El empuje total de la máquina es, junto con el par motor, una de las características más importantes. El empuje debe ser capaz de absorber los empujes del terreno en cabeza, en el frente del túnel, de forma que el terreno no venga dentro ni tan siquiera se deforme, además de ser capaz de absorber los rozamientos entre escudo y suelo y entre escudo y dovelas. Debe también, en nuestra opinión, disponer de una reserva de empuje que sea capaz de desbloquearlo si se acodala.

Téngase en cuenta que, si el suelo tiene un coeficiente de Poisson cercano a 0,5 es casi indeformable, y toda penetración del suelo dentro del túnel es un volumen de terreno que debe venir de otro lado, lado que en general es la superficie del terreno delante del túnel. Como el problema básico de la excavación de túneles en suelos blandos es la eliminación de asientos en superficie, es fundamental poder garantizar una completa estabilidad del frente.

Aparte de esta eliminación de deformaciones en el frente, la máquina debe ser capaz de contrarrestar el empuje horizontal del terreno, variable difícil de estimar en muchas ocasiones. Resumiendo, puede decirse que el empuje de la máquina debe ser capaz de:

4.- A veces, como en el caso de St.Clair, es necesario empujar al terreno en cabeza para anular las deformaciones verticales en el eje del túnel, en superficie, delante de la máquina, e incluso para crear un pequeño (algunos milímetros) levantamiento en esa zona. En este caso debe ser capaz de llegar a superar el empuje pasivo del terreno.

5.- Superar el rozamiento entre terreno y escudo en toda la superficie de éste.

6.- Superar el rozamiento entre el escudo y el anillo de dovelas que se está colocando.

A continuación se resume la estimación del empuje necesario, realizada por un conocido Ing. Consultor de túneles, incluida en las ofertas recibidas en la licitación de las obras de esta ampliación:

"Otro parámetro importante en un escudo es el valor del empuje que puedan desarrollar los cilindros hidráulicos correspondientes. En general, el empuje necesario para la hinca de los dientes de corte en el terreno, es despreciable frente al necesario para vencer el rozamiento entre la envolvente del escudo y el suelo que le rodea, la presión del frente sobre la cabeza y el rozamiento de los elementos del tren de cola arrastrado por el escudo. Suele utilizarse una expresión empírica para estimar el valor mínimo del empuje:

100 t por m² de sección perforada.

Obsérvese que en esta estimación del empuje necesario se está aplicando directamente la expresión del empuje activo de Rankine-Coulomb, sin entrar en más indagaciones.

En realidad, el empuje del equipo EPB puede ser mucho mayor, como veremos a continuación. Por ello esta estimación fue desechada. La ley de empujes que debe soportar el frente de la tuneladora viene esquematizada en la figura 7, y puede verse que esta ley trapecial, dependiendo de los condicionantes del terreno, puede corresponder al empuje al reposo, al activo, al pasivo o a algún caso intermedio, que es lo más probable.

Además, aunque su influencia es pequeña, deben tenerse en cuenta las sobrecargas de los edificios y estructuras superiores en el cálculo de la ley de empujes.

Uno de los fabricantes de los equipos de Madrid nos presentó al comienzo de las conversaciones una estimación del empuje muy parecida a la anterior, que resumimos como sigue:

Empuje necesario F = F₁+F₂+F₃+F₄

F₁ = Rozamiento escudo-terreno, que se calcula de la forma siguiente:

Finalmente, la fuerza sobre el frente F₄ (suponen F3 = 0) es obtenida por la expresión F₄ = A (Ph + Pw), donde A es el área del escudo, Ph es la tensión horizontal anterior y Pw es la presión intersticial. Obtienen así F₄ = 1834 t.

De acuerdo con estas estimaciones, proponían un escudo cuyo empuje total en servicio fuera de F = 3549 + 32 + 1834 = 5415 t.

Esta estimación fue también rechazada por parecernos sumamente simplista en la estimación de los empujes de terreno que es necesario vencer.

Estimación nº 3 (S. Kanayasu, Tokyo Metropolitan Subway y Yamamoto)

Este método de estimación fue presentado en el Symposium "Underground Construction in Soft Ground" sostenido en New Delhi en Enero de 1994. El autor indica que en general la presión ideal en el frente del túnel es la que no afecta el estado tensional del terreno. Por ello, en pura teoría, esta presión ideal debe ser muy próxima a la del estado tensional del terreno en reposo. El funcionamiento del sistema EPB de presión equilibrada de tierras se resume como sigue:

1.- La cabeza giratoria excava el terreno.

2.- El terreno excavado se agita mecánicamente y llena los huecos de la cabeza y toda la cámara.

3.- Por medio del empuje de los gatos, la tuneladora presuriza este suelo excavado dentro de la cámara para que de esta forma el frente del túnel permanezca estable.

4.- El suelo se va extrayendo de la cámara de forma controlada por medio de un tornillo de velocidad regulable.

