ES2240122T3 - Metodo de perforacion de tuneles. - Google Patents
Metodo de perforacion de tuneles.Info
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Abstract
Un proceso de perforación de un túnel utilizando una maquina tuneladora de perforación de blindaje de compensación de la presión terrena, que tenga un cabezal de corte, una cámara de excavación para la tierra extraída por la perforación y medios de transporte para la extracción de la mencionada tierra de la cámara de excavación; en el que se inyecta una solución acuosa en el estrato que se está perforando con el cabezal de corte, caracterizada porque: (c) la solución acuosa contiene dos componentes esenciales que son (i) un agente tensioactivo aniónico que contenga sulfato o sulfonato, e (ii) un condensado de â-naftaleno sulfonato-formalheido; y porque (d) se aplica a la tierra extraída por la perforación en al menos una cámara de excavación y en el transportador una segunda solución acuosa que contiene esencialmente un oxido de polietileno de alto peso molecular, y opcionalmente un agente tensioactivo aniónico.
Description
Método de perforación de túneles.
Esta invención está relacionada con la
perforación de túneles y con las composiciones para su utilización
en la misma.
Las máquinas tuneladoras con blindaje de
compensación de la presión terrena (EPBS) se están utilizando
frecuentemente en forma incrementada en la perforación de túneles
en estratos no rocosos, porque ofrecen muchas ventajas, tales como
la capacidad para perforar en una amplia variedad de estratos. Una
máquina EPBS comprende un cabezal de corte giratorio circular sobre
un blindaje cilíndrico de diámetro similar de forma tal que su eje
de rotación coincide con el eje longitudinal del blindaje. Dentro
del blindaje existen medios contenidos para el suministro de
materiales al cabezal de corte y medios para transportar la tierra
de desecho del suelo. La tierra pasa así a través de unas aberturas
en el cabezal de corte hacia una cámara de excavación situada
inmediatamente por detrás del cabezal de corte, desde donde se
elimina después mediante un transportador, generalmente un
transportador del tipo de torno helicoidal.
La máquina EPBS funciona bien en especial en
suelos cohesivo con excelentes propiedades plásticas, pero no es
tan eficiente en otros terrenos, por ejemplo en tierras densas y
pegajosas. Una solución a este problema fue la adición del cabezal
de corte de un material acuoso espumado, el cual hace más fácil la
extracción de tierra. Un ejemplo de dicho proceso puede encontrarse
en la aplicación publicada WO 99/18330 de PCT.
Idealmente, la tierra en el cabezal de corte
deberá ser suficientemente plástica para la inyección de un
material espumado, tal que pase a través del cabezal de corte en el
interior de la cámara de excavación. En este punto, deberá ser
adecuado para desecharlo mediante el transportador, pero esto no
será siempre el caso. Por ejemplo, un problema es el encontrado en
la tierra de los estratos con una alta proporción de arcilla y agua
es que la tierra permanece muy fluida, y esto no solo hace
ineficiente la extracción de la cámara de excavación que resulta
difícil, sino que además da lugar a una circulación de la tierra
fuera de la cámara de excavación por detrás del blindaje.
Se ha encontrado que es posible eliminar dicha
tierra de forma eficiente mediante la utilización de un proceso
modificado que incluye un agente espumante. La invención
proporciona por tanto un proceso de perforación de un túnel
utilizando una maquina tuneladora de perforación de blindaje de
compensación de la presión terrena, que tenga un cabezal de corte,
una cámara de excavación para la tierra extraída por la perforación
y medios de transporte para la extracción de la mencionada tierra
de la cámara de excavación; en el que se inyecta una solución
acuosa en el estrato que se está perforando con el cabezal de
corte, caracterizada porque:
- (a)
- la solución acuosa contiene dos componentes esenciales que son (i) un agente tensioactivo aniónico que contenga sulfato o sulfonato, e (ii) un condensado de \beta-naftaleno sulfonato-formalheido; y porque
- (b)
- se aplica a la tierra extraída por la perforación en al menos una cámara de excavación y en el transportador una segunda solución acuosa que contiene esencialmente un oxido de polietileno de alto peso molecular, y opcionalmente un agente tensioactivo aniónico.
La solución acuosa descrita en (a) anteriormente
se denominará de ahora en adelante como "la primera solución
acuosa".
La invención está basada en el descubrimiento
mediante el cual en las condiciones de la perforación del túnel, el
condensado de \beta-naftaleno
sulfonato-formalheido (denominado de ahora en
adelante por su abreviatura bien conocida de "BNS") y el
glicol de polietileno interactúan de una forma cuya naturaleza
exacta no es conocida pero que da lugar al endurecimiento del medio
en el cual tienen lugar conjuntamente. Como resultado de ello, la
tierra que contiene ambos compuestos llega a ser menos fluida y más
adecuada para la extracción por el transportador.
