[pms-logout text="Bienvenido, {{meta_user_name}}" link_text="Salir"]
Especial Túneles y Obras Subterráneas
Análisis del consumo de cortadores y su correlación práctica con la energía específica de excavación en TBM en macizos rocosos muy duros
La experiencia de ACCIONA
Pablo Cánovas Díaz
Ingeniero de caminos, canales y puertos (máster UPM), e ingeniero de túneles (máster AETOS). Tunnel Technical Manager en ACCIONA.
Rolando Justa Cámara
Ingeniero de caminos, canales y puertos. Antiguo Master Technical Leader de túneles en ACCIONA.
Cristóbal Rodríguez Vázquez
Ingeniero de caminos, canales y puertos. Technical Leader de Ferrocarriles y Túneles en ACCIONA.
ACCIONA ha participado en alguno de los túneles mecanizados excavados en macizos de roca dura más icónicos de España y Europa. Entre ellos, destacan los proyectos ferroviarios de Guadarrama, Vigo das Maceiras y la Follo Line. El presente artículo se centra en analizar el concepto de la energía específica de excavación (EEP) y su correlación práctica con el consumo real de cortadores en varios proyectos excavados en roca por ACCIONA. Finalmente se explica cómo la experiencia adquirida con los años ha servido a ACCIONA para definir las especificaciones más adecuadas de las TBM y optimizar su diseño, de tal forma que permitan hacer frente a las condiciones más exigentes en términos de dureza y abrasividad.
Palabras clave: Energía específica de excavación; TBM; roca dura; vida útil; tasa de consumo; cortadores; rueda de corte.
ACCIONA’s experience covers some of the most iconic hard rock tunnelling projects in Europe such as: Follo Line, Vigo das Maceiras, or Guadarrama Tunnels. The present article analyzes the concept of specific energy in hard rock mechanized tunnelling and its practical correlation with cutter disc cosumption for several projects excavated by ACCIONA. Gathered experience has served ACCIONA to define high standards specification for TBM and optimize its design so they are able to excavate throughout the most complex and challenging conditions in terms of hardness and abrasiveness.
Keywords: Specific energy of excavation; TBM; hard rock; cutter disc life, tool wear; cutter disc; cutterhead.
Uno de los factores que más influyen en el plazo y coste de los túneles mecanizados es la tasa de consumo o vida útil de las herramientas de corte (discos de corte o cortadores). El tiempo necesario para su reposición influye significativamente en el factor de utilización de la TBM.
Por ello, la tasa de consumo de cortadores para cada unidad geotécnica atravesada es un factor clave para la correcta estimación del plazo y coste de cualquier túnel mecanizado.
El presente artículo se centra en analizar el concepto de la energía específica de excavación (EEP) y su correlación práctica con el consumo real de cortadores en varios proyectos excavados en roca por ACCIONA.
La ventaja de esta correlación reside en que la EEP se puede exportar directamente de los parámetros de operación de las TBM que se registran a lo largo de toda la traza, lo cual permite, por tanto, analizar los cambios en función de la geología atravesada.
Introducción al concepto de la energía especifica de perforación (EEP)
La energía específica de perforación se define como: «la energía requerida para excavar una unidad de volumen de roca» (Teale, 1965). El concepto fue definido por Teale para sondeos destructivos a rotación sin percusión, como el trabajo realizado por unidad de volumen excavado. Posteriormente, este concepto se ha extrapolado para el caso de una tuneladora perforando en roca, ya que la cabeza de corte trabaja como el trépano de un sondeo a rotación y en ambos casos el arranque del terreno se realiza por identación.
La EEP se puede estimar usando la formulación propuesta por Teale, recogida en la publicación de Bieniawski et al. (2012). El trabajo necesario para excavar viene dado
por el empuje de contacto (F) y por el par (T). La expresión relaciona varios parámetros del proceso de excavación según se muestra a continuación:
La EEP tiene dos componentes: la energía específica de empuje (primer sumando) y la energía específica de rotación (segundo sumando), y «las variaciones en dichas componentes están directamente relacionadas salvo casos muy particulares, con diferencias en la calidad geotécnica de los terrenos atravesados» (Tardáguila&, 2007).
