Procedimientos constructivos de pozos profundos para drenaje de excavaciones

Figura. commons.wikimedia.org (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist Seaman Ernesto Hernandez Fonte/Released)

Las tecnologías de perforación se utilizan en la construcción y la minería para una amplia gama de operaciones: sondeos de reconocimiento, ejecución de pilotes de desplazamiento, barrenado para explosivos y ejecución de pozos. Centrándose en la ejecución de pozos profundos cuya finalidad sea el control del nivel freático de una excavación, las técnicas empleadas son muy variadas.

La elección de la técnica más adecuada de perforación dependerá de la dureza y abrasividad del terreno, de la estabilidad de la perforación, del sistema de extracción de los residuos y de la posible extracción de testigos. No existe una correspondencia biunívoca entre una única técnica de perforación eficiente en todos los suelos y terrenos.

Normalmente, la forma tradicional de perforar un pozo en una zona determinada suele ser la de mayor eficacia, pues la experiencia suele decantar el mejor procedimiento. Sin embargo, conviene estar atento a las innovaciones y desarrollo de nuevas tecnologías que pueden suponer importantes ahorros en casos determinados.

A continuación se resumen brevemente alguna de las técnicas empleadas en la perforación de pozos empleados en el control de agua en obras de ingeniería, remitiendo al lector a otros artículos publicado en este blog relacionados para ampliar información al respecto.

La mejor opción pasa por entender las características litológicas del terreno y las limitaciones de cada método de perforación (diámetro y profundidad de la perforación). A todo caso, siempre se debe distinguir el diámetro necesario de la electrobomba sumergible a colocar en el pozo, el diámetro de la tubería de revestimiento y el diámetro de la perforación.

 

  • Perforación con inyección: Se hinca una tubería de revestimiento inyectando agua a presión a través de una segunda tubería interior. Este sistema es el utilizado en las lanzas de drenaje (wellpoint). El agua recircula los residuos al exterior, dejando la tubería limpia.

 

  • Perforación rotativa con balde o cazo (bucket auger boring): Se perfora con un cazo cilíndrico, a una profundidad máxima de unos 30 m, en terrenos sedimentarios no consolidados o poco cementados. Se puede perforar a un diámetro mínimo de 450 mm, aunque puede llegar a 900 mm, aunque los pozos de drenaje requieren menores dimensiones.

 

  • Perforación a rotación: El arranque de las partículas se realiza mediante el giro de una herramienta de corte que se impulsa por un varillaje. Se utilizan fluidos de perforación para extraer el residuo generado por el tricono o trialeta situado en la punta de la sarta de perforación. Es una técnica efectiva en diámetros de hasta 450 mm. La perforación directa o convencional hace circular al fluido de perforación por el interior del varillaje, retornando a la superficie, junto con el detritus, por el anillo formado por el varillaje y la perforación. En la circulación inversa el fluido entra por el espacio anular y se eleva a la superficie por el interior del varillaje. En el caso de circulación inversa el diámetro habitual es de 600 mm o mayor. Estas técnicas de rotación no suelen utilizarse habitualmente para la ejecución de pozos para el control de aguas subterráneas por su coste. Además, hay que tener presente que los fluidos de perforación, especialmente en el caso de la circulación directa, reducen la permeabilidad en suelos ya de por sí poco permeables.

 

  • Perforación a percusión con cable: Se basa en el golpeteo con una pesada herramienta de corte (trépano) que se eleva con un cable y que cae por gravedad, fragmentando el suelo. Frente a otros sistemas de perforación, es más lento que otros métodos alternativos, pero sus diámetros de perforación habituales de 400 a 700 mm son una ventaja, en una amplia variedad de suelos. No utiliza lodos de perforación para la estabilización de los suelos granulares perforados, empleándose, si fuera necesario, tubos para la contención del suelo (es el caso de formaciones no coherentes, granulares o arcillosas). No suele ser utilizado para pozos de drenaje, excepto si se reutiliza el sondeo realizado por un ensayo de bombeo previo, que requiere mayores diámetros. Se utiliza el método principalmente en rocas compactas, friables y de dureza media, así como en formaciones fisuradas, donde las pérdidas de lodos de perforación sea excesiva. Como inconvenientes cabe destacar la interrupción de la perforación para extraer el detritus por media de cucharas de limpieza, así como cierta dificultad de avance en suelos blandos, libres de piedras o rocas.

