METODO DE EJECUCION DE HINCA DE TUBERIA

METODO DE EJECUCION DE HINCA
DE TUBERIA POR
EL PROCEDIMIENTO DE ESCUDO
ABIERTO CON
EQUIPO DE EMPUJE A PRESION
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
1
1.1.-
INTRODUCCION
El presente documento aborda la metodología de trabajo para la realización de hincas de
tubería por el procedimiento de escudo abierto, indicando la descripción básica del equipo,
así como sus aplicaciones y limitaciones.
2.-
METODOLOGIA DE TRABAJO.
Para la realización de estas obras se necesita la realización de un pozo de
ataque según las dimensiones establecidas en función del diámetro de la
tubería, donde se instala el bastidor o guía de los tubos. Sobre dicho
bastidor se coloca el aro de empuje y las correspondientes botellas
hidráulicas que se apoyan el la placa de reacción. Una vez finalizada esta
operación, se coloca la maquina de escudo abierto sobre el bastidor.
Pozo de ataque diámetro 2500 mm
Se comienza la excavación y una vez que se ha excavado un espesor de
material se empuja la maquina con las botellas de empuje. La extracción de
material se realiza mediante una cinta transportadora que vierte sobre una
vagoneta y esta se saca al exterior. Cuando la carrera de los cilindros llega a
su final, se procede a retraer los mismos y a colocar un tubo en el bastidor.
Esta operación se vuelve a repetir hasta el final de la hinca.
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
2
Vista general de obra
En hincas largas y cuando la presión de los cilindros de empuje se acerca a
su limite admisible se precisa del uso de estaciones intermedias para
fraccionar .los tramos de tubería respecto al empuje. Las estaciones
intermedias están formadas por una envolvente metálica y un aro que
soporta el esfuerzo de los gatos de empuje que van instalados en su interior.
La forma de trabajar es similar a una acordeón, apoyándose sobre el tramo
anterior de tubería. Para cerrar dicha estación se utilizan los gatos de la
estación principal de empuje. El número de estaciones intermedias depende
de varios factores, como longitud de tubería a empujar, características del
terreno y dimensiones del tubo. Una vez acabado el tramo de hinca se
procede a desmontar los cilindros hidráulicos y cerrar la estación
intermedia.
Para reducir el rozamiento entre el tubo y el terreno se realizan inyecciones
de bentonita a través de orificios en el tubo diseñados para tal fin.
3.3.-
DESCRIPCIÓN GENERAL DEL EQUIPO DE HINCA
La hinca de tubería con escudo abierto se caracteriza por la introducción de
tubos mediante el empuje de tubería conforme se hace la excavación del
frente del terreno. Para poder realizar con éxito este trabajo, el equipo
básico debe estar compuesto por:
•
Estación hidráulica principal de empuje, que acciona los cilindros
principales de empuje, así como las posibles estaciones intermedias
instaladas
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
3
•
•
•
•
•
•
•
Bastidor, cilindros hidráulicos de empuje, placa o superficie de
reparto de esfuerzos y aro de empuje. Todos estos componentes se
instalan en el pozo de ataque.
Escudo mecánico de perforación con su correspondiente herramienta
de corte (excavadora o rozadora de ataque puntual). La herramienta
de excavación viene determinada por las características geológicas y
geotécnicas del terreno.
Sistema de extracción (vagonetas o tren eléctrico)
Equipo de guiado (emisor de láser u otro tipo de equipo utilizado en
este tipo de obras)
Grúa o sistema de elevación
de vagonetas
así como para
posicionamiento de los tubos.
Generador eléctrico o suministro de energía eléctrica
Sistema de inyección de lodos bentoniticos para reducir el rozamiento
de la tubería.
Vista general obra
3.1.3.1.-
ESTACIÓN PRINCIPAL DE EMPUJE.
Compuesto por un equipo hidráulico de alta presión (hasta 500 bar) y
accionado eléctricamente, que tiene por objeto realizar el suministro de
aceite hidráulico a los cilindros principales de empuje para avanzar los
tubos en la dirección de la hinca. También se puede acoplar al suministro de
aceite hidráulico para las estaciones intermedias.
Los Cilindros Hidráulicos se fijan por un extremo a la placa de apoyo sobre
el muro de reacción y por el otro al Anillo de empuje. El esfuerzo de los
Cilindros Hidráulicos se transmite al muro de reacción del pozo a través de
la placa de apoyo y al tubo mediante el acoplamiento de éste al aro de
empuje. Éste, efectúa el movimiento de avance y retroceso sobre el bastidor
colocado sobre la solera del pozo.
