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Introducción a la Perforación Horizontal Dirigida (PHD)

Esquema de Perforación Horizontal Dirigida

La Perforación Horizontal Dirigida PHD (HDD, de su acrónimo en inglés Horizontal Directional Drilling) para colocar nuevas tuberías sin zanja surgió de la fusión de las tecnologías empleadas en la captación de agua y del petróleo. Resulta sorprendente descubrir que Leonardo da Vinci inventó, en el siglo XV, la primera máquina de perforación horizontal que servía para introducir tuberías de madera. La primera instalación con PHD se realizó en 1971 con una tubería de acero de 180 mm para cruzar el río Pájaro cerca de Watsonville, California. Hoy es una técnica que se ha generalizado para franquear obstáculos como ríos, carreteras y zonas complicadas de atravesar mediante una excavación convencional. También se utiliza en las obras municipales para las conducciones de agua potable, gas natural, fibra óptica, cableados eléctricos, alcantarillado y similares cuando hay que cruzar edificios o calles.

Figura. Máquina de perforación horizontal ideada por Leonardo da Vinci, antes de 1495. Fuente: http://trenchless-australasia.com/

Lubrecht (2012) analiza las ventajas medioambientales de las técnicas PHD usadas en la descontaminación de suelos. Sin embargo, Ariaratnam y Proszek (2006) recuerdan los desorbitantes costes legales por daños a terceros en los que están incurriendo contratistas negligentes, tanto de PHD como de excavación tradicional. Ello obliga a sistemas muy precisos para detectar obstáculos y otras conducciones para evitar accidentes y explosiones (Jaganathan et al., 2011).

El movimiento de perforación habitualmente se realiza en un plano horizontal que contiene longitudinalmente a la línea de perforación, formada por la cabeza y la sarta de perforación. Al principio, con la técnica PHD en desarrollo, sólo se instalaban tuberías a presión y conductos de cables, sin que la inclinación fuera un parámetro crítico. Hoy las perforadoras cuentan con sistemas de guiado de alta precisión que permiten colocar tuberías de gravedad.

Se podría decir que la PHD es una técnica a medio camino entre la perforación de topo de percusión (impact moling) y el microtunelado. PHD proporciona un creciente número de opciones de instalación, pues la trayectoria de la perforación se puede cambiar en cualquier momento para sortear obstáculos superficiales o subterráneos. Las instalaciones habituales utilizan diámetros de 50 a 1200 mm y longitudes de hasta 2000 m. Si bien Allouche et al. (2000) indican que el 72% de las tuberías instaladas con PHD son de diámetros menores o iguales a 100 mm. Los materiales de las tuberías suelen ser de polietileno de alta densidad (PEAD), cloruro de polivinilo (PVC), acero y hierro dúctil. La fuerza de tiro se emplea para clasificar los sistemas PHD, pues está relacionado con el tamaño de máquina necesario, el diámetro del conducto a instalar y la longitud de perforación. Ariaratnam y Allouche (2000) proporcionan un buen compendio de recomendaciones y buenas prácticas relacionadas con esta técnica.

Os dejo a continuación un vídeo explicativo que introduce la técnica de la Perforación Horizontal Dirigida.

Referencias:

Allouche, E., Ariaratnam, S., and Lueke, J. (2000). Horizontal Directional Drilling: Profile of an Emerging Industry. Journal of Construction Engineering and Management, Volume 126, No. 1, pp. 68–76.

Ariaratnam, S. T., and Allouche, E. N. (2000). Suggested practices for installations using horizontal directional drilling. Practice Periodical on Structural Design and Construction, Volume 5, No. 4, pp. 142-149.

Ariaratnam, S. T., and Proszek, J. (2006). Legal consequences of damages to underground facilities by horizontal directional drilling. Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice, Volume 132, No. 4, pp. 342-354.

IbSTT Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (2013). Manual de Tecnologías Sin Zanja.

Jaganathan, A. P., Shah, J. N., Allouche, E. N., Kieba, M., and Ziolkowski, C. J. (2011). Modeling of an obstacle detection sensor for horizontal directional drilling (HDD) operations. Automation in Construction, Volume 20, No. 8, pp. 1079-1086.

