Instalación de tuberías de hormigón mediante hinca por empuje

Víctor Flórez Casillas

Director del Departamento de Obras Hidráulicas y Marítimas

Dirección de Innovación y Tecnología

FCC CONSTRUCCION, S.A.

VFlorez@fcc.es

Generalidades Hoy en día son varios los procedimientos de instalación de tubería sin zanja, cada uno con una tecnología asociada bastante singular. Una primera clasificación descrita por la asociación de tecnología sin zanja internacional establece los sistemas descritos en el cuadro siguiente.

Considera dos grandes grupos dependiendo de la capacidad de acceso de personal al interior de la conducción. Esta distribución es similar a la incluida en la norma europea EN 12889:2000 en la descripción de técnicas de tecnología sin zanja.

Entre los que no requieren entrada de personal al interior de la tubería se encuentra el denominado Microtunneling method que no debe confundirse con el sistema de empuje estático o Pipe Jacking con microtuneladora. El primero se refiere a barrenados o técnicas similares con maquinaria de perforación, con secciones inferiores a 800 mm.

Una técnica muy cercana al sistema de túneles que consiste en realizar un avance con maquinaria de excavación a sección completa y revestimiento con microdovelas, es objeto de otra presentación.

En ésta nos centraremos en el sistema de empuje estático de tubería rígida donde se emplean técnicas de túneles en los que el revestimiento es la propia tubería. Se trata de una técnica que se empezó a desarrollar a principios del siglo XX, pero hasta mediados de siglo era bastante deficiente. No debemos

olvidar que se trata de un sistema de instalación en pleno desarrollo que requiere de unos medios muy especializados y una técnica relativamente compleja y multidisciplinar que pretende abordar retos cada vez mayores.

Algunas instituciones como la Pipe Jacking Association, ISTT (asociación internacional de tecnología sin zanja) o los grupos de trabajo de la Universidad de Oxford dirigidos en diferentes etapas por Ripley, Milligan, Norris o Marshall, han ido ensayando y auscultando instalaciones reales con resultados muy interesantes.

Por otra parte los especialistas en ejecución de hinca de tubería mediante estos sistemas se han convertido en verdaderos expertos dada la gran cantidad de obras en las que se realizan este tipo de instalaciones.

Elementos comunes Veremos que dentro de este tipo de instalaciones hay diferentes técnicas dependiendo básicamente de la estabilidad del frente de excavación. Sin embargo todas ellas tienen una serie de elementos comunes para poder transmitir un esfuerzo horizontal a la tubería que permita la hinca de la sección.

Arqueta de hinca

Muro de reacción

Elementos de empuje

Tubería rígida

Maquinaria de excavación

Instalación para la extracción de material

Sistema de guiado interior

Elementos comunes a una hinca por empuje estático

La arqueta de hinca es el recinto donde se van a alojar la maquinaria de empuje principal y debe tener espacio para la colocación de varias tuberías de hinca. Normalmente su solera se encuentra a bastante profundidad, dependiendo de la rasante de la tubería a la que queremos dar continuidad. Esto nos lleva a veces a ejecutar recintos profundos con muros de cierta altura o bien con pantallas o tablestacas.

Arqueta de hinca

Todo el esfuerzo de la hinca se consigue mediante la presión de una serie de gatos hidráulicos contra la pared de la tubería. Este esfuerzo es transmitido a su vez al terreno mediante el muro de reacción. Una buena práctica en la ejecución del muro de reacción es el hormigonado contra el terreno de forma que pueda contribuir una buena parte del pasivo en la reacción del esfuerzo principal.

Muro de reacción y pistones hidráulicos de empuje

El empuje principal se realiza mediante pistones hidráulicos que normalmente van comunicados de forma que se pueda ejercer con todos la misma presión y alcanzar la alineación deseada.

Cuando la capacidad de empuje no es suficiente para un tramo de tubería se pueden emplear otros elementos secundarios de empuje en forma de estaciones intermedias. Existen varias clases de estaciones intermedias con el objeto común de proporcionar un empuje adicional y mantener la estanquidad del tramo mediante su constitución telescópica.

