perforación – El blog de Víctor Yepes

Microtúneles: Tecnología sin zanja para la construcción subterránea

Figura 1. Microtúnel.https://purewater-int.com/services/microtunneling/

La ingeniería civil ha desarrollado tecnologías avanzadas que permiten la instalación y el mantenimiento de infraestructuras subterráneas sin afectar significativamente a la superficie. Una de estas tecnologías, particularmente útil en áreas urbanas y entornos sensibles, es la de los microtúneles.

En este artículo, exploraremos los aspectos principales de los microtúneles, sus ventajas y limitaciones, los distintos tipos de escudos y los métodos de revestimiento, como el uso de dovelas y la hinca de tubería, que aseguran la estabilidad de los túneles.

1. ¿Qué son los microtúneles?

Los microtúneles son un tipo específico de tecnología sin zanja diseñada para instalar tuberías y conductos subterráneos a través de un proceso de perforación y revestimiento controlado, sin requerir excavaciones abiertas en la superficie. Estos túneles de pequeño diámetro suelen utilizarse para instalar colectores, redes de agua y sistemas de alcantarillado. A diferencia de otras técnicas de perforación, los microtúneles ofrecen mayor precisión y estabilidad estructural, ya que se utilizan tuneladoras y sistemas de guiado avanzados.

Ventajas de los microtúneles

Impacto mínimo en la superficie: Como no es necesario abrir zanjas, los microtúneles reducen las interrupciones en el tráfico y minimizan los daños en la infraestructura existente.
Menor impacto ambiental: Este método evita la remoción de grandes cantidades de tierra y reduce los desechos de la construcción, por lo que es una opción más ecológica.
Ideal para áreas de difícil acceso: Al requerir solo pozos de entrada y salida, los microtúneles son ideales para trabajos en áreas urbanas densamente pobladas o bajo infraestructuras ya existentes.

Limitaciones de los microtúneles

Costos iniciales elevados: La maquinaria y planificación requerida pueden aumentar los costos, especialmente en terrenos sencillos donde una excavación tradicional sería suficiente.
Necesidad de estudios geotécnicos detallados: Para asegurar el éxito del proyecto, es necesario un análisis exhaustivo del tipo de suelo, así como un diseño específico para el trazado y la maquinaria a emplear.

2. Maquinaria y equipos utilizados en la perforación de microtúneles

La construcción de microtúneles requiere diferentes tipos de escudos, que son dispositivos que protegen el frente de excavación y facilitan la extracción de material. El tipo de escudo elegido depende de las características del terreno y de las especificaciones del proyecto.

Tuneladoras de escudo abierto

Los escudos abiertos son los más básicos y se utilizan en terrenos cohesivos y por encima del nivel freático. Su diseño permite que el personal trabaje dentro del escudo y retire el material excavado mediante cintas transportadoras o vagonetas. Sin embargo, su principal limitación es que no pueden prevenir derrumbes, lo que los hace adecuados solo para suelos estables. Existen versiones que utilizan aire presurizado para estabilizar el entorno en algunas condiciones.

Tuneladoras de escudo cerrado

Las tuneladoras de escudo cerrado son las máquinas principales utilizadas en los microtúneles. Estos equipos están diseñados para evitar derrumbes y permiten un control preciso sobre la extracción del material excavado. Existen dos tipos principales de tuneladoras de escudo cerrado:

Tuneladora EPB (Earth Pressure Balance): Equilibra la presión en el frente usando el propio material excavado, lo cual es especialmente útil en terrenos arcillosos. Además, utiliza espumas y polímeros para estabilizar el suelo.
Tuneladora hidroescudo: Este tipo de tuneladora utiliza lodos para estabilizar el frente de excavación, lo que resulta especialmente útil en suelos arenosos o bajo el nivel freático.

Ambos tipos de escudos permiten extraer el material en seco o húmedo, asegurando una operación segura y eficiente en diversas condiciones geológicas.

