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Unidades VSM (Vertical Shaft Sinking Machine) para perforación de pozos

Figura 1. Simulación de la Vertical Shaft Sinking Machine (VSM) de Herrenknetch trabajando con el pozo inundado a través de un terreno blando (cortesía de Herrenknetch).

Las unidades VSM (Vertical Shaft Sinking Machine) son equipos mecanizados diseñados para la construcción de pozos verticales en condiciones difíciles, como terrenos blandos intercalados con materiales más estables, suelos con resistencias a la compresión de hasta 140 MPa, presencia de aguas subterráneas o espacios confinados. Se utilizan en proyectos de túneles, accesos subterráneos, minería y soluciones urbanas, como aparcamientos subterráneos.

La VSM fue desarrollada por fabricantes como Herrenknecht a mediados de la década de 2000 y su uso se ha extendido internacionalmente debido a las ventajas en materia de seguridad y productividad que ofrece frente a los métodos convencionales. Su diseño modular le permite adaptarse a diferentes diámetros y profundidades, y su capacidad para operar en entornos urbanos y espacios confinados ha sido fundamental en proyectos como el sistema de túneles de Singapur y el metro de Nápoles.

 

Componentes principales:

Una unidad VSM se compone de:

  1. La VSM propiamente dicha, que incluye el bastidor, el cabezal de corte o tambor rozador equipado con picas y el brazo giratorio telescópico con capacidad de extensión de aproximadamente 1 m, que permite la excavación por «rebanadas» mediante un giro de 360°.
  2. Elementos auxiliares externos, encargados de controlar el descenso y la estabilidad, como zapatas de apoyo, winches y sistemas de control.

Estas máquinas suelen ser modulares y se adaptan al diámetro y a la profundidad requeridos. También pueden incorporar sistemas de monitorización digital para controlar el par de corte, el consumo de energía y las propiedades del lodo durante la excavación. Además, algunos modelos incluyen sensores avanzados que permiten predecir el desgaste de las picas y optimizar el rendimiento energético, lo que incrementa la eficiencia en obras de gran profundidad.

Figura 2. Elementos principales del Vertical Shaft Sinking Machine (VSM) de Herrenknetch (cortesía de Herrenknetch).

Proceso constructivo

El procedimiento de excavación y construcción con VSM consta de varias fases:

  • Inicio y excavación: la máquina se instala en el pozo de ataque y se fija a las paredes mediante brazos estabilizadores. El tambor rozador excava justo por debajo del anillo inferior metálico, facilitando el descenso de la estructura de hormigón.
  • Evacuación del material: el material excavado (detritos) se mezcla con agua para formar lodos, que son extraídos mediante bombas sumergibles de 200–400 m³/h. Posteriormente, los lodos se conducen a una planta de tratamiento externa, donde se separa el agua y se acondiciona el material sobrante para su gestión. En proyectos recientes, se ha implementado un sistema de reciclaje de lodos que reduce el consumo de agua hasta en un 40 %.
  • Estructura del pozo: el anillo inferior es de acero biselado, permitiendo que los anillos de hormigón se deslicen a medida que avanza la excavación. Los anillos prefabricados de hormigón se añaden desde la superficie y son empujados por cilindros hidráulicos (3 o 4 unidades habituales), conectados a través de cables de acero que soportan el peso total de la estructura.
  • Coordinación excavación-anillado: la excavación, el bombeo de ripios y el montaje de anillos deben sincronizarse cuidadosamente para evitar paradas prolongadas que comprometan la estabilidad del pozo. En obras internacionales, se ha documentado la integración de software de control automatizado que permite coordinar en tiempo real la excavación, el bombeo y el anillado, lo que aumenta la seguridad y reduce los retrasos.

Rendimientos y capacidades

  • Diámetros: las VSM pueden construir pozos de entre 4,5 y 19 m, en función del modelo y de las condiciones de la obra.
  • Profundidad: habitualmente alcanzan profundidades de hasta 85 m en terrenos heterogéneos, con registros documentados en proyectos internacionales.
  • Avance: la tasa de excavación varía entre 1 y 5 m/día, en función de la geología, el diámetro y el estado hidrogeológico. En terrenos blandos o con alta presencia de agua, el avance puede ser menor debido al mayor control de lodos requerido.

Gestión de lodos y sellado

Durante la excavación, el pozo permanece inundado con lodos bentoníticos, que garantizan la presión hidrostática y evitan derrumbes. Una vez alcanzada la profundidad final, se extrae el lodo y se procede a la instalación de la tubería.