 

  • Perforación a rotopercusión: Es una técnica que combina la rotación con la percusión, empleándose en rocas duras y semiduras, donde la rotación no es económica. El principio de perforación de estos equipos se basa en el impacto de una pieza de acero llamada pistón, sobre un útil, que a su vez transmite la energía al fondo del barreno, por medio de un elemento final denominado boca o bit. Utiliza un martillo de fondo, accionado por la inyección de aire comprimido. El aire asciende por el espacio anular del sondeo arrastrando el detritus, al mismo tiempo que lubrifica la perforación. Junto al aire comprimido, se emplea espumante y agua para ayudar a la limpieza del sondeo. Aquí también existe la circulación directa e inversa.

 

  • Perforación con recubrimiento: Se trata la perforación dúplex o dual consistente en la entubación del taladro al mismo tiempo que se avanza en la perforación. Se basa en los mismos principios que la perforación a rotación en circulación directa, pero utilizando como fluido de perforación el aire y, en menor medida, el agua. Los dos métodos más extendidos de perforación con recubrimiento son los conocidos como método OD (overburden drilling) y método ODEX (overburden drilling with the eccentric). La técnica es rentable hasta diámetros de 300 mm y 50 m de profundidad, suficiente para una tubería de 225 mm y una bomba sumergible de 30 l/s. La experiencia indica que bastan perforaciones de 250 mm de diámetro, tuberías de 140 mm y bombas sumergibles de 7 l/s. Por debajo de 5 l/s se conocen como “pozos de baja capacidad” (low capacity wells).

 

  • Perforación sónica: Se trata de una tecnología reciente donde un cabezal hidráulico combina la presión descendente con impactos vibratorios de alta frecuencia (50-180 hz). Utiliza doble tubería, sin necesidad de fluidos de perforación, siendo una técnica poco invasiva en el medio ambiente. Su avance es rápido, pero sus diámetros actuales se limitan a 120 mm, lo cual es poco competitivo para su uso en pozos de drenaje. Sin embargo, no funciona óptimamente en suelos muy duros.

Destacamos, por último, la tendencia de los fabricantes de equipos de perforación para pozos de disponer de equipos multisistema con compresores, varillaje liso, varillaje de doble pared, etc., de forma que se pueden realizar perforaciones mixtas tanto a rotación a circulación inversa como a rotopercusión con un mismo equipo.

Os dejo vídeos explicativos sobre algunas de estas técnicas. Espero que os sean de interés.

Os dejo un vídeo donde se observa la ejecución de un pozo de drenaje.

REFERENCIAS:

  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Descabezado de muro pantalla

Figura 1. Descabezado con martillo rompedor manejado desde una retroexcavadora. http://www.generadordeprecios.info

Se define como descabezado la operación por la cual se retira el hormigón contaminado, o de inferior calidad o el exceso de la cabeza del muro-pantalla por encima del nivel de coronación previsto. Se trata de un procedimiento similar al descabezado de pilotes, tema que ya tratamos en un artículo anterior. A continuación vamos a describir brevemente los procedimientos usuales de descabezado de muros pantalla (Figura 1).

Son varias las razones por las que tenemos que descabezar un muro pantalla. En primer lugar puede ocurrir que hayamos rellenado a una cota superior a la teórica, pero lo más habitual es que el hormigón de la parte superior de las pantallas esté contaminado con los lodos de perforación o con el propio terreno, por lo que debe sanearse. Se debe realizar el descabezado del hormigón hasta el nivel de coronación usando equipos y métodos que no dañen al hormigón, la armadura o cualquier instrumentación instalada en los paneles. En particular, es importante respetar las armaduras del muro pantalla para que solapen con la viga de coronación. En ocasiones se utilizan equipos mecánicos pesado que pueden ocasionar un riesgo de fisuración extensiva, por lo que, en ocasiones, se debe restringir el tipo y tamaño de la máquina empleada.

Cuando sea posible, se puede descabezar por encima del nivel de coronación antes de que el hormigón haya fraguado. Sin embargo, se debe hacer el descabezado final hasta el nivel de coronación solo después de que el hormigón haya alcanzado la suficiente resistencia.

