¿Qué hace que una tubería de elevación de hormigón sea buena?

Los beneficios de la elevación de tuberías están bien establecidos. Al elegir la elevación de tuberías en lugar de la construcción a cielo abierto, los propietarios pueden tener una tubería instalada con precisión con menos interrupciones para el público, ya un precio competitivo, con menos ruido y menos emisiones.

Si bien los beneficios de la elevación de tuberías son evidentes, no están exentos de riesgos. Todo el mundo está familiarizado con el adagio, "una cadena es tan fuerte como su eslabón más débil". Si bien ese principio se puede aplicar en muchos escenarios diferentes, desde los negocios hasta los deportes, se aplica literalmente al pipe jacking.

En el hincado de tuberías, cada segmento de tubería se empuja hacia el suelo, uno tras otro, construyendo una "cadena de tuberías" subterránea de longitud y peso crecientes, lo que aumenta gradualmente la tensión en la tubería. Cualquier falla de un segmento de tubería individual o junta en cualquier punto a lo largo de la alineación puede tener consecuencias potencialmente devastadoras para un proyecto, especialmente en áreas urbanas o en cruces de agua donde puede ser difícil acceder a la tubería a través de un "túnel o pozo de rescate". imposible.

Históricamente, ha habido un conocimiento limitado sobre la hinca de tuberías entre los propietarios e ingenieros, particularmente cuando se trata de lo que hace que una tubería de hinca de concreto sea aceptable. Esto es comprensible teniendo en cuenta la naturaleza de nicho de la excavación de tuberías en general y de los microtúneles en particular. Debido a la naturaleza crítica de cada segmento de tubería a lo largo de la cadena de tubería, la tubería de concreto que ha sido muy adecuada para la construcción a cielo abierto durante décadas simplemente no cumple con las demandas de la hinca de tubería moderna.

Hoy en día, los contratistas de excavación de tuberías y microtúneles necesitan tuberías de elevación construidas teniendo en cuenta el uso final. Las tuberías de elevación necesitan mayor resistencia, juntas que permitan que la cadena de tuberías se curve y juntas que impidan la entrada de agua, tierra o bentonita.

Esto no significa que las tuberías de elevación deban ser complicadas en su diseño o fabricación. Hay varios fabricantes de tuberías en América del Norte que fabrican segmentos de tubería que cumplen con las expectativas de los contratistas de microtúneles y elevación de tuberías. Hablamos con Robert Ward, ingeniero y cofundador/propietario de Ward and Burke Microtunnelling, quien compartió su experiencia relacionada con tuberías de elevación de hormigón para proyectos de microtúneles en los Estados Unidos y Canadá. Ward and Burke Microtunneling es miembro de la Asociación Norteamericana de Microtúneles (www.NAMicrotunneling.com), una organización de contratistas que promueve la educación y el diálogo sobre temas relacionados con los microtúneles.

"Lo primero que debe considerar un propietario es que, en muchos casos, la tubería de elevación es el producto permanente final; nada más tiene interés a largo plazo", dijo Ward. "Por lo tanto, es de lejos la parte más importante del proceso de microtúnel".

De hecho, al momento de su puesta en marcha, la tubería de elevación puede ser el producto permanente final y transportar agua, alcantarillado u otros servicios públicos, por lo que cuanto más dure, más rentable será la instalación inicial. Además, eso significa menos interrupciones al público para futuras reparaciones o reemplazos. Es importante recordar que la tubería de elevación también puede ser una tubería de revestimiento para una tubería de producto permanente como PVC, DIP, etc. el espacio anular no está lleno, la tubería de elevación es una estructura permanente. En todas las situaciones y usos, tener una tubería de elevación de alta calidad es fundamental para tener un proyecto exitoso.

Entonces, ¿cuáles son las características que componen una buena tubería de hinca de hormigón? Ward identifica varias áreas que considera clave. Si bien actualmente no existe una especificación estándar para la tubería de microtúneles, Ward dice que partes de varios estándares ASCE y ASTM existentes se pueden combinar para hacer una buena tubería de elevación de hormigón armado para proyectos de microtúneles. Idealmente, estas secciones dispares se combinarán en un solo estándar que los ingenieros de diseño puedan citar al escribir especificaciones para proyectos de microtúneles, especialmente aquellos con geología difícil, recorridos largos o curvas.