Estación intermedia preparada con los cilindros comunicados

Dado que toda la transmisión del empuje se realiza a través de la propia tubería, en esta técnica se emplea exclusivamente tubería rígida. La tubería generalmente usada para estas hincas es de hormigón armado sin camisa de chapa si la conducción no es de presión o es de muy baja presión, o bien de hormigón armado con camisa de chapa en caso de emplearse para conducciones en presión. También se emplean hormigones polímeros tipo Polycrete o similar en caso de tubería sin presión.

En grandes longitudes (superiores a 150 m) lo más usual es emplear únicamente tubos de hormigón armado o bien como conducto o como alojamiento de una tubería de presión de menor diámetro.

Tubería especial para hinca. Gentileza de Conducciones y Vías

La excavación del frente se realiza con maquinaria específica dependiendo de la técnica de empuje estático que se emplee. Puede ser desde unos útiles simples como pico y pala en frentes estables de pequeña sección, elementos mecánicos especialmente integrados como rozadoras, pequeñas retroexcavadoras o palas en técnicas con acceso total al frente o bien mediante secciones cerradas giratorias.

El sistema de extracción de material también depende de la técnica empleada. Aunque existe algún procedimiento mixto, podemos considerar dos sistemas básicos: mediante vía seca o mediante vía

húmeda. En el primero de los casos la extracción del material se realiza habitualmente mediante cinta transportadora por el interior del túnel creado y bateas; mientras que en el segundo caso la extracción se realiza con la ayuda de lodos bentoníticos o con agua, bombeando el resultado de la excavación por tubería a presión.

El guiado de la excavación se realiza mediante mira laser en las excavaciones rectas o mediante un sistema de control externo en caso de curvas e hincas de gran longitud.

Hinca de pequeña sección. Sistema open face El sistema Open-face es el más rudimentario y su tendencia es a desaparecer ya que consiste en la hinca de una tubería de diámetro inferior a 1000, donde no se puede instalar maquinaria de extracción de material, y donde tal excavación la realizan dos personas situadas en el interior de la tubería, una de ellas en el frente de avance y la otra en el punto de salida de material para proceder al paleado y carga del mismo.

Frente de excavación y medios de extracción del sistema Open Face

Evidentemente para emplear este sistema la estabilidad del frente tiene que estar asegurada y debe comprobarse que no existe un nivel freático a la altura de la sección de hinca.

No se considera dentro de esta presentación la excavación en mina de las secciones de tubería, sistema mencionado en la relación de sistemas de tecnología sin zanja.

Sistema escudo abierto Con este sistema el frente de excavación se encuentra entibado mediante un elemento avanzado denominado escudo que se va introduciendo en el terreno. Es un buen sistema y muy fiable dentro de su ámbito de aplicación ya que existe un acceso permanente al frente de excavación, con un control total del terreno y de la dirección de la hinca.

Sin embargo, los tipos de terreno válidos son aquellos que no tengan nivel freático alto (gravas o bolos sueltos) ni intercalaciones blandas que puedan hacer fracasar el frente al caerse o en terrenos con excesiva dureza. El diámetro mínimo será de 1200 mm.

Este esquema siguiente refleja los elementos más importantes de una hinca por empuje con escudo abierto.

Esquema de la disposición para hinca con escudo abierto

Se observa que la cabeza de avance tiene un escudo o visera que se va hincando en el terreno y protege la cabina y los elementos de excavación. El terreno a atravesar debe ser bastante estable ya que, aunque existen algunos sistemas complejos de presurización del frente, lo normal es que no se emplee ninguno con escudo abierto.

Los desvíos de la trayectoria que se producen durante el empuje, se corrigen mediante unos gatos independientes instalados en la cabeza de empuje.

Cilindros de orientación en la cabeza de la máquina y elemento principal con el escudo. Gentileza de Conducciones y Vías

Para la excavación y dependiendo de la naturaleza de los materiales excavados, se empleará una rozadora, una pala plana, una mini-retro, o cualquier otro sistema de excavación.

La recogida del material excavado se realiza por lo general hacia una cinta corta que alimenta un cubilete o batea que una vez cargado se extrae hacia la arqueta de hinca para la retirada de los productos sobrantes.

Mini-retro y rozadora empleadas en la excavación del sistema de escudo abierto.. Gentileza de Conducciones y Vías

Entre cada tubería se coloca una sufridera de aglomerado de forma que reparta los esfuerzos del empuje y evite que las imperfecciones de las caras en contacto provoquen tensiones puntuales.

