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Grandes genios de la ingeniería en la excavación de túneles

Grandes genios de la ingeniería en la excavación de túneles

Desde el principio de los tiempos, la humanidad ha necesitado los túneles. El ser humano lleva decenas de miles de años intentando cambiar el planeta a su antojo, con mayor o menor éxito. Horadar la tierra y la piedra, para cobijarse, minar sus recursos o comunicarse, fue uno de los primeros éxitos ingenieriles de nuestra historia, casi equiparable a la rueda o al manejo del fuego.

La excavación de túneles fue, posiblemente, el primer ejercicio de ingeniería llevado a cabo por el hombre. No cabe duda que, la construcción de espacios subterráneos nunca ha sido fácil, pero ello no impidió que se realizaran incluso en los albores de la evolución de la humanidad, tal como ha demostrado el descubrimiento de algunas excavaciones subterráneas que se encuentran entre las más antiguas de la actividad humana.

No obstante, es la naturaleza, y no el hombre, quien ostenta la autoría de los primeros espacios subterráneos. Las cuevas y cavernas son el resultado de la acción erosiva natural de los agentes externos, tales como la lluvia, los ríos y el mar. Las necesidades vitales empujaron a los primeros seres humanos a vivir en estas cavidades naturales, que les ofrecían cobijo de las inclemencias del tiempo y de los ataques de animales salvajes. Dicho esto, parece natural pensar que, tal vez, la humanidad debe su supervivencia en gran medida a estos refugios naturales.

Es por ello que las moradas de los hombres de las cavernas marcan un hito importante para la humanidad en el uso de los espacios subterráneos, porque con ellos el uso del subsuelo se convirtió en algo intencionado y activo.

Desde los comienzos de la humanidad, aunque de manera más intensa durante los últimos siglos, en especial, en el pasado siglo XX, gracias al impulso del desarrollo económico, ha habido muchas razones que han empujado a la humanidad a utilizar y desarrollar los espacios subterráneos.

Pero, excavar un túnel es un desafío que sería imposible sin los mayores genios de la ingeniería.

 

Túnel bajo el Támesis en Londres, Inglaterra

La historia reciente de la ingeniería civil subterránea, en lo que a túneles construidos con máquinas tuneladoras concierne, se inicia en el siglo XIX con la ejecución del túnel bajo el río Támesis, entre Rotherhithe y Wapping, en Londres, Inglaterra. Es el primer túnel subacuático o subfluvial de nuestra etapa contemporánea.

Túnel de Brunel bajo el río Támesis

A principios de siglo XIX los londinenses habían perdido la esperanza de hacer un paso bajo el río. Habían fallado varios intentos de excavar bajo el Támesis y el problema es la arena blanda y la arcilla (“London clay”) de Londres. Habían llegado a la ciudad mineros de roca dura, pero las técnicas que usaban para roca fracasaban, teniendo derrumbes e inundaciones. Al final se decidió  que el proyecto era imposible y se descartó.

Pero el ingeniero francés, afincado en Londres, Sir Marc Isambard Brunel (1769-1849), padre de Isambard Kingdom Brunel (1806-1859), tuvo una inspiración. Cuando estuvo en la Marina, Brunel había observado unos túneles perfectos que dejaba un molusco bivalvo alargado con forma de gusano llamado “Broma” o “Teredo navalis” al horadar agujeros con gran maestría y facilidad en las maderas de los cascos de los barcos construidos y reparados en los Astilleros Chatham, época en la que Brunel trabajada para la Armada Real.

Al excavar este molusco marino, introduce la madera en su boca y la digiere. Su cabeza bivalva y su caparazón, ayudan a que la criatura se sujete al recorrer la madera. Luego excreta la madera en un residuo duro y frágil que rodea el espacio de atrás, creando una estructura similar a un túnel. Entonces el molusco emplea sus patas traseras para agarrarse al lateral del túnel y empujarse hacia adelante, hacia el espacio que ha creado. Repite el proceso hasta encontrar una luz al final del túnel. Y éste es el proceso que Brunel pretendía emular”, dice el profesor ingeniero Luke Bisby de la Universidad de Edimburgo.

Brunel fue el inventor del primer escudo de la industria moderna destinado a la construcción de túneles. En el año 1818 patentó dos escudos: uno cilíndrico revestido con dovelas de fundición empernadas y otro rectangular de 10,50×6,15 m2 de sección con los que se construyó el túnel, iniciado en 1825 y finalizado en Marzo de 1843 (inaugurado por la Reina Victoria), esto es, dieciocho años después. El escudo fue utilizado para la construcción de 412 metros de un túnel peatonal bajo el río Támesis. La excavación se realizó por medios manuales al abrigo de la coraza del escudo. El escudo era avanzado mediante unos gatos de tornillo sin-fin, apoyándose en un revestimiento construido tras el avance del frente excavado.