Rigidez: La primera característica necesaria para una tubería de elevación competente es la rigidez, dijo Ward, y eso conduce al concreto. "Durante la construcción, la tubería encontrará obstáculos que le aplicarán cargas puntuales, y esa tubería debe permanecer en forma circular", dijo. "La tuneladora es rígida y corta un círculo, por lo que tiene sentido que lo que sea que esté empujando detrás de la tuneladora también debe permanecer en un círculo. El concreto es rígido y permanece en un círculo cuando recibe carga puntual".

Diseño conjunto: "Una de las claves para un microtúnel exitoso es reducir la fricción para mantener bajas las fuerzas de elevación", dijo Ward. "La forma de hacerlo es inyectando bentonita alrededor del exterior de la tubería. La bentonita a menudo debe inyectarse entre 40 y 100 psi. Por lo tanto, la junta debe poder soportar 100 psi de presión externa, no 13 psi. lo cual es típico para tuberías de corte abierto".

La presión es clave para mantener el espacio anular abierto, evitando así que la arena y la tierra se adhieran a la tubería y aumenten la fricción a lo largo de la sarta de tuberías.

Los sistemas típicos de tuberías de concreto usan juntas que están diseñadas para mantener el agua subterránea fuera de la tubería, pero no tienen en cuenta los sistemas de lubricación de bentonita. "Algunas personas piensan que si están excavando un túnel en terreno seco o poco profundo, pueden arreglárselas sin una junta capaz de resistir presiones más altas, pero ese no es el caso. No tiene nada que ver con el agua subterránea. La falla en resistir la presión de la bentonita resultará en en la arena y la tierra que entran en contacto con la tubería y, en consecuencia, las tuberías se atascan".

Tubería direccionable: las transmisiones curvas han sido comunes a nivel internacional durante varios años y, en los últimos cinco años, se han vuelto comunes en los Estados Unidos y Canadá. La capacidad de realizar accionamientos curvos puede eliminar ejes intermedios o evitar obstáculos, lo que da como resultado proyectos más rentables. Incluso si la alineación diseñada es recta, la capacidad de dirección es una característica importante para la tubería de microtúneles. "La tubería debe ser capaz de negociar una curva de 500 m de radio, independientemente de si el túnel es curvo o recto en teoría", dijo Ward.

Eso requiere que el revestimiento de la tubería se extienda 7 pulgadas para permitir la flexibilidad de la junta para abrir y cerrar sin perder presión sobre la junta. Según Ward, cuando el revestimiento de cola está incrustado en la pared de la tubería de hormigón, necesita un ángulo que actúe como ancla y como tope de agua. Además, el tailskin necesita un ancla tachonada cada 12 pulgadas soldada alrededor del perímetro o anclas de barras de refuerzo soldadas al tailskin con el fin de evitar que el tailskin se afloje y permita que el agua se filtre a su alrededor. Finalmente, se necesita una tira hidrofílica pegada en el interior de la piel de cola para actuar como un tope de agua adicional. (Consulte la Figura 1: Detalle de junta típica para tubería de elevación de hormigón)

Figura 1: Detalle de junta típica para tubería de elevación de hormigón

Cargas axiales: En el levantamiento de tuberías, la capacidad de la tubería para aceptar cargas axiales es clave para el éxito. La tubería debe poder ser empujada a través del suelo sin fallas. Independientemente de la duración del proyecto, se necesita una tubería resistente porque, en un mundo imperfecto, surgen dificultades y es posible que un contratista de microtúneles deba aplicar una fuerza adicional para mantener la sarta de tuberías en movimiento.

Además, las tuberías de elevación de hormigón deben ser de fundición húmeda en lugar de fundición seca, dijo Ward. Aunque las tuberías de fundición seca, normalmente utilizadas para proyectos a cielo abierto, tienen la misma resistencia máxima que las de fundición húmeda, las tuberías de fundición húmeda tienen una mayor resistencia a la deformación y pueden soportar una carga axial de aproximadamente 2000 toneladas en un tubo de 84 pulgadas. tubería en un radio de 1500 ft.