Lubrecht, M. D. (2012). Horizontal directional drilling: A green and sustainable technology for site remediation. Environmental Science & Technology, Volume 46, No. 5, pp. 2484-2489.

Yepes, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.

Yepes, V. (2015). Aspectos generales de la perforación horizontal dirigida. Curso de Postgrado Especialista en Tecnologías Sin Zanja, Ref. M7-2, 10 pp.

Tecnologías sin zanja (trenchless)

Muchos servicios y canalizaciones se encuentran en zonas urbanas congestionadas. Su instalación, renovación o rehabilitación con métodos tradicionales de apertura de zanjas suponen grandes problemas e inconvenientes a la población. Las tecnologías sin zanja (trenchless) son a menudo económicamente más efectivas que las tecnologías de excavación con zanja (Yepes, 2014). Los plazos más cortos de ejecución, una mayor calidad en la construcción, un menor número de restricciones externas como el tráfico o el medio ambiente y la progresiva reducción de costes, está consolidando y extendiendo la tecnología de construcción sin zanja a nivel mundial. Por ejemplo, Tighe et al. (2002) afirman que la vida de un pavimento flexible se reduce aproximadamente el 30% de si se le abre una excavación. Además, los costes de mantenimiento y rehabilitación de dicho pavimento se incrementan notablemente. Por otra parte, son técnicas de bajo impacto ambiental pues evitan alteraciones en los biotopos naturales y en la afectación de la vida superficial. De hecho, Allouche et al. (2000) consideran que es el segmento de la industria de la construcción de las tecnologías sin zanja que más está creciendo. Cerca del 15% de las nuevas instalaciones subterráneas en Alemania se realizan con técnicas sin zanja (Bayer et al., 2005). Ma y Najafi (2007) explican el acelerado desarrollo de estas técnicas en China.

Os dejo a continuación un vídeo explicativo sobre este tipo de tecnologías, que espero os sea útil.

Referencias:

Bayer, H.J. (Editor) (2005). HDD Practice Handbook. Vulkan-Verlag, Essen, Germany

IbSTT Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (2013). Manual de Tecnologías Sin Zanja.

Ma, B., and Najafi, M. (2008). Development and applications of trenchless technology in china. Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 23, No. 4, pp. 476-480.

Tighe, S., Knight, M., Papoutsis, D., Rodriguez, V., and Walker, C. (2002). User cost savings in eliminating pavement excavations through employing trenchless technologies. Canadian Journal of Civil Engineering, Volume 29, No. 5, pp. 751–761.

Yepes, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.

Yepes, V. (2015). Aspectos generales de la perforación horizontal dirigida. Curso de Postgrado Especialista en Tecnologías Sin Zanja, Ref. M7-2, 10 pp.

Una nueva forma de instalar infraestructuras en el subsuelo

El día 10 de marzo de 2016, dentro de las actividades organizadas por el 22 Salón Internacional del Agua y del Riego que se celebran en Zaragoza, se desarrollará una jornada técnica denominada «Una nueva forma de instalar infraestructuras en el subsuelo». En dicha jornada tendré ocasión de intervenir con una ponencia sobre Perforación Horizontal Dirigida. La Jornada la organiza la Asociación Ibérica de Tecnología Sin Zanja IBSTT. Os dejo más información por si os interesa.

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Aspectos generales de la perforación horizontal dirigida

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Perforación percusiva por compactación (impact moling)

Figura 1. Topo de percusión. http://www.groundforce.uk.com/

La perforación por compactación con topo de percusión (impact moling o earth piercing) consiste en una perforación por impacto empleada en la instalación de tuberías con tecnología sin zanja (trenchless). La perforación se realiza sin necesidad de desplazar el suelo (compaction boring). El proceso de perforación es independiente de la inserción de la tubería.

Se utiliza un dispositivo en forma de torpedo que contiene en la nariz un martillo de movimiento alternativo que, al golpear, provoca una fuerza de impacto que impulsa el torpedo hacia delante. Puede avanzar entre 7 y 120 cm por minuto. Después se inserta un cable que sirve para tirar de la tubería que se va a colocar. Si el tubo es rígido, entonces se empuja a través de un orificio abierto.

