Excavaciones subterráneas: Tecnología para todo el ciclo

 

Tecnología P

Gentileza Codelco

 

Tanto los materiales como los equipos involucrados en el proceso de construcción de túneles presentan mejoras que apuntan a la seguridad y la reducción de los ciclos.

Se ha avanzado en términos de calidad de los materiales, explosivos con menos gases de producto de la voladura, mallas metálicas con deformación controlada, hormigón con desarrollo de resistencia a temprana edad, etcétera.

La innovación, la tecnología y la automatización toman un lugar importante. Ejemplo de ello, son los robots para el proceso de shotcrete.

Fabiola García S.
Periodista Construcción Minera 

La construcción de obras subterráneas para la minería enfrentará desafíos cada vez mayores, debido a la profundidad y longitud de los próximos proyectos. El ciclo de desarrollo minero compuesto por la perforación de la frente, carguío, tronadura, ventilación, acuñadura, transporte de marina, fortificación y soporte cuenta con mejoras principalmente en la calidad de los materiales y en la productividad de los equipos de apoyo.

Cabe destacar las máquinas TBM o tuneladoras, que en tecnología se quedan con el protagonismo. Este tema fue desarrollado en el artículo Perforadoras y tuneladoras: Tecnología en las profundidades en la en la página 52 de la presente edición.

En tanto, las excavaciones subterráneas menos mecanizadas cuentan con distintos elementos cuya tecnología ha apuntado a disminuir los tiempos de cada ciclo para aumentar así la productividad en el avance minero. A continuación se entrega una revisión general de las tendencias en materiales y equipos presentes en el ciclo.

Jumbo perforador
Tecnología 1
Con la perforación de la frente –según el diagrama de disparo– se inicia el ciclo minero para la construcción de un túnel. La tecnología está en los jumbos de uno, dos o más brazos que permiten acortar los ciclos gracias a la automatización.
Los jumbo Boomer de Atlas Copco Chilena son de perforación frontal subterránea y se pueden equipar hasta con cuatro brazos, y con martillos de alto rendimiento diseñados para hacer frente a todos los tipos de roca y condiciones de perforación. La excavación se controla mediante el sistema Rig Control System con una funcionalidad inteligente que aseguraría precisión y productividad.

Un ejemplo de Boomer, es el XE3 C que es un equipo hidráulico de perforación frontal adecuado para túneles de gran tamaño con secciones de hasta 198 metros cuadrados. Está equipado con una consola de amplio alcance para mayor cobertura en túneles anchos. Cuenta con tres brazos BUT 45 y martillos COP 3038, para lograr productividad optimizada. Los brazos BUT 45 cuentan con una  deslizadera de 2.500 mm y unidades de rotación dobles que proporcionan un adecuado alcance, con un giro de ±190° y una rotación de ±135° de la deslizadera. Los martillos COP 3038 aseguran la mejor velocidad de perforación. El doble sistema de amortiguación minimiza el desgaste y prolonga la vida útil de los fungibles.

Explosivos
Tecnología 2
Una vez acabado el proceso de perforación viene el carguío de la frente con explosivos. Esta es la segunda fase del ciclo minero en la construcción de un túnel.
Cristián Anguita, gerente comercial de la compañía de explosivos Famesa indica que la tendencia en la mediana y gran minería es el uso de emulsiones bombeables. Consisten en una emulsión del tipo agua en aceite, con componentes energizantes que le permitirían obtener una alta velocidad  y presión de detonación, generando una buena calidad de gases de tronadura. A su vez es seguro y posee una excelente resistencia al agua, indica su promotor. Se sensibiliza mediante la adición de un agente sensibilizador y se introduce en la perforación por medio de una unidad de bombeo, especialmente diseñada sobre una unidad móvil.

En tanto, Emulnor® es una emulsión explosiva encartuchada en una envoltura plástica que posee propiedades de seguridad, potencia, resistencia al agua y también una buena calidad de los gases de voladura.

El Fanel® es un sistema de iniciación que se puede sincronizar sin riesgo y elimina la posibilidad de conexiones erróneas.

Ventilación

Después de cada tronadura se debe esperar el tiempo adecuado para que los gases sean disipados y se pueda continuar con el ciclo.

Desde Soler&Palau indican el ambiente exige que los ventiladores provean de aire fresco y al mismo tiempo remuevan los contaminantes, el calor, la humedad y el polvo generado durante la etapa de la construcción de las instalaciones.

En la compañía promueven el ventilador de túnel axial unidireccional con disponibilidad en diámetros desde 1.120 hasta 3.150 mm, presión estática hasta de 5.000 Pa y reversible con disponibilidad en diámetros desde 1.120 hasta 2.240 mm, presión estática hasta de 2.500 pascales.