Naturaleza de ambas variables
A la hora de establecer relaciones de diferentes parámetros es importante analizar cuál es el proceso y la frecuencia de medida de dichas variables.
En el caso del consumo de cortadores, el proceso de medida no es instantáneo, sino que es discreto e intermitente, dado que se actualiza cada vez que se realizan las paradas de mantenimiento y cambio de cortadores en una TBM. Este proceso tiene, por tanto, una frecuencia no uniforme, que puede variar entre varias veces al día (una por turno, por ejemplo, en condiciones muy abrasivas) a una vez por semana, por ejemplo, en túneles o tramos muy poco abrasivos. Además, el desgaste se va produciendo de manera progresiva, por lo que este parámetro no depende de los tramos excavados inmediatamente anteriores al cambio de cortadores, sino de todos los tramos excavados desde que un cortador fue sustituido.
Por el contrario, la energía específica de perforación se exporta directamente de los parámetros de operación de la TBM. Por lo tanto, la frecuencia de muestreo sí es instantánea y homogénea. Esta frecuencia puede ser la de la base de datos del proceso (un valor cada 1 a 10 segundos según la propia frecuencia de los sensores de la TBM) o la de la base de datos por anillo, que toma los valores promedio por cada ciclo de excavación, es decir, por cada avance de un anillo.
La discrepancia de frecuencias de medida de ambas variables implica que las correlaciones no se pueden estudiar de manera discreta o puntual para cada anillo, sino que se deben establecer relaciones de manera global o promedio para tramos homogéneos de excavación (unidades geotécnicas).
Proyectos analizados, la experiencia de ACCIONA en roca muy dura
ACCIONA ha participado en algunos de los túneles mecanizados excavados en macizos de roca dura más icónicos de España y Europa. Entre ellos, destacan los proyectos ferroviarios de Guadarrama, Vigo das Maceiras y la Follo Line. Los datos fundamentales de dichos proyectos están recogidos en la siguiente tabla.
Cuadro resumen de los proyectos analizados y características fundamentales
El diámetro de excavación es uno de los factores que más influencia tienen en el rendimiento y comportamiento de las TBM. En este caso, los proyectos son comparables dado que tienen un diámetro similar.
Metodología empleada
A modo de ejemplo, se muestra la metodología de análisis para las 4 TBM del proyecto de Follo Line. Los parámetros de operación de la máquina se exportan del PLC de las TBM. Se trata del empuje, par, velocidad de rotación y penetración. A partir de estos parámetros se puede obtener la distribución de energía especifica de perforación según la formulación de Teale. En la Gráfica 1 se muestra la media móvil por cada 20 anillos con el fin de filtrar los picos y fluctuaciones puntuales. La Gráfica 2 muestra la distribución de EEP para las 4 TBM. Adicionalmente, se observa cómo al excavar las distintas fallas atravesadas por el trazado se experimentan unos picos bajos de EEP. Esto se resalta también en la Gráfica 1, donde se ha superpuesto la evolución de EEP con el perfil geológico.
Por último, se analiza la evolución de consumo de cortadores para cada túnel según los partes de excavación y su correlación con la EEP (Gráfica 3). Se observa que:
- a igualdad de otros factores (diámetro de TBM, especificaciones de la máquina, etc.) existe una buena correlación entre la EEP media y el consumo de cortadores medio; y que
- a mayor EEP se experimenta un mayor consumo de cortadores.
