Project Categories: Double Shield TBM

Proyecto de desvío del Río Amarillo

Descripción del proyecto

El proyecto de desvío del río Amarillo en China consiste en una extensa red de túneles de transporte de agua a zonas de la provincia de Shanxi que sufren sequías crónicas. La suma de longitudes de los túneles que conforman la red es superior a 100 km.

La agrupación de CMC, Impregilo, Chinese Water Conservancy y Hydropower Engineering Bureau No. 4 resultó adjudicataria de los lotes 2 y 3 del proyecto en el año 1997,  mientras que la constructora italiana Cooperativa Muratori Cementisti Ravenna (CMC) obtuvo el contrato del lote 5 en el año 2000. Todos los contratistas citados seleccionaron tuneladoras Robbins de doble escudo para perforar una geología llena de desafíos.

Geología

Lote 2: La geología del lote 2 comprendía roca caliza y dolomía con la presencia occasional de fallas y abundancia de formaciones kársticas. Se midió la resistencia a la compresión de la roca entre 39 y 137 MPa.

Lote 3: En esta sección se encontraron formaciones plegadas de caliza dolomítica, así como areniscas del triásico y lutitas, que arrojaron valores similares a los del lote 2 en cuanto a resistencia a la compresión. Se atravesaron abundantes fallas muy anguladas y formaciones de Karst de manera ocasional.

Lote 5: Se atravesaron terrenos de caliza, arenisca y limolita con algunas fallas y resistencias entre los 25 y 206 MPa.

Tuneladoras

Lote 2: Para su perforación se utiliaron dos tuneladoras Robbins de doble escudo. La primera de ellas, de fabricación nueva, excavó los túneles denominados T4 y T5 del proyecto, de 6,6 y 25,5 km de longitud respectivamente. Su diámetro de perforación era dde 4,92 m y estaba equipada con cortadores de 17”. Su accionamiento era eléctrico de frecuencia variable, produciendo una potencia en cabeza de 1575 kW, un empuje de 9074 kN y un par de 2159424 Nm. La segunda máquina que trabajó en el lote 2, una TBM reacondicionada por Robbins de 4,9 m de diámetro, perforó un túnel de 14 km de longitud, estando equipada con cortadores de 17”, seis motores de 210 kW de potencia cada uno y una potencia total instalada de 3000 kW.

Ambas tuneladoras utilizaron equipos de rezaga idénticos de unos 300 m de longitud. El desescombro se realizó mediante trenes contrapesados que podían cruzarse en una especie de cambio californiano sobre el propio back-up. Los componentes relativos al agua, ventilación y carretes de cable y mangueras estaban situados en el extremo posterior del back-up.

Lote 3: Para perforar 22 km del túnel 7 correspondiente al lote 3 del proyecto se utilizó otra tuneladora Robbins de doble escudo. La máquina, de 4,8 m de diámetro, iba equipada con cortadores de 17” y era capaz de empujar con una fuerza de 9074 kN y producir un par de 2159424 Nm. El back-up de esta tuneladora era idéntico al de las utilizadas en el lote 2. Una tuneladora fabricada por NFM perforó la otra mitad del túnel 7, que contaba con una longitud total de 40,7 km.

Lote 5: La constructora CMC utilizó en este lote una tuneladora Robbins de 4,8 m de diámetro que llevaba almacenada en China desde 1994. Robbins reacondicionó la máquina por completo y, de acuerdo con CMC, se reforzó mucho la cabeza de corte para favorecer su fiabilidad en formaciones rocosas fracturadas. A la máquina se le instaló también un escudo de cola con sellos de cepillo de alambre para protegerla ante avenidas de agua. La máquina equipaba cortadores de 17” y sus características principales incluían un empuje de 7562 kN y un par de 1936568 Nm. El back-up se diseñó y construyó especialmente para el proyecto; Robbins incrementó su longitud para poder acomodar un tren de escombro con capacidad para transportar el escombro de dos avances de la TBM. Asimismo se modificó el sistema de manipulado de dovelas para mejorar su eficacia.

Perforación del túnel

La perforación comenzó en febrero de 1999 simultáneamente en los lotes 2 y 3. El túnel 4, de 6,6 km, se caló en solo 6 meses experimentándose pocos problemas en su perforación. La máquina estableció una nueva marca de rendimiento en su rango de diámetro con un mejor mes de 1822 m excavados, así como un mejor día de 99,4 m. Esta misma tuneladora perforó los 22,5 km correspondientes al túnel 5, comenzando en noviembre de 1999 y terminando en 2001 sin problemas notables.