Transporte de marina
Tecnología 3
Si bien tras la tronadura y la ventilación se debe remover la marina, primero está el trabajo de los acuñadores mineros quienes deben desprender todo material suelto, especialmente en la bóveda del túnel, que pueda ocasionar un peligroso derrumbe. Después de este procedimiento, un vehículo de bajo perfil como un scoop, un camión articulado y otros equipos de movimiento de tierra son los apropiados para transportar la marina. Por ejemplo, el cargador sobre oruga 634 de Liebherr para aplicaciones en túneles estrechos entregaría una óptima capacidad de manipulación, rápidos ciclos de trabajo, capacidad de carga del cazo (1,20-2,40 metros cúbicos) y accionamiento hidrostático de traslación en sus versiones LR 614, la LR 624 y LR 634. Su promotor comenta que gracias a los accionamientos independientes entre sí del tren de rodaje se logra una considerable maniobrabilidad, que llega incluso hasta el giro sin desplazamiento. En tanto, el sistema hidráulico de trabajo, que consta de una maciza cinemática en Z, otorgaría grandes fuerzas de arranque durante la carga de piedra. Se accionan con motores diesel de bajo consumo que funcionan con una velocidad constante, lo que se traduciría en rentabilidad en los proyectos de construcción de túneles.

Aditivo en polvo
Tecnología 4
Desde Sika Chile, el jefe de Desarrollo Comercial Concretede, Cristián Romo indica que uno de sus productos innovadores es el aditivo en polvo SikaFluid, que cuenta con cualidades plastificantes, de expansor y acelerantes de fraguado para inyección de lechadas cementicias. Este aditivo actúa sobre las mezclas como: expansor, defloculante, fluidificante y acelerante. Entre sus ventajas está el permitir un avance más seguro en la etapa de sostenimiento del túnel.
Posee cualidades de alta reducción de agua, aumentando la trabajabilidad y evitando la segregación de las lechadas. Aceleraría, además, los tiempos de fraguado, junto con expandir el material inyectado antes y durante el proceso. Todas variables claves para un mejor resultado, que otorgaría alta adherencia y resistencia a tracción de pernos de fortificación.

Hormigones innovadores para la minería
Tecnología 5
Gerardo Staforelli, subgerente de Ventas Técnicas de Melón, presenta shotcrete con atributos, fluida y RDC como algunos de sus productos innovadores para la minería.
- Shotcrete con atributos: diseñado para lograr altas resistencias iniciales, en caso de ser requerido se considera el empleo de fibra para cumplir la resistencia residual de diseño y si se especifica se definen parámetros de durabilidad.
- Fluidia: hormigón autocompactante, que para la complejidad de obras mineras minimiza y facilita los tiempos de colocación. Este producto puede ser diseñado para bombear a más de 800 metros dependiendo de las condiciones de terreno.
- RDC: hormigón de baja resistencia y densidad que puede ser excavado una vez colocado. Permite reemplazar rellenos de otro tipo y además se puede bombear, facilitando de esta forma las faenas de relleno a las que muchas obras de minería se ven enfrentadas.

Fibras

Las fibras son elementos de corta longitud y pequeña sección que se incorporan dentro de la dosificación del hormigón. Quedan distribuidas en la masa de forma aleatoria y tridimensional confiriéndole propiedades específicas.

Existen fibras de distintos materiales, longitudes, secciones y formas, entre los diversos materiales están las fibras de vidrio, acero, sintéticas, de aramida, nylon, etc. Las más utilizadas hoy en día, las sintéticas y de acero, explican en la Guía de materiales y productos para túneles y espacios subterráneos del CTES.

Las fibras de acero BEKAERT-MACCAFERRI, son fibras de acero trefilado en frío, con extremos conformados y cortadas en longitudes que garantizan un anclaje óptimo.

Estas fibras disminuyen la fisuración, aumentan la absorción de energía y resistencia al impacto, entre otros, indica su promotor.

La utilización de fibra de acero BEKAERT-MACCAFERRI permitiría reemplazar la armadura en forma completa o parcial en el hormigón proyectado o shotcrete.

Mallas de mayor resistencia
Tecnología 6
Para aplicaciones de estabilización y fortificación de túneles están las mallas. La capacidad de contener los embates es una prioridad en la minería ya que la seguridad es lo primero. Si bien la NCh227 sobre alambres de acero para usos generales exige una resistencia de 50 kg/mm2, explican en Geobrugg, todavía esto no cumpliría con los estándares internacionales. En tanto, las mallas de Geobrugg resisten 180 kg/mm2 y entregan dos cualidades relevantes como la resistencia y la deformación controlada, afirman.
Geobrugg presenta la Malla MINAX® 65/4, 80/4 y 80/3. Es tejida con alambre de acero de alto límite elástico cuya resistencia a la tracción es mayor o igual a 1.770 N/mm2  (menor o igual a 885 N/mm2 en el caso de una malla tradicional). Estas mallas pueden ser tejidas con alambre de menor diámetro y de alta resistencia a la tracción. De este modo, su resistencia puede llegar a ser hasta cuatro veces mayor y también hasta cuatro veces más liviana.