Esquema clásico de extracción por vía seca en hinca con escudo abierto

Con esta técnica se pueden realizar hincas de cierta longitud, por lo que se puede requerir el empleo de elementos auxiliares de empuje. Estos elementos se introducen en la línea de la conducción y permiten realizar avances parciales. En España se les denomina estaciones intermedias e irán colocadas a unas distancias entre 50 y 150 m de avance.

En el caso de existir estas estaciones intermedias, el proceso de hincado comienza en la estación más alejada de la entrada y sigue como el movimiento de un gusano hasta la principal que es la última en actuar. Los recorridos de las estaciones intermedias son de alrededor de 30 a 50 cm y suelen disponer de un número elevado de cilindros hidráulicos (generalmente 12) de menor potencia que los cilindros principales.

Dentro de las técnicas de excavación de túneles se encuentra el sistema de “frente abierto” que no hay que confundir con este sistema de escudo abierto. En el caso del frente abierto el avance se realiza con una rueda giratoria mecanizada con una gran apertura entre los elementos de excavación por lo que se puede acceder al frente a través de la cabeza rozadora, pero el frente está totalmente sostenido por la rueda sin presurización alguna.

Sistema escudo cerrado Este sistema es la evolución lógica de los sistemas anteriores de hinca ya que nos va a permitir realizar la excavación en terrenos que no podían ser atacados por los sistemas anteriores ya que en este caso empleamos una sección cerrada presurizada en el frente de avance.

Los primeros sistemas de presurización se realizaban mediante aire comprimido aunque hoy en día la tendencia más universal es el empleo de agua o, más comúnmente, lodos bentoníticos con o sin adición de

polímeros (hidroescudo o slurry Shield). En este caso los lodos presurizan una cámara situada tras la cabeza de corte y se emplean también como elemento de extracción del material excavado.

Esquema de la sección principal del sistema de escudo cerrado con hidroescudo

Otra técnica de presurización de la sección es el empleado por las máquinas EPB (escudo de presión de tierras) donde se consigue un equilibrio entre el frente y la cabeza de corte mediante la aportación de material a una cámara y la regulación de la presión se realiza mediante la extracción controlada de este material que puede realizarse por vía seca, similar al escudo abierto, o por conducción cerrada.

Esquema de la sección principal del sistema de escudo cerrado EPB con extracción por tubería

Ambos sistemas se pueden adaptar para casi cualquier tipo de terreno, si bien el sistema EPB está especialmente indicado para terrenos blandos y tierras y su cabeza rozadora suele ir provista de picas o elementos especializados en suelos. Se ha empleado también para suelos rocosos con cabeza de discos pero no es habitual. El sistema con hidroescudo suele obtener mejor rendimiento en roca.

Cabeza rozadora para roca y frente de excavación

Las ventajas de este sistema de escudo cerrado son evidentes ya que se logra una mayor seguridad en terrenos inestables o con el nivel freático alto y un menor riesgo de subsidencias en superficie al tener el frente estabilizado.

No podemos pasar por alto que en todas la hincas el apoyo topográfico, geológico y geotécnico es vital, conociendo las características del terreno y el tipo de formaciones geológicas que pueden verse atravesadas por la hinca. En el caso de escudo cerrado esto es aún más importante ya que un cambio de material de forma brusca puede hacer cabecear a la máquina en exceso.

No se puede concebir una hinca de cierta envergadura si no disponemos de una caracterización geológica y geotécnica del material que puede atravesar la hinca.

En hincas de cierta longitud los elementos de corte van perdiendo eficacia y es necesario sustituirlos. Esta operación de cambio de elementos puede realizarse sin despresurizar el frente si disponemos de una cámara hiperbárica. En cualquier caso este cambio de elementos puede llevar en general a paradas de tiempo importantes.

Cámara hiperbárica para acceso a la cabeza para sustitución de elementos de corte

Generalmente se emplean lodos bentoníticos en el contacto para minimizar el rozamiento con las paredes y, por tanto, reducir los empujes necesarios para el avance. Los tubos suelen ir provistos de varias salidas a través de las cuales se puede inyectar la bentonita en el contorno.

