Un avance bajo las olas
China ha puesto en marcha un sistema de tunelación con escudo que utiliza una mezcla ternaria de gases, el primero de su tipo, para apoyar la construcción del túnel submarino de Jintang, un enlace ferroviario de 16,18 kilómetros que se convertirá en el túnel ferroviario de alta velocidad submarino más largo del mundo. Esta tecnología, desarrollada en el país, permite que los trabajadores operen de forma segura a presiones que superan ampliamente los límites tradicionales, lo que supone un importante avance en la ingeniería subterránea. El sistema comenzó a funcionar en el tramo del túnel situado del lado de Zhoushan, donde los equipos afrontan algunas de las condiciones más exigentes registradas hasta ahora en la construcción ferroviaria. Al combinar helio, nitrógeno y oxígeno en proporciones precisas, el equipo permite mantener las funciones vitales y el estado de alerta de las personas en un entorno donde la presión del agua y del suelo alcanza niveles más propios de la exploración de las profundidades oceánicas que de la excavación de túneles.
Contenido
- Un avance bajo las olas
- Dentro del túnel ferroviario submarino de alta velocidad más largo
- Por qué los métodos tradicionales llegan a su límite
- Inspiración en las profundidades oceánicas
- Cómo funciona el sistema ternario de gases mixtos
- Protección de los trabajadores en condiciones extremas
- Implicaciones para las infraestructuras mundiales
- En resumen
Dentro del túnel ferroviario submarino de alta velocidad más largo
El túnel de Jintang conectará Ningbo y Zhoushan a través de una vía marítima muy transitada en la provincia oriental china de Zhejiang. Una vez terminado, este corredor de 16,18 kilómetros tendrá el récord mundial del túnel ferroviario submarino de alta velocidad más largo, y superará con creces a los enlaces ferroviarios submarinos existentes tanto en longitud como en complejidad. El proyecto constituye un tramo clave de una red de transporte más amplia, diseñada para conectar más estrechamente el territorio continental con Zhoushan, una ciudad archipiélago cuyo aislamiento geográfico ha planteado durante mucho tiempo dificultades logísticas tanto para los pasajeros como para el transporte de mercancías.
Los equipos de construcción del lado de Zhoushan son responsables de un tramo de 6.270 metros excavado con escudo, una distancia que requiere meses de excavación continua a través de distintos tipos de terreno bajo el lecho marino. Las tuneladoras de escudo, también conocidas como máquinas perforadoras de túneles o TBM, excavan pasajes circulares e instalan al mismo tiempo estructuras de soporte para evitar derrumbes. Estas gigantescas máquinas utilizan cabezales de corte giratorios para triturar rocas y sedimentos, pero las herramientas de corte se desgastan y deben inspeccionarse o sustituirse con regularidad. Realizar este mantenimiento en una cámara presurizada a gran profundidad bajo el nivel del agua es uno de los trabajos más peligrosos de la ingeniería civil.
Por qué los métodos tradicionales llegan a su límite
Las operaciones en cámaras sometidas a presiones ultr elevadas representan uno de los mayores desafíos de la industria de la tunelación con escudo. Durante décadas, los equipos han recurrido a sistemas de aire comprimido para impedir la entrada de agua en la cámara de excavación mientras los trabajadores acceden a ella para reparar el cabezal de corte. Las técnicas convencionales de aire comprimido tienen un límite de presión de seguridad reconocido de 0,5 megapascales. Por encima de ese umbral, aumenta bruscamente el riesgo de enfermedad por descompresión y otros peligros fisiológicos, lo que hace extremadamente arriesgado el acceso de las personas.
Sin embargo, el túnel de Jintang supera esos límites tradicionales. Su tramo más profundo se encuentra a 78 metros bajo el nivel del mar, donde la presión combinada del agua y del suelo alcanza los 0,85 megapascales. Para hacerse una idea de esa fuerza, imagine unos 30 kilogramos de peso ejerciendo presión sobre una superficie no mayor que una moneda de un yuan. Los trabajadores no podrían soportar esa presión con los protocolos habituales de aire comprimido. El proyecto exigía un enfoque fundamentalmente distinto para el soporte vital y la gestión de la presión.