Al parecer, antes de la gesta de Brunel, se cuenta con otros intentos previos, aunque fallidos, de excavar un túnel también bajo el río Támesis. El ingeniero civil británico Ralph Dodd en el año 1800 inició la ejecución de un pozo de unos 3,0 m de diámetro mediante hinca para poder perforar un túnel bajo el río entre Gravessend y Tilbury. Dos largos años de penalidades (hasta Diciembre de 1802), obligaron a Dodd a abandonar la ejecución del pozo, hundido hasta una profundidad de 25 m, sin poder iniciar, tan siquiera, el deseado túnel.

Posteriormente a Dodd, y antes de la hazaña consumada de Brunel, el inventor e ingeniero Richard Trevithick (constructor de máquinas, que patentó el primer vehículo a vapor capaz de moverse por sí solo) también intento algo similar a ambos, aunque sin éxito alguno.

Una estructura móvil de acero, llamada escudo, imitaba la dura cabeza del gusano xilófago, sujetando la tierra y evitando el derrumbe. De sección rectangular, constaba en una serie de compartimentos individuales en los que trabajaban los mineros, excavando a pico y pala unos pocos centímetros antes de que toda la tuneladora fuera empujada hacia delante con gatos mecánicos. Podían trabajar varios operarios simultáneamente y, cuando era necesario, se protegía el frente mediante la colocación de tablones de madera. Cuando la totalidad de los compartimentos estaban avanzados, un segundo grupo de mineros, que trabajaba por detrás, colocaba el revestimiento del túnel que, estaba constituido por segmentos de fundición o de obra de fábrica de ladrillo, evitando así su derrumbe.

Escudo de Marc Brunel utilizado para la construcción del túnel bajo el río Támesis

Fueron muchos e importantes los problemas de ejecución padecidos, a causa de la presencia de suelos blandos bajo nivel freático, que tuvieron como consecuencia la ocurrencia de  múltiples inestabilidades del frente, así como inundaciones del túnel durante su excavación. Digna de mención fue la acaecida en Enero de 1828 en la que el Támesis irrumpió en el túnel, inundándolo en pocos minutos, con seis víctimas mortales. Quedaba así planteada la dificultad técnica de construir túneles en terrenos blandos bajo presión hidrostática.

El túnel del Támesis se completó en 1843. Para celebrarlo, Brunel organizó una ceremonia y un banquete de inauguración dentro del propio túnel amenizado por la banda de música de los Guardias de Coldstream, recibiendo a casi 50.000 visitantes el día de su inauguración. Durante las semanas posteriores a la inauguración del túnel, casi la mitad de la población de Londres (un millón de personas) tuvo el privilegio de atravesar el Támesis sin utilizar los puentes sobre el mismo. En aquella época se le consideró la octava maravilla del mundo.

Grabado de época con la ceremonia de inauguración del túnel

La idea de Brunel comenzó una revolución subterránea, de la que aún hoy día se pueden encontrar testimonios de su hazaña.

Los grandes genios de la ingeniería como Brunel, nunca saben el significado de “no poder con” y siempre encuentran un camino para resolver los problemas. Sir Marc Brunel murió el día 12 de Diciembre de 1849. Durante el transcurso de su vida, el túnel sólo fue utilizado por peatones. En el año 1864, el túnel fue vendido al “East London Railway” y, en 1869, pasó a ser túnel ferroviario y los trenes comenzaron a recorrerlo. Hoy día, después de más de 140 años, el túnel continúa en buenas condiciones y en uso, formando parte de la red ferroviaria de túneles de Londres.

El Túnel bajo el Támesis que ahora parte del Metro de Londres. Línea Este de Londres entre Rotherhithe y Wapping

 

Excavación mediante explosivos

En 1867, el químico, ingeniero, inventor, fabricante de armas y experto en explosivos sueco  Alfred Bernhard Nobel (1833-1896), que estaba investigando la nitroglicerina tras la muerte de su hermano en un accidente, consiguió estabilizarla y crear un explosivo que cambiaría al mundo.

La nitroglicerina, inicialmente llamada “piroglicerina”, fue inventada por el italiano Ascanio Sobrero en 1847 a partir de una combinación de ácidos nítrico y sulfúrico.

Nobel, tras vivir varios años en Rusia, regresó a Suecia en 1863, completando en su país natal  las investigaciones que había iniciado en el campo de los explosivos. En 1863 Nobel patentó un derivado de la nitroglicerina que denominó “gasóleo para voladuras”. Le seguiría poco después el detonador, denominado “iniciador”, un tubo de madera hueco rellenado con pólvora negra, que posteriormente pasaría a ser conocido como detonador. Posteriormente, en 1865 perfeccionó el sistema con un detonador de mercurio y, finalmente, en 1867 consiguió la dinamita, un explosivo plástico resultante de absorber la nitroglicerina en un material sólido poroso, con lo que se reducían los riesgos de accidentes.