Pueden abrirse diámetros de 30 a 180 mm en una sola operación, aunque con múltiples pasadas pueden alcanzarse los 200-250 mm de diámetro. Los martillos neumáticos de perforación horizontal se utilizan normalmente para distancias de entre 5 y 25 m. Este método requiere, aparte de los correspondientes planos actualizados de servicios, el uso de técnicas indirectas de localización de líneas de servicio y tuberías, como el georradar (GPR) y el detector electromagnético de servicios, para evitar afectarlas durante la perforación.

Impact moling — Figura 2. Esquema de la perforación percusiva (*impact moling*)

A continuación, os dejo algunos vídeos para que veáis cómo funciona este método.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.

El demoledor informe ASCE respecto a las redes de abastecimiento de agua potable

Rotura de la tubería de agua en Boston, 1925. Leslie Jones, Boston Public Library

Llevamos varios artículos reflexionando sobre la necesidad de durabilidad y mantenimiento de las infraestructuras. Ya se ha comentado varias veces que la crisis silenciosa, profunda y demoledora es la actual «crisis de las infraestructuras», con un efecto que, con la política actual de inversiones en mantenimiento, va a provocar en poco tiempo un gran impacto en la calidad de vida de los ciudadanos.

A este respecto, voy a hacerme eco del 2013 Report Card for America’s Infrastructure del ASCE. Se trata de un informe que califica el estado de las infraestructuras de todo tipo en Estados Unidos. En particular, nos centraremos en las infraestructuras de abastecimiento de agua potable, que han obtenido una calificación actual de D, por debajo de lo admisible. Los datos que se citan a continuación constituyen una auténtica bola de cristal que permite vislumbrar claramente lo que puede ocurrir en España con este tipo de infraestructuras. El documento completo lo podéis descargar en pdf aquí: http://www.infrastructurereportcard.org/a/documents/Drinking-Water.pdf

Existen casi 170 000 redes de abastecimiento de agua potable en Estados Unidos, de las cuales 54 000 son sistemas públicos que suministran agua a más de 264 millones de personas. Sin embargo, gran parte de la infraestructura del agua potable de Estados Unidos ha llegado al final de su vida útil y muchas de ellas tienen más de 100 años de antigüedad. Se estima en 240.00 roturas de tuberías de agua al año, lo cual significa que su reemplazamiento puede costar más de 1 billón (10¹²) de dólares, según datos de la American Water Works Association (AWWA). [No confundir los billones y trillones americanos con los europeos]

Si bien es cierto que se están ampliando continuamente estas redes de suministro, estos sistemas presentan componentes cuya vida útil puede oscilar entre 15 y 95 años. Este dato indica que gran parte de la infraestructura de las ciudades más antiguas del país debería reemplazarse de inmediato. Las roturas y los fallos provocan daños en las carreteras, problemas en caso de incendios, interrupciones en el transporte, el comercio, etc. Se estima que en Estados Unidos existen más de un millón y medio de kilómetros de tuberías enterradas en condiciones desconocidas. Algunas de ellas datan de la guerra de Secesión y no se inspeccionan hasta que existe un problema o una rotura. Las roturas son cada vez más comunes y se estima que superan las 240 000 cada año.

La determinación del estado real de las redes sería rentable, pues permitiría abordar su mantenimiento antes de que se produjeran fallos, lo que supondría un ahorro muy notable de los costes. Además, se podrían evitar sustituciones de tramos que estuviesen en buenas condiciones. La Environmental Protection Agency (EPA) estima que aproximadamente entre 6500 y 8000 kilómetros de tuberías se reemplazan anualmente. Sin embargo, para el año 2035, el pico de reposición anual podría oscilar entre 25 500 y 32 000 km. Además, una parte de las tuberías instaladas a mediados del siglo XX empezará a fallar masivamente.