El agente tensioactivo aniónico, el cual es un
componente esencial en la primera solución acuosa, y un componente
opcional en la segunda solución acuosa, puede ser seleccionado a
partir de cualquier agente tensioactivo que contenga sulfato o
sulfonato que se conozca en el arte. Un tipo particularmente
preferido es el sulfato de éter polialquileno de alquilo, en el
cual la cadena de óxidos de polialquileno tiene una longitud de
cadena promedio de 2-3 unidades de oxido de
alquileno. Los materiales comerciales típicos incluyen la serie
"Alscope" (marca registrada) de la firma Toho Chemical
Industry Co.
Otros tipos preferidos en particular incluyen el
sulfato de alcohol de laurilo amonio monoisopropanol (disponible
comercialmente como, por ejemplo, "Sulfetal" (marca
registrada) Cjot 160, sulfonato \alpha-olefina
(Numero de registro CAS
68439-57-6), disponible
comercialmente como, por ejemplo, "Rhodocal" (marca
registrada) A-246-L, y sales de
sulfato de alcohol graso C_{8-22} y sales de
sulfato de éter de alcohol graso C_{8-22}, en
donde el alcohol graso es preferiblemente un alcohol de laurilo, y
siendo el éter un éter formado con una cadena de oxido de alquileno
(preferiblemente oxido de etileno) a partir de 1-3
unidades de oxido de alquileno, y en donde el catión de formación de
sales se selecciona preferiblemente a partir de metal álcali,
magnesio y alcanolamina.
El material BNS utilizado en esta invención puede
ser seleccionado a partir de cualquiera de una amplia variedad de
dichos materiales comercialmente disponibles. El material BNS se
utiliza en grandes cantidades en la industria de la construcción
tal como el denominado "superplatificador" para el hormigón.
Los ejemplos de materiales comercialmente disponibles incluyen el
RHEOBUILD (marca registrada) 1100 y el RHEOBUILD 5500.
Los óxidos de polietileno (PEO) son materiales
bien conocidos en el comercio y se puede seleccionar un material
adecuado a parir del amplio rango disponible. Ejemplos típicos son
los materiales "Polyox" (marca registrada) de la firma Union
Carbide. Mediante el término "alto peso molecular" se quiere
significar un material de peso molecular promedio alto desde
100.000 - 8.000.000. El rango del peso molecular preferido es de
2.000.000 - 5.000.000.
Además de estos dos componentes esenciales,
pueden ser añadidos a la primera solución acuosa otros materiales
conocidos en el arte como útiles para la ejecución de funciones
específicas especializadas, por ejemplo, biocidas y agentes
complejos. En algunas circunstancias, estabilizadores de espuma,
típicamente aminas con cadenas ácidas grasas largas, que pueden ser
útiles. Estos materiales adicionales pueden ser utilizados en
cantidades reconocidas en el arte. Cuando se utilice un agente
tensioactivo de sulfato de éter alquilo de polialquileno, un
material asociado útil es la urea, añadida hasta una magnitud de
0,03 - 0,8%, preferiblemente de 0,06 - 0,25% en peso de la solución
espumada.
En la preparación de la primera solución acuosa
(para espumar y añadir en el cabezal de corte) la relación de
porcentaje (sólidos en peso) del agente tensioactivo con respecto
al material BNS puede variar desde 1:99 - 99:1, más preferiblemente
de 90:10 - 10:90, más preferible de 70:30 - 30:70. (Por supuesto es
posible añadir los dos componentes esenciales independientemente en
diferentes soluciones acuosas, pero esto incrementa sencillamente
los problemas de manipulación sin incrementar el rendimiento). Para
una manipulación conveniente, los dos componentes se disuelven en
agua, para formar un concentrado adecuado para una disolución,
espumado e inyección adicionales. Típicamente, el concentrado
comprenderá a partir de 5 - 40%, preferiblemente a partir de 8 - 20%
en peso de sólidos del agente tensioactivo más el condensado. Para
la inyección en el cabezal de corte, este concentrado es diluido
con agua, de forma tal que constituya a partir del 1 - 20%,
preferiblemente desde el 2 - 6% en peso de la primera solución
acuosa, y siendo espumado después mediante medios convencionales
para proporcionar una espuma que tenga de 2 -15 veces,
preferiblemente 8 -12 veces el volumen de la primera solución
acuosa con antelación a la espumación. El volumen de espuma
inyectada es de 10 - 1000 litros, preferiblemente de 200 - 600
litros por metro cúbico de tierra.