  • El fondo del pozo se sella con un tapón de hormigón mientras permanece inundado.
  • El espacio anular se rellena con lechada de cemento.
  • Finalmente, se evacúa el lodo residual para dejar el pozo listo para su uso. Algunos proyectos incorporan sensores que monitorizan la presión y la composición del lodo durante la instalación del tapón para garantizar la integridad estructural.

Comparativa y ventajas

Frente a otros métodos de excavación vertical, como las Shaft Boring Machines (SBM), la VSM destaca por:

  • Montaje compacto y aplicabilidad en entornos urbanos.
  • Mayor seguridad al reducir la intervención manual en el frente.
  • Alta productividad en diámetros medianos y grandes con suelos blandos o saturados.

No obstante, la elección entre VSM y otras tecnologías depende de parámetros como el diámetro requerido, la profundidad y las condiciones geológicas.

Conclusión

Las VSM son una solución mecanizada, eficiente y segura para la construcción de pozos de gran diámetro en condiciones complejas. Su modularidad, su capacidad para operar en suelos saturados y la posibilidad de integrar tecnologías digitales de control las convierten en una herramienta esencial en proyectos de infraestructuras, minería y entornos urbanos. El uso de sensores avanzados y sistemas de control automatizado permite optimizar el rendimiento, aumentar la seguridad y reducir el impacto medioambiental de los proyectos a gran escala.

Os dejo algunos vídeos al respecto de esta máquina:

Referencias

Licencia de Creative Commons
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Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Segunda edición ampliada

Os presento la segunda edición ampliada del libro que he publicado sobre procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. El libro trata de los aspectos relacionados con los procedimientos constructivos, maquinaria y equipos auxiliares empleados en la construcción de cimentaciones superficiales, cimentaciones profundas, pilotes, cajones, estructuras de contención de tierras, muros, pantallas de hormigón, anclajes, entibaciones y tablestacas. Pero se ha ampliado esta edición con tres capítulos nuevos dedicados a los procedimientos de contención y control de las aguas subterráneas. Además, de incluir la bibliografía para ampliar conocimientos, se incluyen cuestiones de autoevaluación con respuestas y un tesauro para el aprendizaje de los conceptos más importantes de estos temas. Este texto tiene como objetivo apoyar los contenidos lectivos de los programas de los estudios de grado relacionados con la ingeniería civil, la edificación y las obras públicas.

Este libro lo podéis conseguir en la propia Universitat Politècnica de València o bien directamente por internet en esta dirección: https://www.lalibreria.upv.es/portalEd/UpvGEStore/products/p_328-9-2

El libro tiene 480 páginas, 439 figuras y fotografías, así como 430 cuestiones de autoevaluación resueltas. Los contenidos de esta publicación han sido evaluados mediante el sistema doble ciego, siguiendo el procedimiento que se recoge en: http://www.upv.es/entidades/AEUPV/info/891747normalc.html

Sobre el autor: Víctor Yepes Piqueras. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Universidad del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València. Número 1 de su promoción, ha desarrollado su vida profesional en empresas constructoras, en el sector público y en el ámbito universitario. Es director académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (acreditado con el sello EUR-ACE®), investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y profesor visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Imparte docencia en asignaturas de grado y posgrado relacionadas con procedimientos de construcción y gestión de obras, calidad e innovación, modelos predictivos y optimización en la ingeniería. Sus líneas de investigación actuales se centran en la optimización multiobjetivo, la sostenibilidad y el análisis de ciclo de vida de puentes y estructuras de hormigón.

Referencia:

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.

A continuación os paso las primeras páginas del libro, con el índice, para hacerse una idea del contenido desarrollado.

https://gdocu.upv.es/alfresco/service/api/node/content/workspace/SpacesStore/31b0d684-f0a7-4ee7-b8f4-73694e138d5e/TOC_0328_09_02.pdf?guest=true

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Drenaje horizontal con pozos radiales

Figura 1. Pozo Ranney. https://infogram.com/obras-de-toma-1g0n2owd8340p4y

Los pozos radiales o de drenes horizontales consisten en diversos tubos perforados horizontales, que se disponen desde un pozo revestido de hormigón, de un diámetro suficiente para permitir el acceso de varios operarios (Figura 1). El objetivo es extender el radio efectivo del pozo para aumentar el caudal específico de drenaje. De hecho, el pozo con drenes horizontales se comporta, considerando aparte las pérdidas de carga interiores, como un pozo vertical de gran radio.

