Trabajo de Hidraulica Sis. Topo

Sistema de Alcantarillado Topo o de Hincamiento dirigido

INTRODUCCION En los das actuales se busca cada vez ms la manera de realizar obras causando el menor impacto posible en el medio ambiente, reduciendo los costos al mximo, buscando una gran productividad en obra y con el menor riesgo posible, para de esa manera, cumplir con los plazos propuestos con el menor costo posible respetando el medio ambiente y minimizando los riesgos. En este informe se mostrara el mtodo constructivo de Tubera Hincada(pipe jacking) y se comparara con el mtodo comn de zanja abierta , en lo que se refiere a plazo, costo, calidad y riesgos.

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1.0.- GENERALIDADES SOBRE ALCANTARILLADO La palabra alcantarillado designa la evacuacin de las aguas servidas (residuales), o de los efluentes lquidos de las viviendas a travs de un sistema de conductos. Se aplica a los sistemas de transporte de desechos por agua, es decir, la recoleccin de aguas residuales domsticas e industriales y su adecuado tratamiento.

El alcantarillado no se introdujo como aumento de la comodidad o para una mejor forma de vida. Se impuso como consecuencia de las epidemias de clera. Desde 1832, cuando Europa fue invadida por el clera, las personas tuvieron miedo de la enfermedad infecciosa asitica e instaron a los administradores pblicos a que empezaran a ejecutar programas de alcantarillado. Las bacterias patgenas que causan el clera fueron descubiertas por Robert Koch en 1883. 2.0.- EXCAVACIONES PARA ZANJAS DE ALCANTARILLADO Se entiende como excavacin a toda aquella extraccin de material de la corteza terrestre. Para la instalacin de los ductos de alcantarillado se deben realizar zanjas. Entendemos como zanjas los espacios confinados que se excavan generalmente para la colocacin y renovacin de redes de distribucin, canalizacin de aguas, drenajes, conducciones de gas, electricidad y comunicaciones, as como la ejecucin de cimentaciones tradicionales y especiales en edificacin. El ancho de excavacin para las zanjas ser siempre igual al especificado en los planos para cada dimetro y clase de tubera. La tolerancia nunca debe ser mayor de 5% del ancho especificado en los planos o el que autorice por escrito la interventora, y el exceso determinado de acuerdo con esta especificacin ser tratado como sobreexcavacin.

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2.1.- TIPOS DE EXCAVACIONES 2.1.1.- EXCAVACION MANUAL Es aquella que se realiza a travs de medios manuales sin el uso de maquinaria, sino solo de equipos y herramientas comunes como: pala, chuzo, picota, etc. Este tipo de excavaciones ya no se usan ya que suponen un gran gasto en mano de obra y el rendimiento se hace lento. Las excavaciones manuales se realizan preferentemente en terrenos blandos que no presenten rocas. 2.1.2.- EXCAVACION CON MAQUINARIA Es aquella que se realiza con la ayuda de maquinaria pesada como: Excavadoras, retroexcavadora u otras. El uso de la maquinaria se produce por la dureza de los terrenos, para aumentar el rendimiento y disminuir el tiempo de trabajo lo que finalmente reduce los costos asociados. La maquinaria se usa en terrenos blandos y duros, excluyendo aquellos que requieren del uso de explosivos. 2.1.3.- EXCAVACION CON EXPLOSIVOS Se utilizan en terrenos duros, aquellos que es imposible remover con el uso de equipos y herramientas comunes y aun con maquinaria pesada. Preferentemente se usan en terrenos rocosos. 3.0.- TIPOS DE EXCAVACIONES PARA COLOCACCION DE DUCTOS Actualmente es de uso comn la construccin de zanjas del tipo abierta para la instalacin de ductos y tuberas de alcantarillado, aguas lluvias y otros. Este mtodo es de gran eficacia cuando se construyen sistemas nuevos de evacuacin de aguas servidas y otros servicios, sin embrago presenta problemas cuando se deben intervenir sistemas existentes que se proyectan bajo calzadas y pavimentos que se encuentran en funcionamiento, ya que se tendrn que sacar las carpetas de rodado, excavar el terreno, entibar las paredes y abrir toda la zanja por donde se colocaran los ductos. Esto producir tarde o temprano problemas de trfico ya que para realizar los trabajos se necesitara cortar el trnsito vehicular. En estos casos se hace mucho ms eficaz el uso de tecnologa moderna como lo es el sistema topo o pipe jacking que se describe como un sistema guiado de perforacin que a travs de una tuneladora realiza una excavacin horizontal bajo tierra sin la necesidad de abrir una zanja en el terreno. Los tubos de concreto que se utilizaran como colectores se introducen en la tierra impulsados por la mquina que funciona a travs de gatas hidrulicas. El uso de esta tecnologa presenta muchas ventajas y desventajas frente al uso comn de zanjas. A continuacin se analizaran brevemente los dos sistemas:

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3.1.-

EXCAVACION MEDIANTE EL USO DE ZANJAS El sistema puede dividirse en 4 fases principales:

1. Excavacin de la zanja: Lo primero que se debe realizar es el escarpe del terreno y

el replanteo de la obra. Para realizar la excavacin lo comn es situar la retroexcavadora o excavadora en el eje de la zanja reculando la maquina a medida que se va avanzando hacia el frente Deber dejarse la superficie del fondo de la zanja limpia y firme, y escalonada si se requiere. Se elimina del fondo todos los materiales sueltos o flojos y se rellenan huecos y grietas. Se quitan las rocas sueltas o disgregadas y todo material que se haya desprendido de los taludes. A continuacin, y solo si fuese necesario, se extender la cama de asiento.2. Entibado de la zanja: El mayor

peligro en los trabajos de zanja o trincheras est en la limitacin de la anchura, puesto que una pequea cantidad de material desprendido puede rellenar toda la seccin con el consiguiente sepultamiento de los trabajadores. Por ello en este tipo de trabajos la entibacin adquiere una especial importancia, que debe ser obligatoria a partir de 1,20 m. La anchura de la zanja ha de ser tal que permita la ejecucin de los trabajos en presencia de entibaciones suficientes en nmero y dimensiones. Por entibacin se entiende la operacin por la que se sostiene y fija el terreno inestable con medios auxiliares, como tablones, paneles de madera, puntales, etc.

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3. Colocacin del Ducto: Contempla la colocacin de los ductos en la zanja. Este

procedimi ento se debe realizar con el mximo cuidado ya que en algunos casos los ductos pueden presentar fisuras que posteriormente no garantizaran la hermeticidad del sistema. Antes de colocar los ductos se deben verificar las cotas que seala el proyecto. Previo a la colocacin de los ductos se debe colocar una cama de apoyo de arena limpia de aproximadamente 10 o 15 centmetros que sirva como una cama flexible a ducto evitando su rompimiento frente a las cargas que se impondrn las cargas superficiales.4. Relleno y tapado de la zanja: El relleno se realiza con material proveniente de la

excavacin si este es apto. Se debe realizar en capas de mximo 30 o 40 centmetros, compactadas por medios mecnicos con equipos de impacto para suelos cohesivos y de vibracin para suelos no cohesivos. Se realizaran tantas capas sean necesarias hasta tapar completamente la zanja y alcanzar las cotas establecidas en el proyecto. Es conveniente realizar la primera capa de relleno con material no cohesivo como arena, tanto en los costados como sobre la clave del tubo para luego proseguir con rellenos de material cohesivo proveniente de la excavacin misma.5


Es importante mencionar que a parte de esos cuatro procesos principales se tienen algunas actividades secundarias a ser realizadas. sas son: Rotura y reposicin de pistas y veredas y remocin y reposicin de conexiones de agua, desage y telfonos. En las obras que se realizan a zanja abierta es inevitable que se tenga que remover algunas conexiones, lo ideal es que se pueda hacer de la manera ms cuidadosa posible, para que despus sea ms fcil su reposicin. Ms adelante se vern los costos que generan esas actividades. Al analizar los ciclos y la precedencia de las etapas del proceso constructivo se determin que la fase lder sera la excavacin ya que todas las dems dependa de sta. Por ejemplo: la instalacin de tuberas depende de la longitud excavada, el relleno depende de los tiempos en que los volquetes no se utilizan en la excavacin y el entibado es un proceso ntimamente ligado a la excavacin. 3.2.COLOCACION DE DUCTOS POR SISTEMA TOPO O PIPE JACKING La mquina perforadora de galeras est constituida por un cilindro de acero provisto de una excavadora hidrulica en su parte frontal. La excavadora va extrayendo materiales que luego son evacuados mediante una cinta transportadora o una barrena. A medida que la excavacin avanza, la mquina perforadora est propulsada hacia adelante, mientras que se instala un tubo con chapa, slida de revestimiento de tipo liner plate, en la parte trasera de dicha mquina. Puede inyectarse cemento (concreto) durante todo el proceso para rellenar el espacio del collar entre el tubo y el suelo adyacente. La alineacin del sondeo se comprueba continuamente mediante un lser integrado a la mquina perforadora de galeras, y un cabezal gua permite ir aportando los reajustes necesarios a la excavacin. Adems, en la parte superior de la mquina, puede instalarse una placa de sostenimiento, la cual permite evitar otras excavaciones excedentarias que pudieran ocasionar hundimientos de terreno. La mquina perforadora de galeras se utiliza en suelos granulares para la construccin de galeras subterrneas de hasta 2.400 milmetros de dimetro. Destacamos que poseemos mquinas perforadoras de galeras propias, fabricadas directamente en nuestros talleres.

