metodo de ejecucion de obras subterraneas con

MÉTODO DE EJECUCIÓN DE HINCA DE TUBERIA
POR EL PROCEDIMIENTO DE ESCUDO ABIERTO
EN OBRAS CON EQUIPO DE EMPUJE
SIMULTÁNEO DE TUBERIA
Metodo de Hinca Perfoescudo
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MÉTODO DE EJECUCIÓN DE HINCA DE TUBERÍA POR EL PROCEDIMIENTO DE
ESCUDO ABIERTO CON EQUIPO DE EMPUJE DE TUBERÍA
1.-
DESCRIPCIÓN GENERAL
La hinca de tubería con escudo abierto se caracteriza por la introducción de
tubos mediante el empuje simultaneo de tubería y la excavación del frente del terreno.
Para poder realizar con éxito este trabajo, el equipo básico debe estar compuesto por:
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Estación hidráulica principal de empuje, que acciona los cilindros principales de
empuje, así como las posibles estaciones intermedias instaladas
Bastidor, cilindros hidráulicos de empuje, placa 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 evacuación de detritus así como para posicionamiento de los
tubos.
Generador eléctrico de potencia adecuada
Sistema de inyección de lodos bentoniticos para reducir el rozamiento de la
tubería.
1.1.- 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 acoplan 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.
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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
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
Después de la apertura de un pozo para la instalación de la Estación Principal de Empuje,
se procede a introducir en el terreno el escudo de avance en el frente.
1.2.- ESCUDO DE PERFORACIÓN
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.
Posteriormente se instala el tubo de trabajo, donde se instala todo el
accionamiento eléctrico e hidráulico para manejar el sistema de excavación.
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Retroexcavadora montada en escudo
Rozadora montada en escudo
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.
1.3.- SISTEMA DE EXTRACCIÓN
Normalmente esta compuesto por una cinta situada detrás 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 evacuan 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.
En caso de realizar hincas con pendiente acentuada, el estudio de la extracción
de materiales es muy importante para evitar accidentes.
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1.4.- EQUIPO DE GUIADO
Para la realización de hincas con empuje simultaneo de tubería es imprescindible
un sistema de acuerdo con las características del trabajo a realizar. Desde este punto de
vista podemos distinguir dos tipos de trabajo:
•
•
Hincas de longitud reducida (hasta 350 metros) y rectos
Hincas de longitud superior a 350 metros o con trazado curvo.
Para el primer caso es suficiente disponer de un emisor de rayo láser ampliamente
conocido en el mercado.
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 este tipo.
1.5.- 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.
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Cuando por la longitud entre pozos de empuje la presión de trabajo de los
Cilindros Hidráulicos 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 trabajan según un movimiento de acordeón
mediante la retracción o extensión de sus Cilindros Hidráulicos al presionar sobre el tramo
anterior o absorber el avance del tramo posterior respectivamente. El número de
Estaciones Intermedias, es variable, según la longitud de obra a realizar por un mismo
frente, las características del terreno y las dimensiones del tubo.
1.6.- SISTEMA DE INYECCIÓN 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.
Normalmente, la tubería de hinca se sirve con inyectores dispuestos cada 120º, por
los cuales se inyecta una mezcla rica en bentonita a presión baja para su buena
distribución alrededor del tubo.
2.-
METODOLOGÍA DE TRABAJO
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Una vez realizado el pozo de ataque según las dimensiones necesarias, 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.
Posteriormente a la instalación del pozo se coloca la maquina de escudo abierto
sobre el bastidor.
Vista del pozo del ataque
Se comienza la excavación a la vez que se va empujando 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.
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 un 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.
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Salida de máquina
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.-
PRINCIPIOS DE APLICACIÓN
El Equipo de Empuje de Tubería a mediante el sistema de hinca es
fundamentalmente 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.
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.
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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 1,50
mts. es poco corriente su aplicación.
