La colosal tuneladora que construyó la autopista submarina de Hong Kong

Construir una carretera bajo el mar

El 27 de diciembre de 2020, Hong Kong inauguró una nueva arteria de transporte. La conexión norte del enlace Tuen Mun-Chek Lap Kok atravesó el lecho marino para conectar los Nuevos Territorios del noroeste con el Aeropuerto Internacional de Hong Kong y el puente Hong Kong-Zhuhai-Macao. En el centro del proyecto estaba la Herrenknecht Mixshield S-880, una tuneladora llamada Qin Liangyu. Con un diámetro de escudo de 17,63 metros, la máquina aún conserva el récord Guinness de la tuneladora con el mayor diámetro de escudo. Era más larga que un campo de fútbol, pesaba más que la mayoría de los barcos y fue construida para operar bajo presiones que aplastarían equipos convencionales. El túnel que excavó es ahora el túnel vial submarino más profundo, largo y ancho de Hong Kong, y forma parte de una ruta de 9 kilómetros que costó unos 18.200 millones de dólares hongkoneses, alrededor de 2.300 millones de dólares estadounidenses.

El proyecto nunca se limitó a batir récords. Fue una respuesta a las necesidades de una ciudad que requería mejores conexiones entre tierra, mar y aire. Había que construir un túnel de dos tubos, con unos 5 kilómetros de tramo submarino, bajo rutas de navegación, lodo blando del lecho marino y ecosistemas costeros sensibles. Construir un túnel así con métodos más antiguos habría requerido un dragado masivo, habría perturbado el tráfico marítimo y habría provocado años de conflictos ambientales. La solución fue una sola máquina fabricada en Alemania, capaz de excavar, estabilizar y revestir el túnel a medida que avanzaba.

Por qué la máquina tenía que ser tan grande

La elección de un escudo de 17,63 metros se debió a las características del terreno, no solo a la ambición de la ingeniería. Entre Tuen Mun y Chek Lap Kok, el lecho marino oculta hasta 30 metros de depósitos marinos y arcillas aluviales. Estos suelos son extremadamente blandos y están saturados de agua, lo que hace que la excavación de túneles sea inestable. En algunos lugares, el lecho de roca se encuentra a unos 90 metros bajo el nivel del mar. Una tuneladora convencional tendría dificultades para lidiar con la entrada de agua y el derrumbe del suelo. El proyecto necesitaba un diseño Mixshield, un tipo de máquina que puede equilibrar la presión en el frente de excavación mediante una mezcla controlada de lodo y aire comprimido.

El tamaño también respondía a la demanda de tráfico. El túnel proyectado necesitaba un diámetro interior de 15,6 metros para alojar dos carriles de carretera en cada sentido, además de espacio de seguridad, conductos de ventilación, sistemas eléctricos y accesos de mantenimiento. Como la tuneladora instala segmentos prefabricados de revestimiento de hormigón a medida que avanza, el diámetro exterior del túnel debe ser mayor que el interior. Al sumar el grosor de los anillos de revestimiento, la cubierta trasera y la cabeza de corte, el diámetro de escudo requerido llega a 17,63 metros. Es aproximadamente la altura de un edificio de seis pisos que gira bajo tierra. La Qin Liangyu se dimensionó con precisión para esta geometría.

Cómo el sistema Mixshield mantiene a raya el lecho marino

A menudo se describe una tuneladora como un taladro gigante, pero la S-880 funcionaba más bien como una fábrica submarina en movimiento. En la parte delantera, una cabeza de corte giratoria raspaba el suelo y la roca del frente del túnel. Detrás de la cabeza, la máquina tenía una cámara de excavación llena de lodo bentonítico, un fluido espeso parecido a la arcilla, y un colchón de aire comprimido. El lodo ejercía presión contra el frente del túnel e impedía que el agua de mar y el barro irrumpieran en la máquina. El aire comprimido sobre el lodo permitía a los operadores controlar esa presión con precisión. A medida que avanzaba la cabeza de corte, el material excavado se mezclaba con el lodo y se bombeaba por tuberías hasta una planta de separación en la superficie. Allí, la maquinaria retiraba las partículas de suelo y devolvía la bentonita limpia al subsuelo.

