El par motor de la cabeza de corte es la otra característica fundamental de las tuneladoras, junto con el empuje horizontal. Desde el comienzo de las conversaciones con los distintos fabricantes, antes de licitar las obras, pudimos ver que los pares que nos ofrecían o recomendaban no tenían ninguna justificación teórica, sino sólo una práctica basada en estimaciones empíricas. En algunos casos el par motor calculado de esta forma empírica ha dado problemas por su escasez. En concreto, nos ofrecían para los 9.4 metros de diámetro un par motor máximo de desbloqueo de 1.600 mt, similar al de los equipos de Lisboa, este valor nos parecía pequeño, y no daban ninguna justificación teórica.

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

"La velocidad de rotación de la cabeza de corte conviene que sea moderada ya que la mayor parte de la energía consumida en su accionamiento es consumida por el rozamiento de la masa de tierras dentro de la cámara de la cabeza de corte.

La velocidad de rotación es aquella que mantiene en agitación la mezcla de la masa de tierras, agua y espuma de modo que la mezcla permanezca homogénea. Aunque este valor depende de muchos factores, como son: tipo de suelo, humedad, tipo de espuma, forma de la cámara, etc., en la práctica suele considerarse una velocidad de rotación tal que, al menos, se alcance una velocidad periférica de unos 18 m / minuto. En nuestro caso, esto supone que la velocidad de rotación debe ser al menos de 0,6 RP.M.

El espesor de la rebanada del suelo excavada por los elementos de corte viene determinado por la altura de las picas o cuchillas sobre el borde de la cabeza de corte. Esta altura h depende del diseño constructivo, pero no puede ser grande, pues aumentaría el peligro de rotura de las picas por flexión. Por esta razón no suele pasar de 8 a 10 cm. Vamos a tomar un valor muy usual h= 8 cm.

Considerando, como es habitual, que en la cabeza se disponen las herramientas de corte de forma que se vayan arrancando simultáneamente dos capas y que los dientes se introduzcan un 80 % de su altura, resulta un espesor de arranque por vuelta de la cabeza de corte de: E = 2 x 8 x 0,5 = 8 cm

La velocidad de avance impuesta por los cilindros de empuje, en realidad, es la que impone el espesor de corte. Viene ligado su valor con el del espesor de corte deseado y la velocidad de rotación de la cabeza. Así pues, para conseguir un espesor de 8 cm por vuelta, con una velocidad de rotación de 0,6 RPM la velocidad de avance deber ser V = N x E = 0,6 x 8 = 5 cm/min.

El par motor necesario para accionar la cabeza de corte tiene dos componentes principales: el primero es el par necesario para el arranque del material. Este depende de la resistencia del suelo, del espesor arrancado y del diámetro de la cabeza.

La fuerza de arranque depende del factor de resistencia por m2 de sección arrancada. En nuestro caso, y dados los suelos que se espera encontrar, este factor no pasará de las 80 t/m² con lo que la fuerza para el arranque será:

FA = 80 x 0.08 x 9,12 = 58,4 t

Y el par necesario para vencer este fuerza será Pl = 58,4 x 9,12 14 = 133 t m

El segundo componente del par es el necesario para vencer los rozamientos y asegurar la mezcla en la cámara de la cabeza de corte, y depende de la forma de la cámara, de su tamaño y de la "fluidez" de los materiales en el interior de la cámara. Para su estimación se suele utilizar la siguiente fórmula empírica:

P2 = 2 x 9,12³ = 1517 t m.

Con lo que el par motor a 0,6 RP.M. será Pm = 1650 mT.

A la velocidad de rotación considerada y con un factor de rendimiento entre motor eléctrico y cabeza de corte de valor 0,70, la potencia necesaria para accionar la cabeza de corte será-

P = (2 x 3,14 x 0,6 / 60) x (1650 x 10) / 0.7 = 1481 KW."