4.-
LÍMITES DEL AVANCE DE TUBOS
El avance de tubos es aplicable teóricamente a cualquier diámetro de tubo. Pero,
prácticamente, tiene limitaciones.
El diámetro mínimo de los tubos avanzados lo determina la necesidad de arrancar
y transportar la tierra que se produce dentro de los tubos mismos. O sea que dentro de la
tubería han de poder trabajar hombres. Como límite inferior para poder trabajar dentro
del tubo, se ha obtenido una medida de 80 cms. de diámetro interior. Pero las dificultades
en este caso son muy importantes y el rendimiento baja tan sensiblemente como
consecuencia de la falta de espacio, que por razones económicas es conveniente elegir
un diámetro mayor. En la práctica se ha considerado por lo tanto como límite inferior
para el avance de tubos un diámetro interior de 1,20 mts.
En el límite superior del diámetro del tubo hay que distinguir entre tubos que han
sido prefabricados en una fábrica y se transportan a pie de obra, y los tubos que se
fabrican a pie de obra.
En tubos producidos en fábricas, el límite del diámetro lo determinan de una parte
los métodos de fabricación y de la otra las posibilidades de transporte. Hasta la fecha se
han fabricado tubos hasta aprox. 3,50 mts. de diámetro interior. También es posible
fabricar tubos mayores, pero entonces resultan caros los equipos de fabricación. Esto
repercute forzosamente en el precio y en la economía del procedimiento.
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Límites absolutos para el diámetro de los tubos los ponen las posibilidades de
transporte. Normalmente se transportan tubos con su eje en dirección longitudinal con
respecto al vehículo. La anchura normal para el transporte por carretera es de 2,50 mts.;
Esto corresponde a un diámetro interior del tubo de aprox. 2,00 mts.; Anchuras superiores
son admisibles con autorización especial, a cuyo efecto vale como límite aprox. 3,00 mts.
lo que corresponde a un diámetro interior de aprox. 2,50 mts.; Si han de transportarse por
carretera tubos de diámetro aún mayor, tiene que hacerse esto con el eje del tubo
transversal a la dirección de la marcha. Pero entonces las limitaciones de la anchura de
transporte son a cargo de la longitud del tubo, esto es que la longitud de los tubos no
debe sobrepasar 2,50 mts. normal y 3,00 mts. máximo. Por último la limitación absoluta en
la altura del transporte, que para el vehículo juntamente con la carga no debe exceder
de 4,00 mts.; Si los tubos se transportan en remolques de plataforma baja, a la altura de
carga se puede agregar aproximadamente 0,50 mts.; El diámetro de los tubos mayor
posible es así de 3,50 mts. lo que corresponde a un diámetro interior de aprox. 3,00 mts.
O sea que puede determinarse para la producción de tubos en fábricas desde el
punto de vista de la fabricación como del transporte, un diámetro interior aprox. de 3,00
mts. representa el límite superior.
Por consiguiente, tubos de diámetro mayor tendrían que ser fabricados
directamente a pie de obra. Pero para esto son necesarios voluminosos equipos de
trabajo, y hay que disponer de un almacén de tubos importante, a fin de que los tubos a
pesar de ser endurecidos artificialmente con vapor, tengan suficiente tiempo para ser
utilizados.
5.-
CONDICIONAMIENTO DEL TERRENO
El avance de tubos es sobre todo muy adecuado para la colocación de los
mismos 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. Por lo tanto, terrenos de arena fluida, arenas movedizas y terrenos
pantanosos son inadecuados para el avance de tubos; porque de un lado, el frente solo
se puede asegurar muy difícilmente contra hundimientos y de otro impiden el guiado, de
modo que todo el recorrido del tubo puede variar de posición durante el avance. Las
rocas son poco apropiadas, porque solo pueden ser arrancadas con máquinas
especiales o por medio de voladuras.
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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.
6.-
FUERZAS DE AVANCE
Las resistencias al avance a presión se componen de la resistencia en el frente y
del rozamiento de la envolvente.
6.1.- 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.
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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.
6.2.- 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...
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.
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