Figura 2. Tuneladora EPB. https://www.gypsum.in/microtunneling/

3. Métodos de revestimiento en microtúneles

Un aspecto importante en la construcción de microtúneles es el revestimiento, que garantiza la estabilidad y durabilidad del túnel, especialmente en terrenos inestables. Existen dos métodos principales de revestimiento: el método de dovelas y el método de hinca de tubería.

Revestimiento con dovelas

Este método consiste en el uso de dovelas, secciones de anillo prefabricadas, que se ensamblan en el interior del túnel a medida que avanza la tuneladora. El procedimiento implica montar las dovelas dentro de la máquina y posteriormente inyectar mortero en el trasdós para garantizar la estabilidad del revestimiento y evitar filtraciones. Este método permite construir túneles con radios de curvatura pequeños, adaptándose a trazados complejos y de gran diámetro.

Revestimiento con hinca de tubería

El revestimiento con hinca de tubería es ideal para túneles de menor diámetro y consiste en empujar tramos de tubería prefabricada desde el pozo de ataque hasta el pozo de salida. Este proceso puede incorporar estaciones intermedias para longitudes extensas, y utiliza bentonita como lubricante para reducir la fricción durante la hinca. La principal ventaja de este método es que no requiere que el personal opere dentro de la tuneladora y facilita la alineación precisa gracias al sistema de guiado continuo.

Ambos métodos de revestimiento cumplen la función de asegurar la estabilidad y el sellado del túnel, aunque su selección dependerá de las características específicas del proyecto.

4. Planificación y ejecución de un proyecto de microtúnel

Para llevar a cabo un proyecto de microtúnel, es fundamental una planificación detallada que incluya:

Estudios geotécnicos: Analizar el tipo de suelo es esencial para definir el equipo y las técnicas de excavación adecuadas, especialmente en terrenos variables o inestables.
Selección de tuneladora y herramientas de corte: La tuneladora debe ser seleccionada en función de las condiciones del suelo, y equipada con herramientas de corte específicas.
Diseño del pozo de ataque: Los pozos de entrada y salida deben ser diseñados para facilitar el montaje y operación de la tuneladora.
Sistema de guiado: Un sistema de guiado, como un teodolito láser motorizado, asegura que la perforación siga el trazado previsto, evitando desviaciones que podrían afectar la estructura del túnel.

5. Caso de estudio: El colector de Valdemarín

Un ejemplo destacado de aplicación de los microtúneles es el proyecto del colector de Valdemarín, en el que se utilizó una tuneladora EPB con dovelas para construir un colector de aguas en un terreno arenoso y de alta abrasividad. El colector, con un diámetro nominal de 2760 mm, fue diseñado para superar el reto de excavar bajo un nivel freático considerable y con una geometría compleja, incluyendo curvas de pequeño radio. Gracias a la tecnología de microtúnel, fue posible instalar el colector, minimizando el impacto en el entorno urbano y controlando el proceso de excavación en un suelo particularmente desafiante.

Conclusión

Los microtúneles son una solución avanzada para la construcción subterránea, especialmente útil en entornos urbanos densos y ambientalmente sensibles. Con diversas opciones de escudos (abiertos y cerrados) y métodos de revestimiento, como las dovelas y la hinca de tuberías, esta tecnología proporciona flexibilidad y precisión en una amplia gama de condiciones geológicas. La implementación de microtúneles sigue siendo una herramienta clave para el desarrollo de infraestructuras subterráneas sostenibles, ya que minimiza el impacto en la superficie y optimiza el proceso constructivo.

Os dejo algunos vídeos para ilustrar esta técnica constructiva.

Referencias:

FRENCH SOCIETY FOR TRENCHLESS TECHNOLOGY (FSTT). Microtunneling and Horizontal Drilling: Recommendations. John Wiley & Sons, 2010.

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

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Energía específica en los equipos de perforación y excavación mecánica

Figura 1. Energía específica requerida para diferentes sistemas de excavación.

