Máquina sin precedentes

Máquina de envergadura nunca antes usada en la construcción en Brasil abrirá un tramo de 4,6 m de la línea 4 del metro de Río de Janeiro

Por: Marcelo Januário

Oficialmente entregada al gobierno del estado y al Concesionario Rio Barra a fines de septiembre, la EPB Shield S-769 convertible que excavará un tramo de 4,6 km de túneles subterráneos de la línea 4 del metro de Río de Janeiro, será la máquina más grande en operar en trabajos de ingeniería constructiva en el país.

Fabricada por Herrenknecht, la tuneladora de 11,4 m de diámetro, fue presentada a la prensa nacional ―incluida M&T― durante un acto celebrado en la planta de la empresa en Schwanau (Alemania). La colosal estructura, que será desmontada y transportada en buque en 10 contenedores y 92 partes sueltas, mide 120 metros de longitud y tiene una altura equivalente a un edificio de cuatro pisos, y se construyó específicamente para esta obra.

«Esta máquina es muy especial por las condiciones geológicas de Río de Janeiro», dijo Jonny Altstadt, director general de Herrenknecht do Brasil. «Al comienzo de la obra, se perforará una roca gneis muy dura, pero más adelante hay arena saturada y blanda con abundante agua. Estas dos condiciones geológicas extremas exigieron una máquina con gran sofisticación.»

En esta obra se usará por primera vez la perforación mecanizada en Río de Janeiro, en donde hasta el momento solo hay túneles construidos con el método de perforación y voladura y otras técnicas convencionales de excavación. Por lo tanto, el incremento de la productividad es considerable, ya que la TBM tiene una capacidad de excavación cuatro veces mayor (de hasta 18 m por día) que las otras tecnologías.

Otra ventaja es que el uso de esta máquina afecta en menor medida a la población, ya que no requiere el uso de hincapilotes, explosiones y aperturas de zanjas de superficie a lo largo de las calles, además de la particularidad de no pasar por debajo de edificios (el trazado sigue todo a lo largo de la calle Rua Barao da Torre, justo debajo del pavimento).

Esto, por cierto, fue una de las razones para la elección del método de construcción. Como la región es una zona urbana densamente poblada, es necesario evitar asentamientos del terreno y vibraciones que puedan causar daños a los edificios.

Según el gobierno, el impacto sobre el tránsito vehicular también será mínimo, ya que solo se cerrarán 500 m de la calle en el momento de las obras.

«Esta máquina se construyó con una tecnología muy avanzada», explicó Regis Fichtner, el Jefe de Gabinete (secretário de Estado da Casa Civil, en portugués), que representó el gobierno del estado. «Gracias a ella, se podrán excavar todos los túneles del metro en la zona sur sin necesidad de abrir agujeros a lo largo de las calles, ya que se construirán por debajo de la calzada sin ningún tipo de impacto en la superficie.»

En el acto, Fichtner informó también que el gobierno de Río de Janeiro ha iniciado estudios para desarrollar un término de referencia con miras a contratar un proyecto de expansión del metro, para conectar la Gávea al Centro, pasando por los barrios Jardim Botânico, Laranjeiras y Humaitá. El proyecto, que debe ponerse en marcha a partir del 2016, podrá aprovechar la misma máquina. «Queremos dejar este proyecto listo y con la licitación adjudicada, para que en el futuro, una vez terminadas las obras de la Línea 4, sea posible usar la máquina en la construcción de esta nueva línea», dijo.

A una pregunta del repórter de M&T sobre la existencia de una cláusula de recompra por el fabricante —común en contratos de adquisición de este tipo de equipo— Altstadt también sugirió su uso continuado. «Existe esa opción, sí, pero creo que esta máquina debe permanecer en Río durante mucho tiempo», dijo.

Coloso
Adquirida por el concesionario por 100 millones de reales, cifra que excluye los equipos llamados «periféricos», la tuneladora Herrenknecht se montará entre marzo y agosto del próximo año en una caverna cerca de la estación General Osório, donde tendrá inicio la excavación hacia la futura estación Jardim de Alah. Pintada con los colores de la bandera del estado de Río de Janeiro (azul y blanca), funcionará a 12 metros de profundidad y movilizará a un equipo de 270 personas, entre electrotécnicos, ingenieros, mecánicos, operadores y encargados alemanes y brasileños, 30 de los cuales —muchos ya en capacitación en la fábrica desde hace más de un año— trabajarán directamente dentro de la estructura.

