En general, existen dos razones para excavar en subterráneo:
- Para utilizar el espacio excavado (accesos de transporte, almacenaje de materiales diversos, obras de construcción, defensa militar, etc.).
- Para utilizar el material excavado (explotación minera).
En ambos casos, los túneles forman parte importante de la operación entera: en construcción subterránea, como es por ejemplo el caso de obras hidroeléctricas, donde son necesarios para tener acceso a las cámaras; en minería, para llegar a los bloques de mineral e iniciar su explotación, además de las operaciones de desarrollo y comunicación interna, pero también son abiertos para un propósito en sí mismos (túneles carreteros o ferrocarrileros y túneles hidráulicos para transvase de agua).
Sus dimensiones, acabados finales, sostenimiento interno y demás aspectos dependen de su función. Así, un túnel carretero o hidráulico debe tener un buen perfilado por ser para uso permanente, mientras que una galería de explotación puede quedar con acabado irregular si va a ser abandonada una vez cumplida su misión.
Los túneles son abiertos mayoritariamente en tendido horizontal, pero también inclinado y en forma vertical.
En este último caso, si la excavación se efectúa hacia arriba desde un determinado punto o nivel se denominan chimeneas y si es hacia abajo piques. En ciertas condiciones de terreno algunos son excavados de modo continuo con máquinas tuneleras de avance rotatorio (tunel boring machines–TBM y raise boring machines–RBM) pero la gran mayoría se hace en forma discontinua, por fases. Es conocido que los túneles y el banqueo en canteras o tajos son las operaciones de mayor consumo de explosivos con perforación y voladura, cubriendo gran variedad de tipos de roca y geometrías de disparo. Las rocas pueden ser desde suaves como el yeso, intermedias como la caliza, hasta extremadamente duras como granito y basalto. De sus condiciones estructurales depende el acabado final y la necesidad o no de sostenimiento adicional cuando no pueden mantener su estabilidad.
En rocas competentes, los túneles con secciones menores de 100 m2 pueden excavarse a sección completa en un solo paso, mientras que la apertura de grandes túneles, donde la sección resulta demasiado amplia o donde las características geomecánicas de la roca no permiten la excavación a sección completa, el método usual consiste en dividir el túnel en dos partes: la superior o bóveda que se excava como una galería de avance horizontal, y la inferior que se excava por banqueo convencional en forma retrasada con respecto al avance de la bóveda. Este banqueo puede efectuarse con taladros verticales o ligeramente inclinados perforados con tracdrill, o con taladros horizontales en cuyo caso se utilizará el mismo equipo perforador jumbo empleado para la bóveda.
Cuando la calidad de la roca es mala, puede ser necesario dividir el túnel en varias secciones, por lo general abriendo primero una galería piloto desde laque se ataca hacia el techo y los flancos.
Con métodos de perforación y voladura, el ciclo básico de excavación comprende las siguientes operaciones:
- Perforación de los taladros.
- Carga de explosivo y tendido del sistema de iniciación.
- Disparo de la voladura.
- Evacuación de los humos y ventilación del área del trabajo.
- Desprendimiento de rocas aflojadas, resaltos y lomos, que hayan quedado remanentes después del disparo (desquinche).
- Eventual eliminación de tacos quedados resultantes de tiros fallados.
- Carguío y transporte del material arrancado.
- Eventual disparo adicional para rotura secundaria de pedrones sobredimensionados.
- Medición del avance logrado, control de alineamiento y nivelación, replanteo de taladros para el siguiente disparo.
El esquema o forma en que se ataca el frente de los túneles y galerías, es decir el método de avance, depende de diversos factores:
- Equipo de perforación empleado (parámetro básico es el diámetro de taladro).
- Tiempo disponible para la ejecución
- Tipo de roca y condiciones del frontón.
- Tipo de sostenimiento necesario.
- Sistema de ventilación
A diferencia del banqueo donde se cuenta con dos o más caras libres para la salida de la voladura, en tunelería la única cara libre disponible es la del frontón, que es también la única superficie factible para la perforación.
Debido a su longitud en relación con la relativamente pequeña sección transversal del túnel, los taladros solamente pueden ser perforados en forma perpendicular a la cara libre (a lo más con pequeña inclinación). En tales condiciones los tiros no pueden arrancar la roca tal como podrían hacerlo si estuvieran dispuestos en planos paralelos a la cara como en la voladura de bancos.
Esta dificultad se subsana dedicando un cierto número de taladros (que se disparan primero) específicamente para abrir una cavidad inicial cuyas paredes actuarán como caras libres para los tiros subsiguientes, lo que se denomina el “corte” o “ arranque”.
Otro aspecto importante es que los túneles, cualquiera que haya sido su motivo de apertura, terminan siendo vías de tránsito permanente, por lo que es indispensable que las rocas de las paredes y techo sean estables y no estén sometidas a excesivas tensiones.
Cuanto más heterogénea o fisurada sea la roca, el perfil perimetral será más irregular e inestable, sujeto a desprendimientos y desplomes imprevistos.
Una forma de limitar o controlar este inconveniente es mediante voladura de contorno o periférica con salida controlada, denominada precorte o recorte y finalmente un cementado.
Para efectos de voladura, el frontón de un túnel de pequeña a mediana envergadura se divide en tres áreas: la de corte o arranque, la de núcleo o destroza y la de corona o contorno. Estas se disparan en tres etapas: corte, núcleo y contorno, con tiros individuales espaciados en tiempo de modo tal que actúan en conjunto, aparentemente en forma instantánea, pero con salidas ordenadas secuencialmente para permitir el desplazamiento del material fragmentado.
Los túneles de gran sección se atacan en dos fases: la primera que comprende la parte superior de la manera descrita anteriormente y la segunda, que comprende a la parte inferior que se dispara por banqueo, normalmente por tajadas verticales secuenciadas.
La única superficie libre en voladura de túneles, piques o chimeneas viene a ser el frente de ataque, por lo que esta se efectúa en condiciones de gran confinamiento. Cuanto más pequeña sea el área del frente, la roca estará más confinada, requiriéndose por tanto mayor carga específica de explosivo por m3 a romper cuanto más reducida sea la sección a volar.
Como las dimensiones del burden y espaciamiento son cortas, especialmente en el área del arranque, los explosivos deberán ser lo suficientemente insensibles para evitar la transmisión de la detonación por simpatía, pero sí tener una velocidad de detonación lo suficientemente elevada, superior a 3000 m/s para evitar el efecto canal en los explosivos encartuchados dentro de taladros de mayor diámetro (fenómeno que consiste en que los gases de explosión empujan al aire alojado entre la columna de explosivo y la pared de taladro, comprimiendo a los cartuchos por delante del frente de la onda de choque y aumentando su densidad al punto de hacerlos insensibles a detonación).
¿Qué dice la norma?
El Reglamento de Seguridad en Minería establece que todo trabajo de perforación y voladura en mina subterránea deberá cumplir con lo siguiente:
- Antes de iniciar la perforación se debe ventilar, regar, desatar, limpiar y sostener la labor.
- Revisar el frente para ver si hay tiros cortados o tiros fallados. Si hubiesen, se debe recargar los taladros y dispararlos tomando las medidas de seguridad del caso. Nunca disparar en o al lado de tiros cortados.
- Asegurarse que los elementos de sostenimiento no estén removidos por un disparo anterior.
- Verificar la existencia de rocas sueltas para eliminarlas.
- Usar la menor cantidad de carga explosiva para evitar sobre roturas en el contorno final.
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