Una de las preguntas habituales es saber qué distancia hay que descabezar. La respuesta fácil es que la Dirección Facultativa, en función de la contaminación de la parte superior de la pantalla, es quien debería determinar la magnitud requerida. En una conversación técnica mantenida con Luis Miguel Salazar (PONTEM), me comentó que la norma NTE-CCP, que trata sobre pantallas, se determina lo siguiente: “la cota final de hormigonado rebasará a la teórica en al menos 30 cm. Este exceso en su mayor parte contaminado por el lodo, será demolido antes de construir la viga de atado de los paneles. Si la cota teórica coincide con la coronación de muretes se deberá hacer rebosar el hormigón hasta comprobar que no está contaminado“. Por tanto, ya tenemos una cota mínima: al menos 30 cm, pero la recomendación es comprobar la profundidad en la que el hormigón se encuentre contaminado.

Una de las formas habituales de descabezar el muro-pantalla es de forma manual con ayuda de martillos picadores. En la Figura 2 se puede ver esta operación. Se trata de un procedimiento que presenta poco rendimiento y que puede resultar penoso para los operarios. Es por ello que, en caso de descabezar grande volúmenes, es preferible desde el punto de vista económico y de rendimiento el uso de medios más mecanizados. Por ejemplo, en la Figura 3 se observa un martillo rompedor manejado desde del brazo de una retroexcavadora.

Figura 2. Descabezado de la pantalla con martillos picadores manuales. Cortesía: Geocisa

 

Figura 3. Descabezado de muro pantalla mediante martillo rompedor. http://www.gestionaobras.com/muros-pantalla-torremalilla/

El descabezado de muros pantalla mediante herramientas hidráulicas presenta ventajas respecto al uso de martillos rompedores: una mayor productividad, mínimo daño sobre el propio muro pantalla, la posibilidad de dejar la armadura intacta, no hay grietas por debajo del nivel de corte, bajos costes de operación y alta eficiencia.

Se puede realizar el descabezamiento de muros pantalla mediante un quebrantador hidráulico, de forma similar a los pilotes (ver Figura 4). Se trata de un cilindro quebrantador que funciona con el principio de cuña. Existen quebrantadores que pueden manejarse por un solo operario con una fuerza de quebrantación superior a las 4000 kN. El trabajo es silencioso, sin polvo ni vibraciones, de peso ligero y apto para utilizarse en espacios cerrados o de difícil acceso.

Figura 4. Descabezamiento de un pilote mediante quebrantador hidráulico. http://www.taladraxa.com/servicios/quebrantado/descabezado-de-pilote.html

También existen herramientas accionadas mediante gatos hidráulicos que permiten un descabezado limpio y preciso de la cabeza del muro-pantalla, tal y como podemos observar en las Figuras 5 y 6.

Figura 5. Descabezado de muro pantalla mediante gatos hidráulicos. http://geojuanjo.blogspot.com/2011/05/descabezando-muros-pantalla.html

 

Figura 6. Descabezador hidráulico de muros pantalla. https://www.pilebreaker.com/wall-breaker

Otra de las opciones que pueden utilizarse es utilizar unas mandíbulas hidráulicas que, literalmente, “se comen” el hormigón, rompiéndolo (Figura 7).

Figura 7. Descabezado de muros pantallas mediante mandíbulas. http://coynsa.com/derribos/demolicion-de-pantallas-de-hormigon-armado-en-macropozo/

También se pueden utilizar otros procedimientos como la hidrodemolición (ya se escribió sobre ello en un artículo sobre descabezado de pilotes) o bien se puede utilizar el fresado para el descabezado. Las Figuras 8 y 9 muestras dos tipos de máquinas que realizan un fresado de la cara interior del muro-pantalla. Sin embargo, la misma herramienta sirve para el descabezado, tal y como se puede ver en el vídeo que sigue.

Figura 8. Fresado de muro pantalla. http://www.retasur.com/servicios/fresado-de-pantallas-de-hormigon/

 

Figura 9. Fresado de muro pantalla. http://www.comportiz.com/fresado-de-muro-de-pantalla.html

 

 

Referencias:

ORDEN de 8 marzo 1983, Norma Tecnológica de la Edificación NTE-CCP, «Cimentaciones, Contenciones, Pantallas». BOE 16 abril 1983, núm. 91, pág. 10529.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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