Recientemente, en Wuhan, Hubei, un equipo gigante con forma de "donut de arándanos" salió lentamente de la base de fabricación, marcando la puesta en marcha oficial de la primera máquina excavadora con voladura (Boring and Blasting Machine, abreviado BBM) del mundo, desarrollada conjuntamente por la Universidad de Tsinghua y China Railway Science & Industry Group (CREC) bajo China Railway Industrial. Esta es la primera vez que los dos métodos principales de construcción de túneles—el método de tuneladora y el método de perforación y voladura—se integran en un mismo equipo, ofreciendo una nueva solución técnica para la construcción de túneles largos en geologías complejas.
Difícil conciliar ambos métodos,la industria demanda nuevos equipos
China cuenta con vastas zonas montañosas, y numerosos proyectos de infraestructura clave en carreteras, ferrocarriles y recursos hídricos se concentran en regiones profundas. La construcción de túneles largos a menudo enfrenta problemas como estallidos de roca, inundaciones repentinas por lodo y agua, altas temperaturas del terreno y grandes deformaciones de la roca circundante, además de la intercalación de estratos duros y blandos y zonas de falla fracturadas, lo que plantea enormes desafíos para la organización de la construcción y el control de seguridad.
Durante mucho tiempo, la industria ha adoptado principalmente dos rutas tecnológicas maduras: el método de tuneladora y el método de perforación y voladura, cada uno con sus ventajas pero con límites claros. La tuneladora excava de forma continua en roca dura homogénea y logra una formación estable del túnel, pero su adaptabilidad es insuficiente en roca blanda con grandes deformaciones y en terrenos fracturados y ricos en agua; el método de perforación y voladura tiene una amplia gama de adaptabilidad geológica, cubriendo diversos tipos de roca dura y blanda, pero sus procesos son fragmentarios y la conexión con el soporte es deficiente, con una eficiencia general y una mecanización de excavación continua claramente inferiores.
En proyectos de túneles largos con condiciones geológicas variables, la alternancia de equipos de ambos tipos de tecnología es algo habitual. Sin embargo, cada etapa—desmontaje y transporte de equipos, rotación de cuadrillas de trabajo y conversión de procesos constructivos—genera pérdidas de tiempo en el cronograma, convirtiéndose en un cuello de botella invisible que limita el avance del proyecto.
A medida que la construcción de infraestructura en China se expande hacia montañas profundas y el subsuelo, la integración de las ventajas de ambos métodos en un equipo unificado, adaptable a todo tipo de terrenos, se ha convertido en una dirección de innovación crucial que la industria necesita abordar con urgencia.
Superando barreras,"combinando en uno" para forjar una gran máquina
Para abordar este punto crítico de la industria, la Universidad de Tsinghua, en colaboración con China Railway Science & Industry Group, reunió a equipos multidisciplinarios en escudos de túneles, perforación profunda y voladura de precisión para una investigación conjunta. Integrar la excavación y la voladura "en una sola" no es un simple "1+1"; primero fue necesario superar dos desafíos técnicos fundamentales.
El primero es el equilibrio estructural de fuerzas. Las tuneladoras tradicionales utilizan un cabezal de corte cerrado de sección completa, que distribuye las fuerzas de manera uniforme y garantiza una operación estable. Para permitir la perforación y voladura, es necesario "abrir una claraboya" en el cabezal—diseñando una estructura de cabezal anular hueco—lo que altera directamente el sistema de fuerzas de toda la máquina. Si el equilibrio de fuerzas se desajusta, se acelera el desgaste de las herramientas de corte, amenazando directamente la estabilidad del equipo.
El segundo es la protección contra explosiones. Los escombros y las ondas de choque generados por la voladura pueden dañar fácilmente los componentes electrónicos de precisión y los elementos hidráulicos en el interior de la máquina. Diseñar un sistema de protección antiexplosión confiable dentro de un cuerpo cerrado presenta una dificultad extrema.
Enfrentando estos dos desafíos, el equipo de investigación realizó simulaciones estructurales y pruebas de rendimiento de componentes repetidamente, superando los puntos técnicos uno por uno, hasta lograr finalmente el diseño del cabezal combinado "central + anular".
Este cabezal hueco con forma de "donut" es la estructura central original más emblemática de la excavadora con voladura. Gracias a la operación coordinada del cabezal hueco y el cabezal central, la máquina puede cambiar con flexibilidad entre tres modos de operación: "voladura frontal y excavación trasera", "excavación frontal y voladura trasera" y "excavación de sección completa", combinando las ventajas del pretratamiento avanzado con voladura y la excavación mecanizada continua, rompiendo por completo las barreras de aplicación de los métodos tradicionales.