La energía específica, también conocida como Specific Energy (SE) en inglés, se define como la cantidad de energía consumida para excavar un volumen unitario de roca. Esta medida se expresa en diversas unidades, tales como MJ/m, KW-h/m³, hp-h/yd³ o hp-h/t, que relacionan la energía consumida con el volumen excavado.

Es importante destacar que la energía específica tiende a aumentar cuando se busca producir partículas de un tamaño menor en una misma roca. Este incremento está directamente relacionado con el aumento de la resistencia a compresión de la roca en cuestión.

La energía específica requerida para la excavación de una determinada roca dependerá de dos factores clave: la separación de los cortadores (S) y su profundidad de ataque (P). El ratio entre estos dos parámetros, denominado S/P, se convierte en un elemento crucial al seleccionar equipos. Para rozadoras tipo “drag”, este ratio varía entre 2 y 4, mientras que para cortadores de discos oscila entre 10 y 20.

En términos prácticos, la energía específica desempeña un papel esencial al determinar los ratios de avance (m/h o m/día) de una máquina. Esta información se revela como un indicador clave para optimizar la eficiencia y el rendimiento de los equipos utilizados en la excavación de rocas.

La Figura 1 presenta el espectro de la energía específica necesaria para la fragmentación de una roca mediante diversos sistemas de excavación comúnmente utilizados.

El ratio de producción instantáneo (IPR, en inglés) de un equipo se puede calcular de la siguiente forma:

El ratio lineal de avance (ROP, en inglés) de un equipo se calcula de la siguiente forma:

El ratio de avance diario (AR, en inglés) de un equipo es:

La tabla que se presenta a continuación resulta útil para anticipar el ratio de producción (IPR) y el ratio de avance (AR) de un equipo mecánico, todo ello fundamentado en la energía específica.

Referencias:

MARTÍNEZ-PAGÁN, P. (2023). Laboreo de minas. 3.º Curso – GIRME – Ingeniería de Minas. Universidad Politécnica de Cartagena.
ROSTAMI, J. (2011). Mechanical Rock Breaking. In SME Mining Engineering Handbook, 3rd Edition, Darling, P. (Ed.), Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, 417-434.
YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209.
YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

Curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de Ingeniería Civil y Edificación.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Predicción del ratio de avance de un minador continuo

Figura 1. Minador continuo excavando. https://www.exms.co.za/expert-camera-systems/continuous-miner-camera-system/

Los minadores continuos (continuous miners, en inglés), son equipos para la excavación mecánica usados en minería subterránea. Crean huecos rectangulares empleando tambores de picas (6 m de ancho por 5 m de alto). Se emplean principalmente en minas de minerales blandos, tales como el carbón o la sal.

Existen equipos con posibilidad de llevar a cabo un sostenimiento simultáneo, lo que le permite avanzar 12 m sin retirarse. Un equipo puede producir unas 600 – 700 t/h de mineral. Este mineral se descarga a través de un transportador blindado a “shuttle cars”.

A continuación presento un ejercicio resuelto y un nomograma que puede ser útil para el cálculo del ratio de avance diario de un minador continuo. Se trata de una colaboración con el profesor de la Universidad Politécnica de Cartagena, Pedro Martínez Pagán.

Como podéis comprobar, existen vínculos comunes entre las especialidades de ingeniería civil y minas en muchos aspectos relacionados con la maquinaria y los procedimientos de construcción. Espero que os sea útil.

Para resolver este ejercicio, resulta de interés la tabla que presentamos en la Figura 2, donde se proporcionan valores de energía específica para varios tipos de excavadoras mecánicas.

Figura 2. Valores de energía específica para varios tipos de excavadoras mecánicas. Fuente: SME Mining Engineering Handbook (2011) – Rostami et al. (1994).

También podéis utilizar este nomograma, elaborado junto con los profesores Pedro Martínez Pagán y Jamal Rotami, que espero os sea útil.