5.- La estanqueidad frente al agua se consigue por medio del suelo que llena la cámara y el tornillo.

En general los suelos cohesivos dan pocos problemas porque fluyen bien hacia la cámara y el tornillo. Sin embargo, pueden pegarse a las paredes de la cámara, y ello exige una gran atención por el personal hacia los aditivos y espumas. Los suelos granulares tienen gran rozamiento interno, y fluyen mal hacia la cámara, además de gran permeabilidad que les hace cerrar mal y no dar estanqueidad frente a las venidas de agua del frente. Por ello la inyección de espumas y aditivos a veces es insuficiente, y se suelen instalar compuertas u otros equipos mecánicos para ayudar a conseguir la estanqueidad.

Los métodos prácticos o empíricos más utilizados en Japón, según el autor, estiman la presión de trabajo de la tuneladora de acuerdo con las recomendaciones siguientes:

Suelos no cohesivos:

La presión de trabajo en el frente (P_T) debe ser mayor que la correspondiente al empuje activo (P_a ) más el empuje intersticial (P_w), y menor que la correspondiente al empuje al reposo (P_o) más la presión intersticial.

Este método de estimación fue presentado en el Symposium "Geotechnical aspects of Underground Construction in Soft Ground" sostenido en Londres en abril de 1996. Para el modo de trabajo EPB con presión de tierras, los autores estiman la presión de trabajo en el frente por medio de una expresión del tipo

Estimación nº 5 (S. Kanayasu, Tokyo Metropolitan Subway y Kubota, Maeda construction Co.)

Este método de estimación fue presentado también en el Symposium "Underground Construction in Soft Ground" sostenido en New Delhi en Enero de 1994. El autor presenta un interesantísimo resumen o recopilación de las estimaciones empíricas de la presión M frente que se han aplicado en Japón, y que resumimos a continuación.

u = presión intersticial

En las siguientes tablas se resumen unas estimaciones sencillas del empuje total horizontal que nos ha parecido necesario en las tuneladoras. Estas estimaciones han sido contrastadas con las realizadas por diversos técnicos especialistas en Mecánica del Suelo de las constructoras que actualmente están trabajando en la ampliación de Metro, y específicamente se han utilizado para estudiar el caso de un atasco en la Lovat de Línea 10 al pasar por un estrato de arena húmeda que estaba apretando el escudo al subir hacia el Campo del Moro en 1996.

Esta estimación es basa en admitir que la tuneladora puede en algún momento precisar un empuje mayor que el correspondiente al empuje al reposo, e incluso llegar a tener que movilizar el empuje pasivo. Esta situación se ha dado ya en algunos casos, como el de la EPB del túnel de St. Clair.

En la Hipótesis 1 se considera una profundidad de 30 metros en el eje del túnel, y una densidad sumergida del terreno de 0,8 T/m³. Se considera también el nivel freático en superficie, porque aunque no lo esté siempre pueden aparecer bolsadas arenosas con niveles freáticos, como ha ocurrido en muchas ocasiones en el Metro de Madrid. El coeficiente K de empuje se considera al reposo, K₀, e igual a 0,8. De esta forma el empuje necesario para soportar el frente es de 3.500 Tn. El rozamiento entre suelo y escudo actúa en una superficie de casi 300 m² y se considera un rozamiento o adhesión metal-terreno igual al 60% de la cohesión. Tomando como cohesión el valor de 10 T/m² resulta un rozamiento total de unas 1.800 Tn. De esta forma resulta un empuje necesario total de 5.300 Tn, y si se especifica, como hemos hecho, una reserva de desbloqueo del 20%, el empuje horizontal necesario resulta ser de 6.334 Tn.

Obsérvese que el rozamiento es mucho menor, en casi 2000 t, que el estimado por el fabricante. Si aceptamos como válido, el empuje necesario sería del orden de las 8.000 t.

En la Hipótesis 2 se considera una densidad sumergida de 1,2 T/m³ y un coeficiente de empuje al reposo de 1,2, valor que ha sido medido o estimado in situ en varias zonas de Madrid. El empuje así obtenido resulta ser del orden de las 7.000 Tn estrictas, y de 8.400 Tn con la reserva del 20%.

Si ahora se analiza el caso en que la máquina debe alcanzar o incluso superar el empuje pasivo para anular subsidencias en el frente, caso de la Excalibore en el río St.Clair, el coeficiente de empuje Kp es como sabemos superior al activo y al reposo. Para un suelo sin cohesión sabemos que la teoría nos da para el coeficiente de empuje pasivo el valor Kp = (1 + senj )/(1 - senj ), que para j = 30º vale Kp=3. En caso de terreno con cohesión y rozamiento interno, el coeficiente de empuje pasivo, o mejor dicho, la tensión horizontal s h a la profundidad h viene dada por la conocida expresión clásica de Geotecnia básica

Las tuneladoras Herrenknecht de 9.50 tienen un empuje máximo de 10.000 t que se transmite por medio de 26 gatos dobles.