Inspiración en las profundidades oceánicas
Ante este obstáculo extremo, el equipo de construcción recurrió no a la tecnología minera convencional, sino al buceo en aguas profundas. El buceo de saturación y los sistemas respiratorios de gases mixtos han permitido durante mucho tiempo que los buzos comerciales trabajen a profundidades oceánicas donde el aire comprimido simple sería letal. Las mismas reglas fisiológicas se aplican tanto a un trabajador que repara infraestructura en una plataforma petrolera en alta mar como a quien sustituye componentes desgastados en el cabezal de corte de una tuneladora a cientos de metros bajo tierra. Los ingenieros adaptaron estos principios marítimos para crear un sistema ternario de helio, nitrógeno y oxígeno diseñado específicamente para la construcción de túneles.
El helio es el componente que cambia las reglas del juego. A diferencia del nitrógeno, que constituye la mayor parte del aire común, el helio tiene baja densidad y se difunde rápidamente por los tejidos. Bajo presiones extremas, los gases respiratorios normales hacen que el nitrógeno se disuelva en la sangre en cantidades peligrosas y provoque narcosis, un trastorno llamado a veces «éxtasis de las profundidades» que nubla el juicio y ralentiza los reflejos. Un trabajador desorientado a cientos de metros bajo tierra representa un peligro para sí mismo y para sus colegas. El oxígeno también se vuelve tóxico cuando se respira a presiones parciales elevadas durante períodos prolongados. El helio evita ambos problemas y ofrece un medio más seguro que mantiene la agudeza mental y la estabilidad fisiológica de los trabajadores mientras realizan labores en condiciones similares a las del fondo oceánico.
La adaptación de la tecnología de buceo a la tunelación refleja una tendencia creciente en la ingeniería de infraestructuras: las soluciones cruzan cada vez más las fronteras entre disciplinas. Lo que funciona para los buzos de plataformas petroleras en alta mar puede proteger, con las modificaciones adecuadas, a los equipos que construyen ferrocarriles a cientos de metros bajo tierra. Esta convergencia entre las ciencias marinas y la ingeniería civil podría definir la próxima generación de proyectos subterráneos en zonas costeras de todo el mundo.
Cómo funciona el sistema ternario de gases mixtos
El nuevo equipo no es simplemente un conjunto de cilindros de gas sobre un carro. Integra dos módulos principales, uno para mezclar los gases y otro para suministrarlos, con el apoyo de 113 submódulos especializados que incluyen centros de distribución y suministro de gases, así como equipos respiratorios individuales. Esta arquitectura modular permite controlar con precisión la mezcla de gases que recibe cada trabajador dentro de la cámara presurizada.
El sistema puede funcionar en un rango de presión de entre 0,5 y 1 megapascal. El límite superior supera incluso el máximo de 0,85 megapascales registrado en el túnel de Jintang, lo que ofrece un margen de seguridad para proyectos aún más exigentes en el futuro. Los algoritmos de mezcla ajustan en tiempo real las proporciones de helio, nitrógeno y oxígeno para adaptarlas a la presión ambiental en el frente de excavación, de modo que los trabajadores reciban una mezcla respiratoria óptima independientemente de la profundidad del túnel.
Cada componente debe soportar ambientes corrosivos de agua salada, las vibraciones constantes de la tuneladora y las tensiones mecánicas de las condiciones hiperbáricas. Los ingenieros diseñaron sistemas de seguridad redundantes para que un fallo en un submódulo no comprometa el soporte vital de todo el equipo. La supervisión remota permite que los equipos en la superficie controlen el caudal de gas, los niveles de presión y las constantes vitales de cada trabajador sin entrar en la cámara.
