Pozos de cimentación, trabajo en aire comprimido y construcción de túneles profundos




Para la construcción de túneles y cimientos de puentes bajo el nivel freático, los obreros deben trabajar en entornos presurizados para evitar el ingreso de agua. La “enfermedad de caisson” se observó por primera vez en estos obreros.


Los túneles subterráneos y los cimientos de puentes por debajo del nivel freático son algunas de las estructuras de ingeniería civil más asombrosas que el hombre ha producido. Durante la construcción, los espacios de trabajo, o pozos de cimentación, se presurizan con aire comprimido para evitar que ingrese el agua subterránea, y los obreros (conocidos como sandhogs, cuya traducción literal es "cerdos de arena") pasan por esclusas para entrar y salir de estos pozos de cimentación. En el siglo XIX, se avanzaba rápidamente hasta que los obreros empezaban a sufrir una misteriosa afección llamada "enfermedad de caisson" (palabra en francés con la que se denominaban los pozos de cimentación) cuando regresaban a presión atmosférica. La construcción del puente de Brooklyn finalizó antes de que se pudiera aprender a prevenir y tratar el dolor, la parálisis y, a veces, la muerte, que son consecuencias de lo que hoy se conoce como enfermedad por descompresión (EDC).

Los pozos de cimentación se excavan verticalmente en la roca madre para sostener los estribos de un puente, mientras que los túneles son horizontales y se utilizan para carreteras, ferrocarriles, metros, suministro de agua corriente y cloacas. En el pasado, los túneles eran excavados por grupos de obreros con picos, palas y explosivos; actualmente, se utilizan tuneladoras (TBM, por sus siglas en inglés), que tienen cabezas giratorias cilíndricas gigantes con ruedas de corte en la sección frontal, para atravesar la roca y la tierra húmeda a medida que la TBM avanza. En formaciones rocosas favorables, solo se presuriza la sección frontal de la TBM, y se ingresa a esta zona para mantenerla y cambiar los elementos de corte. Esto limita la exposición a la alta presión y aumenta considerablemente la seguridad.
Mejoras en la eficiencia y la seguridad de la construcción de túneles
Cuando se supera la presión máxima a la que se puede respirar aire comprimido —que se alcanza a una profundidad de 50 metros (165 pies)—, los obreros deben respirar otras mezclas de gases para disminuir la incidencia de narcosis por nitrógeno, toxicidad del oxígeno y EDC. Las TBM hacen que esto sea posible en menos tiempo de trabajo y de descompresión. Las bases para estas mejoras se sentaron en la década de 1960, cuando se realizaron más investigaciones sobre buceo profundo y descompresión en respuesta a las necesidades de extracción de petróleo en plataformas marítimas, especialmente a partir del embargo petrolero de la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) en la década de 1970.


Los obreros revisan la sección de corte de una tuneladora (TBM, por sus
siglas en inglés).
El buceo de saturación es una práctica que consiste en someter a los buzos a una presión determinada durante un día o más, de manera que sus cuerpos se habitúen al gas que respiran y así puedan permanecer a profundidad sin hacer paradas de descompresión adicionales. Gracias a esto, los buzos pudieron alcanzar profundidades de hasta 306 m (1.000 pies) de agua de mar y mantenerse allí durante semanas, con pocos casos de lesiones causadas por la presión. La experiencia demostró que se podría usar heliox (helio y oxígeno) y trimix (helio, nitrógeno y oxígeno) a profundidades mayores, nitrox (nitrógeno y oxígeno) con más de 21 % de oxígeno en la mezcla (aire enriquecido con oxígeno u OEA, por sus siglas en inglés) a profundidades intermedias y oxígeno puro en paradas de descompresión a poca profundidad. Estas técnicas permitieron mejorar significativamente la productividad y la seguridad.

La descompresión en la superficie (decanting o transferencia del buzo del agua a una cámara de descompresión) es otra técnica utilizada mucho en el buceo militar y comercial para disminuir el tiempo transcurrido en el agua, donde mantener la temperatura corporal es difícil. Consiste en lo siguiente: el buzo permanece a aproximadamente 12 metros (40 pies) de agua de mar antes de ascender a la superficie en un minuto, ingresa a una cámara de descompresión en cubierta (DDC, por sus siglas en inglés), vuelve a presurizarse a la presión de 12 metros en la DDC y respira oxígeno para desaturar el gas inerte y descomprimir los tejidos al nivel de la presión atmosférica. La descompresión en la superficie también es útil en proyectos de construcción de túneles y pozos de cimentación, en los que los obreros pasan de una presión intermedia de aproximadamente 1,24 bares (18 libras por pulgada cuadrada manométricas) o 12 metros (40 pies) de agua de mar a la superficie, se ponen ropa cómoda, ingresan a una DDC y se los vuelve a presurizar a 1,24 bares para la descompresión.