En 2012, la AWWA estimó que el valor de reposición total de los más de millón y medio de kilómetros de tuberías es de aproximadamente 2,1 billones de dólares (2,1×10¹²) si se reemplazaran todas las tuberías simultáneamente. Si solo se actuara en los tramos en peor estado en los próximos 25 años, el coste sería de un billón de dólares aproximadamente.

El presupuesto de reposición se duplicará, pasando de los aproximadamente 13 000 millones de dólares anuales a los casi 30 000 millones (en dólares de 2010) en la década de 2040, lo que supondrá un encarecimiento muy importante de la facturación del agua y los impuestos locales. El retraso en la inversión puede degradar el servicio de abastecimiento de agua potable, lo que aumentará las interrupciones del servicio y los gastos en reparaciones de emergencia.

Según la AWWA, en el horizonte de 2050 se necesitarán más de 1,7 billones de dólares. Las previsiones de la EPA son más conservadoras, pues no tienen en cuenta el crecimiento de la población. En 2007, hicieron una previsión a 20 años de 334,8 mil millones de dólares para 53 000 redes públicas y 21 400 redes de entidades sin ánimo de lucro. Se necesitarían 199 mil millones de dólares para los sistemas de distribución, 67 mil millones para los sistemas de tratamiento de aguas y 39 mil millones para el almacenamiento del agua.

Estas necesidades se traducen en más de 1000 dólares por persona en gran parte de los Estados Unidos. Estas necesidades no se están cubriendo al ritmo necesario. En 2008, los gobiernos estatales y locales estimaron un gasto anual total de 93 000 millones de dólares en aguas residuales e infraestructura de agua potable. Las asignaciones del Congreso han disminuido durante el periodo 2008-2012, con una asignación de solo 6,9 mil millones de dólares, con un promedio de 1380 millones de dólares anuales, o lo que es lo mismo, 27,6 mil millones en 20 años. Esto es solo el 8 % de las necesidades identificadas por la EPA.

Los emisarios submarinos

Un emisario submarino, en el ámbito de la ingeniería sanitaria, es un conducto mediante el cual se bombea el agua residual, tras un tratamiento primario, para conducirla a una cierta distancia de la costa. Al final de la tubería se instala un tramo de tubo perforado, llamado difusor, que facilita la difusión del agua servida en el cuerpo receptor.

Para entender este tipo de obra y su funcionamiento, os recomiendo el siguiente Polimedia de la profesora P. Amparo López, de la Universitat Politècnica de València. Se presentan las partes del mismo y las metodologías de cálculo para el diseño preliminar. Espero que os guste.

La hinca de tubos es una solución constructiva que presenta grandes ventajas frente al método tradicional de apertura de zanjas en la construcción de emisarios submarinos.

A continuación os dejo un vídeo resumen de la obra de construcción del emisario submarino de Pinedo en Valencia, del que José Álvarez fue autor del proyecto y director de la obra de construcción. Las características de este emisario eran las siguientes: caudal = 8,5 m³/s. Conducción de hormigón armado, camisa de chapa, diámetro interno: 2500 mm y diámetro externo: 3200 mm. Longitud del emisario: 3800 m. Difusor en PEAD, de forma Y, de 561 m por brazo. Diámetros 1600, 1200, 800, 560, 400 y 280 mm. Bocas difusoras totales = 340 ud. El procedimiento de construcción consistió en el lanzamiento continuo y el arrastre de la tubería por el fondo marino, también denominado bottom pull. Espero que os guste.

Otro vídeo de interés es el que os dejo a continuación. En él se explica el emisario submarino de Bens (A Coruña). El Emisario está diseñado para un caudal máximo de salida de 6,7 m³/s y el sistema consta de un equipo de desinfección por rayos UV, una cámara de carga y un tramo subterráneo en hinca de 560 m de longitud, de Ø int. 1800 y un tramo de emisario submarino fondeado en la zanja de 360 m realizado en tubería de PEAD de Ø int. 1600 con 14 tubos elevadores y dos válvulas antirretorno de 350 mm de diámetro interior por unidad.

Aquí os dejo la propuesta ganadora para la construcción del Emisario Submarino de la depuradora de Lagares (Vigo). Vídeo realizado por Proin4D para DRAGADOS-DRACE.