La máquina de 2883 toneladas, potencia de corte de 4,2 kW y par motor de 11,3 kNm, a medida que excava, va instalando los casi 2700 anillos numerados de hormigón armado (formados por siete dovelas y una pieza clave) de 1,8 m de ancho cada uno, que forman la estructura secuencial del túnel. De modo que la máquina funcionará en ciclos de excavación de 1800 mm, apoyada en los propios anillos de hormigón e impulsada por cilindros hidráulicos. «Es como cavar con una mano y, con la otra, impedir que algo caiga dentro del agujero», explicó Altstadt.

El equipo mantiene el equilibrio entre la tierra excavada y la presión ejercida (la tasa de tierra retirada es igual a la tasa de avance de la máquina), con la posibilidad de articulación en un rango de diámetros de más de 11 metros. Esto permite que, en algunos casos, las cuadrillas hagan frente a curvas cerradas, con un radio de curvatura de solo 250 m.

Al llegar a la altura del Alto Leblon, se adaptará la tuneladora para la excavación en roca. Trabajando por presión, los discos de corte fracturan el gneis por identación, fragmentándolo en escombros (esquirlas o lascas) que, arrancados por la acción de los dientes trituradores intercalados, son finalmente «tragados» por las aberturas (paletas) existentes en la cabeza de corte, que cuenta con una sección transversal giratoria.

Hasta que el tamaño de los escombros no sea lo suficientemente reducido para pasar a través de las aberturas, son cortados y aplastados por el mecanismo, que actúa de manera similar a una trituradora. Como hay presión de adentro hacia afuera, que varía hasta 1 bar en diferentes puntos de la cabeza de corte, es necesario inyectar continuamente grasa en el mecanismo para evitar que el material excavado llegue al sistema de rodamiento y lo dañe.

Los discos de corte cubren toda la superficie, cada uno soporta una presión máxima de 17 t, y también corren el riesgo de aplastar el rodamiento a una presión más alta. Asimétrica, la cabeza de corte de la máquina también tiene cientos de placas de acero extraduro (con un alto contenido de carbono) acopladas por medio de tornillos ajustados desde atrás, que protegen el equipo de la abrasividad del suelo. Para reemplazarlas, se vacía la cámara hiperbárica y se las cambia siempre desde arriba, girando gradualmente la rueda frontal.

Las placas, al igual que los 160 dientes, 58 discos y 16 paletas, y otras partes de desgaste y componentes y circuitos internos son monitoreadas por sensores electrónicos distribuidos en toda la estructura de la máquina, que informan sobre sus condiciones operativas y el mejor momento para paradas de mantenimiento. El fabricante suministra los repuestos, que se acopiarán a pie de obra.

Conversión
Compuesta por una amalgama de dos tecnologías, la tuneladora S-769 es un escudo de presión de tierra (Earth Pressure Balanced - EPB) convertible que se adapta a las condiciones geológicas. Esto significa que se la puede convertir en el interior del túnel para que aguante el avance en dos tipos diferentes de suelo: arenoso y rocoso.

«En los primeros 300 m, la máquina trabajará en modo abierto y, luego, se la convierte al modo EPB cerrado para excavar los 3000 m siguientes», explicó Carlos Manzano Rey, gerente de proyectos de Herrenknecht. «Por último, se perforarán otros 1300 m en modo abierto.»

En modo abierto, la cara más estable del túnel no necesita sostenimiento y el granito estable excavado se acarrea directamente hacia el exterior por medio de una cinta transportadora. Por otro lado, en modo EPB cerrada, la pérdida de estabilidad en la superficie del túnel se compensa a través de una presión de sostenimiento.