Mientras la parte delantera de la máquina mantenía la tierra a raya, la parte trasera instalaba el revestimiento del túnel. Un montador robótico de segmentos levantaba piezas curvas de hormigón y las colocaba en anillos que formaban las paredes del túnel. Cada anillo sostenía el terreno circundante y creaba el cilindro liso que más tarde albergaría carreteras, luces y sistemas de ventilación. El proceso exigía que todos los sistemas avanzaran al mismo ritmo: presión, bombeo, composición del lodo, empuje hidráulico, suministro de segmentos y topografía. Si una parte se ralentizaba, toda la operación se detenía. Este enfoque integrado convirtió una sola máquina en una línea de producción completa.

La enorme presión de trabajar bajo el mar

La presión hidrostática en el frente de excavación llegó a 5 bar, equivalente a cinco veces la presión atmosférica al nivel del mar. Es un nivel de presión similar al que sentiría un buzo a unos 50 metros de profundidad. Un informe oficial del Servicio de Noticias del Gobierno de Hong Kong describió las condiciones de esta manera:

El tramo más profundo del túnel Tuen Mun-Chek Lap Kok se encuentra a unos 60 metros bajo el nivel del mar, y los trabajadores especializados en trabajos hiperbáricos se enfrentaron a una presión casi seis veces mayor que en la superficie.

Para mantener la seguridad de los trabajadores y conservar la presión en la cabeza de corte, la S-880 utilizaba cámaras de esclusa. Estos compartimentos herméticos permitían que el personal pasara gradualmente de la presión atmosférica normal a la cámara de excavación presurizada. El mantenimiento de las herramientas de corte, las inspecciones y las reparaciones exigían que trabajadores capacitados entraran en la zona presurizada, siguieran estrictos protocolos de medicina hiperbárica y redujeran la presión lentamente para evitar la enfermedad por descompresión. El tiempo de exposición era limitado y el trabajo requería supervisión médica. Las condiciones convirtieron las tareas habituales de mantenimiento del túnel en una operación similar al buceo.

Cambiar de tamaño sin volver a la superficie

El capítulo más inusual del proyecto llegó después de los primeros 650 metros de excavación. La estructura del acceso norte requería un túnel de 17,6 metros de diámetro, así que la Qin Liangyu comenzó con su tamaño máximo. Tras ese tramo, el resto de la ruta submarina podía construirse con un diámetro de 14 metros. En lugar de llevar la máquina a la superficie y poner en marcha una segunda tuneladora, los ingenieros transformaron la S-880 dentro del propio túnel. Retiraron partes externas del escudo de 17,6 metros, reconfiguraron los sistemas internos e instalaron un nuevo escudo de 14 metros mientras la máquina seguía bajo el lecho marino.

Esta reducción del escudo dentro del túnel es extremadamente poco común. La operación tuvo que realizarse bajo la presión del mar, en un espacio limitado y sin acceso directo a la luz del día. Una vez terminada la transformación, la misma máquina siguió excavando el resto del túnel, junto con una segunda máquina Herrenknecht de 14 metros. Ambas máquinas llegaron al punto de encuentro el 27 de febrero de 2019. El tramo de 17,63 metros se excavó entre el 25 de marzo y el 3 de noviembre de 2015, antes de realizar la transformación. El proceso quedó documentado como un avance aplicable a futuros proyectos que requieran distintos diámetros de túnel en una misma excavación.

Innovación en los pasajes de conexión

Los túneles viales de dos tubos suelen necesitar pasajes de conexión, corredores pequeños que permiten la evacuación y el mantenimiento entre las dos excavaciones principales. El enlace Tuen Mun-Chek Lap Kok requería 57 de estos pasajes, y la presión en esa zona alcanzaba 5,8 bar, por encima del umbral de 3,6 bar a partir del cual Herrenknecht recomienda recurrir a buzos profesionales para trabajar en cámaras presurizadas. En algunos túneles submarinos, el método convencional habría sido congelar el suelo, una técnica que estabiliza el terreno al congelar el agua que contiene. Ese método habría sido lento y arriesgado en la arcilla blanda y saturada del lecho marino.

En su lugar, el equipo utilizó una minituneladora de lodo de 3,6 metros, la primera de su tipo en el mundo empleada para construir pasajes de conexión bajo una presión tan elevada. La pequeña máquina perforó las paredes entre los dos tubos principales mientras el sistema de lodo circundante mantenía la presión bajo control. La solución evitó la necesidad de congelar el terreno, redujo el tiempo de construcción y limitó los riesgos en un entorno donde el agua de mar, la arcilla blanda y la presión extrema se combinaban para crear un lugar de trabajo peligroso.