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Referencias:

ROSTAMI, J. (2011). Mechanical Rock Breaking. In SME Mining Engineering Handbook, 3rd Edition, Darling, P. (Ed.), Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, 417-434.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Construcción de túneles mediante perforación y voladura

Figura 1. Operaciones básicas integrantes del ciclo de excavación de túneles con explosivos

A pesar del avance tecnológico, la técnica de perforación y voladura sigue siendo popular en la excavación de túneles debido a sus ventajas. A diferencia de la excavación mecánica, la técnica de explosivos es versátil, trabajando con varios tipos de roca y secciones de obra. Además, se adapta a otros trabajos, es fácilmente transportable y la inversión inicial es reducida. Se trata de un método de frente abierto, que consiste básicamente en la realización de unos taladros que posteriormente se cargan con explosivos y se detonan. Los gases de la explosión penetran en las fracturas y desmenuzan la roca.

La técnica de arranque con explosivos se utiliza en rocas de alta resistencia con una velocidad sísmica del orden de 2000 a 2500 m/s, dependiendo de las condiciones del terreno o de la abrasividad de las rocas. Es aplicable a rocas con una resistencia a la compresión de 80 MPa o superior, incluso las más duras, lo que la hace más eficiente que la excavación mecánica. En estos casos, la excavación mecánica puede resultar antieconómica debido a la pérdida de rendimiento y el consumo de elementos de desgaste. Además, la técnica de perforación y voladura es más flexible y puede adaptarse a cambios litológicos o trastornos tectónicos en el terreno.

La técnica de excavación con explosivos consiste en realizar taladros en el frente de excavación, cargarlos con explosivos y detonarlos. Para perforar se emplean equipos como “jumbos” o carros perforadores. Uno de los principales objetivos de una buena voladura es evitar el deterioro excesivo de la roca circundante a la excavación, ya que una voladura inadecuada puede provocar sobreexcavaciones y caídas de bloques que generan problemas de estabilidad adicionales. Por lo tanto, es necesario efectuar voladuras controladas y técnicas como el precorte o las voladuras suaves para minimizar el daño estructural al terreno. En la Figura 1 se muestran las operaciones básicas que componen el ciclo de excavación de túneles con explosivos.

Los taladros se ajustan a una longitud de avance de entre 1 y 4 metros, según la resistencia de la roca. Aunque hay diferentes disposiciones de taladros, todas ellas deben atenuar el confinamiento generado por la onda expansiva, ya que solo hay una cara de salida disponible.

Figura 2. Zonas de una voladura en un túnel

La técnica de voladura en el frente de ataque consiste en una explosión controlada que se lleva a cabo mediante una secuencia. Se utilizan detonadores de retardo de milisegundos para activar las diferentes áreas de la carga en momentos distintos. Es necesario que en un principio se cree un hueco libre con los barrenos de cuele y contra-cuele, hacia el cual romperán las cargas restantes de la sección. Luego, se vuela la destroza y se da forma a la sección del túnel con los barrenos del piso (zapateras) y los barrenos de recorte o contorno.

La excavación de túneles puede llevarse a cabo en secciones completas o, si son demasiado grandes, por fases, empleando galerías de avance, destrozas laterales y/o banqueo del suelo. Los jumbos modernos presentan una ventaja significativa en comparación con los topos y minadores. A diferencia de los topos que solo pueden excavar secciones circulares y de los minadores que tienen una capacidad de cobertura limitada, los jumbos actuales pueden utilizarse para trabajos de perforación para el sostenimiento y tienen una gran movilidad que les permite desplazarse fácilmente de un frente a otro.

En términos de inversión, los equipos de perforación tienen un costo inferior en comparación con los minadores o topos para una misma sección de excavación. Por lo tanto, en obras lineales de reducida longitud, es el sistema más recomendable para su amortización e incluso se puede destinar a la ejecución de otras obras distintas.

