Principio de Reemplazo de Cortadores para TBM

1. Cuchillas resistentes a altas temperaturas

Durante el proceso de excavación de la TBM (Tunnel Boring Machine, máquina tuneladora), el disco de corte genera calor por fricción debido al roce con la roca. Esto provoca un aumento de su temperatura interna, lo que da lugar a gradientes de temperatura y a una expansión térmica desigual. La presión de rodadura continua del cortador contra la roca crea una tensión y deformación térmicas internas alternantes. Esto conduce con gran facilidad al daño por fatiga del cortador, provocando la fractura del anillo de corte. Al mismo tiempo, las microfisuras generadas en la capa superficial del anillo de corte por la tensión y deformación térmicas alternantes también acelerarán el desgaste del anillo de corte. Además, a medida que aumenta la temperatura, el rendimiento de los componentes internos, como los rodamientos y los sellos, se verá significativamente afectado. Esto provoca una disminución de la viscosidad del aceite lubricante, lo que puede llevar a un fallo del lubricante, reducir la capacidad de carga del cortador y acortar su vida útil. La resistencia a altas temperaturas de los cortadores resistentes a altas temperaturas depende principalmente de la capacidad frente a altas temperaturas de los sellos flotantes internos y de los medios lubricantes dentro del cortador.

2. Cuchillas resistentes a alta presión de agua

Con el extenso desarrollo del espacio subterráneo en los últimos años, las operaciones de tunelación con escudo han aumentado gradualmente, particularmente en túneles que cruzan ríos y mares. Actualmente, las operaciones con escudo de gran profundidad y alta presión de agua —como el Túnel de Shiziyang, el Túnel de la Carretera Sanyang de Wuhan, el Túnel de la Bahía de Shantou y el Túnel de Mawan— han registrado presiones de agua máximas superiores a 10 bar. La capacidad diferencial de presión de los cortadores de disco convencionales es de 3 bar. Cuando se opera en entornos de alta presión de agua, se deben utilizar cortadores resistentes a altas presiones. Los cortadores adecuados para entornos de alta presión de agua requieren principalmente una alta estabilidad del rendimiento de sellado del cortador bajo condiciones de alta presión externa para garantizar un funcionamiento normal. El enfoque clave es lograr avances en la tecnología de sellado de los cortadores de disco en entornos de alta presión de agua.

2.1 Principio de las cuchillas de disco de alta presión de agua

Se crea una cavidad en el centro del eje del cortador, que se comunica con el interior del cortador de disco. Al mismo tiempo, se instala un pistón móvil dentro de la cavidad. Cuando el cortador de disco opera en un entorno de alta presión de agua, la presión interna del cortador se modifica ajustando el volumen de aire interno. Esto logra un equilibrio dinámico con la presión ambiental de la superficie de trabajo de excavación, asegurando la estabilidad operativa de la rotación del cortador. De acuerdo con las propiedades PVT (Presión-Volumen-Temperatura) de los gases, ajustando el volumen interno del cortador se obtiene la presión interna requerida del cortador de disco. Esto asegura que el diferencial de presión entre el interior y el exterior del cortador no exceda el límite de la capacidad de diferencial de presión del sello. Al instalar este tipo de cortador de disco, generalmente se requiere que la cavidad interna del cortador esté completamente llena de aceite lubricante.

2.2 Tipos de cuchillas de disco de alta presión de agua

Los cortadores de disco de alta presión de agua se presentan principalmente en dos tipos: el tipo de pistón móvil y el tipo de vejiga inflable. El tipo de pistón móvil puede alcanzar una presurización interna máxima de 6 bar. Combinado con la capacidad del sello flotante para soportar una diferencia de presión segura de 3 bar, este tipo de cortador de disco de alta presión de agua puede cumplir con los requisitos ambientales de condiciones de excavación de hasta 9 bar.

