Seguridad en trabajos con tuneladoras (I)

Notas Tcnicas de Prevencin

Redactores:

Jos M Tamborero del PinoIngeniero Industrial

CENTRO NACIONAL DE CONDICIONES DE TRABAJO

David Qulez PuigGelogo

ACCIONA INGENIERA

Esta NTP es la primera de dos dedicadas a la seguri-dad en trabajos con tuneladoras. Trata de la maquinaria, el proceso constructivo de la excavacin de un tnel y describe los riesgos y factores de riesgo asociados. Se complementa con un glosario de trminos utilizados.

Safety works in tunnel boring machines (tbm) (I)Securit en travail avec tunnelier (I)

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1. INTRODUCCIN

La excavacin de tneles para la construccin de vas de comunicacin y suministro de servicios es una solucin cada vez ms empleada por su escaso impacto paisajs-tico, aprovechamiento del espacio en ncleos urbanos y acortamiento de los trazados. Adems, y teniendo en cuenta la complejidad tcnica de la ejecucin de tneles y su longitud y profundidad, el uso de tuneladoras permite mejorar los rendimientos tcnicos y la seguridad de los trabajadores que participan en la obra.

Bajo la denominacin de tuneladora se agrupan dis-tintos modelos de maquinaria que dan respuesta al gran abanico de situaciones o escenarios posibles, derivados de la variabilidad geolgica del subsuelo. El estudio de-tallado de este subsuelo antes de iniciar la perforacin es de vital importancia para la eleccin del tipo de tune-ladora y de los mtodos auxiliares a aplicar.

En esta NTP se indican de forma general la tecnologa que incorpora estas mquinas as como los procedimien-tos a emplear para controlar la exposicin a los riesgos laborales que supone la excavacin de un tnel.

2. MAQUINARIA Y PROCESO CONSTRUCTIVO DE LA EXCAVACIN DE UN TNEL

La ejecucin de un tnel reviste gran complejidad tcni-ca por el tipo de maquinaria utilizada y por el medio en que se realiza, a menudo con importantes incertidumbres geolgicas, y con riesgo de daar estructuras y servi-cios que se hallan en superficie. Aunque no siempre es posible utilizar tuneladoras, por el tipo de materiales a excavar, longitud del tnel o disponibilidad y coste de la maquinaria, en trminos generales suponen una mejora de la seguridad frente a los sistemas convencionales de excavacin de tneles.

La tuneladora consiste bsicamente en un gran disco

frontal de perforacin de seccin igual a la de la excava-cin, sobre el que se montan los tiles de corte y exca-vacin del terreno (discos, picas, cuchillas u otros). En el espacio entre estos se dejan unos huecos para que, al mis-mo tiempo que se hace girar el disco frontal sobre su eje a la vez que se le empuja contra el terreno, penetre hacia el interior de la tuneladora el suelo excavado en el frente.

El avance de la tuneladora se logra gracias al empuje que ejercen una serie de potentes cilindros hidrulicos contra la cabeza de la tuneladora que a su vez reaccio-nan contra los hastiales del tnel, mediante unas zapatas apoyadas.

El conjunto finaliza con el tren de apoyo, que est cons-tituido por una serie de plataformas que se mueven arras-tradas por la mquina simultneamente a su avance. Aqu se incorporan los transformadores, cables, ventiladores, bombas de inyeccin de mortero, el sistema de evacua-cin de escombro, y el resto de instalaciones auxiliares para el funcionamiento de la mquina, as como los ser-vicios y medios de proteccin de los trabajadores. El tren de apoyo puede alcanzar varios centenares de metros.

En la figura 1 se ilustra una tuneladora en fase de excavacin Las tuneladoras se clasifican en tres tipos bsicos: Tuneladoras para excavar roca. Tuneladoras para excavar suelos. Tuneladoras mixtas (roca y suelos).En el primer grupo se pueden encontrar las de topo abierto, las de simple escudo y las de doble escudo. En el segundo grupo se encuentran los hidroescudos y los escudos de presin de tierras (designados habitualmente, estos ltimos, por las siglas de su nombre en ingls: EPB Erth Pressure Balance ).