Otro método útil desarrollado entre 1960 y 1980 es el buceo de saturación con salidas, en el que los buzos viven en un hábitat subacuático o una DDC, desde donde hacen salidas a profundidades mayores para luego regresar (con o sin paradas de descompresión) a la profundidad de saturación. La descompresión para poder regresar a la superficie se realiza un día o varios días después. Para salidas a grandes profundidades, se puede usar trimix como gas respirable, con un control cuidadoso de la exposición acumulada al oxígeno, para evitar su toxicidad.
Construcción de túneles en todo el mundo
El uso de mezclas de gases en obras de ingeniería civil que requieren intervenciones a presiones más altas se observa con mayor frecuencia en Europa y en Asia que en Estados Unidos. Por ejemplo, en la excavación de pozos profundos a 4,8 bares (48 m [157 pies] de agua de mar) en Holanda; en la construcción de metros en Rusia y Seattle a 5,8 bares (58 m [190 pies] de agua de mar); y en un túnel en Holanda a 6,9 bares (69 m [225 pies] de agua de mar). Para la obra del túnel del Escalda Occidental en Holanda, se recurrió a buceo de saturación con salidas en trimix a 4,8 bares (48 m [157 pies] de agua de mar) y posterior descompresión. Las mezclas de gases y las intervenciones a mayor presión han mejorado la productividad con buenos resultados en materia de seguridad.

En Japón, existe una gran necesidad de sistemas de pozos de cimentación presurizados con aire, especialmente en obras de construcción de túneles muy profundos y extensos en los que funcionarán nuevos trenes de levitación magnética entre Tokio y Nagoya. Este proyecto —que recién se ha puesto en marcha— tomará 10 años o más y requerirá el uso de pozos de cimentación neumáticos cada 30 a 40 km (18 a 25 millas) para excavar pozos de soporte vertical. Si bien el trabajo en los pozos verticales de cimentación será realizado con excavadoras operadas remotamente, los ingenieros deben ingresar a los pozos de cimentación presurizados con aire una o dos veces por día para llevar a cabo las tareas de mantenimiento de la maquinaria.


Las cámaras de presión detrás de la TBM permiten el acceso a la sección de corte para cambiar los elementos de corte y realizar otras tareas.


¿Cuál es el futuro de la tecnología de construcción de túneles?
Con la excepción del uso de mezclas de gases, tablas de descompresión más profundas diseñadas para el buceo y algunas intervenciones de saturación, la industria de los pozos de cimentación y de la construcción de túneles en Estados Unidos se ha mostrado reticente a adoptar los métodos de buceo profundo que probablemente mejorarían la seguridad y la productividad de las intervenciones. Aplicar estos métodos al trabajo en los túneles es un desafío a nivel técnico y cultural, debido a que un aumento en las horas de trabajo a presiones más altas obligaría a incrementar los tiempos de descompresión, con lo que se sobrepasarían las cuatro horas bajo presión que permiten las normas sindicales actuales. Sin embargo, es posible implementar varios métodos nuevos para mejorar la construcción de túneles.

Descompresión a una presión parcial constante del oxígeno (PpO2)
La administración controlada de oxígeno durante una exposición hiperbárica puede ayudar a optimizar el tiempo de descompresión. Las operaciones de buceo comercial y militar con heliox se han beneficiado con los niveles más altos de PpO2 a profundidad. Durante la descompresión, los buzos generalmente cambian su mezcla respirable a aire a una menor presión y realizan la descompresión con aire de allí en adelante. La PpO2 a profundidad, que se determina según el equipo de respiración y la duración de la exposición, suele ser de 1,1 a 1,4 bares bajo presión. Para evitar incendios o explosiones, no se utilizan mezclas con más del 21 % de oxígeno. Si no se agrega oxígeno, la PpO2 disminuye proporcionalmente a la presión y la necesidad de descompresión aumenta; esta es una gran desventaja. Sin embargo, si se usan recirculadores (rebreathers), puede agregarse oxígeno continuamente durante la descompresión para alcanzar una PpO2 óptima, generalmente superior a 1,0 bares.

