituyen el recubrimiento interno del mismo y proporcionan soporte axial a la máquina TBM para asegurar su avance. En algunos casos, los anillos sopor-tan la construcción de un carril de rieles por el cual se desplaza la máquina tuneladora.
El sistema de armado de dovelas queda localizado en la parte trasera de la tuneladora, de tal manera que una vez esta avanza una distancia equivalente a la longitud de las dovelas, el corte se detiene para colocar 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 puede ser un tornillo sin fin cuando trabaja en suelos blandos.
Durante la fase de excavación, un tren transporta desde la parte de atrás del túnel a la tuneladora las dovelas que conforman el anillo, y se 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 TBM tienen diferentes aplicaciones: 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 al túnel resistencia para continuar el avance. Los diámetros del túnel son variables y pueden ser muy pequeños, desde menos de 4,2 m para los utilitarios hasta muy grandes para los de tráfico. El diámetro mínimo para tráfico debe superar los 4,2 m. El mayor diámetro alcanzado hasta el momento es de 15,55 m para la autopista entre Bolonia y Florencia en Italia.
Características de las dovelas
El número de dovelas para conformar los anillos, y la calidad de los materiales, se determinan de acuerdo con la geometría y el diseño del túnel, de manera que en cada proyecto se establecen especificaciones propias 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 deben considerarse 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 acorde con las necesidades del proyecto.
Las dovelas tienen reservaciones o puntos de conexión que permiten que en el momento de la instalación de los anillos se coloquen unos pases que aseguran la posición y dan continuidad a las dovelas. Así mismo tienen ranuras para la instalación de barras guía que facilitan el ensamble de unas dovelas contra las otras y, en las zonas de empuje de los gatos de avance, unas almohadillas encargadas de distribuir de manera uniforme los esfuerzos en todo el perímetro de los anillos que conforman. Para evitar 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 utilizados.
Fabricación de dovelas
El sistema de fabricación de dovelas –que puede ser con moldes estacionarios o con moldes en carrusel– depende de las condiciones particulares de cada proyecto. Deben establecerse cuidadosamente tanto la vibración y los sistemas de desmolde, la distri-bución de la planta para la fabricación de dovelas y los elementos de los moldes. La vibración depende del peso y la geometría de cada dovela, como también de la consistencia del concreto y del tiempo determinado para vaciar el concreto. La consistencia del concreto varía desde mezclas muy secas que necesitan 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 transporte de las dovelas al sitio de la obra.
El armado de las canastas de refuerzo convencional requiere mucha mano de obra o costosos equipos cuando se hace de manera semiautomática, por lo que algunos proyectos han utilizado fibras de macro refuerzo. 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 en el momento de realizar el vaciado se obtengan dovelas con la geometría establecida.
La aplicación del desmoldante se realiza antes de colocar la armadura dentro del mol-de para evitar que el concreto se adhiera al molde y se presenten desportillados indeseables. El cierre de la formaleta se hace después de la colocación de la armadura dentro del molde y es uno de los momentos más críticos para asegurar la calidad de las dovelas por cuanto, si no se realiza de manera controlada, alguna dovela podría quedar moldeada por fuera de especificaciones e impedir el ensamble de los anillos dentro de las tolerancias establecidas.
El vaciado del concreto se hace de manera continua mientras permanecen en operación 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 la textura resultante sea cerrada y uniforme en las todas las caras de las dovelas.
Con el propósito de reutilizar las formaletas con la mayor frecuencia posible, se acostumbra a aplicar vapor para acelerar la resistencia del concreto de la misma manera que para otros prefabricados de concreto. La aplicación de vapor se efectúa siguiendo curvas establecidas por cada fabricante, que en términos generales establecen un gradiente máximo de temperatura de 15º C por hora para evitar choques térmicos.
Para el desmolde y volteado de las dovelas se requiere haber alcanzado la resistencia a compresión para manipulación establecida por el diseño estructural, y que la diferencia de temperatura de las dovelas con el ambiente no sea superior a 15º C, en caso de que se hayan curado con vapor. Esta actividad se pue-de realizar con dispositivos que sacan la dovela de la formaleta y le dan la vuelta para dejarla en la posición de almacenamiento; en ese momento 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 alcanzada la resistencia para manipulación, cada una se desencofra y se transporta de manera individual a la zona de almacenamiento inicial en donde es posible llevar a cabo la colocación de los accesorios y el almacenamiento en patio donde las dovelas se organizan por anillos.
Este tipo de disposición de plantas se escoge para proyectos cortos o en países con bajos costos de mano de obra, como Colombia, donde se ha utilizado esta metodología para los proyectos de saneamiento del río Bogotá.
Plantas en carrusel
Bajo 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, donde es preferible hacer mayor inversión en equipos. Una ventaja de este método es la reducción de la contaminación auditiva porque la vibración del concreto tiene lugar en un espacio cerrado y la manipulación se realiza con un robot.
Instalación de dovelas
La instalación de dovelas requiere suministro constante, de manera que cualquier pausa de la TBM por falta de suministro de dovelas o por deficiente calidad podría ser desastrosa y resultar costosa. Por ello deben equilibrarse muy cuidadosamente el ritmo de producción y la velocidad de instalación, lo que generalmente exige tener almacenada una cantidad suficiente de dovelas con la resistencia adecuada para la operación de empuje.