Esta estimación no nos pareció adecuada, pese a que los equipos de Lisboa, M mismo diámetro, tenían este par motor. Obsérvese que el sumando más importante del par lo obtienen de una forma empírica sin ninguna justificación.

El par motor de la cabeza de corte es la siguiente característica en importancia en las tuneladoras. Una estimación muy sencilla, pero que puede considerarse un mínimo, puede hacerse suponiendo que en toda la superficie de la cabeza actúa una tensión tangencial que se opone al movimiento, fuerza que engloba tanto al rozamiento suelo-frente del escudo como a las fuerzas de rotura del suelo por los dientes o picas.

Suponiendo en primer lugar que estos esfuerzos pueden representarse por una fuerza tangencial 't ' que actúa en toda la superficie de la cabeza, el par motor necesario puede estimarse integrando a lo largo del radio el par elemental a vencer en un anillo de ancho 'dr' situado a la distancia 'r' del eje. El lector podrá comprobar por una simple integración que el par total resulta ser

M = (2/3) p t R³

Para el caso de las tuneladoras de Madrid R = 9.4/2 = 4.7 m y una t de 10 t/m² resulta un momento a vencer de 2175 mT

Se decidió especificar para el par motor de nuestras tuneladoras un mínimo de 2000 mT.

Las tuneladoras Mitsubishi de Madrid transmiten a la cabeza de corte un par motor nominal máximo de 16.730 mkN, y un par de desbloqueo de 21.750 mkN. Este par se transmite por medio de 10 motores de 200 kW, con motorreductor, con relación corona al piñón de 15/158. Los 10 motores disponen de 5 variadores de frecuencia de 0 a 123 Hz que permiten variar su velocidad de 750 (nominal) a 1.850 rpm.

En muchas ocasiones, en mitad de un estrato potente de suelo blando, suele aparecer una serie de estratos de espesores decimétricos de material rocoso duro.

En el tosco de Madrid es bien conocido el fenómeno de aparición de estratos de caliza o dolomía, que a veces llegan a los 50 cm de espesor. En otras zonas, especialmente en la zona Sur de Madrid, entre los estratos de peñuela aparecen estratos decimétricos de yesos sumamente duros, tan duros a veces que no pueden comerlos las cucharas de las pantalladoras. Por otra parte, en las ciudades muy viejas y antiguas como Madrid pueden aparecer viejas piedras o residuos de edificaciones antiguas que es necesario excavar.

Por tanto, la máquina debe dimensionarse para que, además de excavar con facilidad el suelo blando, sea capaz de romper eventualmente estos estratos duros. Para ello deben disponerse cortadores de roca dura.

Los cortadores actuales son ya siempre de disco, sencillo o doble. Se especificaron, por tanto, para las tuneladoras cortadores de disco, cuyo número y disposición sería propuesto por el Contratista Principal y el fabricante.

Como ejemplos de disposiciones análogas se estudiaron las tuneladoras Lovat Kawasaki del Metro de Lisboa, la Herrenknecht de Valencia y otras.

Finalmente, las tuneladoras Mitsubishi de las Líneas 4 y 7 se han dispuesto con 25 cortadores de disco. En total la disposición de los elementos cortadores es la siguiente:

Las tuneladoras Herrenknecht de Líneas 7 y 9 dispone de alojamiento para 28 cortadores de disco de 17" que, como la anterior, pueden montarse y desmontarse desde dentro de la cámara

La superficie abierta en el frente es también un parámetro de extraordinaria importancia para el correcto funcionamiento de las EPB. Por un lado debe ser lo suficientemente pequeña para que en caso de terreno muy suelto o con mucha agua se impida una gran entrada de material. Por otro lado debe ser lo suficientemente grande para que el material entre con facilidad en la cámara al ir siendo cortado por las picas y dientes. Además, la estructura metálica de la cabeza debe ser lo suficientemente grande para que tenga la resistencia y rigidez suficiente para soportar los enormes empujes a que está sometida, y los esfuerzos de los dientes y picas.