Una vez los cilindros principales de empuje son extendidos totalmente, se
procede a retraerlos para permitir la colocación de otro tubo delante del
anillo de empuje
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
4
El número de Cilindros Hidráulicos y su carrera estará en función de las
dimensiones de la tubería, esfuerzos máximos que permite dicha tubería así
como la longitud de las hincas a realizar.
Pozo de ataque
3.2.3.2.-
Cilindros de empuje
ESCUDO DE PERFORACION.
Colocado delante del primer tubo, tiene por objeto la entibación y
sostenimiento del frente de excavación así como el recorte de la sección de
excavación El sistema de de excavación en el frente puede efectuarse
mediante una rozadora de ataque puntual o por medio de una
retroexcavadora.
Retrotuneladora
Rozadora
Posteriormente se instala el tubo de trabajo, donde se instala todo el
accionamiento eléctrico e hidráulico para manejar el sistema de excavación.
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
5
En la unión entre el escudo de perforación y el tubo siguiente (tubo de
trabajo) se colocan
una serie se cilindros hidráulicos de pequeñas
dimensiones y pequeño recorrido que permiten la orientación del escudo
respecto a la tubería para poder corregir las desviaciones de la tubería.
Cilindros de orientación
3.3.3.3.-
Equipo de 2500 mm
SISTEMA DE ESTRACCION.
Normalmente esta compuesto por una cinta situada detrás de la tolva
del escudo que vierte el material o detritus en una vagoneta de capacidad
suficiente en función de las dimensiones de la tubería y el pozo de ataque.
Una vez llena la vagoneta, por medio de un cabestrante hidráulico se retira
hasta el pozo de ataque, donde se evacua los detritus fuera del pozo de
ataque. Acabada esta acción, se deposita nuevamente la vagoneta en el pozo
de ataque y por medio de otro cabestrante situado en la propia maquina se
introduce dentro de la tubería para así continuar con el ciclo de excavaciónextracción avance. También existe la posibilidad de la evacuación del
material excavado por medio de una locomotora y vagonetas adecuadas al
uso.
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
6
Carga de la vagoneta
En caso de realizar hincas con pendiente acentuada, el estudio de la
extracción de materiales es muy importante para evitar accidentes.
Vagoneta llena de material excavado
3.4.3.4.-
EQUIPO DE GUIADO.
Para la realización de hincas con resultado satisfactorio y con este sistema
es imprescindible un sistema de guiado que nos asegure el posicionamiento
en todo momento de la tubería. Desde este punto de vista podemos
distinguir dos tipos de trabajo:
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
7
•
•
Hincas de longitud reducida (hasta 350 - 400 metros) y rectos
Hincas de longitud superior a 350 – 400 metros o con trazado curvo.
Rayo láser de guiado
Para el primer caso es suficiente disponer de un emisor de rayo láser de
suficiente potencia.
En el segundo caso se tiene que contar con empresas especializadas en este
tipo de trabajos, bien sea con métodos giroscópicos o sistemas de topografía
específicos para obras de hinca de tubería.
3.5.3.5.-
ESTACIONES INTERMEDIAS.
.
Para que se produzca el avance de la tubería, es necesario que el esfuerzo de
empuje sea superior a las fuerzas de rozamiento entre el terreno y el trasdós
del tubo.
Cuando por la longitud entre pozos de empuje la presión de trabajo de los
Cilindros Hidraúlicos de la Estación Principal se aproxima al límite
admisible, se fraccionan los tramos de tubería introduciendo las Estaciones
Intermedias. Éstas, formadas por una Carcasa Envolvente y Anillo de
Presión y trabajan según un movimiento de acordeón mediante la retracción
o extensión de sus Cilindros Hidráulicos destinados a tal fin al presionar
sobre el tramo anterior o absorber el avance del tramo posterior
respectivamente. El número de Estaciones Intermedias depende de la
longitud de obra a realizar, las características del terreno y las dimensiones
del tubo.
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
8
Cilindros de estación intermedia
3.6.3.6.-
Estación intermedia diámetro 2.500 mm
SISTEMA DE INYECCION DE BENTONITA.