Velocidad, premios y beneficios ambientales

Pese a la complejidad, la S-880 avanzó con rapidez. Su avance máximo diario llegó a 30 metros y su récord semanal fue de 167,2 metros. Estas cifras reflejan no solo la potencia mecánica, sino también la coordinación logística necesaria para mantener un suministro continuo de segmentos de hormigón, bentonita y piezas de repuesto. La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos registró que la máquina tenía una potencia de 5.600 kilovatios y podía avanzar unos 30 metros al día en suelo y roca saturados.

En 2019, el proyecto recibió el Premio ITA de Túneles, otorgado por la Asociación Internacional de Túneles y Espacios Subterráneos en reconocimiento a las innovaciones técnicas empleadas durante la construcción. Otra solución galardonada fue el sistema de ataguías tipo oruga utilizado en las estructuras del acceso norte, que ofrecía una alternativa al muro pantalla convencional en suelos muy blandos. El aspecto ambiental era igualmente importante. El Departamento de Carreteras de Hong Kong escribió en un artículo técnico:

El uso de tuneladoras en lugar del método tradicional de tubo sumergido redujo el dragado y la eliminación de unos 11 millones de metros cúbicos de sedimentos marinos, aproximadamente la capacidad de 4.900 piscinas estándar, y ayudó a minimizar el impacto sobre los delfines blancos chinos y otras especies marinas.

La misma nota oficial señaló que el método redujo las interferencias con el intenso tráfico marítimo a lo largo de Urmston Road y evitó la necesidad de desviar los cables submarinos de electricidad existentes que abastecen al aeropuerto. La conexión norte se abrió al tráfico el 27 de diciembre de 2020, mientras que la conexión sur ya había comenzado a abrirse en 2018 y conectaba la ruta con la red más amplia del puente Hong Kong-Zhuhai-Macao.

Un récord que aún define una época

La S-880 Qin Liangyu ya no es la máquina más potente en todas las categorías técnicas. En los últimos años han aparecido tuneladoras chinas e internacionales con mayor empuje, más automatización o diseños distintos de cabeza de corte. Sin embargo, Guinness aún reconoce a la Qin Liangyu el récord del mayor diámetro de escudo, y el proyecto que completó sigue siendo extraordinario. Pocas máquinas han combinado un diámetro tan grande, tanta presión submarina y una transformación del escudo dentro del túnel en una sola excavación continua.

La máquina también representa un cambio más amplio en la forma en que las ciudades costeras construyen infraestructuras. A medida que los puertos, aeropuertos y áreas metropolitanas se congestionan, los planificadores buscan nuevas rutas bajo tierra y bajo el agua. Las megamáquinas como la S-880 permiten construirlas con menos alteraciones en la superficie, menos dragado y un menor impacto ecológico que los métodos antiguos. Son costosas, consumen mucha energía y exigen una gran capacidad técnica, pero ofrecen una forma de ampliar la capacidad sin cubrir más costa con obras.

La Qin Liangyu recibió su nombre de una general china de la dinastía Ming, nacida en 1574 y conocida por su valor y lealtad. El nombre sigue la larga tradición de la ingeniería subterránea de dar nombres femeninos a las grandes tuneladoras, una costumbre que se remonta al siglo XIX. En ese sentido, la máquina llevó tanto la historia como el futuro a las profundidades de la roca bajo Hong Kong.

Datos clave

• La Herrenknecht Mixshield S-880 Qin Liangyu tiene el récord Guinness de la tuneladora con el mayor diámetro de escudo: 17,63 metros.
• La máquina excavó el túnel submarino de dos tubos y 5 kilómetros del enlace Tuen Mun-Chek Lap Kok, que se inauguró en diciembre de 2020.
• El proyecto costó unos 18.200 millones de dólares hongkoneses y el túnel es ahora el túnel vial submarino más profundo, largo y ancho de Hong Kong.
• La tecnología Mixshield utilizó lodo bentonítico y aire comprimido para controlar la presión en los suelos blandos y saturados de agua del lecho marino.
• Los trabajos se realizaron bajo presiones de hasta 5,8 bar y requirieron protocolos hiperbáricos y cámaras de esclusa para los equipos de mantenimiento.
• Los ingenieros transformaron la máquina de 17,6 a 14 metros dentro del propio túnel, una operación de reducción del escudo muy poco común.
• Una minituneladora de lodo de 3,6 metros construyó los 57 pasajes de conexión bajo alta presión, una primicia en el sector.
• El proyecto redujo el dragado en unos 11 millones de metros cúbicos y disminuyó el impacto sobre la vida marina y las rutas de navegación.