Los pozos horizontales son útiles en suelos donde no se pueden utilizar zanjas drenantes, pozos profundos o wellpoints, no siendo recomendable en suelos estratificados. Es típico en excavaciones profundas a través de terrenos permeables (aluviales y zonas muy karstificadas), hasta llegar a una capa impermeable.

El agua fluye dentro del pozo desde los tubos perforados horizontales, bombeándose el agua al exterior. Los drenes se pueden perforar con cierta inclinación hacia arriba para penetrar en más de un horizonte de acuífero. Estos drenes se colocan mediante martillos neumáticos o por inyección. La longitud de los drenes varía en función del área a drenar, pudiendo variar de 30 a 100 m de longitud.

Figura 2. Esquema de pozo radial. http://ocw.bib.upct.es/pluginfile.php/6012/mod_resource/content/1/Tema_03_CAPT_AGUAS_SUB.pdf

Según el procedimiento constructivo para instalar los drenes horizontales, se denominan pozos Ranney, Fehlmann o Preussag:

  • Pozos Ranney: las perforaciones radiales se realizan con los mismos tubos filtrantes definitivos, quedando directamente instalados. Son tubos de acero, de paredes gruesas y ranuras alargadas en sentido longitudinal.
  • Pozos Fehlmann: utiliza tubos de perforación, de unos 250-300 mm de diámetro, que se retiran después de la colocación de los filtros, pudiéndose utilizar de nuevo. De esta forma se puede elegir el material y abertura de las ranuras de los tubos filtrantes según las propiedades químicas del agua y con la granulometría y permeabilidad del terreno.
  • Pozos Preussag: emplea tubos de perforación similares al sistema Fehlmann, colocando después prefiltros de arena. A veces la colocación de estos prefiltros puede ser complicada y difícilmente adaptable a posibles variaciones de la granulometría a lo largo del dren.

El procedimiento constructivo presenta dos fases características, la construcción del pozo central e instalación de los drenes horizontales. El pozo central se construye hincando cilindros de hormigón, de unos 3-4 m de diámetro, a medida que se excava. Este cajón se introduce en el suelo por el sistema de «cajones indios«, por excavación interior sin achique previo. Cuando la profundidad del pozo alcanza la cota prevista, se hormigona el fondo construyendo un tapón bajo el agua.

En el caso del sistema Fehlmann, los colectores se hincan con un equipo de empuje instalado sobre una plataforma en el fondo del pozo. Para facilitarla se coloca una punta reforzada, denominada piloto, que desagrega el terreno facilitando el avance. En el interior de estos tubos se colocan los tubos filtrantes, de forma que los tubos estancos se retiran para volverse a utilizar, quedan abandonado en el terreno el piloto. Este tubo con punta reforzada puede comunicar con el interior del pozo central por medio de una tubería auxiliar llamada tubería de desarenado. La presión del agua sobre los agujeros del azuche crea una corriente de agua a gran velocidad por el interior de la tubería de desarenado cuando se abre una válvula en el interior del pozo. Posteriormente durante el servicio de la captación, la cámara sirve como elemento receptor y depósito de los caudales extraídos y para facilitar las maniobras de cierre y apertura de cada dren.

Los rendimientos para construir un pozo de este tipo pueden ser de 5-7 m por semana para el pozo central y de 8-10 m diarios para la penetración de los tubos horizontales.

Figura 3. Hinca de tubería en sistema Fehlmann. http://ocw.bib.upct.es/pluginfile.php/6012/mod_resource/content/1/Tema_03_CAPT_AGUAS_SUB.pdf

Destacan las siguientes ventajas de los pozos radiales: permiten, para igual velocidad de flujo, caudales superiores a los pozos ordinarios; se puede regular cada colector por separado, pudiendo cerrarlos para el mantenimiento; baja velocidad de entrada del agua a los drenes (hasta 30 veces menor que en los pozos ordinarios), por lo que disminuyen los arrastres; no le afectan tanto las fluctuaciones del nivel freático como a los pozos ordinarios; además, como los drenes permanecen siempre sumergidos, se reducen los fenómenos de corrosión e incrustaciones. Sin embargo, es necesaria una fuerte inversión inicial y un alto grado de especialización en la construcción, con acuíferos no demasiado profundos (aunque hay realizaciones de hasta 70 m). Además, el hincado de los drenes limita su uso a acuíferos granulares poco compactos de granulometría variable.