Hasta esa fecha, las explosiones accidentales de la nitroglicerina eran frecuentes debido a su alta inestabilidad, incluso con pequeñas variaciones de presión y temperatura. En Septiembre de 1864, en su propia fábrica de Estocolmo, en una de esas explosiones accidentales falleció  su propio hermano Emil y otras cuatro personas, hecho que suscitó fuertes críticas contra Nobel y sus fábricas de armamento, así como un tremendo sentimiento de culpabilidad en Nobel que le acompañaría toda su vida.

La idea de Nobel supuso el inicio de una nueva revolución subterránea. Nobel llegó a la conclusión que si mezclaba la nitroglicerina con diatomita, que es un material de naturaleza arcillosa, tendría como resultado la dinamita. Consiguió así inventar una mezcla suelta, maleable, que podía amasarse para dar forma a un cartucho.

El siguiente desafío de Nobel era la producción en masa. ¿Cómo manejar de forma segura grandes cantidades de nitroglicerina para hacer dinamita? En una pequeña localidad al norte de Glasgow (Escocia) encontró la solución al problema. A Nobel le gustaba esta zona porque estaba aislada. Además el suelo arenoso le permitía dar forma al entorno que rodeaba a su fábrica para proteger a los operarios de cualquier explosión. También, le permitía hacer montículos de arena y, encima de ellos, colocó sus cabañas de producción de nitroglicerina. En cada una de estas cabañas, un operario tenía la tarea de controlar la temperatura y otro trabajador se encargaba de la mezcla sentado en un taburete de una sola pata para asegurarse de que estaba concentrado en su tarea y evitar accidentes en su manejo.

Cabañas sobre montículos de tierra para la producción de nitroglicerina en Escocia / Operario sentado en un taburete de una sola pata para asegurarse de que estaba concentrado

Por su sensibilidad a la temperatura y a la fricción, la nitroglicerina no podía ser bombeada de forma segura, así que la dejaban fluir por gravedad desde las cabañas a la fábrica, situada a menor cota. Una vez que llegaba a la fábrica, se mezclaba con el material arcilloso (diatomita) antes de que amasara en cartuchos de dinamita.

Nobel creó un producto que era tan estable que podía caerse al suelo o incluso ser lanzado al fuego sin que explotara. La nueva dinamita combinada con el invento de la perforadora neumática permitió una forma de excavación más rápida y eficaz llamada voladura que creó una nueva era en la ejecución de túneles subterráneos.

Cartuchos de dinamita de la fábrica de Nobel

 

El 19 de septiembre de 1866, Alfred Nobel registró en Suecia una patente con el siguiente texto: “Mi nuevo explosivo, denominado dinamita, es sencillamente nitroglicerina combinada con un silicato muy poroso, y le he dado un nuevo nombre, no para esconder su naturaleza, sino para enfatizar su carácter explosivo en su nueva forma; éste era tan diferente que era necesario darle un nuevo nombre. Es una masa de color rojo-amarillo, de textura blanda y plástica, presentada de forma encartuchada de un cierto calibre y entonces envuelto en papel”.

Nobel acumuló una enorme riqueza, pero también un gran sentimiento de culpabilidad por el mal y la destrucción que sus inventos pudieran haber causado a la humanidad en los campos de batalla. Nunca olvidó la muerte de su hermano. La combinación de ambas razones le llevó a legar su fortuna a la Fundación Nobel, creada en 1900, con el encargo de otorgar una serie de premios anuales a las personas que más hubieran hecho en beneficio de la humanidad en los terrenos de la Física, la Química, la Medicina, la Literatura y la Paz. Los famosos y mundialmente conocidos “Premios Nobel” son el reflejo de la preocupación de Alfred Nobel por la paz mundial. Esta fue la manera en que Alfred Nobel buscó reparar su sentimiento de culpa.

Premios Alfred Nobel

La tenacidad, el conocimiento técnico y la investigación continua hicieron de Alfred Nobel un innovador único y un gran genio de la ingeniería. Su afán investigador le llevó a dar con la fórmula que permitiera un uso productivo y seguro de la nitroglicerina. Así fue como llegó la dinamita y le llevó a extender por Europa y EE.UU. la producción y uso industrial de los explosivos, usados hoy día en la excavación de túneles y obras subterráneas en todo el mundo.

 

Profesor Juan Carlos Guerra Torralbo 

juancarlos.guerra@universidadeuropea.es

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