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El sistema puede dividirse en las siguientes fases principales:1. Construccin de los pozos de empuje: Para que el sistema de Pipe Jacking entre

en funcionamiento es necesario dotarlos de shafts o pozos de empuje y salida. En el primer tipo de pozos (empuje) se aloja el equipo de excavacin, hincado de tuberas y evacuacin del material producto de la excavacin, el segundo tipo (salida) sirve nicamente para el retiro de la maquinaria de excavacin, una vez que se cruza el tramo correspondiente (ver anexo N 1 Sistema Pipe Jacking). La innovacin que se presenta a continuacin es la construccin de los shafts utilizando un sistema de entibados basado en una estructura metlica (cimbras y columnetas) reforzando las paredes del perfil del terreno con cuartones de madera, lo cual simula una caja colgante sostenida por la presin generada entre las superficies de contacto de la estructura metlica-madera y el terreno. Lo primero es realizar la remocin del pavimento y comenzar la excavacin.

Previamente verificado el nivel topogrfico y las respectivas cotas del terreno, montar el segundo collarn o cimbra metlicas y las columnetas metlicas.

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Colocacin del collarn superior

Para los ltimos niveles, la secuencia constructiva es: estucar las paredes del terreno (2.50 cm), luego anclar malla electrosoldada y posteriormente cubrirla con otra capa de estuco (cemento -arena). Se contina de igual manera con el nivel ms profundo, garantizando que se produzca traslape en la malla electrosoldada. Preparar la cmara para la instalacin del sistema Pipe Jacking: vaciado de muro de apoyo de concreto armado para muro metlico de reaccin. Vaciado de losa de concreto. Y colocacin de muro metlico de reaccin y anillo de emboque. Una vez terminada la instalacin descrita anteriormente, colocamos la ltima cimbra y las respectivas columnetas metlicas, de tal manera que el sistema de entibado queda completado

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El procedimiento a seguir es similar al pozo de empuje desde el tem (1al 4). En la pared por donde va a salir la mquina de hincado de tuberas, garantizar la colocacin de parantes metlicos de tal manera que soporte el terreno al momento de salir la mquina. En los tems (6) y (7) se detalla la secuencia de colocacin de las vigas intermedias y los puntales o columnetas. La mayor diferencia en la secuencia constructiva entre un pozo de entrada y uno de salida es que en el primero se instala el muro de reaccin capaz de soportar la presin aplicada por los pistones hidrulicos que impulsan la mquina, la instalacin de un anillo de emboque y el vaciado de una losa de concreto armado.

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Sistema de Alcantarillado Topo o de Hincamiento dirigido 2. Explicacin de los componentes y funcionamiento del hincado de tubera: El sistema aqu aplicado de Pipe Jacking, consiste en el hincado horizontal

de tuberas de concreto armado de dimetro 2100 mm (puede llegar hasta 4200 mm como el caso de una obra en China), de 3 m. de longitud y 0.20 m. de espesor, revestidas con HDPE en su interior, provistas de una campana metlica en un extremo, y de espiga en el otro, a profundidades entre 8 y 14 metros y a travs de suelos finos y/o friccionantes, sin presencia de napa fretica.

Esta instalacin es permitida por el pre-excavado de un tnel del mismo dimetro ejecutado por un equipo abierto que excava y corta el material por efecto de la presin ejercida por unas gatas hidrulicas ubicadas en el fondo de la cmara de ingreso y transmitidas a travs de la tubera.

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Para ejecutar el sistema es necesario construir cmaras de entrada y salida del equipo de hincado y por donde se irn bajando los tubos a ser instalados. En los exteriores de la cmara de entrada se instalan los equipos generadores de energa y la eliminacin de material; as como las oficinas y acopio de materiales, necesitando para ello un rea aproximado de 8.00 x 30.00 m. Estas cmaras tienen la profundidad necesaria para instalar el tubo a la cota de entrada y salida y sern ubicadas a aproximadamente 200 m entre s; dependiendo de la profundidad y el tipo de material para evitar sobreelevadas presiones a causa de la friccin del suelo sobre la superficie de los tubos.