La tuneladora Robbins reacondicionada comenzó a perforar los 14 km del túnel 6 en diciembre de 1999. La máquina se enfrentó a largos tramos de terreno arcilloso y hubo de atravesar una cavidad kársticas que tuvo que rellenarse de grava y hormigón para permitir el paso de la TBM. A pesar de estas dificultades, la tuneladora alcanzó puntas de rendimiento de 81 m/día, 1375 m/mes, así como una media de avance mensual de 550 m.

La perforación del tramo de 22 km del túnel 7 del lote 3 comenzó en febrero de 1999 y terminó en abril de 2001. Las tuneladoras Robbins y NFM empezaron a perforar en bocas opuestas y se encontraron a mitad del túnel. La máquina Robbins se enfrentó a un terreno compuesto por calizas y areniscas al 50% que resultó ser muy abrasivo, así como a varias fallas de elevada angulación. A pesar de ello, la TBM obtuvo un avance medio mensual superior a los 700 m así como un mejor mes de 1281 m perforados.

La excavación del lote 5 empezó mientras terminaban las de los lotes 2 y 3 en septiembre de 2000. El 8 de diciembre, la tuneladora reacondicionada Robbins ya había alcanzado un avance de 36 m en un día, consiguiendo perforar más de 1000 m en su primer mes. La máquina estableció un nuevo récord para tuneladoras en su rango de diámetro con una media de perforación mensual de 1352 m. La máquina caló el túnel de 13,5 km de longitud en septiembre de 2001.

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South Mountain

Descripción del proyecto

El túnel de trasvase de South Mountain, en Arizona, es parte de una tubería de trasvase que suministra 178 millones de litros al día a la ciudad de Phoenix. La tubería da servicio a la zona de las Colinas de Ahwatukee, cuya población se ha incrementado en un 145% durante la última década.

En el año 2000, el Ayuntamiento de Phoenix adjudicó el contrato de construcción del túnel a Affholder Inc. por 11 millones de USD. Affholder eligió utilizar una tuneladora Robbins de doble escudo reacondicionada y adaptada par alas condiciones variables de roca que se preveía atravesar.

Geología

El túnel atraviesa tres tipos de terreno. Los tramos inicial y final del mismo constan de granito y gneis muy compacto y duro. En su parte intermedia, el túnel pasa por dos infiltraciones de suelos aluviales. Los suelos son de grano mixto y presentan calcificación secundaria. Conocidos en la zona como “caliche”, estos suelos pueden comportarse como la roca.

Para enfrentarse a la perforación de los suelos, los diseñadores del túnel dictaron un sostenimiento basado en cerchas y tablones.

TBM

Robbins reacondicionó un doble escudo de 2,4 m de diámetro par alas condiciones geológicas variables que se esperaban. El diseño de la tuneladora incluía su sistema de propulsión doble, un escudo protector, cortadores poco salientes y la posibilidad de contrarrotación de la cabeza de corte.

La máquina montaba cortadores de 17” y disponía de un empuje máximo de 4372 kN, rindiendo un par en cabeza de 194172 Nm para un peso total de la máquina de 60 t.

Excavación del túnel

La TBM comenzó a perforar los 1850 m de túnel en diciembre de 2000 y encontró los primeros depósitos aluviales tres meses más tarde, iniciando su programa de sostenimiento de cerchas y tablones. La máquina llegó a la segunda infiltración de suelos después de atravesar un tramo de 360 m de gneis, perforando sin problemas hasta el final del túnel. El cale tuvo lugar en agosto de 2001 dentro de los plazos previstos.

El personal de túnel trabajó en turnos de nueve horas, alcanzando un avance máximo de 26 m en un turno y siendo el avance medio de perforación de 1,5 m/h.

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Cleveland Sewer

Descripción del proyecto

El proyecto de interceptor de Cleveland Heights representa la mejora del sistema de conducción de aguas residuales situado en los barrios de Heights/Hilltop de la ciudad de Cleveland. Este proyecto se sitúa entre los cientos del mismo tipo demandados por la Agencia de Protección Ambiental de los EEUU a partir de la aprobación de ley de Aguas Limpias (Clean Water Act) que solicita a cada comunidad a mejorar la calidad del agua de los ríos y lagos de los EEUU (Para más información acerca de dicha ley y sus efectos, ver www.epa.gov/r5water/cwa.htm).

Durante el período de lluvias torrenciales de primavera y verano en Cleveland, el caudal de agua sobrepasó la capacidad del sistema de colectores en uso, con el resultado de inundaciones y descargas de agua sin tratar al lago Erie. Se propuso la construcción de conducciones de mayor diámetro para evitar los problemas de inundaciones en sótanos y desbordes de agua residual que acaecieron en la muy densamente poblada área urbana.

Geología

La tuneladora atravesó fundamentalmente terrenos de arenisca Berea, de grano fino a medio y muy fracturada en zonas muy discretas. La abrasividad de la roca resultó de media a alta cn posibilidad de entradas de agua o gases a través de sus juntas y fracturas.