Análisis comparativo de los casos de estudio
Se representa la relación entre la EEP promedio, y el consumo de cortadores medio, para cada unidad geotécnica homogénea y proyecto (Gráfica 4). Las consideraciones fundamentales de la muestra son:
- La geología en los túneles de Follo Line es bastante homogénea, formada por ortogneises. En consecuencia, no se ha hecho ningún tipo de discriminación geológica.
- El túnel de Vigo se ha dividido en dos unidades geotécnicas: el tramo inicial de granito, y el tramo mayoritario de ortogneis.
- Respecto a Guadarrama, las distintas formaciones atravesadas son varias. Sin embargo, los parámetros geomecánicos son bastante homogéneos. Por lo tanto, las unidades geotécnicas se han unificado en un único tramo.
- En Bolaños se han distinguido 4 unidades geotécnicas por cada tubo. Dichas formaciones no entran dentro de la categoría de rocas duras al tener una RCS inferior a 50 MPa.
Analizando los datos que se muestran en la Gráfica 4 se pueden obtener las siguientes conclusiones:
- se valida la hipótesis inicial de que a mayor EEP, mayor consumo de cortadores;
- se observan dos líneas de tendencia diferentes para los distintos proyectos analizados; y
- ambas líneas de tendencia tienen unos coeficientes de correlación elevados. Sin embargo, una de las limitaciones del análisis es el limitado número de muestras derivado de la necesidad de analizar las variables de una manera global o promediada.
Se observa cómo el consumo de las TBM de Vigo y Guadarrama siguen una tendencia significativamente mayor que las tuneladoras de Follo Line y Bolaños. Para analizar los posibles factores que han influido se comparan dos formaciones equivalentes en naturaleza: los ortogneis de Vigo, con los de Noruega (Follo Line).
Para ello, en la Gráfica 5 y la Tabla 2, se muestra el consumo real comparado con el consumo estimado por tres de los métodos más aceptados en la industria: el método del CSM-Frenzel, el método original del NTNU (Bruland, 2000) y el método de Maidl.
Los consumos estimados en Follo Line concuerdan bastante bien con los consumos finalmente obtenidos. Todos los métodos proporcionan valores dentro de un rango de ±25% sobre el consumo real.
Los consumos reales de Vigo son significativamente superiores que los estimados por los distintos métodos. Analizando los resúmenes de producción y partes diarios se obtiene como causa potencial de estas discrepancias la siguiente: en Vigo el desgaste medio de los aros de corte ha sido de solo 19 mm. El motivo por el que se optó por establecer un criterio de cambio tan restrictivo es debido a que, si se dejaban desgastar más los aros, la penetración de los cortadores disminuía drásticamente y la tuneladora se quedaba atrapada sin posibilidad de penetrar la roca.
El modelo del NTNU, por ejemplo, supone un desgaste medio en el momento de cambio de 30 mm. Por lo tanto, para tener en cuenta esta consideración, se podría aplicar un factor corrector que tuviese en cuenta esta particularidad. Una vez aplicado este factor (19/30= 0,63), el resultado entra en el rango aceptable de ±25%, (columna NTNU*).
Por lo tanto, se puede concluir que el comportamiento diferenciado entre el desgaste en Vigo con respecto a Follo Line se observa tanto en las líneas de tendencia obtenidas en la correlación EEP y vida útil de los cortadores como analizando exclusivamente el consumo de cortadores real y comparándolo con otros métodos aceptados por la industria.
Uno de los factores identificados ha sido la necesidad de adoptar un criterio de desgaste más restrictivo, lo cual implica cambios más frecuentes, para garantizar unas penetraciones aceptables. Este factor está relacionado con la idoneidad de la TBM para la geología encontrada.
Análisis de idoneidad de las TBM y lecciones aprendidas
El método del CSM permite realizar un análisis de la idoneidad de las especificaciones de las TBM en función de las propiedades geomecánicas del terreno a excavar. Para ello se comprueba si se cumplen tres condiciones para unas penetraciones dadas:
- La fuerza de presión máxima de los cortadores es inferior a la capacidad máxima de los mismos.