En la preparación de la segunda solución acuosa,
el oxido de polietileno se disuelve en agua hasta una magnitud de
0,5 - 2,0%, preferiblemente de 0,8 - 1,2% en peso. Si se utiliza el
agente tensioactivo aniónico con contenido de sulfato o sulfonato en
la segunda solución acuosa, estará presente hasta una magnitud de
5 - 40%, preferiblemente de 8 - 20% en peso de la segunda solución.
La presencia de un agente tensioactivo aniónico con contenido de
sulfato o sulfonato puede ayudar a la extracción de la tierra de la
cámara de excavación. Cuando el agente tensioactivo está presente
en la segunda solución acuosa, la solución está espumada por medios
convencionales con antelación a la adición en la cámara de
excavación y/o el transportador.
Además del oxido de polietileno esencial y el
agente tensioactivo aniónico opcional, la segunda solución acuosa
puede contener también los materiales reconocidos en el arte en
cantidades conocidas para ejecutar funciones específicas. Los
ejemplos incluyen los biocidas y los desespumantes.
En la utilización, la primera solución acuosa es
espumada mediante medios convencionales y siendo inyectada después
desde unas aberturas en el cabezal de corte en el estrato que esté
siendo perforado. La tierra se extrae a través de aberturas en el
cabezal de corte en la cámara de excavación. A los contenidos de
la cámara de excavación se añade la segunda solución acuosa,
espumada si contiene un agente tensioactivo aniónico de contenido de
sulfato o sulfonato. Después de extrae fuera de la cámara de
excavación para su desecho. Tal como se menciono anteriormente,
además o en lugar de la adición de la segunda solución acuosa al
contenido de la cámara de excavación, la segunda solución acuosa
puede ser añadida al transportador.
El proceso de esta invención se ha encontrado que
es muy útil en la manipulación de tierras que contengan una alta
proporción de arcilla y agua. Como ejemplo es la tierra
subterránea de Singapur, en donde la perforación de túneles para un
ferrocarril subterráneo resultó difícil con las técnicas conocidas.
El proceso de la presente invención funciona perfectamente con
dichas tierras, permitiendo la obtención de una perforación
eficiente y económica de un proceso de perforación y de desecho de
las tierras.
La invención proporciona adicionalmente el uso de
una espuma tal como se ha definido anteriormente en combinación con
una segunda solución acuosa tal como se ha definido anteriormente
en la perforación de un túnel, utilizando una maquina de
perforación de túneles con blindaje compensado de las tierras.
La invención se muestra adicionalmente mediante
los siguientes ejemplos no limitantes.
Es un ejemplo que ilustra el efecto de la
invención.
Las muestras de tierra obtenidas en el
emplazamiento de la construcción del metro de Singapur (una arcilla
pesada acuosa) se someten a la prueba de penetración de un cono del
Estándar Británico BS 1377 Parte 2, que es una prueba que
proporciona una indicación de la plasticidad o de la fluidez del
material bajo prueba, en donde cuanto más profunda sea la
penetración del cono, mayor será la plasticidad o fluidez de la
muestra. Los tres ejemplos (muestras 1, 2 y 3) son tratados de la
forma siguiente:
Muestra 1: sin tratamiento.
Muestra 2: se mezcla en la tierra al 0,08% en
peso con tierra de un agente tensioactivo aniónico ("Sulfetal"
(marca registrada) Cjot 160) y 0,04% de BNS ("Rheobuild"
(marca registrada) 5500).
Muestra 3: igual que con la muestra 2, pero con
la adición suplementaria de 0,01% de oxido de polietileno
("Polyox" (marca registrada) WSR-301).
Las pruebas de penetración del cono proporcionan
los siguientes resultados:
Muestra 1: 13,7 mm, muestra 2: 20,7 mm, muestra
3: 17,5 mm.
En términos prácticos, la muestra 1 está
complemente endurecida. La adición de los dos aditivos a la
muestra 2 provoca que la muestra llegue a ser completamente fluida
y fácil de fluir. La adición del oxido de polietileno en la muestra
3 provoca que la muestra llegue a endurecerse de nuevo, pero no tan
dura como el original.
Un ejemplo del uso de una composición de
espuma.
De nuevo, se comprueban las tres muestras, pero
esta vez mediante la prueba de dispersión del Estándar Alemán DIN
18 555. Esta prueba incluye la colocación de una muestra sobre una
mesa, la cual se deja caer e impactar. La dispersión de la muestra
después del impacto es una medida de la fluidez de la muestra;
cuando más grande sea la dispersión, más fluida será la muestra.
Las tres muestras fueron tratadas de la forma siguiente, antes de
la caída:
Muestra 1: sin tratamiento.