TBM

Robbins diseñó la tuneladora de 2,2 m de diámetro preparada para perforar la roca fracturada y para afrontar los ingresos de agua en el túnel. La cabeza de corte era de velocidad variable y accionamiento hidráulico, equipando un rodamiento principal asimétrico. Se instalaron perforadoras en clave y para sondeos, para sostenimiento y predicción del terreno a excavar. La TBM montaba cortadores de 12” que soportaban un empuje máximo de 4472 kN, siendo el par máximo en cabeza de 194172 Nm. Se diseñó un back-up de 60 t de peso para gestionar la evacuación de escombro en vagones llenados hasta su máxima capacidad.

Excavación del túnel

La tuneladora comenzó a perforar en Julio de 1998 y no encontró dificultades significativas en su trabajo, alcanzando índices de avance diario impresionantes. Entre septiembre y diciembre de 1998 la máquina hizo una media de 42 m/día de perforación, con un mejor día de 55 m de túnel excavados. La tuneladora terminó sus trabajos en diciembre de 1998 habiendo alcanzado una media mensual de avance de 442 m. El personal trabajó 5 días a la semana en dos turnos al día, siendo la media de avance por turno de 21 m de perforación.

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Pinglu Tunnel

Veteran Double Shield completes one of the World’s Longest Single-Drive Tunnels

Project Overview

The Pinglu Tunnel, part of the Yellow River Water Diversion Project, was undertaken in 2006 by Joint Venture Sino-Austria Hydraulic Engineering Co. Ltd (SAHEC), led by Alpine Bau GmbH. At 24.5 km (15.8 mi), the Pinglu Tunnel marks one of the world’s longest single-drive TBM tunnels ever excavated. The entire scheme will transfer water from the Yellow River to dry regions of Shanxi Province, an area that receives just 400 mm (16 in) of rainfall per year on average.

The completed Pinglu Tunnel will go into operation in October 2011, connecting the North Main Line of the Yellow River Project to transfer water to Pinglu, Shuozhou, and Datong areas. The South Main Line of the Yellow River Water Diversion Project was completed between 1999 and 2001, which encompassed over 100 km (62 mi) of tunnel excavated using five TBMs, four of which were Robbins Double Shield TBMs.

TBM Design

The Robbins Double Shield TBM excavating the Pinglu Tunnel was previously used on the record-breaking 12 km (7 mi) long segment of the Yellow River Diversion in 2000. During that project, the Double Shield set two world records in its size class of 4 to 5 m (13 to 16 ft): best month (1,855 m/6,085 ft) and monthly average (1,352 m/4,435 ft). Both records still stand.

Since the TBM was used on a prior tunnel for this project and designed for similar geology, only the back-up system was modified. Due to the length of the tunnel, the back-up frame was extended from one stroke to two strokes. This key change allowed the machine to maintain good advance rates despite 70 minute transit times for muck trains from the machine to the tunnel entrance.

Tunnel Excavation

The machine began boring at the remote jobsite on September 30, 2006.  Tunneling was a challenging process, as the geology consisted of 12 m (40 ft) thick coal seams and abrasive sandstone that required intensive monitoring of tunnel air for particulates.  Up to 70% quartzite content made the rock very abrasive. This combination of 70% quartzite and 6% corundum made the rock seven times more abrasive than quartzite—equal to the material that grinding wheels are made of.  This required rigorous maintenance of the cutterhead with a daily 4-hour shift, and replacement of the bucket lips.

Muck removal was by trains of rota-dump muck cars in two tracks using California switches.  The back-up system was equipped with floor chain movers to shunt the muck cars as they filled. Ventilation in the long tunnel was generated at a minimum rate of 5.4 m³/sec (190 ft³/sec) by high-powered fans.  The fans, situated at the portal, deliver fresh air to the tunnel face via 1.4 m (4.6 ft) diameter flexible ducting.

Lining for the Pinglu Tunnel, which consisted of unique hexagonal segments, was produced near the jobsite by Alpine. A crew of nearly 400 people worked at the remote site and segment factory to cast the specialized structures. During excavation, the segments were placed longitudinally in a honeycomb configuration in rings of four elements which allowed high-speed, continuous boring with no downtime while erecting segments. Advance rates topped out at 50 ring sets, or about 70 m (230 ft), per day.

On November 13, 2010, Alpine celebrated the Robbins machine break through with a crowd of more than 500 including Austrian and Chinese guests of honor and the entire tunneling crew.