- El par necesario para obtener las penetraciones es inferior al par nominal de la TBM.
3. La potencia necesaria es inferior a la potencia instalada del accionamiento.
Las tuneladoras de Guadarrama fueron reutilizadas en Vigo. Sin embargo, el terreno excavado en Vigo ha sido significativamente más duro y abrasivo. Si se comprueban las prestaciones de la TBM para la penetración media obtenida a lo largo del proyecto (5,97 mm/rev), se observa que la fuerza de contacto de los cortadores es mayor que la capacidad de estos. La penetración a partir de la cual no se excede la capacidad de los cortadores es de 3,5 mm/rev (ver gráfica 6).
A posteriori, se puede afirmar que las prestaciones de la TBM no eran suficientes para los ortogneis tan resistentes y duros que se encontraron (de características significativamente superiores a las previstas según el proyecto).
Los cortadores han trabajado por encima de su capacidad para alcanzar las penetraciones medias. Esto explica los elevados consumos y el posible motivo por el cual los datos de Vigo se salen claramente de la línea de tendencia marcada por otros proyectos.
Cabe destacar que el método de CSM empleado para evaluar las especificaciones de la TBM no tiene en cuenta la fracturación del macizo rocoso. En los tramos más fracturados, los problemas antes mencionados fueron menores. Sin embargo, en tramos macizos y sanos, la TBM se encontró con una gran oposición al avance.
Retrospectivamente, se puede afirmar que la adopción de cortadores de 19” con el consecuente aumento de su capacidad de 240kN/c a 315 kN/c hubiese sido una mejora clave para mejorar los rendimientos y reducir el consumo de cortadores y coste global del proyecto.
En la misma línea, también habría sido recomendable la disminución de la separación de pistas a valores cercanos a 70 mm. Cambiando ambos parámetros en el diseño (19” y 68 discos en la cabeza) se comprueba la idoneidad.
Este diseño de rueda de corte optimizada ha sido el adoptado para los túneles de Noruega. Acciona ha incorporado las lecciones aprendidas de Vigo en el diseño de las TBM de Follo Line, de tal forma que fuesen capaces de hacer frente a las exigentes condiciones noruegas.
El uso de cortadores de 19” en vez de 17” tiene consecuencias claras en la mayor vida útil de los cortadores para terrenos muy resistentes y abrasivos al conllevar un incremento de la capacidad de estos. Esto redunda en la posibilidad de ejercer empujes mayores contra el frente. Ahora bien, estas modificaciones deben ir acompañadas de unas capacidades mecánicas mayores de la TBM.
Rolando Justa Cámara: in memoriam
En memoria del ingeniero de caminos Rolando Justa Cámara, fallecido en diciembre de 2023, rendimos homenaje a su legado. La idea original del artículo surgió de la mente brillante de Rolando. Su apasionada contribución ha enriquecido considerablemente la temática del artículo, reflejando la dedicación inquebrantable de Rolando a la ingeniería y los túneles hasta el final de sus días. Su visión perdura en este relato y en el compromiso continuo con la excelencia que él promovió durante sus más de 35 años de desempeño profesional en Acciona.
Referencias
1
Bieniawski, Z. T., Celada, B., Tardaguila, I., & Rodrigues, A. (2012). Specific energy of excavation in detecting tunnelling conditions ahead of TBMs. Tunnels and Tunnelling International, FEB, 65-68.
2
Bruland, A. (2000). Hard Rock Tunnel Boring (tesis doctoral). Norwegian University of Science and Technology, 1 to 10.
3
Tardáguila, I., & Suárez Vergara, J. L. (2007). Metodología para el seguimiento y control del terreno en el interior de los túneles de Guadarrama. En Ingeo Túneles.
4
Teale, R. (1965). The concept of specific energy in rock drilling. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2(2), 245. https://doi.org/10.1016/0148-9062(65)90016-1