Sin embargo, el arranque con explosivos presenta algunos inconvenientes en comparación con la excavación mecánica. Por ejemplo, los perfiles de excavación pueden ser más irregulares y la alteración del macizo rocoso remanente puede ser intensa si las voladuras no se disparan empleando técnicas de contorno en el perímetro. Ambos aspectos pueden aumentar los costos del sostenimiento y, sobre todo, del revestimiento mediante hormigonado.

Además, si se realizan perforaciones con explosivos en zonas urbanas, las vibraciones generadas por las voladuras pueden ser un factor limitante. Es necesario proteger la integridad de las edificaciones y otras estructuras subterráneas y evitar las molestias a las personas.

Ciclo básico de perforación y voladura

En primer lugar, es importante tener en cuenta que la excavación de túneles en roca usando la perforación y los explosivos es una operación cíclica y no continua.

El ciclo básico de excavación mediante perforación y voladura consta de las siguientes operaciones. Si solo se excava la parte superior y un banco en lugar de todo el frente, se tendrá un ciclo doble más complejo:

Perforación de barrenos en el frente a un patrón y profundidad adecuados.
Retirar el equipo perforador.
Carga del explosivo y retirada del personal.
Detonado de las cargas.
Evacuación de humos y ventilación.
Saneo de los hastiales y bóveda y bulonado.
Carga y transporte del escombro.
Labores de sostenimiento y gunitado.
Replanteo de la nueva voladura.

El tiempo que se tarda en completar un ciclo de excavación para un túnel con sección completa o de calota, en caso de que el avance se realice en varias fases, suele ser de uno a dos turnos, según la sección y el tipo de sostenimiento requerido. La distribución de tiempos suele seguir la tabla que se presenta a continuación:

Perforación de barrenos	10 – 30%
Carga del explosivo	5 – 15%
Voladura y ventilación	5 – 10%
Saneo y desescombro	15 – 35%
Sostenimiento	65 – 10%

En la tabla se puede observar que el tiempo destinado al sostenimiento en la sección de avance puede llegar a superar el 50% de la duración total del ciclo en los casos más desfavorables. Por otro lado, en la sección de destroza, estos tiempos suelen ser generalmente del orden de la mitad e incluso inferiores.

En general, se recomienda utilizar una tuneladora (TBM) para excavar túneles de más de 4,5 km de longitud y la técnica de perforación y voladura para túneles de menos de 1,5 km (ver Figura 3). Sin embargo, es importante tener en cuenta que esta es una guía general y que cada proyecto debe ser evaluado en función de factores específicos que puedan influir en la elección del método de excavación. Por ejemplo, puede haber casos en los que un túnel de 5 km se excave mediante la técnica de perforación y voladura en lugar de un TBM, o viceversa, en función de factores como la geología, la geometría, el impacto ambiental y los plazos de ejecución. Para los túneles cuya longitud está comprendida entre los 1,5 km y los 4,5 km, los costos de ejecución pueden ser similares, pero se deben tener en cuenta otros factores para tomar una decisión informada sobre el método de excavación más adecuado.

Figura 3. Coste según longitud del túnel excavado para los métodos con TBM y perforación y voladura. https://bestsupportunderground.com/tbm-perforacion-voladura/

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.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Nomograma para el cálculo de la perforación a percusión con cable

Perforación a percusión con cable. https://www.massenzaperforadoras.es/la-perforacion-de-percusion/

La perforación a percusión con cable es un método de perforación vertical que se basa en el golpeteo de un trépano pesado que se eleva con un cable y cae por gravedad, fragmentando el suelo. Este método se utiliza en terrenos de dureza media a baja o en terrenos duros que sean frágiles, pero se desaconseja en terrenos detríticos no cohesionados, muy duros, abrasivos y plásticos. La frecuencia de golpeo se encuentra en el rango de 40 a 50 impactos por minuto, y se logran rendimientos medios de 2 a 4 m/día en materiales duros y de 10 a 20 m/día en materiales blandos. La altura de caída del trépano depende de la dureza del terreno y de la profundidad del fondo de perforación.