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Sochi Complex 3

Robbins TBMs make New Connections for Olympic Games

Project Overview

In 2012, the final of two Robbins Double Shield TBMs completed tunneling on schedule in Sochi, Russia in preparation for the host city’s 2014 Winter Olympic Games.  In addition to the construction of the new Olympic park, water supply lines, power stations and arenas, the resort city wants to make sure that transportation isn’t a problem for its visitors.  The transportation infrastructure project, commissioned by owner DCRC-Sochi, was divided into six complexes and will link road and railway routes between the small town of Adler on the Black Sea and the mountain resort of Alpika.  The new lines will also connect to the M-27 highway, which travels along the Mzymta River through a national forest preserve with 46 bridges and 12 tunnels.

The entire project consists of 48.2 km (30 mi) of new road and railway lines, with a strict completion deadline of June 2013.  In order to meet the schedule, excavation was performed in various ways, including using roadheaders, drill and blast equipment, and five TBMs.

Custom Rebuilds

Contractors OJSC Stroy-Trest and CSC Bamtunnelstroy ordered two refurbished TBMs to excavate parallel service and railway tunnels measuring 5.8 km (2.8 mi) and 4.6 km (2.9 mi), respectively.   The rebuilt machines were selected to construct the tunnels due to their fast procurement time compared to new machines and the aggressive deadline of the project.  A 10.0 m (32.8 ft) TBM was originally used on the Abdalajis rail tunnels in Spain between 2003 and 2006 and removed from storage for the Complex 3 tunnel.  A 6.2 m (23.3 ft) Double Shield was originally built in 1993 for a hydroelectric project in Switzerland, and has since been used on multiple tunneling projects, totaling over 45 km (28 mi).

The 10.0 m (32.8 ft) machine was supplied for the Sochi project as rebuilt by a sub-contracted supplier, but several problems at start-up unveiled that some of the machine’s major components needed to be refurbished or replaced.  After learning this, Bamtunnelstroy hired Robbins for on-site technical service and project consulting for Complex 3, as they were the original manufacturers of two of the three TBMs.

A crew of 15 from Robbins field service and engineering departments repaired and modified both TBMs.  The 10.0 m (32.8 ft) machine received a new cutterhead support from Italy, while the main bearing was refurbished at a factory in Germany.  In order to transport the 30 metric ton main bearing, the Antonov 124-100 aircraft was used, as it is the only one in existence that can carry these loads.  The TBM also received upgrades to the lube system, cutterhead pressurization, and changes to the seal lubrication system.  The 6.2 m (23.3 ft) Double Shield received new gear boxes and a PLC system.  To make sure boring went smoothly, the Robbins crew stayed onsite until both machines were up and running.

Geology

The Robbins TBMs were specifically designed to excavate the fractured and faulted sedimentary geology that makes up the Sochi region.  After testing the soil, it was determined that the machines would be boring mostly massive to completely fractured limestone with clay seams.  Some sedimentary rock with sandstone and siltstone was also detected, as were fault zones made up of breccias and conglomerates.

Both machines were designed with a flat face, low profile muck buckets and radial scoops to optimize stabilization at the face of the tunnel.  They were also equipped with replaceable bucket lips and injection ports, which allow foam additives to be injected into the soil through the cutterhead to treat the ground before and during boring.

Tunnel Excavation

The 6.2 m (23.3 ft) TBM was launched in March 2010 in mixed ground.  In May, however, the machine was stopped after it came across a fault zone consisting of broken rock and running soft ground.  Field service crews were able to free the machine by hand excavating a timber bypass structure around the machine in front of the cutterhead, allowing debris to be removed.  To evaluate the ground ahead, the crew drilled up to 62 m (203.4 ft) in front of the machine and found that the geology consisted of highly fractured ground.  In order to accommodate the ground, polymer foam was injected in front of the machine to consolidate porphyry material around and in front of the cutterhead.  The TBM was able to move forward without a problem once this was completed.  To prevent a recurrence of the problem, crews performed continuous probe drilling during the remainder of the advance.  When necessary, the ground was treated with cement silicate and foam to keep the machine moving steadily forward.

Despite its challenges, the 6.2 m (23.3 ft) TBM experienced good advance rates of 100 to 120 m (328.1 ft to 393.7 ft) per week, and 14 m (46 ft) per day.  The machine achieved breakthrough at the service tunnel on March 2, 2011.  After completion, the machine was disassembled and is now being stored near the city of Novorossiysk.  It is expected to be used for future tunneling projects, as it is in good shape and experienced very low cutter wear during its bore on Complex 3.

The 10.0 m (32.8 ft) Double Shield was launched in September 2010 and excavated effectively through fault zones 25 and 50 m (82.0 and 164.0 ft) wide, consisting of highly weathered material have been excavated so far, using probe drilling and pre-grouting to consolidate the rock. The massive machine completed its excavation in 2012, breaking through on February 14.

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