El rendimiento hidráulico en estos pozos supera de 45 a 60% la producción de un pozo ordinario de diámetro similar, pudiendo llegar, en capas freáticas, a caudales de 200 a 400 l/s. Si los pozos están cerca de un río, el caudal sube de 750 a 1150 l/s.

Se puede estimar el caudal Q (m3/s) de un pozo radial en régimen normal de servicio en función de del radio del pozo r (m), de la altura del agua sobre la solera en régimen normal h (m) y del coeficiente de permeabilidad del terreno k (m/s):

De la ecuación se observa que el caudal depende del radio y de la altura del agua sobre la solera y como no se puede hacer mucho para aumentar esta última, debe actuarse sobre el radio, que puede ser grande.

Os dejo varios vídeos explicativos de este tipo de pozos radiales.

Os dejo a continuación un artículo donde se explica cómo se ejecutó un pozo Ranney, en este caso para aumentar el abastecimiento de agua en Málaga.

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REFERENCIAS:

  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • 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. (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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Electrobombas sumergibles para pozos profundos

Electrobomba sumergible para pozos (McNaughton)
Electrobomba sumergible para pozos (McNaughton)

Son bombas con rodetes radiales o semiaxiales de múltiples etapas superpuestas diseñadas para bombear desde pozos profundos (hasta 350 m) y de pequeña sección (4” a 14”). Se pueden impulsar caudales de hasta 450 m3/h. Constan de un motor eléctrico del tipo “jaula de ardilla” de 2 a 250 kW, provisto de estator con bobinado de conducciones especialmente aislado con PVC y compensador de dilataciones y contracciones por cambios de temperatura.

El factor más desfavorable para este tipo de bombas es la presencia de arena (daños a partir de más de 25 g de arena por m3). Análogamente hay que determinar la composición del agua, su pH, el contenido de CO2, etc. Estas circunstancias son importantes en el momento de elegir la bomba adecuada a la presencia de estos componentes corrosivos o abrasivos.

No son imprescindibles los cuidados de mantenimiento, no se producen averías por heladas, ni ocurren problemas de aspiración ni de ruido; estas circunstancias justifican la economía de su uso, siempre que los grupos utilizados estén bien proyectados y sean resistentes y equilibrados. Sin embargo, en caso de avería del motor se debe extraer toda la columna.

Os dejo un par de vídeos sobre la instalación de este tipo de bombas.

Referencia:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Raise Boring

Raise Boring constituye un procedimiento constructivo para la ejecución mecanizada de pozos o chimeneas entre dos niveles dentro de una mina o en un proyecto de ingeniería civil. Los niveles pueden ser subterráneos o, el superior, estar en la superficie. El procedimiento, desarrollado en la década de los 50 en Estados Unidos, consiste básicamente en perforar un barreno piloto y luego ensanchar la perforación hacia arriba mediante una cabeza escariadora. Se trata de un equipo de perforación que se instala por encima del terreno. Se taladra una perforación piloto, con un ángulo que puede ser de hasta 45º. Se perfora hasta llegar al túnel o caverna ya existente. Posteriormente se retira la broca piloto y se fija un escariador a la sarta de perforación, que amplía la perforación hacia arriba. Se han perforado con diámetros habituales entre 2 y 3 m, a unas profundidades de 100 a 200 m, aunque se han llegado a 6 m de diámetro y más de 2000 m de profundidad.

Entre las ventajas de este sistema se encuentra la alta seguridad y buenas condiciones de trabajo, la productividad más elevada que con explosivos (por ejemplo, método Jaula Jora),  el perfil liso de las paredes, la sobreexcavación inexistente y la posibilidad de realizar excavaciones inclinadas. En cuanto a los inconvenientes, la inversión elevada, el coste de excavación unitario elevado, la poca flexibilidad en dimensiones y cambios de dirección, las dificultades en rocas en malas condiciones y la necesidad de personal especializado.

Naples
http://miningandconstruction.com/construction/nice-ride-in-naples-2117/

Os dejo a continuación un vídeo para que veáis el funcionamiento de este tecnología.

En el vídeo que podemos ver a continuación, se puede ver la perforación de una chimenea de ventilación de 80 m de largo en la mina Condestable, en Mala-Lima-Perú.

Os dejo a continuación un vídeo de la empresa Herrenknecht donde podéis ver el procedimiento constructivo. Espero que os guste.

Por gentileza de Valen Fernández, del Departamento Técnico de Pedraplús, os dejo a continuación un documento que amplia la información sobre el sistema.

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Referencias:

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