Para la excavacin del tnel se utiliza un cucharn hidrulico, alojado en una cpsula o cabina abierta de 5.85 m de largo y de 2100 mm de dimetro donde tambin se aloja el operador del equipo de hincado y para el clavado se utilizan 4 pistones hidrulicos de 300 toneladas cada uno (pudiendo incorporarse dos ms), apoyados en un muro de empuje de acero en contacto con el suelo, los que transmiten la presin a los tubos a travs de un anillo de empuje, tambin de acero. En el fondo de la cmara se tiene un riel para apoyo del anillo de empuje, de la mquina y tubos a hincar; este riel sigue la direccin y pendiente hidrulica de la lnea.

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El procedimiento se puede resumir en los siguientes pasos: 1. Construccin de cmaras o shafts de entrada y salida; 2. Instalacin de equipos en exteriores, instalacin de rieles dentro del pozo y bajada de equipo de hincado; 3. Instalacin del lser para gua topogrfica; 4. Hincado del equipo o topo mediante los pistones auxiliares apoyados en los rieles (esto debido a que por falta de espacio an no se pueden instalar los pistones principales). Para ello, se excava, transportando el material por la primera faja y evacundolo en un carrito de 1 m3 de capacidad, el cual ingresa y sale tirado manualmente por los obreros y sobre los rieles; 5. Luego de introducir por completo el topo o equipo de hincado se instalan los pistones principales con el anillo de empuje; 6. Bajada del primer tubo, debidamente preparado con rieles y tubera de inyeccin de bentonita en su interior, ejecutando un empuje secuencial conforme se excava, esto es en intervalo de 0.50 m aproximadamente. El material excavado es arrastrado por el cucharn del topo hacia la primera faja ubicada dentro de la mquina, llevando el material hacia el carrito, el cual al llenarse sale hasta ubicarse entre los pistones principales, donde es izado por una gra, la cual lo reemplaza por uno vaco y mientras se es llenado en el interior del tnel se efecta el vaciado del primero hacia un volquete; 7. Luego de hincar el primer tubo se baja la segunda faja, la cual se instala en serie y dentro del primer tubo, a continuacin se efecta la excavacin e hincado del segundo tubo pero utilizando carritos de 3 m3 de capacidad para la evacuacin del material; estos carritos se desplazan hacia el interior y exterior accionados por winches hidrulicos;

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Sistema de Alcantarillado Topo o de Hincamiento dirigido 8. Luego el proceso es continuo intercalando cada dos tubos, un tubo provisto de 3

agujeros a 120 grados para inyeccin de bentonita. Se instala una red de iluminacin y de aire forzado a lo largo de la tubera; 9. La inyeccin se va haciendo en forma sucesiva en cada tubo, inyectando un volumen determinado de bentonita con aditivos que mejoran su estabilidad y fluidez, para de esta manera lubricar la lnea y disminuir la friccin existente entre la tubera y el suelo, generando de esa manera menores presiones de hincado y menos erosin o desgaste de los tubos. La presin de inyeccin vara de 1 a 2 bares y los volmenes de inyeccin por tubo durante la secuencia de empuje entre 100-500 litros de mezcla 10. Cuando la presin de hincado llega a 180 bares es necesario instalar una estacin de empuje intermedia, la cual est provista de 14 pistones pequeos, equidistantes y para lo cual se necesita instalar tubos particulares en ambos extremos (doble espiga o tubo A y destajado o tubo B). Indicamos que la resistencia del material de los tubos utilizados es de un concreto armado de fc: 450 kg/cm2 y se utiliza a partir de los 3 das de vaciado y curados al vapor, en donde la resistencia llega a casi el 30%, siendo superior a la transmitida por los pistones, los cuales aplican una mxima carga o fuerza de 1,200 ton. Indicamos que la presin hidrulica reflejadas en los manmetros de los pistones no es la misma que la aplicada en los tubos; sta es mayor ya que el rea de apoyo de los pistones es menor al rea de apoyo de la tubera (resultando casi la tercera parte); 11. As se pueden instalar ms de una estacin intermedia y en los tramos donde la presin lo requiera, siendo la secuencia de hincado la siguiente: en un principio avanza el primer tramo empujado por la primera estacin intermedia y en 0.30m que es la mxima corrida de los pistones, luego avanza el segundo tramo impulsado por la segunda estacin intermedia, el cual cierra tambin a los pistones de la primera y por ltimo avanza el tercer o ltimo tramo de tubera empujado por la presin de los pistones principales, los cuales tambin cierran a los de la segunda estacin y as sucesivamente el proceso contina simulando el desplazamiento del tipo acorden de un gusano de tierra, hasta llegar al pozo de salida; 12. Luego que toda la mquina o topo sale por el pozo de salida, se la retira con una gra y se sigue empujando hasta llegar con la tubera en la cara interior del futuro buzn. Indicamos que hay que tener en cuenta el cierre de las estaciones intermedias, luego de quitar los pistones. 13. Luego se retiran todos los equipos del interior del pozo de entrada, se hacen limpieza de la tubera y se retiran las instalaciones de su interior, para luego construir los buzones, si los tramos estn completos o caso contrario se modifica la posicin del muro de empuje y se inicia el hincado en sentido contrario; 14. A continuacin se sella la junta entre tubos, utilizando unas cintas o fajas de HDPE con soldadura por extrusin; as como en los orificios en los tubos dejados para las inyecciones de bentonita y por ltimo se efectan los rellenos de contacto en las claves o bvedas de los tubos; es decir, en las zonas sobre excavadas.