Las tuneladoras mixtas participan de las caractersti-cas de los dos primeros tipos y resultan mquinas ms verstiles pero de mayor coste econmico.

Las tuneladoras abiertas (topo), sin escudos, presen-tan la misma problemtica que los mtodos por voladu-

Vigencia Actualizada Observaciones

VLIDA

2Notas Tcnicas de Prevencin

ras o excavacin con maquinaria convencional, es decir, la colocacin del sostenimiento una vez se ha retirado el escombro, dejando esta parte del tnel desprotegida. Son utilizadas para terrenos rocosos de frente estable. En la figura 2 se muestra el esquema de una mquina de este tipo.

La ventaja de usar mquinas de escudo (simple o do-ble) es que ejecutan el sostenimiento del tnel con la colocacin de las dovelas, quedando protegida la zona de la cabeza de la tuneladora con el escudo. En la figura 3 se puede ver un esquema de funcionamiento de la ca-beza de una tuneladora de escudo con presin de tierras.

Figura 1. Seccin de terreno donde se observa una tuneladora excavando. Se puede ver el disco de corte y la cabeza con el escu-do que impide que el terreno ceda antes de colocar el sostenimiento. A continuacin se observa el tren de apoyo que es arrastrado por la cabeza durante el avance, protegido, ste, por el sostenimiento del tnel en caso necesario.

(1) Rueda de corte para roca; (2) Rodamiento principal; (3) Escudo para la rueda de corte; (4) Mecanismo de empuje interior; (5) Mecanismo de empuje exterior; (6) Cinta transportadora; (7) Accionamiento rueda de corte; (8) Soporte delantero; (9) Soporte trasero; (10) Motor elctrico

Figura 2. Esquema de una tuneladora abierta (topo)

(1) Rueda de corte; (2) Accionamiento; (3) Cmara de excavacin; (4) Sensor de presin; (5) Esclusa de aire comprimido; (6) Erector de dovelas; (7) dovelas; (8) Cilindros de propulsin; (9) Cinta transportadora; (10) Sinfn de extraccin de tierras

Figura 3. Esquema de la cabeza de la tuneladora de escudo con presin de tierras con el sistema de evacuacin de tierras

3Notas Tcnicas de Prevencin

Cada una de las diferentes tuneladoras tiene sus ven-tajas e inconvenientes, y slo una buena caracterizacin geolgica, geotcnica e hidrogeolgica de los terrenos a excavar teniendo presente los servicios y edificios existentes en superficie, servir para decidir el tipo de tuneladora a usar y las medidas correctoras del terreno a implementar, para el buen funcionamiento de la mquina escogida.

Adems de la tuneladora, la maquinaria necesaria para la ejecucin, sostenimiento y acabado del tnel, es, bsicamente: Jumbo/bulonadora: usada para perforar taladros y co-

locar bulones de sostenimiento. Gunitadora y robot de gunitado: usada para proyectar

hormign. Camiones: para el transporte de materiales y extrac-

cin del material excavado. Locomotoras, vagonetas e instalaciones ferroviarias:

usadas para el transporte de personal, suministro de materiales pesados y evacuacin de material exca-vado.

Cintas transportadoras de material excavado. Gras de gran tonelaje para el montaje de las tune-

ladoras. Maquinaria comn a cualquier otro tipo de obra de

construccin.

Proceso constructivo

Como se puede comprender, la ejecucin de un tnel, por la cantidad y variedad de equipos de trabajo y personal especializado que interviene, requiere un gran conoci-miento del medio donde se trabaja y una gran organiza-cin durante su ejecucin. El proceso constructivo en la ejecucin de un tnel, en trminos generales, consta de las siguientes fases: 1) Ejecucin del emboquille.2) Inicio del tnel. 3) Excavacin del frente, en el caso de tuneladoras, a

seccin completa. 4) Retirada del escombro (camin, vagonetas o cintas

transportadoras).5) Colocacin del sostenimiento (dovelas, cerchas, gu-

nita, etc.).6) Relleno de la sobreexcavacin.7) Colocacin del revestimiento (que en algn caso pue-

de no existir y en el caso del sostenimiento con dovelas ya constituye el revestimiento).