Para reducir el coeficiente de rozamiento, entre el tubo de hinca y el terreno
circundante se procede a realizar inyecciones de bentonita. Con esta medida
reducimos el coeficiente de rozamiento de la tubería así como los esfuerzos
de empuje sobre la propia tubería. Dichos parámetros (empuje máximo
soportado) están definidos por el fabricante de la tubería de hinca.
Sistema de inyección
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
9
Normalmente, la tubería de hinca se fabrica con inyectores dispuestos cada
120º, por los cuales se inyecta una mezcla de cemento con bentonita a
presión baja para su buena distribución alrededor del tubo.
4.-
PRINCIPIOS DE APLICACION.
.
El Equipo de Empuje de Tubería a mediante el sistema de hinca es
adecuado para resolver los problemas de ejecución de los siguientes tipos de
obra:
1.En zonas urbanas, donde existen dificultades para la apertura
de zanjas o los asentamientos producidos por la ejecución en túnel con
entibación puede originar graves dificultades. El Equipo de Empuje
de Tubería a Presión garantiza un ritmo de ejecución que no
proporcionan los métodos tradicionales, haciéndolo compatible con la
seguridad del personal, las edificaciones y los servicios próximos a la
traza.
2.Para cruzar vías de comunicación, carreteras o ferrocarriles,
eliminando los costosos desvíos de tráfico, limitaciones de velocidad y
reduciendo considerablemente el plazo de ejecución.
Paso bajo via AVE en diámetro 1.500 mm
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
10
3.En obras subterráneas, con problemas derivados del terreno
por el que discurre la traza: zonas con nivel freático muy superior a la
rasante, suelos inestables, con elevadas presiones, etc... Éste sistema
aporta soluciones de estabilidad y consolidación del frente que hacen
posible la ejecución de obras que hasta ahora no se habían podido
realizar con sistemas convencionales.
Como principales limitaciones del Equipo de Empuje de Tubería a Presión,
hay que destacar los siguientes:
1.En terrenos rocosos, que precisan la voladura del mismo. En
estos casos hay que introducir importantes modificaciones.
2.En obras cuya traza exige adaptarse a radios muy reducidos.
Aunque teóricamente pueden tomarse radios muy amplios, lo
adecuado es sustituir la curva por una poligonal, situando los pozos de
empuje en los vértices de la misma.
3.Por último, las limitaciones geométricas del tubo prefabricado,
normalmente hormigón armado, aunque pueden ser aplicados otros
revestimientos.
La cota superior del tubo, viene dispuesta por las necesidades
de fabricación y transporte. Es normal la aplicación del sistema hasta
3,50 mts. de diámetro interior.
La cota inferior, está condicionada a la necesidad de
desenvolverse dentro del tubo para la excavación y evacuación de los
productos. En diámetros inferiores a 1,20 mts. es poco corriente su
aplicación.
5.5.-
MATERIAL DE LOS TUBOS.
Como materiales para los tubos pueden utilizarse acero, hormigón armado,
amianto cemento, hormigón sintético y gres con revestimiento de hormigón
armado.
El acero,
Como material para tubos, solamente tiene una importancia secundaria ya
que solo puede lograrse mediante soldadura la unión de un tubo con otro.
Así se vuelve muy rígida la tubería, y no se puede conseguir la cadena
articulada que se desea. También el material es más caro que el hormigón
armado. Pero sobre todo es casi siempre necesario un aislamiento exterior
para proteger el tubo contra la corrosión en tuberías de acero que se tienden
bajo tierra. Pero al avanzar el tubo se deterioraría o se destruiría
completamente el aislamiento exterior existente, y la colocación ulterior del
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
11
aislamiento exterior ya no es posible en el avance del tubo. Así, queda
limitada la posibilidad de aplicación de tubos de acero en el avance de tubos.
El hormigón armado
Es el material que se aplica mas frecuentemente para el sistema, ya que con
este material pueden cubrirse generalmente, sin dificultad, todas las
condiciones de la obra. La unión articulada de los tubos está resuelta en
medida suficiente. Los tubos de hormigón armado son resistentes al agua
interior y exteriormente, con lo que los tubos pueden hacerse resistentes
también contra aguas agresivas eligiendo cementos apropiados.
Tubos de amianto cemento
Se distinguen por sus superficies muy lisas y en virtud de la alta resistencia
del material por su poco peso. Las condiciones de aplicación, no son otras
que las de canalizaciones tradicionales.