Conductos para la inyección de bentonita. Fotografía gentileza de Conducciones y Vías

También en caso de emplear vía húmeda para la excavación y el sostenimiento del frente será necesaria la aportación de agua y lodos.

Tanto estos lodos como los inyectados en el contorno requieren un tratamiento especial para retirar o recuperar parte de los líquidos aportados y separar el material excavado. Estas instalaciones y las de control de la propia tuneladora se localizan en el exterior próximo a la arqueta principal de hinca. El

control de la trayectoria de la hinca (casi siempre recta o de una sola curvatura) se realiza mediante unos paneles colocados en el exterior que corrigen con pequeños movimientos de los gatos de la cabeza las desviaciones del empuje.

Instrumentación de control e Instalación de reciclado de lodos

Tubería de hormigón armado para Hinca Se trata de una tubería fabricada por los mismos medios que la tubería de saneamiento sin presión pero que necesita un diseño de algunos elementos de la misma dado que el sistema de instalación obliga a una serie de características especiales.

La tubería presentará la mayor superficie posible de contacto entre cada dos tuberías de forma que el reparto del empuje se realice muy distribuido.

De la resistencia a compresión del hormigón depende el esfuerzo máximo permitido a los gatos de empuje. Para una fck (resistencia a compresión de cálculo del hormigón) la tensión máxima de cálculo será del 60% de este valor (UNE EN 1916-2003). Además, se calcula como si la junta estuviera abierta y el reparto se hiciera en la mitad de la sección de empuje. Por tanto, el empuje máximo que podrá soportar una determinada sección de hormigón será:

E = 0,3 fck x Sección

Los valores de fck de las tuberías de hormigón serán de 40 a 45 N/mm2 , es decir, un hormigón de gran calidad. Para determinar la capacidad de la tubería frente al empuje longitudinal se deberían efectuar los ensayos indicados en la UNE EN 1916-2003, incluido al menos uno completo de resistencia de la superficie de empuje, según el artículo correspondiente de la UNE, y un ensayo de aplastamiento a fisuración.

Otro factor de vital importancia en las hincas es el paralelismo entre las caras. Las tolerancias dimensionales, especialmente de la ortogonalidad de los extremos serán las indicadas en la Tabla de la UNE EN 1916-2003, realizándose para el 100% de las tuberías, siendo motivo de rechazo una desviación superior, debiendo ser reparados los extremos mediante mortero epoxi posterior a un tratamiento del contacto entre hormigón viejo y nuevo.

La medición de la desviación en la ortogonalidad se realizará de acuerdo con el artículo de la UNE EN 1916-2003.

Para el cálculo mecánico de las tuberías de hinca distinguiremos entre hincas cortas e hincas largas, ya que cuando la hinca es de poca longitud (menor de 30 tubos), es decir, cuando los efectos de un fallo en la alineación no sean importantes y/o sus efectos sencillos de modificarse, ya sea por tratarse de un fácil acceso a ambos lados o bien un terreno suficientemente competente pero no muy resistente, el cálculo puede efectuarse siguiendo las recomendaciones del “CONCRETE PIPE HAND BOOK” de la ACPA. Tunneled & Jacked Installations.

También en estos casos puede comprobarse directamente la clase resistente según la UNE EN 1916-2003 que tiene previsto el dimensionamiento mecánico de la tubería de hinca.

Tratamiento en las caras de contacto para lograr máximo paralelismo con los tubos adyacentes

En otras circunstancias, el cálculo recomendado será el descrito en la ATV – A161 alemana que tiene en cuenta unos esfuerzos adicionales mínimos por desvío contra las paredes de la hinca o por presiones internas (presurización) durante la construcción de la conducción de hinca.

En todos los casos se tendrán en cuenta las singularidades siguientes recogidas de las publicaciones de la ATHA.

La longitud máxima de los tubos será de 3,00 m, para evitar el pandeo

La armadura interior y exterior se prolongará hasta los extremos macho y hembra

La armadura transversal se reforzará en un 20 % en los /4 cercanos a cada extremo y se unirá la armadura exterior e interior mediante cercos a distancia menor de 30 cm

La armadura longitudinal se repartirá en 24 generatrices y su cuantía será al menos el 10% de la armadura transversal.

Se dispondrán virolas de chapa galvanizada en el extremo hembra, a modo de sufrideras, colocadas enrasadas con la superficie exterior

En la tubería se realizarán unos taladros generalmente a 120º por donde se puede inyectar bentonita para lubricar el contacto y aminorar los esfuerzos de rozamiento

La estanquidad se obtendrá mediante junta elástica deslizante colocada en el macho del tubo y contra la virola de chapa. Algunos fabricantes, atendiendo a unos estándares de calidad más elevados, ofrecen la posibilidad de junta alojada que básicamente es una junta tórica introducida en una acanaladura del tubo. Esta junta alojada ofrece mejores garantías a la impermeabilidad, sobre todo en cuanto a la infiltración desde el exterior.

Dimensionamiento del empuje necesario

La ISTT de Inglaterra tiene publicados una serie de informes específicamente dedicados a la instalación de tuberías mediante hinca. Uno de estos informes denominado “Conference Papers” recoge la evolución (desde 1989) de algunas tesis sobre las fuerzas de empuje que ha de vencerse para la hinca de las tuberías.

Inicialmente estas tesis calculaban el empuje para vencer un rozamiento entre tubo y terreno, posteriormente otros autores añadían otros factores como la cohesión y por tanto la superficie de contacto entre tubo y terreno.

En estas hipótesis se consideraba un único sistema de hinca, concretamente la de escudo abierto y por esta razón no se tenía en cuenta la compresión residual que hay que asegurar para que la cabeza rozadora presione contra el terreno.

A lo largo de un proceso de varios años se analizan las siguientes circunstancias:

Cargas por fricción de los distintos tipos de terreno y su cohesión aparente

Distribución de cargas a través de las sufrideras (packing material)

Efecto de las cargas cíclicas en las estaciones intermedias

Desalineación de empujes (misalignment)

Tiempo sin empujar

Efecto de los lubricantes

Cargas finales sobre el tubo

Subsidencias o asientos previsibles

Modelo para el estudio de reacciones extremas durante el empuje por desalineamientos o trazados en curva. Milligan, Marshall y Norris

Todos ellos son interesantes pero destacan los estudios siguientes sobre los lubricantes y sus efectos directos e indirectos:

Sostenimiento de las paredes para que no se cierren sobre el tubo,

Lubricación del contorno que reduce el esfuerzo de empuje

Crea un efecto de flotación que reduce notablemente la carga normal y por tanto el rozamiento

Si se contamina en exceso produce el efecto contrario pues añade cohesión al detritus de la excavación

De todo ello se deduce que si se emplean lodos, la resistencia al empuje por el fuste de la hinca es únicamente el correspondiente para vencer la fricción con el lodo. Considerando un lodo de contaminación baja, con buena recirculación, resulta un valor entre 0,50 y 1,50 T/m2 de superficie exterior. Un valor clásico es de 1 T/m2 empleando lodos y al menos 2 T/m2 en caso de no emplear lubricante.

A este esfuerzo hay que añadir la presión necesaria en el frente para proceder a la excavación. Como primera aproximación este valor de presión residual necesaria va de 30 T/m2 a 60 T/m2 , dependiendo de la calidad de la roca o terreno atravesado, por la sección total del frente.

Un efecto bien estudiado también es el provocado al transcurrir un tiempo sin empujar. Según estos estudios se produce un pico puntual de esfuerzo en el arranque después de cada parón que algunos autores como Milligan & Marshall llegan a cuantificar, para suelos no cohesivos o poco cohesivos, como un incremento sobre la presión media de valor:

P = P (0,259 + 0,058 h), siendo

P = presión efectuada nominal

h = tiempo en horas transcurrido sin hincar.

Estudio del efecto de las paradas durante la hinca de la tubería. El efecto en suelos cohesivos es superior al estimado en suelos sin cohesión. Marshall

En la práctica, debe considerarse un cierto coeficiente de incertidumbre que incremente ligeramente las cargas obtenidas considerando los valores medios anteriores (1 T/m2 por superficie exterior + 60 T/m2 de frente, para una hinca con lodos y frente rocoso, por ejemplo). Aplicado a la longitud de la hinca nos indicará la distancia media de las estaciones intermedias, o bien por capacidad de los medios de hinca o por agotamiento por compresión o flexocompresión de la tubería.

En cualquier caso, los medios de empuje se han de sobreestimar para poder hacer frente a esfuerzos de pico puntuales.

Es una práctica bastante habitual el empleo de estaciones intermedias a corta distancia cerca del frente de avance para eventuales sobreesfuerzos de corte y desvío.

Otros elementos

Cuando el sostenimiento del avance se realiza con lodos bentoníticos o agua a presión, es importante la colocación de una junta especial de impermeabilidad en la arqueta principal para evitar que los lodos fluyan entre el terreno excavado y la tubería hacia el pozo.

Esta junta especial debe ir tanto en el muro frontal de la arqueta de entrada como en el pozo de salida para evitar la falta de presión de los lodos.

Junta especial de cierre contra el pozo de ataque. Un elemento similar debe emplearse en el pozo de salida de la hinca

La estación intermedia es un elemento intercalado en la tubería de hinca que forma parte del sistema, de forma que sirva como elemento de empuje y de continuidad.

Actualmente existen dos tipos bien diferenciados. El primero de ellos, el más extendido hasta hace unos años, consiste en un cuerpo exterior de chapa en cuyo interior se alojan los cilindros de empuje. Tiene una serie de refuerzos para la aplicación del esfuerzo de los cilindros. La continuidad con el resto de la conducción se realiza mediante la chapa exterior que conecta con dos elementos especiales: un elemento macho-macho por delante y un elemento macho-rebajado por detrás. En el croquis, la hinca avanza hacia la izquierda.

Estación intermedia telescópica con carretes de chapa

El segundo tipo, que en este caso denominamos “estación intermedia alemana” (según diseño de Gollwitzer), el elemento macho-macho y la estación intermedia se unen, quedando incorporado el primero en la segunda.

Una de las razones para crear este nuevo elemento es que se evita la disposición que enfrenta la parte delantera de la chapa contra el avance de la hinca.

Estación intermedia telescópica incorporación de tubo corto

Nos hemos encontrado con problemas en la estación intermedia convencional cuando el terreno a atravesar eran limos o material sin cohesión muy fino ya que se cuela bajo la chapa delantera y se acuña produciendo la rotura de la tubería.

Patología detectada en estaciones intermedias por acumulación de material limoso

Hemos comentado en un apartado anterior como el empleo de bentonita rodeando al tubo crea un efecto de flotación sobre la tubería. Este efecto es beneficioso en cuanto que reduce la fricción al reducir la componente normal del peso propio, de forma que si la flotación es estricta este efecto se anularía.

Todas las tuberías de hormigón cuyo espesor ronde el 10% del diámetro, flotan. Esto se puede apreciar en cualquier zanja que quede inundada y el agua no haya entrado en el interior del tubo (entre dos pozos, entre anclajes, etc). En el caso de la tubería de hinca, lo único que ocurre es que la tubería flota en el espacio anular que queda entre la tubería y el hueco de la sección hincada.

La tubería de hinca de hormigón suele tener un espesor aproximado del 10% del diámetro exterior o ligeramente superior. Si el tubo fuese excesivamente ligero el efecto sería que invertiríamos la zona de roce a la clave, zona de peor control que la base por puro efecto gravitatorio.

Por este motivo es recomendable que la sección de hormigón sea tal que mantenga una ligera componente del peso del tubo positiva.

Este efecto también se produce en hincas con freático alto o bajo el mar, por lo que, es necesario estudiar el diseño geométrico de la propia tubería.

Para preparar el acceso de la tubería al pozo de salida se construye una de las paredes del pozo sin armadura centrada en la sección de posible acometida de la hinca para que el empuje no se vea condicionado.

Llegada de la cabeza de la hinca al pozo de salida. Emisario terrestre de Mompás

Cuando la salida de la tuneladora se realiza en una zona inundada hace falta un estudio previo y pormenorizado sobre la extracción y rescate del tramo de cabeza, especialmente cuando la hinca forma parte de un emisario que va a parar al mar o a un río.

Si está previsto de antemano, la cabeza de la tuneladora que se ha de rescatar irá provista de una serie de enganches que permitan su izado a través de un elemento rígido unido a unos flotadores.

Detalles de rescate de una tuneladora de escudo cerrado