Dejar el tnel desprovisto de sostenimiento ms tiempo de lo debido expone a riesgos de sepultamiento por de-rrumbes y cadas de bloques, adems de poner en peli-gro la estabilidad de las edificaciones e infraestructuras superficiales.

3. RIESGOS Y FACTORES DE RIESGO EN LA EJECUCIN DE TNELES CON TUNELADORA

En general, la ejecucin de tneles presenta una serie de riesgos que se deben a diversos factores, entre los cuales destaca la naturaleza del subsuelo. Es de vital im-portancia conocer muy bien las propiedades geolgicas, geotcnicas e hidrogeolgicas del terreno, para poder disear el mtodo de excavacin y el de sostenimiento ms adecuado.

Ya se ha dicho que las tuneladoras frente a otras tcni-cas de excavacin ofrecen mayores cotas de seguridad,

no obstante no eliminan todos los riesgos. A continuacin se muestra un listado, no exhaustivo, de los riesgos ms significativos que se pueden dar en la ejecucin de un tnel con tuneladora.

Riesgos en la ejecucin del emboquille y pozo de ataque

La zona de emboquille por tener, en general, menor re-cubrimiento de terreno y por lo tanto estar expuesta a mayor meteorizacin y alteracin, la hace especialmente vulnerable y sensible a los desprendimientos y colapsos. As pues los riesgos que se pueden dar en esta fase de la obra son: Sepultamiento por desprendimientos del frente y des-

lizamiento de laderas. Golpes por cada de bloques de rocas. Vuelco de maquinaria por circular por terreno irregular. Proyecciones en la perforacin y excavacin de ma-

cizos rocosos. Cadas a distinto nivel en el frente del talud de embo-

quille o en el pozo de ataque.La ejecucin de esta parte de la obra es idntica para cualquier otro tipo de tnel, ya que en esta fase la tune-ladora no interviene, debindose excavar con mtodos convencionales: excavadoras, rozadoras o explosivos,

Riesgos en el montaje y desmontaje de la tuneladora

Los riesgos durante el montaje de la tuneladora, tal como se muestra en la figura 4, son los asociados al manejo de grandes cargas lo que puede provocar hundimientos o vuelcos de la maquinaria de elevacin de carga debido a fallos en el terreno de apoyo, cimentaciones inadecuadas en las gras torre o puentes gra, elevacin de cargas que superen la capacidad de la mquina, planificacin errnea de la distribucin de cargas y de las maniobras a realizar, mala eleccin de eslingas, cuerdas gua, etc., o falta de comprobacin de sistemas y medios auxilia-res a emplear. Finalmente, el ensamblado y montaje de las piezas que se realiza bsicamente por soldadura y atornillado o bulonado de las diferentes piezas puede comportar los riesgos asociados a esta actividad. As se pueden dar: Cadas a distinto nivel en el acceso al pozo de ataque

y desde la maquinaria. Vuelco de maquinaria pesada (gras de gran tonelaje,

puente gra, etc.).

Figura 4. Montaje de una tuneladora

4Notas Tcnicas de Prevencin

Desprendimiento de cargas por mal estrobado. Golpes y atrapamientos por mal guiado de la carga

suspendida. Radiaciones y quemaduras por soldadura.

Riesgos en la excavacin del tnel

La excavacin del tnel constituye la actividad principal y de ms larga duracin. En esta actividad diferenciare-mos los riesgos debidos a la propia geologa del terre-no, y que por desconocimiento de su naturaleza pueden ocasionar accidentes de consecuencias muy graves, los riesgos debidos a la maquinaria e instalaciones de la obra en el tnel, y finalmente los riesgos provocados por las peculiares condiciones del ambiente de trabajo. Se debe tener especial cuidado en los primeros metros de excavacin del tnel, ya que la tuneladora necesita con-tar con un apoyo suficiente para poder ejercer presin contra el frente, pudiendo haber apoyo deficiente de las zapatas por fallo del terreno, lo que puede provocar su hundimiento. Tambin el menor recubrimiento, puede dar lugar a colapsos y desprendimientos.