2.3 Tecnología de apertura de cámara bajo presión en estratos de alta presión de agua y alta permeabilidad

En los túneles de escudo que cruzan ríos y mares, cuando la tuneladora se detiene, a menudo se encuentra en estratos complejos con alta presión de agua (>0,5 MPa) y alta permeabilidad (coeficiente de permeabilidad >10⁻² cm/s). Dichos estratos no poseen las condiciones para realizar operaciones de apertura de cámara a presión atmosférica. Por lo tanto, es imposible evitar las operaciones de intervención dentro de la cámara bajo presión. El cambio de cortadores bajo presión conlleva altos riesgos, avance lento y representa peligros significativos para la salud del personal. Las intervenciones en cámara bajo presión se pueden dividir en dos tipos: operaciones convencionales con aire comprimido y operaciones de buceo de saturación bajo presión. El primero es adecuado para condiciones de poca profundidad, presiones relativamente bajas y duraciones de operación cortas. El segundo es adecuado para condiciones de gran profundidad, altas presiones de aire y largas duraciones de operación.

2.3.1 Intervenciones convencionales en cámara de aire comprimido bajo presión

El Túnel del Río Yangtsé de Nankín es un proyecto típico temprano en China que adoptó la tecnología convencional de apertura de cámara de aire comprimido y cambio de cortadores bajo presión. Cuando el escudo tuneló hasta una profundidad de 53,25 m bajo el lecho del río, se produjo un desgaste severo en la rueda de corte y los cortadores, lo que hizo imposible continuar la excavación. Para garantizar la estanqueidad al gas del estrato durante las operaciones con aire comprimido, el proyecto primero permitió que una gran cantidad de lechada de bentonita pura de baja densidad y baja viscosidad penetrara en la cara de excavación. Luego, la lechada dentro de la cámara de presión fue reemplazada por una lechada mixta de bentonita y arcilla para formar una torta de lechada densa y estanca al gas. Después de que se formó la torta de lechada, el nivel de lechada se redujo en 3 m y se reemplazó con aire comprimido. Antes de reemplazar los cortadores, los operadores entraron en la esclusa de personal para someterse a la presurización y, posteriormente, realizaron el trabajo de reemplazo de cortadores dentro de la cámara de lechada. El tiempo efectivo de operación por sesión fue de 45 a 60 minutos, con una eficiencia de trabajo de aproximadamente el 50%.

Además, la prevención y el tratamiento de la enfermedad por descompresión (barotraumatismo/curvas) entre los operarios en condiciones neumáticas es otro tema clave de esta tecnología. Dado que el cambio de cortadores mediante la apertura de la cámara bajo presión requiere que los operarios se sometan a un proceso de presurización (generalmente de 10 a 20 min) para cada tarea, también deben someterse a un proceso de descompresión (generalmente de 2 a 3 h) dentro de la esclusa de personal antes de salir tras completar la inspección y el cambio del cabezal de corte y los cortadores. El someterse frecuentemente a procesos de presurización y descompresión fácilmente provoca síntomas de descompresión en los operarios. Por lo tanto, la tecnología convencional de apertura de cámara con aire comprimido y cambio de cortadores no es muy adecuada para operaciones de cambio de cortadores con una gran carga de trabajo.

2.3.2 Intervenciones en cámara de buceo de saturación bajo presión

El reemplazo de cortadores mediante buceo de saturación requiere equipos específicos en la tuneladora, como una cámara de habitabilidad hiperbárica de saturación y una esclusa de transferencia de personal (lanzadera). Durante el período de reemplazo de cortadores, los operadores solo necesitan someterse a un único proceso de presurización. Descansan y esperan en la cámara de habitabilidad hiperbárica y realizan el trabajo frente a la cara de excavación del cabezal de corte. Una vez finalizado el trabajo, igualmente solo necesitan someterse a un único proceso de descompresión para regresar a la presión atmosférica. Por lo tanto, en comparación con el reemplazo de cortadores convencional con aire comprimido, el reemplazo de cortadores mediante buceo de saturación es aplicable a estratos con mayores presiones de agua y tierra. Al mismo tiempo, elimina la necesidad de múltiples presurizaciones y descompresiones, mejorando significativamente la eficiencia del trabajo. Cuando se utiliza el buceo de saturación para las operaciones de reemplazo de cortadores, un turno de trabajo individual puede durar hasta 6 a 8 horas. La eficiencia del trabajo es de 8 a 10 veces la de las operaciones convencionales bajo presión. Además, la cámara de saturación puede alojar personal durante aproximadamente 3 semanas, reduciendo efectivamente la probabilidad de contraer la enfermedad por descompresión.