Rendimiento, desgaste y abrasividad en excavación mecanizada de túneles en terrenos heterogéneos

Abstract

Una base de datos de 33 km de registros de túnel de EPB en la zona de Barcelona se ha examinado en detalle desde el punto de vista de recambio de herramientas de corte y rendimiento de la excavación mecanizada. La base de datos incluye túneles en suelos blandos, en rocas medias y duras y en condiciones mixtas de roca y suelo. Los datos recabados incluyen registros de cambios de herramientas, operaciones de la maquina (avance, empuje, par, etc.) y propiedades geotécnicas, con un énfasis sistemático en mediciones de abrasividad de los diferentes materiales perforados. Para obtener una descripción homogénea de la abrasividad se realizaron mediciones de abrasividad del tipo LCPC en todos los materiales. Un resumen descriptivo de las principales tendencias reveladas por los datos se presenta en esta tesis. Las paradas de las máquinas durante la perforación se pueden clasificar entre aquellas debidas a un mantenimiento planificado y aquellas debidas a incidentes imprevistos. Los últimos pueden resultar ser decisivos cuando evaluamos el éxito de una perforación, aunque normalmente no son considerados en el proyecto. Uno de los aspectos más exigentes del mantenimiento desde el punto de vista operativo es el de las herramientas de corte, ya que su revisión y posible sustitución siempre implica paradas de la máquina, y como que a menudo es necesario tener acceso al frente, es con frecuencia una operación lenta y difícil. Por lo tanto, es deseable programar el mantenimiento de la cabeza de corte con la precisión máxima posible. Para llevar a cabo tal programación dos aspectos son necesarios: la identificación de ¿umbrales de desgaste¿ de las herramientas y un método que permita estimar el desgaste para cada herramienta como consecuencia de la operación. El objetivo de este estudio es investigar cómo enfrentarse a este problema cuando el medio es heterogéneo y la excavación es mecanizada mediante EPB. Se tiene en cuenta sistemáticamente la heterogeneidad geotécnica transversal y longitudinal. La heterogeneidad longitudinal se usa para segmentar la base de datos en unidades homogéneas. La heterogeneidad transversal (dentro de la sección) se estima por un conjunto de factores de impacto en la presente desarrollados FI. El concepto de energía específica (SE) fue aplicado para evaluar la eficiencia total de la excavación. Procedimientos anteriores para computar SE en excavaciones con TBM fueron adaptados a excavaciones con maquina EPB en modo cerrado. Se tienen en cuenta explícitamente el soporte del frente y el momento rotacional debido a la presión de la tierra. Varios métodos existentes para predecir la tasa de penetración y la vida útil de las herramientas se evalúan respecto a los resultados de la base de datos. Siempre que fuera necesario se realizaron recalibraciones de estos procedimientos. Basadas en un análisis sistemático de los resultados de la base de datos, se proponen nuevas relaciones de origen empírico para estimar la tasa de penetración a partir de otros parámetros operacionales y las propiedades del suelo promediadas por sección. La exactitud de algunas aproximaciones implicadas (concretamente el uso de un tiempo de vida útil equivalente) se ha encontrado razonable usando los resultados de una excavación con los datos que eran lo más exactos posibles. Las relaciones propuestas serian mayormente aplicables como puntos de partida en proyectos en los cuales la geología está compuesta de suelos y rocas blandas y donde son predominantes los frentes heterogéneos.

A database of 33 km of EPB tunnel records in the Barcelona area has been examined in detail from the point of view of cutting tool replacement and performance of the mechanized excavation. The database includes tunnels in soft soils, in hard and medium rocks and in mixed soil-rock conditions. Data gathered includes tool changing records, machine operation (advance, thrust, torque, etc.) and geotechnical properties, with a systematic emphasis on abrasivity measurements of the different materials perforated. To obtain a homogeneous description of abrasivity LCPC-type abrasive measurements were made in all the materials. A descriptive summary of the main trends revealed by the data is presented in this thesis. Machine downtimes during perforation can be classified into those due to planned maintenance and those due to unforeseen incidents. The latter can turn out to be decisive when assessing the success of a perforation, even though they are not usually considered in the project. One of the most demanding aspects of maintenance from an operational point of view is that of the cutting tools, since their revision and possible substitution always involves machine stops and, since it is often necessary to have access to the face, this is frequently a slow and difficult operation. Thus, it is desirable to schedule the cutter head maintenance operations with the highest possible precision. To carry out such scheduling two aspects are necessary: the identification of ¿wear thresholds¿ of the tools and a method that allows estimating the wear for each tool as a result of the operation. The objective of this study is to investigate how to tackle this problem when the media is heterogeneous and the excavation is mechanized by EPB. Transversal and longitudinal geotechnical heterogeneity is systematically accounted for. Longitudinal heterogeneity is used to segment the database in homogeneous units. Transversal (within section) heterogeneity is gauged by a set of newly developed impact factors FI. The specific energy concept (SE) was applied to evaluate overall excavation efficiency. Previous procedures to compute SE in TBM drives were adapted to excavations by EPB machine in closed mode. Face support and rotational moment due to earth pressure at the front face are taken explicitly into account. Several existing methods to predict penetration rate and tool service life are evaluated against the database results. Recalibrations of these procedures were performed when required. Based on a systematic analysis of the database results, new empirically based relations are proposed to estimate penetration rate from other operation parameters and section-averaged ground properties. The accuracy of some approximations involved (namely the use of an equivalent tool life time) has been found reasonable using the results of one drive were more exact computations were possible. The proposed relations would be mostly applicable as starting points in projects in which the geology is composed mostly of soils and soft rock and where the heterogeneous faces are predominant.