Los inconvenientes del buceo con recirculadores son los requisitos necesarios para disponer de varias unidades, el peso, la incomodidad de su uso y los daños accidentales que sufren estos equipos durante su manipulación en la esclusa o la tuneladora. Se podría considerar un enfoque híbrido en el que se suministre nitrox (u otra mezcla de gas para inmersiones profundas) bajo presión por medio de una boquilla de regulador o una máscara de circuito abierto. Durante la descompresión en la esclusa, los obreros tendrían que cambiar el suministro a un recirculador de circuito cerrado. Un bucle de recirculación generado por un compresor acondicionaría el gas respirable de los obreros (y el gas en la esclusa), extraería el dióxido de carbono (CO2) y los olores, mantendría una PpO2 constante y conservaría la temperatura para que los obreros no tengan frío durante la descompresión.

Uso de neón crudo en lugar de helio
En 1972, los científicos e ingenieros de Ocean Systems Inc. (OSI), parte de Union Carbide, perfeccionaron el uso del neón para reemplazar el helio en el buceo comercial a profundidad intermedia hasta una presión de 25 bares (250 m [815 pies] de agua de mar) y probaron el concepto en tres inmersiones de buceo comercial en aguas abiertas a 196 m (640 pies) de agua de mar. Las diferencias en tiempo de descompresión entre el helio y el neón fueron mínimas, y se determinó que con una mezcla de 33 % de neón (Ne), 33 % de helio (He) y 33 % de nitrógeno (N2) se alcanzaba un nivel casi óptimo para profundidades de entre 49 y 76 m (160 y 250 pies) de agua de mar, siempre y cuando se controlara el porcentaje de oxígeno (O2) durante la descompresión a poca profundidad para evitar su toxicidad. Además, el neón tiene ventajas por sobre el helio: tiene un costo menor, una temperatura más cálida al respirarlo, un mejor aislamiento térmico en trajes secos y disminuye la distorsión de la voz.

Como alternativa económica a la mejor mezcla, se puede usar una mezcla que contenga neón crudo de menor pureza (50 % de Ne), con N2 y O2, y así evitar el costoso proceso de absorción que elimina los otros gases constitutivos que, después de todo, son necesarios. En este caso, las compañías que suministran el gas deberían configurar sus sistemas para crear un caudal de neón crudo económico que contenga 50 % de neón (Ne), 25 % de nitrógeno (N2), 20 % de helio (He) y el resto de oxígeno (O2), del gas de cola de sus sistemas de destilación actuales de "aire líquido". Si las compañías de gas adaptaran su proceso para elaborar esta mezcla económica, se podrían desarrollar tablas especiales de descompresión.

Descompresión probabilística
En todos los perfiles de buceo, existe una probabilidad definida de EDC que puede ser usada para comparar y escoger planes de descompresión óptimos. Las probabilidades de EDC también dependen de factores como el estado térmico y la actividad física, que son muy diferentes en el buceo y en el trabajo en aire comprimido. Para comprender estos efectos, será necesario realizar más estudios basados en perfiles registrados de tiempo y presión, y en su incidencia de EDC.

Si bien no se ha acordado qué porcentaje de probabilidad de EDC es aceptable, cuando se trata de casos graves (que pueden derivar en parálisis), se suele considerar apropiada una probabilidad del 0,025 %, en contraposición al 2 % de probabilidad que se considera aceptable para casos con dolor en las articulaciones. Para remediar la falta de un estándar absoluto de probabilidad aceptable, se utiliza el concepto británico del principio ALARP, cuya traducción es "el riesgo residual debe ser tan bajo como sea razonablemente factible". Como la eliminación absoluta de la EDC no se puede garantizar, el principio ALARP no impone requisitos que no puedan cumplirse; sin embargo, en la medida de lo posible, se espera que se tomen medidas preventivas y de protección acordes a los riesgos.
Conclusión
Los avances en la investigación del buceo pueden contribuir al desarrollo de nuevas tecnologías para la construcción de túneles. Habrá que esperar para ver resultados.


© Alert Diver — 1er Trimestre 2017