"Por ejemplo, en terrenos extremos como alta tensión de estrato o grandes deformaciones en roca blanda, la excavadora puede utilizar el canal hueco central del 'donut' para permitir el acceso de personal y equipos, realizando operaciones de pretratamiento como inyección de refuerzo, pre-fracturación avanzada y soporte de emergencia frente al frente de excavación, evitando desde el origen riesgos de seguridad como derrumbes de la roca circundante o atascos del equipo", explicó Wang Chenghai, responsable del proyecto de la excavadora con voladura en China Railway Science & Industry Group.
Con un respaldo sólido,cinco técnicas clave trabajan en sinergia
Además del emblemático cabezal tipo "donut", Wang Chenghai señaló que la excavadora incorpora múltiples tecnologías originales, logrando la coordinación de cinco componentes centrales que conforman un sistema de construcción integrado y completo, con la ventaja técnica de "una integración, dos adaptaciones y tres unificaciones".
Las cuchillas laterales retráctiles actúan como un "regulador de forma" del túnel, ajustando con precisión las dimensiones de la sección de excavación mediante un algoritmo de expansión por círculos tangentes: pueden expandir secciones grandes y contraer secciones pequeñas, mejorando la eficiencia de tránsito del equipo dentro del túnel; el escudo trasero telescópico adaptativo es una "armadura dinámica" que se ajusta a la roca circundante, compatible con múltiples especificaciones de dovelas, permitiendo el ensamblaje de revestimientos de diámetro variable en tramos con estallidos de roca o grandes deformaciones, garantizando la continuidad y estabilidad del soporte; el dispositivo antiexplosión del equipo principal es un "casco de seguridad" para toda la máquina, diseñado específicamente para operaciones simultáneas de excavación y voladura, capaz de amortiguar eficazmente el impacto de las explosiones y proteger el equipo principal y sus componentes internos de precisión; el sistema de transporte por cinta independiente es una "línea de clasificación" de materiales, que transporta por separado los escombros de excavación y los agregados producidos in situ, optimizando la gestión de materiales en el sitio y mejorando los beneficios económicos y ambientales.
"Una integración" se refiere a la fusión de la eficiencia de excavación continua del TBM con la amplia adaptabilidad geológica del método de perforación y voladura, permitiendo cambiar de modo de construcción sin necesidad de reemplazar el equipo, eliminando las pérdidas de tiempo por entrada y salida de equipos y conversión de procesos; "dos adaptaciones" es la doble compatibilidad con el terreno y la sección: se adapta tanto a terrenos duros como blandos y a secciones de diversos tamaños, de modo que un solo equipo puede cubrir múltiples condiciones de túnel; "tres unificaciones" logra la estandarización e integración del método constructivo, el hardware del equipo y la forma de soporte con revestimiento, desde el pretratamiento previo, la excavación, la extracción de escombros hasta el soporte y la regeneración de agregados, todo el proceso puede completarse de forma independiente con un solo equipo, simplificando enormemente la configuración de equipos en el sitio, la organización del personal y la gestión de la construcción.
Los datos de las pruebas muestran que, en condiciones geológicas de roca ultradura, tras el pretratamiento con pre-fracturación avanzada, la eficiencia de excavación de la máquina puede aumentar en un 30%. Para túneles largos que se extienden a lo largo de decenas de kilómetros, esto significa que el período de construcción general puede reducirse en varios meses o incluso más.
Avanzando hacia las profundidades,de "utilizable" a "inteligente"
La puesta en marcha de la primera excavadora con voladura del mundo rompe los paradigmas de diseño existentes en equipos similares a nivel nacional e internacional. Toda la máquina y sus componentes centrales son de fabricación y control totalmente autónomos, llenando el vacío en el campo de los equipos integrados de construcción de túneles en geologías complejas y perfeccionando la cadena industrial china de equipos de alta gama para ingeniería subterránea.
Según se informa, este equipo se utilizará inicialmente en proyectos de centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo para su aplicación demostrativa en ingeniería. El equipo de investigación continuará iterando y optimizando su rendimiento basándose en datos de medición en campo, y promoverá simultáneamente su actualización inteligente y de precisión, integrando sistemas como el reconocimiento inteligente de la roca circundante, la predicción avanzada de la construcción y la excavación autónoma inteligente, impulsando al equipo para que dé el salto integral de "disponible y utilizable" a "eficiente e inteligente".
Como un logro innovador y revolucionario en el campo de los equipos de ingeniería subterránea, esta excavadora con voladura se utilizará ampliamente en el futuro en sectores clave como proyectos de transporte, infraestructura hidráulica y desarrollo de recursos en el subsuelo profundo, elevando continuamente el nivel de diseño y fabricación independiente de equipos de ingeniería subterránea en China e impulsando la nueva industrialización y la construcción de un país líder en transporte mediante la innovación tecnológica en equipos.