Aquí os traigo un nomograma original, elaborado en colaboración con los profesores Pedro Martínez-Pagán y Daniel Boulet, en el que se puede calcular las características propias de este método de perforación, tales como el peso de la sarta de perforación, la velocidad media de la herramienta o la potencia necesaria de la máquina. También os paso un problema resuelto, que espero sea de vuestro interés.

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Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 2009.

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Tipos de perforación rotopercutiva con martillos hidráulicos

Figura 1. https://www.monografias.com/trabajos68/tubos-exploracion-taladros-explotacion-subterranea/tubos-exploracion-taladros-explotacion-subterranea2

La perforación rotopercutiva con martillos hidráulicos es el método predominante en las voladuras a cielo abierto. Dentro de esta técnica se identifican tres grupos principales. De los dos primeros ya hemos hablado en sendos artículos dentro de este blog.

El primer grupo son los martillos en cabeza, donde la rotación y percusión ocurren fuera del barreno y se transmiten mediante la espiga y la sarta hasta la boca de perforación. Los martillos pueden ser neumáticos o hidráulicos, siendo estos últimos los más comunes. El rango de perforación es hasta 89 mm de diámetro y profundidades máximas de 15-20 m debido a las pérdidas de energía que se producen en la transmisión de la percusión a través del varillaje, siendo la desviación que es mayor en comparación con otros grupos. Las ventajas incluyen menor coste de equipo y energía, accesorios de perforación más económicos que en el caso de los martillos de fondo, mayor velocidad de perforación y facilidad de automatización de los equipos. Sin embargo, sus desventajas son mayor desviación y mantenimiento más complejo.

El segundo grupo es el martillo en fondo, donde la percusión se realiza directamente sobre la boca de perforación y la rotación se efectúa en el exterior del barreno. El pistón se acciona mediante aire comprimido o agua, mientras que la rotación puede ser neumática o hidráulica. El rango de perforación va desde 89 mm a 250 mm de diámetro y profundidad máxima de 60 m. Las ventajas incluyen velocidad de perforación constante con la profundidad, menor desgaste en la boca y mayor vida útil del varillaje. Las desventajas son menor velocidad de perforación y mayores costos de fungibles, como los tubos y las bocas. Además, se puede perder el martillo si se sufre atrancamiento el fondo del barreno.

El tercer grupo es el Sistema COPROD, que combina la tecnología de martillo en cabeza y en fondo para la perforación. Se utilizan perforadoras similares a las de martillo en cabeza, pero se lleva a cabo la percusión y la rotación del martillo por separado, lo que aúna la velocidad de perforación del martillo en cabeza con la menor desviación del martillo en fondo. El varillaje transmite la percusión y el aire de barrido necesarios hasta la boca del pozo. La rotación también se realiza desde la superficie mediante una tubería exterior unida al varillaje mediante guías, lo que proporciona mayor rigidez y peso y reduce el espacio entre las paredes del barreno y el varillaje. Entre las ventajas se incluyen el aumento del diámetro de perforación, menor riesgo de atranques, menor consumo de energía, mayor vida útil de los accesorios de perforación y menor desviación en comparación con otros métodos. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el COPROD puede ser más costoso que otros métodos.

Os dejo algunos vídeos explicativos sobre la perforación COPROD que espero os sean de interés.

Referencias:

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.
YEPES, V. (2022). Maquinaria para sondeos, movimientos de tierras y construcción de firmes. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 22.

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Evolución de las perforadoras con martillo en cabeza

Perforadora con martillo en cabeza. https://psvperforacion.com/productos-bburg/

La perforación con martillo en cabeza es un sistema clásico que ha utilizado el accionamiento neumático. De este tipo de perforadora ya hemos hablado en un artículo anterior. Sin embargo, hoy en día está siendo desplazado por los martillos en fondo y equipos rotativos. De hecho, desde la aparición de los martillos hidráulicos en la década de los 70, este sistema ha visto resurgir su utilidad y campo de aplicación.