Las cuatro tuneladoras, Herrenknecht y Mitsubishi, tienen un 25% de sección abierta

El escudo tiene una longitud de 10.80 metros, con una articulación que lo divide en dos partes de longitudes 6.70 m la anterior y 4.10 metros la posterior. Si la cabeza de corte tuviese el mismo diámetro exterior exacto que el del escudo, es evidente que el escudo no podría excavar curvas. El trazado de Metro exige curvas de radios mínimos de 250 metros, por lo que es necesaria una sobreexcavacion en cabeza adaptada a las longitudes rígidas de las dos partes del escudo.

Los dientes llamados "copy-cutters" son dos, situados en el perímetro de la cabeza de corte. Estos dientes pueden salir y retraerse de su posición, de forma que, adecuadamente dirigidos, excavan una elipse de eje mayor horizontal o vertical, según convenga para tomar las curvas horizontales o los acuerdos verticales. La dimensión del eje horizontal de esta elipse corresponde al máximo recorrido de los copy cutters, que es de 5 cm cada uno. De esta forma, al ir negociando la curva el escudo, la cabeza va excavando una sección elíptica que permite al escudo irse ajustando a las paredes del túnel curvo.

El escudo está formado por la cabeza, de 2.27 metros y un espesor de chapa de 80 mm, el cuerpo medio, de 2.27 metros de longitud, y la cola, de 3.21 metros de longitud. Entre la cola y el cuerpo medio está la articulación.

Los copy-cutters son también dos, de 50 mm de recorrido máximo.

No siempre es necesario excavar en modo cerrado o EPB. Cuando el terreno es el buen tosco de Madrid, y no hay agua, el terreno casi no empuja, y no es necesario excavar en modo de presión de tierras. En estos casos es suficiente ir excavando el terreno, que vaya éste cayendo y entrando en la cámara, y que vaya siendo evacuado por el sistema de extracción.

El tornillo de extracción previsto para el modo EPB no es necesario en este caso. Su capacidad de extracción es menor que la de una sencilla cinta transportadora, y lo ideal sería poder disponer de ambos sistemas. Una cinta rápida y de gran capacidad para los tramos de terreno bueno, y un tornillo de la máxima capacidad posible para los casos de terreno malo en que sea necesario ir en modo cerrado o EPB.

Esto es lo que se ha especificado. Se ha pedido que las máquinas de Madrid tengan los dos sistemas alternativos de cinta y de tornillo, para poder funcionar en modos abierto y cerrado. Se ha especificado, además que pueda pasarse de un modo a otro en un turno de trabajo.

Las tuneladoras Mitsubishi de Madrid tienen las características siguientes:

El paso de modo cerrado (funcionamiento con tornillo) a modo abierto (funcionamiento con cinta) se hace retrayendo el tornillo y extendiendo la cinta. Se desmontan en la cámara los tetones mezcladores para el modo cerrado y se colocan las placas que, a modo de cangilones, van elevando el terreno excavado hasta cargarlo en la cinta.

Se ha especificado que el paso de modo cerrado a abierto o viceversa pueda hacerse en un día de trabajo.

Las tuneladoras Herrenknecht de Madrid tienen las características siguientes:

Los tiempos especificados son de 20 minutos para la excavación y de 20 minutos para la colocación de las 7 piezas del anillo de revestimiento.

El tiempo de excavación de 20 minutos, junto con la longitud del anillo (1,50 metros) define a su vez la velocidad de avance de los gatos de empuje a plena carga. Una simple división lleva a una velocidad de avance de 7.5 centímetros por minuto. Las máquinas entregadas tienen una velocidad de avance de 8 cm/minuto, lo que llevaría a 19 minutos para la excavación del anillo.

