Los Principales Factores Geológicos que Afectan la Eficiencia de Excavación de las TBM

La resistencia a la compresión uniaxial (UCS) de la roca es un indicador clave para evaluar la aplicabilidad de las Máquinas de Perforación de Túneles (TBMs) y predecir la eficiencia de avance, aunque no es el único factor determinante.

En los proyectos de túneles con TBM, las investigaciones geológicas exhaustivas son esenciales. Estas forman la base para la selección y diseño científico del equipo. Además, la fase de construcción debe estar respaldada por sistemas de sondeo avanzados robustos y estrategias de respuesta flexibles para garantizar, en última instancia, el avance seguro y eficiente del TBM.

La resistencia a la compresión uniaxial de la roca es uno de los factores geológicos críticos que determinan la eficiencia de la excavación con tuneladoras (TBM). Generalmente, las TBM logran un rendimiento óptimo en roca dura con una resistencia a la compresión uniaxial (UCS) que oscila entre 30 y 150 MPa. Cuando la resistencia de la roca supera los 150 MPa y la masa rocosa está intacta con juntas poco desarrolladas, se produce una disminución significativa en la tasa de penetración, acompañada de una serie de problemas: desgaste exacerbado de los cortadores, vibración anormal del cabezal de corte, desgaste acelerado e incluso agrietamiento de las costuras de soldadura. Estas condiciones aumentan sustancialmente el tiempo de inactividad para el reemplazo de cortadores y el mantenimiento del equipo. En consecuencia, el impacto de este factor debe considerarse plenamente durante la planificación del proyecto.

El grado de desarrollo de las discontinuidades dentro de la masa rocosa (incluyendo juntas, estratificación, foliación, fallas menores, etc.), es decir, el grado de fracturación o integridad de la masa rocosa, es otro factor geológico crucial que influye en la eficiencia de la excavación con tuneladora. Incluso si las rocas tienen una resistencia a la compresión uniaxial (UCS), dureza y abrasividad similares, la tasa de penetración (profundidad de corte por revolución) y la tasa neta de avance de una tuneladora pueden variar significativamente si el grado de desarrollo de las discontinuidades difiere.

Parámetros como el Coeficiente de Integridad de la Masa Rocosa (Kv), el Recuento Volumétrico de Juntas (Jv) o la Designación de Calidad de la Roca (RQD) se utilizan comúnmente para cuantificar el desarrollo de las discontinuidades. En general, se logra una mayor tasa neta de avance en masas rocosas con buena integridad y discontinuidades relativamente espaciadas, ya que las discontinuidades moderadas facilitan la rotura de la roca y reducen la resistencia al corte.

Sin embargo, la situación se invierte cuando la masa rocosa está intensamente fracturada (por ejemplo, una densidad de juntas extremadamente alta que resulta en un valor Kv inferior a 0,25). En tales casos, la masa rocosa se vuelve fragmentada o incluso suelta, su resistencia general disminuye drásticamente y carece de capacidad de autosoporte. Aunque las cortadoras TBM pueden lograr una mayor penetración (es decir, un corte más fácil) en roca fracturada, el terreno circundante altamente inestable es propenso a colapsos o deformaciones por convergencia. Esto requiere una inversión de tiempo significativa en medidas de soporte temporal (por ejemplo, instalación de arcos de acero, hormigonado proyectado, bulonado de roca) para garantizar la seguridad de la construcción y la estabilidad de las paredes del túnel. Estas operaciones de soporte adicionales consumen significativamente el tiempo de avance, lo que finalmente conduce a una disminución de la tasa de avance neto de la TBM en estas secciones. Por lo tanto, las discontinuidades excesivamente desarrolladas, si bien reducen la resistencia intacta de la roca, se convierten en una limitación para el avance eficiente de la TBM debido a la demanda drásticamente aumentada de soporte.

La dureza de la roca es un factor crítico que determina su abrasividad. En general, cuanto mayor es la dureza de la roca, mayor es su abrasividad, lo que acelera directamente el desgaste de las fresas de la TBM (Máquina Tuneladora). Esto resulta en un mayor consumo de fresas, no solo aumentando los costos de construcción, sino también provocando paradas más frecuentes para el reemplazo de fresas, reduciendo así la velocidad de avance general.

La abrasividad de la roca está significativamente influenciada por su composición mineral, particularmente el contenido y el tamaño de partícula de minerales duros como el cuarzo. Un mayor contenido y un mayor tamaño de partícula de estos materiales abrasivos conducen a un mayor desgaste de los cortadores.

Para evaluar objetivamente el potencial de desgaste de la roca, la Prueba de Abrasividad CERCHAR se adopta internacionalmente para determinar el Índice de Abrasividad Cerchar (CAI). El valor CAI se ha convertido en un indicador importante para cuantificar la abrasividad de la roca y predecir su impacto en el desgaste de los cortadores y la eficiencia de avance de la tuneladora.

Cuando el ángulo entre la orientación de las discontinuidades principales en la masa rocosa (por ejemplo, juntas, estratificación) y el eje del túnel es inferior a 45°, combinado con una inclinación suave (por debajo de 30°), tienden a formarse bloques inestables en forma de cuña en la roca circundante por encima de las pechinas del túnel y en la zona de la clave. Esta combinación estructural desfavorable hace que estas cuñas sean muy propensas a aflojarse, caerse o incluso a colapsar a gran escala, lo que no solo interrumpe gravemente las operaciones normales de la tuneladora y reduce la eficiencia, sino que también representa una amenaza directa para la seguridad del equipo y del personal.

Cabe señalar que un ángulo entre 50 y 70 grados entre las discontinuidades mayores y el eje del túnel es generalmente el más propicio para lograr mayores tasas de avance.

Por lo tanto, la encuesta precisa de pre-construcción de las orientaciones de discontinuidad de la masa rocosa es crucial para predecir y prevenir tales riesgos, asegurando una construcción segura y eficiente del TBM.