El hormigón sintético
Es un material de alta resistencia y resistente a los productos químicos. Los
tubos de hormigón sintético pueden fabricarse ya sea sin armar como
también con armadura de acero. Pero el hormigón sintético es todavía muy
caro, de modo que solo puede desplazar al hormigón allí donde existen
condiciones especiales que impiden utilizar hormigón armado.
Tubos de gres con revestimiento de hormigón armado
Se emplean como tubos avanzados cuando por ellos hay que conducir aguas
residuales especialmente agresivas.
6.-
CONDICIONAMIENTO DEL TERRENO.
El método descrito es sobre todo muy adecuado para la colocación de
los tubos en suelos no cohesivos, como grava, arena, guijo, etc.., así como en
suelos cohesivos, como barro, barro-arena, arcilla, marga, etc...
El avance de tubos solo es apropiado en determinadas condiciones, de no ser
incluso totalmente imposible, en arena fluida, arena movediza y terrenos
pantanosos así como en roca. ya que en caso de poca cohesión el frente no se
puede asegurar contra hundimientos y de otro impiden el guiado, de modo
que todo el recorrido del tubo puede variar de posición durante el avance. E
el caso de material rocoso este método es poco apropiado, porque solo
pueden ser arrancadas con máquinas especiales o por medio de voladuras.
Por lo tanto, el avance de tubos queda limitado en su aplicación
práctica generalmente a terrenos de grava y arenosos, así como, a suelos
cohesivos. Así es posible el avance tanto en el terreno seco como en el
acuífero.
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
12
7.-
FUERZAS DE AVANCE.
Las resistencias al avance a presión se componen de la resistencia en
el frente y del rozamiento de la envolvente.
La resistencia en el frente se compone de la resistencia en el perímetro del
tubo y de la fuerza para mantener estable el frente contra
desprendimientos.
Para mantener lo más baja posible la resistencia a la penetración del
tubo en el terreno, delante del primer tubo a avanzar se dispone una zapata
de corte análoga a un escudo. Esta zapata de corte se fabrica generalmente
de chapa de acero y tiene en su extremo anterior, como lo expresa su
nombre, un filo acusado. El filo configurado la mayoría de las veces en forma
de cuña se introduce a presión en el terreno y tiene la misión, análogamente
a una herramienta de corte, de cepillar el suelo e introducirlo en el tubo. La
resistencia a la penetración depende del grado de apelmazamiento del
terreno existente. Con arreglo a mediciones comparativas, es de 15 a 30 Mp.
por cada metro lineal del perímetro del tubo.
El apuntalamiento del frente contra un desprendimiento del terreno
no se realiza generalmente disponiendo compartimentos, en los que puede
depositarse la tierra de según el ángulo de talud natural. La penetración de
estos compartimentos en el terreno y el apuntalamiento del mismo originan
una resistencia análoga a la que encuentra el filo, depende del grado de
apelmazamiento del terreno.
En tanto que para la construcción de la zapata de corte son de
importancia las resistencias individuales en el perímetro y en los
compartimentos, para el avance mismo no tiene importancia la división de
las resistencias. Para el avance de los tubos interesa únicamente la
resistencia total del frente. Esta puede suponerse de acuerdo con el grado de
apelmazamiento del terreno aprox. 30 a 60 Mp/m² superficie de la zapata de
corte, a cuyo efecto es habitual como valor medio 50 Mp/m².
Rozamiento de la envolvente. Siempre que se trate de un terreno con huecos
este, no hace contacto con el tubo en todo su pavimento. Los procesos de
empuje de las tierras son aquí más complicados. En primer lugar, puede
partirse de que al penetrar la zapata de corte en el terreno se forma por
encima del tubo una bóveda similar a la que se considera en el cálculo de
túneles o galerías en el avance minero. O sea que en primer lugar solo
empuja una parte limitada del terreno circundante sobre el tubo y no todo el
terreno hasta la superficie del mismo. El empuje total de las tierras no se
produce hasta después de un cierto tiempo en función de los movimientos
del avance, de las vibraciones del tráfico, del agua subterránea, etc....
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
13
Esta hipótesis se confirma, en primer lugar, casi independientemente
del recubrimiento existente sobre el vértice del tubo, el rozamiento de la
envolvente por unidad de superficie es constante para las respectivas clases
de terrenos. De acuerdo con las experiencias de que se dispone, el
rozamiento de la envolvente en el terreno seco es de aprox. 2,5 Mp/m² en la
superficie del tubo.
METODO DE EJECUCION DE HINCA CON ESCUDO ABIERTO
14