¿Cuál es la razón por este cambio de tendencia? La justificación es muy sencilla. Basta emplear las ecuaciones básicas de la energía y la potencia desarrollada por el pistón de este tipo de perforadoras. En efecto, la energía cinética que alcanza el pistón es proporcional a la presión de aire, a la superficie del pistón y a la longitud de carrera. Para calcular la potencia bastará calcular el número de impactos (energía cedida) en la unidad de tiempo (impactos por minuto).

Por tanto, ante dos perforadoras de la misma potencia, una produciendo pocos impactos por minuto (n), pero de gran energía, y otra con un elevado número de impactos por minuto (N), pero de pequeña energía, tendremos que la primera perforadora romperá más roca a cada golpe, pero la barrena sufrirá mucho, llegando en algunos casos a clavarse en la roca. La segunda cortará menos roca por impacto, de modo que no fatigará el varillaje ni clavará la barrena, siempre que su impacto supere la energía necesaria para romper esa menor cantidad de roca.

Por tanto, las perforadoras con un gran pistón, gran carrera y presiones bajas son una tendencia antigua que se sustituye por perforadoras hidráulicas, con altas presiones, pistones y carrera pequeños y gran número de impactos por minuto.

Os dejo a continuación la demostración de esta formulación que, espero, os sea de utilidad.

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Referencias:

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.
YEPES, V. (2022). Maquinaria para sondeos, movimientos de tierras y construcción de firmes. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 22.
YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Rendimiento en una perforación rotativa con triconos

Tricono con insertos. https://www.talleresegovia.com

En un artículo anterior se describió la perforación rotativa de rocas y la perforación con triconos. El principio utilizado por las perforadoras rotativas consiste en aplicar energía a la roca haciendo rotar un útil de corte o destroza conjuntamente con la acción de una gran fuerza de empuje. Actualmente, se emplean con frecuencia los trépanos triturantes o triconos, para lograr un alto rendimiento, alcanzando entre 60-100 m/turno, en profundidades de hasta los 200 m. Se usa en ingeniería civil con diámetros entre 100 y 300 mm. Sin embargo, en la industria petrolera, se han superado estos límites, alcanzando hasta 4500 metros de profundidad en España.

En este artículo vamos a presentar un problema resuelto de rendimientos y plazos en una perforación rotativa con triconos sobre una roca. Como podréis ver, muchas de las formulaciones empleadas son empíricas y, en este sector, sigue empleándose frecuentemente el sistema de unidades anglosajón.

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Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie: Tecnología y Seguridad Minera. Segunda edición, Madrid, 541 pp.

LÓPEZ JIMENO, C. (Ed.) (2000). Manual de sondeos. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid, 699 pp.

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2005). Temas de procedimientos de construcción. Extracción y tratamiento de áridos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2005.165. Valencia, 74 pp.

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Especialista en tecnologías sin zanja

Os anuncio a continuación la VI edición anual del Curso de Postgrado: ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍAS SIN ZANJA, que se desarrolla del 26 de octubre al 11 de noviembre de 2020 en la modalidad online, a través de la plataforma Microsoft Teams. Se trata un curso de 46 horas organizado por la Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (IbSTT).

Os adjunto el programa actualizado y el enlace para que puedan cumplimentar el boletín de inscripción, y la reserva de plaza: https://forms.gle/FyYRn9D8XmuENyj4A. Por cierto, podéis solicitar un “código de descuento de empresa asociada” del 10% si sois alumno mío o bien contacto, por ser miembro colaborador (dáis mi nombre al inscribiros y os harán el descuento).

También os paso, gratuitamente, la ponencia que imparto dentro del curso, que he colgado en Youtube, por si os resulta de interés. Se trata del Módulo 7-1: Aspectos generales: Peforación Horizontal Dirigida PHD.

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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. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.
YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

Curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de Ingeniería Civil y Edificación

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