As pues, los riesgos que se pueden dar en esta fase, debidos a la geologa del terreno, son: Ahogamientos por avenidas sbitas de agua (tapo-

nazos). El agua embalsada en los acuferos crsticos, cuarcitas fracturadas o fallas arenizadas, puede irrum-pir bruscamente en la excavacin, provocando lo que se denomina taponazo y la inundacin del tnel. Por otro lado el agua genera una mayor inestabilidad geo-tcnica en el terreno de manera que la probabilidad de fallo en el sostenimiento es superior que en los terrenos secos.

Sepultamiento por desprendimientos y desmorona-mientos del frente, la clave y hastiales del tnel por falta o dbil sostenimiento, debido a empeoramiento o falta de estudio de la calidad del terreno o del macizo rocoso.

Golpes por proyecciones y cada de bloques rocosos desde la clave del tnel.

Asfixia por falta de oxigeno. Explosiones e incendios por presencia de metano. Carcinomas por inhalacin de radn por exposicin

prolongada durante la vida laboral en tneles excava-dos en terrenos granticos.

Los riesgos que pueden ocurrir por trabajos con maqui-naria y en las instalaciones del tnel en esta fase son: Cadas a distinto nivel desde mquinas e instalaciones,

en su acceso y permanencia. Desplome de materiales suspendidos. Lesiones musculoesquelticas por posturas forzadas

y manipulacin de cargas (sobreesfuerzos). Atrapamiento por vuelco de maquinaria. Atrapamiento por partes mviles de la maquinaria, en

especial cintas de transporte. Riesgo elctrico por deficiente estado y proteccin de

la instalacin elctrica. Incendios por sobrecalentamiento de los motores de la

maquinaria (locomotoras, camiones, etc.), por presen-cia de gases inflamables naturales, por operaciones de soldadura, y por una instalacin elctrica deficiente.

Explosiones e incendios de motores y botellas de ga-ses de soldadura.

Exposicin a vibraciones. Exposicin a gases de combustin: Intoxicacin aguda

por monxido de carbono. Atropellos por el desplazamiento de trenes, maquinaria

y vehculos en general.

Finalmente, se pueden dar los siguientes riesgos re-lacionados con el ambiente de trabajo en el interior del tnel durante su ejecucin: Cadas al mismo nivel por tropiezo con las instalacio-

nes ferroviarias, cables, mangueras tendidas en el suelo.

Cadas al mismo nivel por resbalar sobre suelo mojado o embarrado debido a la filtracin de agua del subsuelo.

Choques con objetos inmviles por iluminacin defi-ciente.

Afecciones pulmonares por ambiente polvoriento (hu-mos de motores, polvo de cemento, repicado de roca, corte de piezas de hormign, etc.).

Hipoacusia por ambiente muy ruidoso. Accidentes disbricos y enfermedades decompresivas

durante el cambio de las herramientas de corte y repa-raciones de las tuneladoras que sostienen el frente de excavacin con presin (tneles en suelos): Ambiente hiperbrico.

Riesgos en el sostenimiento y revestimiento del tnel

Para mantener estable la seccin del tnel, este se debe sostener para impedir desprendimientos y colapsos. Si se excava el tnel en macizos de muy buena calidad puede que el sostenimiento no sea necesario, aunque son po-cos estos casos. El sostenimiento puede ser ligero para macizos de buena calidad, a base de bulones, mallas de acero y gunitado, o bien ms pesados, complementando lo anterior con perfiles metlicos que se ajustan a la sec-cin del tnel y lo sostienen (cerchas). Gracias al empleo de las tuneladoras, el sostenimiento se puede realizar mediante piezas de hormign armado, que se encajan entre s formando un anillo continuo. Estas piezas se van colocando durante el avance de la tuneladora mediante los erectores de dovelas, haciendo aumentar mucho el nivel de seguridad. Si el tnel se sostiene con dovelas no har falta un revestimiento o acabado posterior, para el resto de casos, y dependiendo del uso que vaya a tener el tnel, har falta que se revista antes de que el tnel pueda entrar en servicio.