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4.0.-

COMPARACION DE LOS METODOS DE EXCAVACION

El sistema Pipe Jacking es mucho menos invasivo que el de zanjas ya que rompe solamente el terreno junto a la tubera. Al no ser muy afectado el terreno mantiene su compactabilidad natural y tiene menos probabilidad de derrumbes y fallas. Adems la excavacin superficial es mnima ya que en el sistema topo solo se excavan superficial los pozos de entrada y salida de los ductos, lo que da la facilidad al constructor los lugares donde construirlos y de esa forma afectar el medio en forma mnima. Desde el punto de vista de costos el sistema topo presenta menores costos ya que evita toda la abertura de las zanjas, la remocin de pavimentos y veredas y el posterior relleno y tapado de los ductos. Una diferencia en costos se produce en el uso de las maquinas ya que la tuneladora representa un gasto pero al sumar todos los costos siguen siendo menores que en las zanjas abiertas. Desde la mirada del medio ambiente ambos mtodos producen bastante ruido por si mismo por lo que en este punto se comportan en forma similar y sumado al ruido de los exteriores lleva en algunos casos a superar los lmites establecidos. Desde el punto de vista de la emisin de polvo el pipe presenta ventajas, frente al uso de las zanjas. En cuanto a la emisin de gases e sistema pipe tiene mayor emisin de gases al medio ambiente que las maquinarias usadas para excavar a tajo abierto. Por ultimo en cuanto a los riesgos de los trabajos las zanjas minimizan sus riesgos usando las entibaciones en las excavaciones para evitar el desmoronamiento de las paredes. En cuento a esto el pipe presenta mayor seguridad ya que no posee zanjas abiertas y la perforacin es subterrnea, sin embargo se debe prestar especial cuidado al direccionado de las tuberas y tambin al uso de la maquinaria que se est operando. En cuando a la colocacin de los ductos ambos sistemas usan el mismo mtodo y deben considerar las mimas acciones de seguridad. En cuanto al factor tiempo, el sistema topo presenta mayor avance que el sistema de las zanjas, teniendo un rendimiento cercano a los 7,00 mts diarios de perforacin.

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CONCLUSIONES Al momento de elegir el mtodo constructivo para la ejecucin de los sistemas de conduccin de aguas, son varios las consideraciones que se deben tener, tales como el rendimiento de la excavacin, los costos asociados, el impacto en el medio en el que se trabaja, etc. Se puede concluir que el mtodo pipe es mucho ms conveniente que el mtodo comn de excavacin de zanjas por varias razones que ya han sido explicadas. Sin embargo el uso de este sistema requiere la incorporacin de maquinarias modernas que deben ser ejecutadas por personal calificado que conozcan el funcionamiento y los mtodos del sistema a fin de que se lleve a acabo de manera correcta para que los beneficios manifestados se lleven a cabo. Si lo importante son los costos y el rendimiento el sistema de tunelera es sin duda el mtodo recomendable. Si lo que se busca es el cuidado del medio ambiente en cuanto a emisiones de gases por uso de mquinas y el ruido producido el mtodo de la tunelera presenta algunas desventajas ya que emite ms gases que las mquinas que excavan y producen ruido tambin. De todos modos ser el constructor, el mandante y la posibilidad de conseguir mtodos modernos los que determinaran el uso de uno u otro sistema.

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