Protección de los trabajadores en condiciones extremas
La seguridad sigue siendo la principal preocupación cuando las personas acceden a una cámara de excavación presurizada. La narcosis por nitrógeno es una de las amenazas más insidiosas en entornos de alta presión. Bajo presión, este gas inerte se disuelve en los tejidos nerviosos y produce síntomas similares a los de la intoxicación por alcohol. Un trabajador con narcosis puede sentirse eufórico o desorientado, lo que convierte una tarea rutinaria de mantenimiento en una apuesta mortal. El helio no produce este efecto narcótico; por eso lo utilizan los buzos de aguas profundas y ahora también los trabajadores de túneles.
La toxicidad del oxígeno representa otro peligro. Aunque el oxígeno es esencial para la vida, respirarlo a presiones parciales elevadas durante períodos prolongados puede dañar los pulmones y el sistema nervioso central. Al diluir el oxígeno con helio y controlar cuidadosamente la proporción de la mezcla, el sistema ternario evita una acumulación tóxica y, al mismo tiempo, suministra suficiente gas para realizar un trabajo físico intenso.
Los protocolos de descompresión también requieren una gestión cuidadosa. Al terminar su turno, los trabajadores deben pasar por una serie de etapas de presión para permitir que los gases disueltos salgan gradualmente del organismo. Una descompresión rápida provoca la formación de burbujas en la sangre y puede causar enfermedad por descompresión, un trastorno doloroso y potencialmente mortal. El sistema de gases mixtos permite aplicar programas de descompresión controlada adaptados a la cantidad específica de gas acumulada durante cada turno.
Implicaciones para las infraestructuras mundiales
La puesta en marcha con éxito de este sistema chino de tunelación con escudo y mezcla ternaria de gases ofrece enseñanzas para proyectos de infraestructura de todo el mundo. Las ciudades costeras, desde Tokio hasta Nueva York, afrontan una presión creciente para ampliar sus redes de transporte bajo vías navegables, pero muchas de las rutas posibles presentan condiciones geológicas similares a las del corredor entre Ningbo y Zhoushan. La capacidad de trabajar de forma segura a presiones de hasta 1 megapascal abre la posibilidad de construir rutas antes inviables y permite a los ingenieros considerar trazados más profundos y directos que reduzcan los tiempos de viaje y el impacto ambiental.
En el ámbito nacional, esta innovación refuerza el papel destacado de los ingenieros chinos en la construcción de túneles a gran escala. El país ya cuenta con algunos de los sistemas de transporte subterráneo más ambiciosos del mundo, y esta tecnología elimina un obstáculo clave que ha limitado el desarrollo ferroviario submarino. Otros sectores también podrían beneficiarse. La minería subterránea, la instalación de cables submarinos y los proyectos de perforación científica se llevan a cabo en entornos hiperbáricos donde el soporte vital con gases mixtos podría resultar útil.
En el caso concreto del túnel de Jintang, el sistema permite que las obras del tramo de 6.270 metros en Zhoushan avancen según el calendario previsto sin sacrificar la seguridad de los trabajadores. Una vez terminado, el túnel reducirá drásticamente los tiempos de viaje entre el territorio continental y el archipiélago, y favorecerá la integración económica y el turismo en la provincia de Zhejiang.
En resumen
- China ha puesto en marcha el primer sistema de tunelación con escudo y mezcla ternaria de gases desarrollado en el país, en el proyecto del túnel submarino de Jintang, en la provincia de Zhejiang.
- El túnel de 16,18 kilómetros se convertirá en el túnel ferroviario submarino de alta velocidad más largo del mundo y conectará Ningbo y Zhoushan.
- Los métodos tradicionales de aire comprimido están limitados a 0,5 megapascales, pero el tramo más profundo del túnel de Jintang alcanza los 0,85 megapascales, a 78 metros bajo el nivel del mar.
- El nuevo sistema mezcla helio, nitrógeno y oxígeno para crear condiciones respiratorias más seguras y prevenir la narcosis por nitrógeno y la toxicidad del oxígeno durante las operaciones a presiones ultr elevadas.
- Los ingenieros adaptaron tecnologías del buceo en aguas profundas para desarrollar el sistema, que permite trabajar a presiones de entre 0,5 y 1 megapascal mediante 113 submódulos integrados.