Durante las operaciones de sostenimiento con dovelas pueden existir los siguientes riesgos: Atrapamiento entre las dovelas y los erectores (en la

figura 5 se observa un erector de dovelas sin la pieza). Desprendimiento de cargas transportadas por ser pie-

zas pesadas y voluminosas.

Figura 5. Erector de dovelas de una tuneladora de presin de tierras

5Notas Tcnicas de Prevencin

Para sostenimiento a base de bulones, mallas, cerchas y gunitado, as como para la fase de revestimiento, se pueden dar los riesgos siguientes: Sepultamiento por desprendimientos y colapsos de la

bveda o hastiales. Golpes por cada de bloques de rocas. Proyecciones en la perforacin y el gunitado. Cadas a distinto nivel desde mquinas e instalaciones,

en su acceso y permanencia. Desplome de materiales suspendidos. Lesiones musculoesquelticas por posturas forzadas

y manipulacin de cargas (sobreesfuerzos).

Atrapamiento por vuelco de maquinaria. Riesgo elctrico por deficiencias en la instalacin elc-

trica. Explosiones e incendios de motores y botellas de ga-

ses de soldadura. Exposicin a vibraciones. Asfixia y enfermedades por inhalacin de gases de

combustin. Atropellos por el desplazamiento de trenes, maquinaria

y vehculos en general.

GLOSARIO

Accidente disbrico: Lesin originada por la actividad humana en medios ambientales lquidos o gaseosos sometidos a presin ambiental diferente a la atmos-frica. Riesgo profesional u ocupacional del buceo o la aviacin.

Alteracin: Cualquier cambio en la composicin mineral-gica de una roca debido a procesos fsicos o qumicos.

Ambiente hiperbrico: Medio con una alta presin atmos-frica, como la que hay bajo el agua.

Auscultacin: Trmino utilizado para designar las tcnicas empleadas en ingeniera y geotecnia para medir los movimientos en las estructuras enterradas debidos a cambios de las condiciones del terreno.

Berma: Rellano en un talud o muro para interrumpir su continuidad y aumentar su seguridad contra desliza-mientos o desprendimientos, pueden tener una cune-ta para canalizar las aguas de escorrenta y evitar la erosin o degradacin del talud inferior.

Bveda: Zona superior del interior del tnel. Obra de f-brica curvada, que sirve para cubrir el espacio com-prendido entre dos muros.

Buln: Elemento de sostenimiento consistente en una barra metlica que se instala, anclada, en taladros en las paredes de una excavacin.

Carstificacin: Alteracin de las rocas carbonatadas debi-do a la disolucin por las aguas metericas cargadas de gas carbnico, formando cuevas y simas.

Cercha: Armazn que sostiene un arco.Clave: Dovela central de un arco, o una bveda. Suele

ser de mayores dimensiones que las dems dovelas. La clave, al igual que las dovelas, se sustenta debido a la forma de stas piezas, pues sus caras laterales, cortadas en ngulo, transmiten lateralmente parte de las tensiones, equilibrndolo, y evitando que se des-plomen bajo una carga vertical. La tensin horizontal de la dovela inferior se transmite al muro o a otro arco, y la vertical se transmite al muro. La ltima pieza que se coloca en la construccin de un arco es la clave.

Cobertera: Espesor de terreno que queda entre la parte superior del tnel y la superficie.

Colapso: Cada instantnea de una estructura o parte de un macizo por fallo en el terreno de sustentacin.

Coluvial: Acumulaciones laterales de sedimentos en un valle cuyo recorrido y transporte es reducido.

