Escudo de túnel

Un escudo de tunelización es una estructura protectora utilizada durante la excavación de grandes túneles artificiales . Al excavar en terrenos blandos, líquidos o inestables, existe un riesgo potencial para la salud y la seguridad de los trabajadores y del propio proyecto debido a la caída de materiales o un derrumbe. Un escudo de tunelización puede utilizarse como estructura de soporte temporal. Generalmente, se coloca durante un corto período, desde que se excava la sección del túnel hasta que se puede revestir con una estructura de soporte permanente. Esta estructura permanente puede estar hecha de ladrillos, hormigón, hierro fundido o acero, según la época. Si bien los escudos modernos suelen ser cilíndricos, el primer "escudo", diseñado por Marc Isambard Brunel , era en realidad una gran estructura rectangular de hierro, similar a un andamio, con tres niveles y doce secciones por nivel, con una superficie superior sólida que soportaba la carga . La estructura protegía a los hombres de los derrumbes mientras trabajaban en su interior, excavando el túnel frente al escudo.

El primer escudo de túnel rectangular exitoso fue desarrollado por Marc Isambard Brunel y patentado con Lord Cochrane en enero de 1818. Brunel y su hijo Isambard Kingdom Brunel lo utilizaron para excavar el Túnel del Támesis a partir de 1825 (aunque el túnel no se abrió hasta 1843). ^{[ 1 ] [ 2 ]} Se dice que Brunel se inspiró en su diseño en la concha del gusano de barco , un molusco cuya eficiencia para perforar madera sumergida observó mientras trabajaba en un astillero. ^{[ 1 ]} El escudo fue construido por Maudslay, Sons & Field de Lambeth, Londres, quienes también construyeron las bombas de vapor para el drenaje del túnel.

Este escudo era de hierro fundido y se movía mediante gatos hidráulicos. Unos estantes sostenían los distintos lados hasta que se pudieran instalar revestimientos de ladrillo más permanentes. Sus dimensiones eran de 22 pies 3 pulgadas por 37 pies 6 pulgadas. ^{[ 3 ]} A pesar de su éxito, el enorme costo y los problemas que enfrentó hicieron que intentar replicar su método fuera una tarea desalentadora, y no se intentó hasta veinticinco años después. ^{[ 3 ]}

En 1840, Alfred Ely Beach , editor de la revista Scientific American , fue el primero en sugerir que un diseño circular sería superior al diseño rectangular de Brunel. En 1869, Beach construyó un escudo circular ^{[ 2 ]} , cuya imagen se publicó en un artículo de noticias de Nueva York sobre su idea de un sistema de túnel neumático. El diseño se basaba en la celosía del escudo de Brunel y se desplazaba hacia adelante manualmente mediante un sistema de gatos hidráulicos.

En 1864, Peter W. Barlow solicitó una patente de diseño con sección transversal circular. En teoría, esto facilitaba la construcción del escudo y mejoraba su capacidad de soportar el suelo circundante; en teoría, porque nunca se construyó ningún escudo con este diseño. ^{[ 3 ]} La patente de Barlow de 1864 se perfeccionó y se le concedió una patente provisional en 1868, pero nunca se ratificó, ya que Barlow falleció poco después.

El diseño original de Brunel fue mejorado sustancialmente por James Henry Greathead, a quien se le concedieron tres patentes para diferentes diseños de escudos. Además, inventó el concepto de lechada de hormigón proyectada para estabilizar movimientos de tierra con hormigón inyectado, una bandeja de esparcimiento que inyectaba hidráulicamente lechada de refuerzo en las cavidades entre el revestimiento construido y la pared circular del túnel. ^{[ 3 ]}

Greathead fue el primero en utilizar un escudo de tunelización cilíndrico en la construcción del Tower Subway bajo el río Támesis en el centro de Londres en 1869. ^{[ 3 ]} El escudo de Greathead tenía 2,21 m ( 7 pies y 3 pulgadas ) de diámetro. De manera similar, Alfred Ely Beach abrió su túnel al público el 1 de marzo de 1870.   

Greathead también utilizó uno en la construcción del ferrocarril City and South London (actualmente parte de la línea Northern del metro de Londres ) en 1884, con túneles de 3,1 m ( 10 pies 2 pulgadas ) de diámetro. Su escudo también se utilizó en la excavación de los túneles de 3,7 m ( 12 pies 1 + 3/4 pulgadas ) de diámetro para el ferrocarril Waterloo & City , que se inauguró en 1898. Los túneles de la estación de City (ahora conocida como Bank) fueron excavados con el escudo de túnel de mayor diámetro del mundo en ese momento, midiendo 7,0 m (23 pies) .       

Un escudo original de Greathead utilizado en la excavación de las profundas líneas del metro de Londres permanece en su lugar en túneles en desuso debajo de la estación de Moorgate . ^{[ 4 ]}

La mayoría de los escudos de túnel todavía se basan vagamente en el diseño de Greathead. ^{[ 5 ]}

En los inicios de la construcción de túneles con escudo, este servía para proteger a los trabajadores que excavaban y lo desplazaban hacia adelante, reemplazándolo progresivamente con secciones prefabricadas de la pared del túnel. Los primeros túneles profundos del metro de Londres se construyeron de esta manera. El escudo dividía el frente de trabajo en secciones superpuestas que cada trabajador podía excavar.

Una tuneladora (TBM) consta de un escudo (un gran cilindro metálico) y mecanismos de soporte traseros.

En la parte frontal del escudo se encuentra una rueda de corte giratoria. Detrás de la rueda hay una cámara donde el suelo excavado se mezcla con lodo (denominada tuneladora de lodo) o se deja tal cual (escudo de equilibrio de presión de tierra o EPB), según el tipo de tuneladora. La elección del tipo de tuneladora depende de las condiciones del suelo. También existen sistemas para la extracción del suelo (o del suelo mezclado con lodo).

Detrás de la cámara hay un conjunto de gatos hidráulicos apoyados en la parte terminada del túnel, que se utilizan para empujar la tuneladora hacia adelante. Una vez excavada una cierta distancia (aproximadamente 1,5 a 2 metros ) , se construye un nuevo anillo de túnel con la máquina de montaje. Esta máquina es un sistema giratorio que recoge segmentos de hormigón prefabricado y los coloca en la posición deseada. 

Detrás del escudo, en la parte terminada del túnel, se pueden encontrar varios mecanismos de soporte que forman parte de la tuneladora: retirada de tierra, tuberías de lodo (si procede), salas de control, raíles para el transporte de los segmentos prefabricados, etc.

El revestimiento del túnel es la pared del mismo. Generalmente consta de segmentos de hormigón prefabricado que forman anillos. Tradicionalmente, en los túneles del metro de Londres se utilizaban revestimientos de hierro fundido , mientras que en otros lugares se empleaban a veces revestimientos de acero. El concepto de utilizar secciones de revestimiento prefabricadas moldeadas no es nuevo y fue patentado por primera vez en 1874 por James Henry Greathead .

En Japón existen varios métodos innovadores para la construcción de túneles con escudo, como el Double-O-Tube o túnel DOT. Este túnel tiene la apariencia de dos círculos superpuestos. También existen escudos con brazos computarizados que permiten excavar túneles de prácticamente cualquier forma. ^{[ 6 ]}

• Minería de tajo largo , un método de extracción de carbón que utiliza una serie de escudos hidráulicos.

• Imagen de la excavación manual de un túnel utilizando un escudo Greathead.