Conectores para barras
Tecnología 7
En Jemo, Pablo Maragaño, jefe de productos destacó los conectores o empalmes mecánicos para barras de construcción Lenton. Esta tecnología ayuda a disminuir la congestión de enfierradura evitando con ello la formación de vacíos dentro del hormigón. Además aseguraría la integridad estructural de la barra de construcción. Dentro de ellos destacan los siguientes:
- Manguitos con rosca cónica:son empalmes o manguitos delgados y su rosca cónica les entregarías fiabilidad. Son de fácil instalación y cuentan con un óptimo balance costo-eficacia, asegura su promotor. Incluye manguitos estándares y de posición, permitiendo conectar barras de cada forma y tamaño.
- CADWELD®: se utilizan en caso de una exigencia particular de resistencia y solidez. CADWELD Rebar es un sistema de empalme mecánico realizado que ofrecería consistencia, versatilidad y flexibilidad. Se utiliza, además, por no tener la exigencia de una preparación particular de las extremidades de las barras.
- Lenton® Lock: permitiría una instalación sencilla in situ, puesto que no es necesario preparar, cortar ni reducir los extremos de la barra. Es ideal para aplicaciones en una nueva construcción, reparación o rehabilitación. Este conector incorpora tecnología de agarre patentada que permite el desarrollo de una resistencia completa de la barra de refuerzo y la integridad estructural general en aplicaciones relacionadas con tensión, compresión, inversión de los esfuerzos y dinámicas.
- Lenton® Terminator: es un anclaje con rosca cónica que se pone en la extremidad de una barra de armadura para realizar un anclaje más eficaz que un anclaje hecho a través de una barra doblada. Este sistema simplifica el hueco de las armaduras, reduce la congestión y mejora la integridad estructural.

Shotcrete de bajo rebote
Tecnología 8
El shotcrete de Cementos BSA es un mortero que genera menos rebote (menos pérdidas de material al momento de su aplicación), de fácil colocación y que puede ser utilizado en superficies homogéneas e irregulares con un buen desarrollo de resistencia a temprana edad. En tanto, su resistencia llega a los 20-40 MPa, con fluidez desde 8 cm y un tamaño del árido de 10 milímetros.

Pernos y paraguas

Parte importante del proceso es la fortificación y soporte. De acuerdo con la Guía de materiales y productos para túneles y espacios subterráneos del CTES, los sistemas de sostenimiento consisten en elementos estructurales de sujeción del terreno, aplicados durante la excavación del túnel, con el fin de asegurar su estabilidad y garantizar las condiciones de seguridad durante la construcción. Estos pueden ser marcos de acero, hormigón proyectado, barras y tubos de acero, entre otros.

En cuanto a los pernos, estos pueden ser anclados solamente en contacto con la roca mediante los pernos de fricción  o swellex, o bien lechados con una mezcla de cemento. También pueden utilizarse cartuchos de resina como adherente.

Los pernos o “Marchiavantis” consisten en la colocación de bulones o pernos subhorizontales en el frente de avance, para controlar la estabilidad en la clave. Tienen utilidad cuando se atraviesa roca muy fracturada o en terrenos sueltos o de baja cohesión en la zona de la clave.

Los paraguas, en tanto, se usan para pasar zonas de roca muy fracturada o muy alterada y terrenos sueltos o de baja cohesión, con riesgo de desprendimientos al efectuar el avance. Pueden utilizarse pernos autoperforantes (paraguas ligeros) o micropilotes de tubo (paraguas pesados) instalados alrededor de la sección o de la clave del túnel. Cuando la zona a atravesar es amplia, se colocan paraguas sucesivos, con un solape mínimo que habitualmente es de aproximadamente tres metros.

Robot para shotcrete
Tecnología 9
El Roboshot Trubosol TSR7 es un equipo móvil con orugas, accionadas hidráulicamente y controladas en forma independiente con un brazo hidráulico telescópico en acero de alta resistencia compuesto por 4 sectores. Su altura máxima de lanzado es de 8,9 metros. Cuenta con una doble alimentación a motor diesel Lombardini y eléctrico, lo permite trabajar en distintas situaciones operativas. El shotcrete es con movimiento de pincel (rotación de 360° e inclinación vertical de 240°) y con mando a distancia. Incluye brazo telescópico, bomba de hormigón, bomba de aditivo, compresor y mando a distancia.

Marcos reticulados

Las barras Cap-Sol® son barras laminadas en caliente, rectas y en rollos, cuyas principales aplicaciones son: fortificación minera (marcos reticulados), túneles, estructuras preformadas, pilares y mallas electrosoldadas, entre otros. Se caracterizan por tener cifras mecánicas que cumplen la NCh204 grado A630, son soldables con aporte de material o electrosoldado, las barras rectas y rollos cumplen con propiedades geométricas (resaltes y marcas) del grado A630 de NCh204 of 2006 y también cuentan con la certificación por organismo acreditado IDIEM.