A menudo, la velocidad de retirada de tierra se usa para el sostenimiento de la superficie del túnel, y el material excavado es acarreada a una cámara situada inmediatamente detrás de la cabeza de corte por el tornillo sin fin, cuya velocidad de avance regula la presión de sostenimiento en suelos de origen predominantemente lacustre y/o arenosa, como los de esa zona. «De este modo, se mantiene el equilibrio entre la cantidad de tierra retirada y la cantidad de tierra acumulada en el proceso de excavación», subrayó Manzano.

Solo es necesario hacer unos pequeños ajustes en la cabeza de corte para cambiar entre los dos modos de funcionamiento. Tanto la cinta transportadora como el tornillo helicoidal permanecen instalados en la máquina todo el tiempo.

Montaje
Para el montaje del túnel prácticamente en simultáneo, las 19 000 dovelas —cuyos moldes fueron producidos por la filial Herrenknecht Formwork— están alojadas inicialmente en el interior de la carcasa de protección de la máquina.

A continuación, los segmentos de anillo son elevados individualmente en la parte delantera de la plataforma de apoyo (back-up) por un cabestrante de transferencia, que es un brazo mecánico semejante a una ventosa de presión. El mecanismo lleva las dovelas al alimentador de segmentos, que, por su parte, las transporta al frente del túnel. Las diferentes partes se instalan una al lado de la otra, en forma alternada, por medio del erector. «Con la posición predefinida y mecánica de precisión, la manera en la que las dovelas se encajan es que permite el trazado de las curvas del túnel», explicó Marco Antonio Lima Rocha, gerente de obras de RioTrilhos.

Durante todo el proceso, las máquinas y las cuadrillas de excavación están protegidas por la carcasa del escudo contra la presión de la tierra y el agua subterránea. Para aislar la carcasa de acero del anillo segmentado, el extremo de la máquina, llamado de «cola» (tail skin) está equipado con un sello circular.

El espacio anular entre el lado externo de los segmentos de revestimiento y el suelo se llena continuamente con un tipo de mortero de lechada con alta resistencia mecánica (compuesto de cemento, arena, cuarzo, agua y aditivos especiales tales como bentonita y polímeros), que se inyecta o bien a través de los orificios del sello de cola o bien en los segmentos de anillo, para sellar y estabilizar el tubo del túnel.

Según el movimiento de avance de la máquina, el sistema apoyo avanza sobre ruedas también apoyadas sobre los anillos del túnel. La estructura de acero también contiene las unidades de accionamiento hidráulico, tales como bombas, tableros de distribución eléctrica, sistemas de ventilación, instrumentos laséricos de navegación, tanques de almacenamiento de acondicionadores de suelo y las soluciones logísticas para el transporte de los anillos segmentados, en el caso del metro de Río, camiones pequeños y eliminación del material excavado en rellenos.

«Este sistema nos permite reemplazar el material excavado con un túnel listo. En ningún momento el túnel está abierto, a la espera de ser revestido, como sucede con otros sistemas tradicionales [no mecanizados]. Aplicándolo, o bien el túnel se encuentra dentro de la misma máquina, o bien está listo, con las dovelas prefabricadas totalmente fijadas», concluyó Altstadt.

Herrenknecht confirma fábrica en Brasil
Tal como M&T lo anunció en el número de abril, Herrenknecht confirmó el establecimiento de una fábrica en Brasil. De acuerdo con la información previamente divulgada, la empresa invertiría hasta 10 millones de euros en la instalación de la unidad, que abastecerá los mercados latinoamericanos.

Todavía no se ha confirmado el lugar pero está definido que la nueva planta también producirá sondas y perforadoras para satisfacer la demanda de Petrobras. Inicialmente, el índice de contenido nacional será del 30 %, incluidas partes metálicas y estructurales, mientras que los componentes eléctricos, hidráulicos, mecánicos y electrónicos se importarán de Alemania.

Herrenknecht pondrá el foco, principalmente, en la venta de las máquinas, pero no descarta la oferta de máquinas en el mercado de arrendamiento, que responde por un 25 % del volumen mundial de negocios. En la actualidad, la empresa —que cuenta con más de 4000 empleados y 54 sucursales— tiene una cuota del 70 % del mercado mundial de máquinas tuneladoras, fabrica 200 máquinas de gran envergadura por año y alcanza un volumen de negocios superior a mil millones de euros.

Empresa colecciona records 
Fundada en 1977, Herrenknecht suministra máquinas para obras de construcción en varias partes del mundo y supera marcas de ingeniería cada vez más impresionantes.

En la construcción de la Galleria Sparvo, por ejemplo, que une Florencia a Bolonia, la empresa marcó dos records al final de la primera etapa de la obra: la mayor máquina EPB jamás construida (el escudo S-574 con 15,5 m de diámetro) y el mejor rendimiento en perforación (2413 m en menos de un año).

El túnel ferroviario más grande del mundo también está siendo perforado por una máquina Herrenknecht. En la construcción bajo los Alpes suizos del Gotthard Base Tunnel (GBT) se usan cuatro Gripper TBM (con diámetro entre 8,8 y 9,5 m) en la perforación de 85 km de diferentes tipos de roca, a una velocidad de 56 m por día en dos direcciones.

Por otra parte, en el mayor sistema de alcantarillado en el mundo, finalizado en septiembre pasado en la ciudad de México, se usaron tres escudos EPB S-497 (con 8,7 m de diámetro) en la construcción de 30 km de túneles. Otra obra que puede considerarse como una de las más delicadas de la historia es la construcción de un túnel en 2010 a menos de 20 m por debajo de la catedral neogótica de la Sagrada Familia (en la foto), patrimonio arquitectónico de la humanidad diseñada por Gaudí en Barcelona, España.

En América Latina, la empresa ha suministrado equipos para más de 20 proyectos en ocho países. En Brasil, que responde por un 90 % del volumen de negocios en la región, la empresa vendió máquinas, incluidas microtuneladoras, perforadoras y tuneladoras para obras en estados como Amazonas, Espírito Santo, Bahía y Sao Paulo, donde cuatro máquinas EPB S-336 de 9,4 m diámetro perforaron 6,4 km de túneles de la línea 4 amarilla del metro, y, después de un ajuste para aumentar el diámetro en un metro, uno de las máquinas también trabajará en la línea 5 lila. «Estamos haciendo una mezcla de lo que ya existía con partes nuevas fabricadas aquí en Alemania», dijo el director de la filial brasileña.

Más información sobre la construcción de la línea 4 
Con aproximadamente 16 kilómetros de longitud a lo largo de la costa, la construcción de la Línea 4 del metro de Río de Janeiro comenzó en junio del 2010 y está dividida en dos tramos: Sur (Ipanema - Gávea) y Oeste (Barra - Gávea). La finalización de la construcción de la línea, que conecta con la Línea 1 en General Osório, está prevista para diciembre del 2015, cuando se inaugurarán seis estaciones y comenzará la fase de prueba.

En Leopoldina se construirá una fábrica de hormigón prefabricado para suministrar dovelas, que formarán la estructura de los túneles del metro. Allí, también habrá tres alojamientos con capacidad para 300 trabajadores. En Leblon, un obrador albergará los talleres mecánicos e industriales, y alojamiento para otros 300 obreros.

A cargo del Consorcio Constructor Rio Barra (CCRB) —responsable de obra y formado por las empresas Odebrecht, Queiroz Galvão y Carioca Engenharia—, bajo la supervisión de la Compañía de Transporte Ferroviario del Estado de Río de Janeiro (RioTrilhos), la tuneladora perforará un túnel de 4,6 km de la Estación General Osório, en Ipanema, a la Gávea, una región situada entre la laguna y el mar, donde el suelo es arenoso e inestable.

También se perforará un tramo rocoso cerca de las colinas. Este tramo tendrá tres nuevas estaciones (Nossa Senhora da Paz, Jardim de Alah y Antero de Quental), que se construirán simultáneamente para el paso posterior de la maquinaria.

Con un costo estimado de 5000 millones de reales, a partir de 2016 la línea 4 tendrá más de 300 000 pasajeros al día, y logrará retirar de las calles alrededor de dos mil vehículos por hora durante las horas punta. Una flota de 17 trenes nuevos se incorporará en el sistema, que funcionarán con un intervalo de tres a cuatro minutos entre los convoyes.