El fabricante garantiza la colocación del anillo en un tiempo igual o inferior a 21 minutos

Tuneladoras Mitsubishi

Como puede verse, con una velocidad máxima de gatos de 8 cm/minuto, la máquina podría excavar un anillo completo (1.50 metros) en unos 20 minutos. Esto, sumado a los otros aprox. 20 minutos de colocación del anillo, daría un ciclo mínimo teórico de 40 minutos por anillo.

En modo EPB con tornillo y con presión de tierras, la velocidad recomendada en ambas máquinas por los fabricantes es de 3 cm/minuto, lo que da un tiempo de excavación de 50 minutos

Se ha especificado la inyección por cola, de forma que el llenado del espacio vacío entre el exterior del anillo de dovelas y el terreno al salir del escudo sea lo más rápido y uniforme posible. Se especificaron como mínimo 4 puntos de inyección en la cola del escudo, y bombas de pistón en lugar de hélice, entre otras ventajas para que el volumen inyectado pueda medirse con sencillez contando las emboladas.

2 bombas de doble pistón, de 15 m/h y 60 bares cada una.

4 líneas de inyección por cola, y 4 líneas de seguridad

Presión en la inyección, 5 bares

3 bombas de doble pistón de 12 m³/h y 45 bares cada una

6 líneas de inyección por cola y 6 de seguridad

Como es habitual en los equipos EPB se especificó poder inyectar espumas por el exterior de la cabeza y al interior de la cámara.

5 líneas de inyección de espuma

Capacidad total de inyección: 210 m³/h a 3 bares de presión

Capacidad de¡ depósito 1 m³

1 bomba dosificadora, de 3 kW y 10 bares de presión máxima

4 bombas de inyección con regulación electrónica

Se especificó poder inyectar Iodos o bentonitas al exterior del escudo para disminuir el rozamiento con el terreno y aprovechar más el empuje en cabeza.

1 bomba de inyección, de 10 m³/h y 10 bares de presión máxima

1 bomba de inyección de pistones

Para evitar que la inyección por cola pase el interior del escudo, se especificaron 3 filas o anillos de cepillos metálicos en el final del escudo. Entre cada anillo de cepillos se inyecta grasa tipo CONDAT a presión. De esta forma, los 3 anillos de cepillos metálicos y los 2 anillos de grasa proporcionan una protección que se considera adecuada para contrarrestar la presión del mortero inyectado.

El diseño del anillo es un tema de la máxima importancia. En el diseño del anillo de Madrid, han intervenido importantes Consultoras e Ingenierías Consultoras españolas, además de importantes ingenierías extranjeras, como Mott MacDonald. Se ha decidido finalmente utilizar un diseño de tipo universal, de 7 piezas, 6 más la de clave, con un espesor de 32 cm.

La pieza o dovela más pesada pesa 6.5 Tri. El brazo erector se diseña para este peso.

Antes de sacar a Licitación las obras de la ampliación, la Dirección General de Infraestructuras mantuvo muchas reuniones con los distintos fabricantes, estudiando en lo posible las características de cada uno de los equipos para poder fijar unas especificaciones a aplicar cuando los Contratistas adjudicatarios de las obras realizaran los pedidos.

Se pensó incluso en pedir por la Comunidad los dos equipos correspondientes a las obras que serían adjudicadas más tarde, ganando de esta forma varios meses, y tratando de que, al ser adjudicadas las obras, el equipo ya estuviera disponible. Sin embargo, las complicaciones de tipo administrativo eran tan grandes que no pudo hacerse, pese a haberse hecho con equipos similares en Canadá y Portugal.

Adjudicadas las obras de tuneladora, la Comunidad no podía entrar en la selección de las ofertas de tuneladora recibidas por los Contratistas Principales. Los más importantes fabricantes de tuneladoras contactados fueron los siguientes:

Lovat (Canadá)

Mitsubishi (Japón), fabricada en Francia bajo licencia por NFM-Framatome Kaiwasaki (Japón), fabricada en Francia bajo licencia por FCB

Howden (Inglaterra)

Herrenknecht (Alemania)

Finalmente se encargaron las siguientes: