Figura 1. Vista frontal del sistema Pipe Express® desarrollado por Herrenknecht.
En algunos artículos anteriores hemos hablado con cierto detalle de tecnologías sin zanja para la instalación de tuberías. Son las denominadas, en inglés, tecnologías “trenchless”. Sin embargo, la tecnología no se detiene y, en esta entrada, quiero describir brevemente una técnica constructiva que se podría llamar “semi-trenchless”. Se trata del Pipe Express®, tecnología desarrollada por la empresa Herrenknecht para la instalación de tuberías.
Con el desarrollo de esta tecnología, Herrenknecht ha establecido un nuevo procedimiento constructivo para la instalación de tuberías a grandes distancias. El método sin zanjas no requiere la bajada de agua subterránea y en comparación con la construcción a cielo abierto, la zona afectada puede ser considerablemente más estrecha. Ello redunda, como no puede ser de otra forma, en mejores rendimientos y menores costes, además de ser un procedimiento respetuoso con el medio ambiente. Dependiendo de las condiciones del proyecto, con esta nueva técnica se puede instalar de forma segura hasta 1.000 m de tubería por día.
Tal y como se puede observar en la Figura 1, se trata de una tuneladora que trabaja bajo tierra y una unidad de excavación como conexión vertical entre la tuneladora y la superficie del terreno. El útil de corte de la tuneladora es el que realiza la excavación del terreno. Un transportador de tornillo interno y una unidad de corte vertical llevan el material excavado a la cinta transportadora pivotante en la superficie.
Figura 2. El sistema Pipe Express® desarrollado por Herrenknecht.
Esta tecnología puede ser de gran interés en zonas con suelos inestables, nivel freático elevado y requisitos de instalación profundos. Tal y como indica la empresa, con Pipe Express®, la zona afectada y los correspondientes movimientos de tierra pueden reducirse hasta en un 70% en comparación con el método de corte abierto. Esto supone una menor interferencia con la población, los usuarios o los propietarios del terreno, pues se reduce el despliegue de grandes equipos y se acorta el plazo de ejecución. Además, la rápida instalación de tuberías de una sola pasada y la menor necesidad de maquinaria de construcción convencional significan una reducción significativa de las emisiones de gases de los motores de combustión y de ruido.
A continuación os dejo varios vídeos explicativos sobre esta nueva tecnología.
También os dejo información adicional del propio fabricante.
Figura 1. Zanjadora. https://riusa.net/alquiler-de-zanjadoras-en-cantabria/
Las zanjas son excavaciones abiertas y asentadas en el terreno, accesibles a los operarios y realizadas con medios manuales o mecánicos. La excavación debe hacerse con sumo cuidado para que la alteración de las características mecánicas del suelo sea la mínima posible. Su anchura no suele ser mayor de 2 m ni su profundidad superior a 7 m, en cuyo caso se consideraría la excavación un vaciado.
La apertura de una zanja tiene dos fases: una de excavación y otra de entibación, pudiendo presentarse esta última o no en función de las características del terreno y del tiempo estimado en que la zanja estará abierta. Cuando la excavación de la zanja se realice por medios mecánicos, además, será necesario que el terreno admita un talud en corte vertical a esa profundidad y que la separación entre el tajo de la máquina y la entibación no sea mayor que, en ese punto, la profundidad de la zanja dividida por 2. Los productos de excavación de la zanja, aprovechables para su relleno posterior, podrán depositarse en caballeros situados a un solo lado de la zanja, a una separación mínima de 0,60 m respecto del borde de la misma. De emplearse entibación, distancias entre 0,50 y 0,90 m suelen ser suficientes para facilitar la circulación del personal de montaje y reducir la posibilidad de caída de piedras sobre la tubería.
Si bien las zanjas pueden abrirse manualmente, hoy en día la excavación se realiza con maquinaria, fundamentalmente con palas retroexcavadoras de tipo universal y zanjadoras, máquinas diseñadas exclusivamente para excavar zanjas (Figura 1). De algunos de estos tipos ya hemos hablado en entradas anteriores: zanjadora de brazo inclinable, zanjadora de ruedas de cangilones, incluso cortadora de disco con picas para zanjas estrechas. Estas máquinas proporcionan buenos rendimientos, siempre que se den las condiciones adecuadas. Así, las zanjadoras, cuyos rendimientos son realmente elevados, presentan el inconveniente de que, para su utilización, es preciso que el terreno sea adecuado, es decir, que sea tierra franca o terreno de tránsito y que no haya demasiados obstáculos. Las retroexcavadoras, aunque obtienen menores rendimientos que las zanjadoras, pueden utilizarse en terrenos más variados, lo que permite su empleo en la carga, descarga y colocación de los tubos y les permite superar mejor los obstáculos del terreno. En las ciudades, generalmente no se presentan los problemas anteriores, pero sí aparece el problema de la gran cantidad de conducciones en el subsuelo, correspondientes a distintos servicios. Ello implica excavar manualmente las zonas de cruce con la zanja y utilizar maquinaria en el resto de las zonas.
La anchura mínima del fondo de la zanja depende del espacio que requieren los operarios para colocar los tubos, por lo que se establece una anchura mínima de 0,60 m. En los puntos donde deba colocarse una junta, se realizan ensanchamientos de la zanja cuyas dimensiones dependen del tipo de junta y de la manipulación necesaria para su montaje. La norma UNE-EN 1610 indica el ancho mínimo de la zanja en función del diámetro nominal de la tubería y de la profundidad de la zanja.
La calidad del fondo de la zanja es fundamental para la conservación adecuada de las canalizaciones, puesto que la presencia en ella de zonas de distinta dureza hace que la tubería no quede en buenas condiciones de sustentación. Por lo anterior, es conveniente no efectuar nunca excavación de más, así como limpiar el fondo de piedras, realizando el refino final cuidadosamente. Por otra parte, si aparecen materiales de rigidez excesiva, como rocas o cimentaciones en desuso, se deberá excavar por debajo de la rasante y realizar un relleno posterior de unos 10-15 cm perfectamente compactado. Además, no se recomienda utilizar como relleno materiales con alto contenido de componentes orgánicos, ni instalar las tuberías en suelos orgánicos sin tomar precauciones especiales (como el empleo de geotextiles, etc.).
La profundidad de la zanja debe indicarse en el proyecto, pero en cualquier caso, y habida cuenta tanto del efecto de las cargas del tráfico como de las posibles heladas, la separación entre la generatriz superior del tubo y la superficie del terreno debe tener un valor mínimo de 0,60 m.
En general, se evitará la entrada de aguas superficiales a las excavaciones, achicándolas lo antes posible cuando se produzcan, y adoptando las soluciones previstas para el saneamiento de las profundas. Debe intentarse que la zanja esté abierta el menor tiempo posible para evitar los peligros de desprendimientos, inundaciones y meteorización del terreno, así como las posibles alteraciones que la tubería ya montada pueda sufrir debido a los agentes atmosféricos. Por ello, conviene establecer un programa de ejecución que coordine, por tramos de longitud adecuados, las fases de apertura de zanja, montaje y terraplén. Si fuera preciso mantener la zanja abierta durante algún tiempo, es conveniente, para evitar la meteorización, dejar por lo menos 0,20 m sin excavar, realizando esta excavación poco antes del montaje.
La estabilidad de las paredes de la zanja puede conseguirse dándoles el talud adecuado, pero en algunos casos en que esto no es posible, bien por el coste económico de la excavación, bien por la imposibilidad física de espacio, es preciso la entibación. Las zanjas son especialmente peligrosas para los operarios, por lo que, como regla general, no se debe excavar sin entibación una profundidad mayor de 1,20 m. Si se entiba, la zanja se realiza con paredes verticales, debiendo ser la entibación tanto más compleja cuanto mayor sea la inestabilidad del terreno. Hay que tener presente que existe una altura crítica de una excavación sin entibación. Se realizará la excavación por franjas horizontales de altura no mayor a la separación entre codales más 30 cm, que se entibará a medida que se excava. Además, en el diseño de la entibación debe considerarse la colocación y el montaje de la tubería. Por último, indicar que mientras se efectúe la consolidación definitiva de las paredes y el fondo de la excavación, se conservarán las contenciones, apuntalamientos y apeos realizados para la sujeción de las construcciones y/o terrenos adyacentes, así como de vallas y/o cerramientos.
Os dejo algunos vídeos sobre la excavación de zanjas. Espero que os sean de interés.
https://www.youtube.com/watch?v=sLWhMq6pBF0
Referencias:
AENOR (2000). UNE-EN 805.Abastecimiento de agua. Especificaciones para redes exteriores a los edificios y sus componentes.
AENOR (2016). UNE-EN 1610. Construcción y ensayos de desagües y redes de alcantarillado.
YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia, 158 pp.
YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.
En numerosas ocasiones se plantea en obra la necesidad de entibar una excavación, especialmente cuando la profundidad sobrepasa 1,20 m. Para ello os dejo una formulación basada en la teoría de Rankine donde se calcula la altura crítica anulando el empuje activo del terreno. Como veréis, esta altura solo se puede conseguir con terrenos cohesivos donde no exista nivel freático. También os dejo un par de cuadros donde aparece la resistencia a compresión simple de terrenos cohesivos y una tabla con ángulos de inclinación y pendientes de taludes en función del terreno y de la presencia de agua. Debo advertir que cuando se hace uso de tablas, normalmente se trata de modelos simplificados que, en no pocas veces, sobredimensionan enormemente los fenómenos analizados. Por eso siempre aconsejo realizar un cálculo con datos fiables para contrastar.
A continuación os dejo el planteamiento de la estabilidad del corte vertical en condiciones drenadas. En el caso de un suelo puramente cohesivo en condiciones no drenadas, C = Cu y φ = 0, que corresponde a la estabilidad a corto plazo.
Tabla 1. Altura máxima admisible en metros de taludes libres de solicitaciones, en función del tipo de terreno, del ángulo de inclinación de talud no mayor de 60º y de la resistencia a compresión simple del terreno.
Tabla 2. Inclinaciones y pendientes de los taludes, dependiendo de la naturaleza y contenido en agua del terreno
Máquina autopropulsada sobre ruedas o sobre cadenas, metálicas o de goma. Presenta una superestructura capaz de efectuar una rotación al menos de 360º, que excava o carga, eleva, gira y descarga material por la acción de una cuchara fijada a un conjunto de pluma y balancín, sin que la estructura portante se desplace y con un peso no superior a los 6.000 kg.
Se emplean en obras de servicios públicos urbanos, demoliciones, acondicionamiento de calles, etc. En la industria se usan en trabajos de desescombro, limpieza, jardinería, etc. Su característica fundamental es el servicio de apoyo que realizan.
Os dejo varios vídeos explicativos sobre esta máquina que espero os gusten.
Algunas de estas máquinas son extremadamente pequeñas.
Referencias:
YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia, 158 pp.
Los muros de gaviones propiamente dichos consisten en un recipiente de forma prismática rectangular, relleno de material granular de distintos tamaños, de enrejado metálico de malla hexagonal, que puede ser de triple torsión o electrosoldada dependiendo de las características de la obra.
Sin embargo, se pueden fabricar muros flexibles utilizando la misma idea pero con otros materiales. Son los llamados muros de gaviones flexibles. Consisten en unas celdas realizadas con materiales geosintéticos, que permiten su relleno con tierras u otros materiales como mezclas de grava-cemento, de tierras con cal, etc. Se obtiene de esta forma un muro de tierra sostenida, que funciona por gravedad. Además, constituyen barreras de contención muy flexibles que pueden resultar de gran interés en actuaciones de emergencia como ante desbordamiento de ríos. También pueden ser de gran interés como complemento de obras civiles o ambientales.
Os dejo unos vídeos de la empresa Contflexdique gaviones flexibles donde se puede ver cómo se monta un muro flexible de estas características. Espero que os gusten:
Os dejo un documento que creo de interés sobre el tema.
El método alemán es un procedimiento de construcción de túneles de grandes luces que también se emplea cuando el terreno es muy malo y resulta peligroso descalzar parte de la bóveda para ejecutar los hastiales, como ocurre con el método belga. Este procedimiento permite reaccionar con mayor rapidez que el método belga en caso de que aparezca agua, en terrenos sueltos o capas arenosas. Además, permite reducir los posibles asientos diferenciales que producirían grietas en la bóveda y asientos en la superficie.
El sistema sería similar al método belga, pero con algunas diferencias en el orden y la ejecución de las fases y la bóveda. El procedimiento comienza con la excavación de dos galerías de avance en la fase 1, se hormigonan los hastiales, se excava la fase 3 y 4, se recubre la bóveda y, por último, se excava la parte central en la fase 5, con el fin de facilitar la entibación y el apuntalamiento de la parte superior. El avance de las galerías (fase 1) se suele realizar por tramos de entre 25 y 30 m, dependiendo del tipo de terreno. Sin embargo, si el túnel no es muy largo (menos de 200 m, por ejemplo), se puede excavar de una sola vez. Estas galerías son muy útiles si es necesario drenar agua durante la excavación. A diferencia del método belga, el hormigonado de la bóveda no se apoya sobre el terreno, sino sobre los estribos hormigonados. Esta bóveda se ejecuta mediante costillas construidas de forma alterna. Es decir, primero se construye la galería central superior y, después, se ataca cada semicostilla desde la parte superior del hastial antes de verter el hormigón. Una vez excavada la bóveda a través de la galería superior, se hormigona. Este procedimiento permite construir grandes secciones de túnel sin que el frente abierto supere los 3-5 m².
Os dejo un par de vídeos donde se explica con mayor detalle el método. Espero que os sean útiles.
Referencias:
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
MELIS, M.J.; TRABADA, J.M. (2000). Construcción de una estación en caverna de gran luz. La estación de Guzmán el Bueno. Revista de Obras Públicas, 3485:85-90.
Una mototraílla convencional, empujada por un buldócer, tiene una curva de llenado, función del tiempo de carga “t”: C=C(t). Sabiendo que el ciclo completo de las mototraíllas vale (a+t) y el de las empujadoras (b+d·t), siendo a, b y d constantes, calcular el tiempo de carga óptimo.
Resolución:
Como el material encuentra cada vez mayor resistencia a entrar en la caja de la traílla conforme esta se va llenando, la curva de carga es creciente, con un valor asintótico superior, que es la mayor capacidad de la traílla, a partir de la cual la misma cantidad de material que entra por abajo es derramado por su parte superior.
La curva C=C(t) tendría una forma como la que sigue:
El tiempo de carga óptimo es el que minimiza el coste unitario de producción U(t):
El coste horario del equipo, si este está formado por “n” traíllas, a un costo horario de “T” ptas/h, y “m” topadoras, a un coste horario de “E” euros/h, será:
Coste horario del equipo=n·T+m·E euros/h
La productividad horaria del equipo va a depender de si faltan o sobran traíllas.
* Si faltan traíllas, serán estas las que condicionen la producción total del equipo, que será:
En este caso
para encontrar el mínimo, derivamos e igualamos a cero:
Por consiguiente, para el cálculo del tiempo de carga óptimo basta con buscar la tangente de la curva de carga desde un punto situado a una distancia “a” del origen. “a” es el período del ciclo de la mototraílla que no se emplea en la carga.
* Si sobran traíllas, las topadoras condicionarán la producción total del equipo, que será:
En este caso
para encontrar el mínimo, derivamos e igualamos a cero:
Por tanto, de forma análoga al caso anterior, para el cálculo del tiempo de carga óptimo basta con buscar la tangente de la curva de carga desde un punto situado a una distancia “b/d” del origen.
Los terrenos considerados en un movimiento de tierras presentan una amplia variabilidad, no sólo en sus componentes sólidos, sino en su humedad, disposición, índice de huecos, etc., de forma que desde una roca sólida, hasta un suelo orgánico, se puede pasar por arcillas, limos, gravas, arenas, o cualquier combinación entre estos materiales, con mayor o menor cantidad de agua. Se tiene, por tanto un conjunto de materiales, más o menos heterogéneos, constituidos por una mezcla en las tres fases, sólida, líquida y gaseosa.
Estos materiales tendrán mayor o menor resistencia de remoción y arranque (penetración y separación) en función del peso específico, de su dureza, rozamiento interno o cohesión. Ello influirá en su facilidad de carga, y por tanto, se observa la estrecha relación que existe entre el tipo de material y la maquinaria elegida para su manipulación.
La clasificación de Kögler-Scheidig se basa en la dificultad con que se pueden arrancar los suelos con utensilios manuales empleados por los geólogos en los reconocimientos de terreno. Esta clasificación agrupa los materiales en una escala de 1 a 8 según su resistencia al arranque (ver Tabla).
Tabla: Clasificación de los suelos en relación a la dificultad de su arranque (según Kögler-Sheidig)
Son máquinas de ataque frontal para la excavación y carga de grandes masas, equipadas para ello de un equipo de excavación de empuje o frontal: cuchara frontal. Surgieron como alternativa a máquinas de arranque y carga (principalmente palas de ruedas), en trabajos en que la dureza del terreno, obligaba para poder utilizar a estas como máquina de carga a la escarificación previa del terreno, para obtener unos rendimientos altos. En terrenos comprendidos por su dureza entre escarificación media y voladura de terrenos blandos la pala frontal, por su mejor aprovechamiento de la fuerza de arrancamiento y su diferente forma de cargar, permitían el arranque directo del material, prescindiendo del tractor de escarificación y aportando por tanto una bajada importante de los costes de explotación.
La cuchara está colocada de forma que los dientes miran hacia el exterior, debido a esto, para cargarla hay que moverla de abajo hacia arriba, cayendo el material arrancado por los dientes dentro del cazo como en las palas cargadoras. A pesar de que las grandes máquinas de este tipo son específicas, existen modelos donde es fácil el cambio de equipo de uno frontal a uno de retroexcavación. Con todo, a una pala frontal se le exige mayor robustez, plumas, balancines y cucharas específicamente diseñadas para su trabajo.
El cucharón frontal puede configurarse con descarga frontal o de fondo. Estos últimos descargan mediante una puerta articulada que se abre mediante una apertura hidráulica que permite la salida del material. También se podrían recoger rocas del suelo utilizando este mecanismo tipo pinza. A pesar de ello el uso normal es la cuchara de descarga frontal, por menor coste y mantenimiento.
La máquina debe realizar esfuerzos de penetración y de excavación para realizar su trabajo. Éste puede ser de excavación y carga de materiales en banco o únicamente carga de materiales sueltos.
Sus posibilidades y aplicaciones son amplias, usándose en canteras de roca volada o de roca blanda, carga y descarga de grandes bloques extraídos de canteras, en bancos de arena o grava, y extracciones de mineral. Realiza cortes en laderas, abre zanjas y cimientos profundos. Su forma de trabajar efectiva es cuando excava el terreno desde el nivel de sustentación hacia arriba. Se utiliza fundamentalmente en excavación con carga directa a las unidades de transporte.
Os dejo un vídeo de una pala frontal, la Hitachi EX8000.
Referencias:
YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia, 158 pp.
En los trabajos ejecutados en zanjas se producen frecuentemente accidentes graves o mortales debidos al desprendimiento de tierras. Podemos considerar, con carácter general, peligrosa toda excavación que, en terrenos corrientes, alcance una profundidad de 0,80 m y 1,30 m en terrenos consistentes.
El Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos Técnicos de Madrid nos ofrece el siguiente documento (enlace) donde se definen las líneas generales de las medidas de seguridad y procedimientos de trabajo, que garanticen la seguridad de los trabajadores que tienen que llevar a cabo labores en el interior de zanjas y pozos, haciendo hincapié en los sistemas de entibación, como garantes de la estabilidad de las paredes de la excavación. Otro documento de interés es el NTP 278: Zanjas: prevención del desprendimiento de tierras, del Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo.
Os dejo un vídeo que grabé para mis estudiantes donde hago una introducción a las entibaciones.
A continuación os presento un vídeo del profesor José Ramón Ruiz, de la UPV, donde se explican los conceptos básicos de las entibaciones y las diferencias entre entibaciones cuajadas, entibaciones semicuajadas y entibaciones ligeras.
En este vídeo podemos ver alguna de las recomendaciones más importantes relacionadas con la seguridad en la ejecución de zanjas y entibaciones.
Igual os sorprende este vídeo sobre entibaciones realizado de forma original.
Referencias:
GARCÍA VALCARCE, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 pp.
GONZÁLEZ CABALLERO, M. (2001). El terreno. Edicions UPC, Barcelona, 309 pp.
IZQUIERDO, F.A. (2001). Cuestiones de geotecnia y cimientos. Editorial Universidad Politécnica de Valencia, 227 pp.
LAMBE, T.W.; WHITMAN, R.V. (1996). Mecánica de suelos. Limusa, México, D.F., 582 pp.
MINISTERIO DE FOMENTO (2002). Guía de Cimentaciones. Dirección General de Carreteras.