Derrumbe: Cada sbita de bloques rocosos.Deslizamiento: Tipo de corrimiento o movimiento de masa

de tierra, provocado por la inestabilidad de un talud. Se produce cuando una gran masa de terreno se con-vierte en zona inestable y desliza con respecto a una zona estable, a travs de una superficie o franja de terreno de pequeo espesor.

Dovela: Cada una de las piezas que conforman un anillo de sostenimiento de la seccin de un tnel construi-das con hormign armado o pretensado. La tensin horizontal de la dovela inferior se transmite al muro o a otro arco, y la vertical se transmite al muro. La ltima pieza que se coloca en la construccin de un arco es la clave.

Estallido de roca: Fenmeno que se da cuando un ma-cizo rocoso con caractersticas rgidas (duro y com-pacto) es sometido a altas presiones, que al no poder deformarse lo suficiente, comienza paulatinamente a almacenar energa de deformacin. Este continuo almacenamiento de energa llega a un punto crtico donde se produce una liberacin violenta de energa, originando el estallido de rocas.

Emboquille: Boca o entrada del tnel. Interseccin entre talud y tnel.

Falla: Superficie o superficies con espaciado apretado de una fractura en una roca, a lo largo de la cul ha habido desplazamiento, que puede variar desde unos pocos milmetros a muchos kilmetros. Un plano de falla es una superficie de falla que normalmente es ms o menos plana.

Fluencia: Deformacin lenta experimentada por un cuer-po sometido a una carga durante un cierto tiempo. A profundidades importantes, cuando se perfora un tnel, rocas con importante contenido en arcillas (pizarras, arcillitas...) o materia orgnica (grafito, carbn) pueden llegar a fluir cerrando la seccin de la excavacin.

Fracturacin: Conjunto de roturas de un macizo rocoso formando planos con o sin desplazamiento entre s.

Fretico/a: Se dice de la parte del subsuelo saturada de agua, y de esta misma agua.

Gripper: Trmino ingls usado para denominar la zapata de apoyo.

Gunita: Hormign proyectado a chorro sobre una super-ficie con una manga que transporta el material y lo empuja mediante una bomba de aire comprimido.

Hastial: Cara lateral de una excavacin.Inyeccin: Aplicacin de mortero, lechada de cemen-

to, bentonita u otro fluido viscoso para sellar juntas, huecos, grietas y conseguir su inmovilizacin en la excavacin del tnel.

Meteorizacin: Trmino que agrupa todos los procesos por los que la roca y el suelo se alteran bajo la influen-cia directa de la hidrosfera y de la atmsfera.

Pase: Longitud de tnel sin sostenimiento entre dos avan-ces de la mquina tuneladora.

Revestimiento: Cubierta de la superficie interior de la seccin de un tnel para el acabado final sin funcin estructural.

6Notas Tcnicas de Prevencin

Subsidencia: Hundimiento progresivo, durante un periodo bastante largo, de la superficie de un terreno siendo la componente vertical del desplazamiento claramente predominante sobre la horizontal.

Zapata de apoyo: Pieza colocada en las zonas laterales de la mquina tuneladora para soportar contra de la pared del tnel el empuje del disco de excavacin frontal y ejercer la fuerza de reaccin.

Sepultamiento: Enterramiento por cada sbita de parte del terreno de una excavacin o desprendimiento de bloques rocosos.

Sobreexcavacin: Vaco dejado entre el escudo de la mquina tuneladora o entre las dovelas de sosteni-miento y el terreno, debido al sobre ancho que genera la excavacin de la seccin del tnel con el disco de la tuneladora.

Sostenimiento: Refuerzo que se prctica contra el terre-no de la superficie del tnel para evitar su colapso o desmoronamiento.

Prohibida la reproduccin total o parcial. Reservados todos los derechos FD-2911

Fotografas: David Calvet RuizDibujos: Gemma Balagu Viladrich

Empresa colaboradora: Acciona Ingeniera Delegacin de Barcelona.

Agradecimientos: ADIF: Direccin de Obra del tnel del tren de alta velocidad en Girona.

UTE IBERINSA-AEPO: Asistencia tcnica a la Direccin de Obra del tnel del tren de alta velocidad en Girona.

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