La excavación mediante perforación y voladura es el sistema más utilizado para la excavación de túneles en roca. Las partes o trabajos elementales de que consta el ciclo de trabajo característico de este sistema son las siguientes:

- Replanteo en el frente del esquema de tiro.
- Perforación de los taladros.
- Carga de los taladros con explosivo (barrenos).
- Voladura y ventilación.
- Retirada del escombro y saneo del frente, bóveda y hastiales.

El esquema de tiro es la disposición en el frente del túnel de los taladros que se van a perforar, la carga de explosivo que se va a introducir en cada uno y el orden en que se va a hacer detonar cada barreno. En la figura nº1 se muestra un esquema de tiro correspondiente al avance de un túnel típico excavado en dos fases. El esquema de tiro se diseña al principio de la obra en base a la experiencia y a una serie de reglas empíricas recogidas en los manuales sobre explosivos.

Figura nº 1

Posteriormente, a lo largo de la excavación del túnel, se irá ajustando en función de los resultados obtenidos en cada voladura. En la figura nº2 se observa una hoja resumen con los datos de una voladura en un frente de túnel.

Figura nº2

Los esquemas indicados se refieren al avance o primera fase constructiva del túnel. Para las siguientes fases (destroza), existe la posibilidad de perforar el frente, con taladros horizontales, o en banco y con taladros verticales, del mismo modo que en las voladuras en banco en el exterior. (figura nº3).

Figura nº3

La voladura de la destroza con barrenos horizontales, tiene la ventaja de que se utiliza la misma maquinaria y sistemática de trabajo que para la fase de avance y además, puede recortarse con la voladura la forma teórica del túnel. Por otro lado, la voladura en banco es más rápida de llevarse a cabo, con un consumo menor de explosivo, y no necesita de la retirada del escombro en cada voladura, pero necesita un recorte posterior para conseguir el perfil del túnel en los hastiales.

Los taladros deben de tener una longitud un 5-10 % superior a la distancia que se quiera avanzar con la pega, llamada longitud de avance, ya que siempre se producen pérdidas que impiden aprovechar al máximo la longitud de los taladros. Las longitudes de avance típicas están comprendidas entre 1 y 4 metros y se fijan en función de la calidad de la roca: cuanto mejor es la calidad del terreno, mayores serán los avances posibles. Con una roca de calidad media-buena es habitual perforar taladros de 3 a 3,50 metros para avanzar entre 2,80 y 3,20 metros en cada voladura.

Los gráficos de la figura nº4 y figura nº5, obtenidos de la experiencia en la excavación de un gran número de túneles, permiten estimar aproximadamente el número de taladros y el consumo de explosivos necesarios en función de la sección de excavación, la longitud de avance y la calidad de la roca. Los taladros de un esquema de tiro típico se disparan con cierto desfase (microretardo ó retardo) entre ellos, con objeto de hacer más efectiva la voladura. En la figura nº1 aparece, junto a cada taladro, un número que indica el orden en que son disparados. En función de dicho orden se distinguen cuatro zonas dentro de un esquema de tiro, y cada una tiene un tratamiento diferente (véase figura nº6):

Figura nº4

Figura nº5

Para la perforación y voladura, la sección teórica del túnel se divide en zonas, en las que las exigencias, tanto de densidad de perforación, como de carga específica de explosivo y secuencia de encendido son distintas.

Estas zonas son:
- Cuele.
- Contracuele.
- Destroza.
- Zapateras.
- Contorno.

En la figura nº6. se muestra la situación de estas zonas dentro de la sección transversal.

Figura nº6

A continuación se definen las características de estas zonas:

- CUELE:
El cuele es la fase de la voladura que se dispara en primer lugar. Su finalidad es crear una primera abertura en la roca que ofrezca al resto de las fases una superficie libre hacia la que pueda escapar la roca, con lo cual se posibilita y facilita su arranque. El cuele es sin duda la más importante de todas las fases de la voladura de un túnel en relación con el avance de la voladura.

Existen distintos tipos de cuele (figura nº7). Los cueles en V y en abanico facilitan la salida de la roca hacia el exterior, pero tienen el inconveniente de que los taladros forman un ángulo con respecto al eje del túnel, por lo que su correcta perforación tiene una mayor dificultad y exige variar el esquema de perforación para cada longitud de avance. En túneles de secciones de excavación reducidas estos cueles no permiten grandes avances por voladura.

Figura nº7

El cuele más usado por su simplicidad es el cuele paralelo. Consiste en un taladro vacío (barreno de expansión), sin explosivos, de mayor diámetro que el resto (75 a 102 mm) y, a su alrededor, tres o cuatro secciones de taladros cargados que explotan sucesivamente siguiendo una secuencia preestablecida. La misión del barreno de expansión es la de ofrecer una superficie libre que evite el confinamiento de la roca de modo que facilite su arranque. Su diámetro varía entre 100 y 300 milímetros. En ocasiones puede sustituirse por dos taladros vacíos de diámetro menor (2 x 75 mm).

- DESTROZA:
La destroza es la parte central y más amplia de la voladura, cuya eficacia depende fundamentalmente del éxito de la zona del cuele y contracuele, que es la zona crítica de la voladura.

- ZAPATERAS:
La zapatera es la zona de la voladura situada en la base del frente, a ras de suelo. Los taladros extremos suelen ir un poco abiertos "pinchados" hacia fuera con objeto de dejar sitio suficiente para la perforación del siguiente avance. Los barrenos de las zapateras son los que más carga explosiva contienen ya que, aparte de romper la roca han de levantar ésta hacia arriba. Para evitar repiés, van ligeramente "pinchados" hacia abajo y son disparados en último lugar.

- CONTORNO:
Los taladros perimetrales o de contorno son importantes pues de ellos dependerá la forma perimetral de la excavación resultante. Lo ideal es que la forma real del perímetro del túnel sea lo más parecida posible a la teórica, aunque las irregularidades y discontinuidades de la roca dificultan dicho objetivo.

Existen dos técnicas de efectuar los tiros perimetrales: el recorte y el precorte. El recorte consiste en perforar un número importante de taladros paralelos al eje del túnel en el contorno, a la distancia conveniente (entre 45 cm. y 100 cm.) y con una concentración de explosivo pequeña o incluso nula. En la secuencia de encendido son los últimos barrenos en detonar. La técnica del recorte es la más ampliamente empleada.

En la técnica del precorte se perfora un mayor número de taladros perimetrales y paralelos entre sí unas distancias entre 25 cm. y 50 cm., con una concentración de carga explosiva entre 0,1 y 0,3 kg/m.

Esta técnica exige una perforación muy precisa que asegure un buen paralelismo y una homogénea separación entre los taladros. La carga explosiva, además de una adecuada concentración, debe distribuirse uniformemente a lo largo del barreno.

El tipo de explosivo debe ser especial para precorte. En la secuencia de encendido, son los primeros en detonar, con lo que se crea una fisura perimetral que aísla y protege la roca de las vibraciones del resto de la voladura. Esta técnica del precorte, por su esmerada ejecución y costo elevado, es de uso poco frecuente en túneles, excepto en casos muy especiales.