Muestra 2: se trató con una mezcla acuosa de
espuma de un agente tensioactivo de sulfonato de
\alpha-olefina ("Rhodocal" (marca
registrada) A-246-L) y BNS
("Rheobuild" 5500), de forma tal que se añada a la tierra al
0,08% en peso del agente tensioactivo y el 0,04% de BNS.
Muestra 3: como el ejemplo 2, pero con la
adición suplementaria de 0,01% en peso de oxido de polietileno
("Polyox" WSR-301).
Los resultados son como sigue:
Muestra 1. 10,2 cm, muestra 2: 15 cm, muestra 3:
12,2 cm.
Como en el ejemplo 1; la adición del agente
tensioactivo y el BNS hacen que la muestra sea más fluida y la
adición suplementaria del oxido de polietileno hace que se
endurezca el material de nuevo, pero no con el mismo endurecimiento
que el original.
En el emplazamiento de trabajo, esto significa
que el material en el cabezal de corte de la máquina de perforación
del túnel puede hacerse más fluido, de forma que pueda pasar más
fácilmente a través del cabezal de corte hasta la cámara de
excavación, y que pueda endurecerse para mejorar la extracción desde
la cámara.
Claims (7)
1. Un proceso de perforación de un túnel
utilizando una maquina tuneladora de perforación de blindaje de
compensación de la presión terrena, que tenga un cabezal de corte,
una cámara de excavación para la tierra extraída por la perforación
y medios de transporte para la extracción de la mencionada tierra de
la cámara de excavación; en el que se inyecta una solución acuosa en
el estrato que se está perforando con el cabezal de corte,
caracterizada
porque:
porque:
- (c)
- la solución acuosa contiene dos componentes esenciales que son (i) un agente tensioactivo aniónico que contenga sulfato o sulfonato, e (ii) un condensado de \beta-naftaleno sulfonato-formalheido; y porque
- (d)
- se aplica a la tierra extraída por la perforación en al menos una cámara de excavación y en el transportador una segunda solución acuosa que contiene esencialmente un oxido de polietileno de alto peso molecular, y opcionalmente un agente tensioactivo aniónico.
2. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque el agente tensioactivo aniónico se
selecciona a partir de sulfatos de éter de alquilo de polialquileno
con una longitud de cadena promedio de óxidos de polialquileno de
2-3 unidades de oxido de alquileno, sulfatos de
alcohol de laurilo de amonio monoisopropanol, sulfonatos de
\alpha-olefina y sales de sulfatos de alcohol
grado C_{8-22} y sales de sulfato de éter de
alcohol graso C_{8-22}, siendo el éter un éter
formado con una cadena de oxido de alquileno de 1-3
unidades de oxido de alquileno.
3. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 1
ó 2, caracterizado porque el oxido d polietileno en la
segunda solución acuosa tiene un peso molecular promedio en peso de
100.000 - 2.000.000.
4. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-3, caracterizado porque
la relación del porcentaje (sólidos en peso) del agente
tensioactivo aniónico con respecto al condensado de
formaldehido-sulfonato de
\beta-naftaleno en la primera solución acuosa es
de 1:99 - 99:1, mas preferiblemente de 90:10, 10;90, y más
preferible de 70:30 - 30:70.
5. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 - 4, caracterizado porque la primera
solución acuosa se utiliza como un concentrado que contenga del 5-
40% en peso de agente tensioactivo y condensado de
\beta-naftaleno
sulfonato-formaldehido, diluido de forma tal que
constituya del 1-20% de la solución acuosa final,
estando la solución espumada para proporcionar un volumen de espuma
que sea de 1 - 15 veces la primera solución acuosa con antelación a
la espumación.
6. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 5,
caracterizado porque el volumen de espuma inyectado es de 10
- 1000 litros por metro cúbico de tierra.
7. El uso de una espuma acuosa en combinación con
una segunda solución acuosa que contiene esencialmente un oxido de
polietileno de alto peso molecular y opcionalmente un agente
tensioactivo aniónico conteniendo sulfato o sulfonato en la
perforación de un túnel, utilizando una máquina de perforación de
túneles con blindaje de compensación de la tierra, en el que la
espuma acuosa es el producto espumado de un líquido que es una
solución acuosa de 1 -20% en peso de un concentrado, siendo el
volumen de la espuma de 2 - 15 veces la solución acuosa, y en el
que el concentrado consiste en esencialmente agua en la cual se
disuelve un agente tensioactivo aniónico conteniendo sulfato o
sulfonato y un condensado de sulfonato-formaldehido
\beta-naftaleno, en donde la relación del
porcentaje en peso de sólidos del agente tensioactivo en relación
con el condensado en la concentración es de 99:1 - 1:99, y
conteniendo el concentrado del 5 -40% en peso del agente
tensioactivo más el condensado.
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