"Según nuestra experiencia, cuando la deformación supera los 0,002, las tuberías de hormigón colado en seco comienzan a perder su capacidad de resistir la carga", dijo Ward. "Las tuberías de hormigón colado en húmedo tienen muy poca caída en su capacidad para resistir la carga y pueden continuar soportando la carga incluso con deformaciones superiores a 0,002 y hasta 0,005 o más. Los diseños de ACI/ASCE para una capacidad de deformación última de 0,003, pero todavía es Es bueno saber que hay suficiente capacidad de carga por encima de esta tensión en un escenario del "día del juicio final".

"Las altas tensiones en la tubería no ocurren todos los días, pero hay que prepararse para el día en que las cosas salgan mal", dijo Ward. "Es posible que deba presionar mucho la tubería para salir de un aprieto, y la tubería de fundición húmeda podrá soportar esas cargas".

Otro beneficio del proceso de vaciado húmedo es el exterior liso de la tubería de elevación. Esta superficie más suave de la tubería reduce la fricción superficial en la sarta de tuberías, lo que reduce la fuerza de elevación requerida que se aplica a la tubería para completar la conducción.

Espesor de la pared de la tubería: además de su rigidez, la tubería de concreto es muy adecuada para proyectos de hincado de tuberías debido al espesor de la pared. Las gruesas paredes de la tubería de concreto permiten acomodar estaciones intermedias de gatos (IJS o interjacks), que normalmente se instalan en largos conductos de microtúneles como un medio para aplicar empuje además de los gatos en el pozo de entrada. Los conectores intermedios se colocan periódicamente a lo largo de la cadena de tuberías entre los segmentos de tubería y esta capacidad de empuje adicional sirve casi como una póliza de seguro en caso de que se necesite un empuje adicional en la cadena de tuberías.

El diámetro de los cilindros de los gatos intermedios es de aproximadamente 6 pulgadas y se necesita un espesor de pared de al menos el diámetro de los cilindros de los gatos intermedios.

"La tubería de concreto, con su pared gruesa, tiene una ventaja económica inherente sobre todos los demás productos porque se puede usar con conectores intermedios con cargas muy altas", dijo. "Nuevamente, es posible que no necesite usar interconectores con frecuencia, pero cuando los necesita, no quiere una tubería que se rinda". En comparación con otros materiales de tubería, las estaciones de interconexión en tubería de concreto tienden a ser más económicas de fabricar, instalar durante la elevación y luego retirarlas cuando se completa la elevación.

Abastecimiento de la tubería: Ward dice que muchos fabricantes de tuberías de concreto son más que capaces de entregar tuberías de alta calidad. El aspecto crucial es crear un molde de alta calidad. La tolerancia de la tubería de elevación debe ser mayor que la del concreto abierto típico, del orden de 1/16 de pulgada. Ward and Burke ha trabajado con fabricantes de tuberías de hormigón en los Estados Unidos y Canadá que están produciendo tuberías de hormigón de clase mundial para proyectos de clase mundial.

"Una vez que haya configurado el molde, la tubería es fácil de hacer", dijo Ward. "No cuesta mucho más hacer la tubería correcta y le ahorrará mucho dinero en lugar de atascar la tubería".

Estándares de la industria: ha habido cierta discusión dentro de la industria sobre la necesidad de escribir una nueva especificación relacionada con la tubería de elevación de concreto, pero Ward dice que los documentos existentes se pueden usar como guía para fabricar tuberías de concreto que satisfagan las necesidades de los contratistas de microtúneles, comenzando con ASCE 27-00 y su seguimiento ASCE 27-17: "Práctica estándar para el diseño directo de tuberías de hormigón prefabricado para hincar en construcciones sin zanja".

"ASCE 27-17 es la biblia de los microtúneles", dijo Ward. "Tienes que saberlo y cumplirlo".

Para la resistencia de la tubería, se puede usar como documento de referencia la norma ASTM C76-19: "Especificación estándar para alcantarillas de concreto reforzado, desagües pluviales y tuberías de alcantarillado". El estándar identifica cinco clases diferentes de tubería, siendo la Clase V la más robusta. Ward sugiere usar tubería de Clase V para todos los proyectos de elevación de tubería (excepto cuando se hace un túnel en arena de playa o roca, donde la Clase IV puede ser aceptable).

Las normas relativas a las juntas para tuberías de hasta 50 psi de presión nominal se pueden encontrar en ASTM C361-16: "Especificación estándar para tuberías de baja presión de hormigón armado". La especificación de tubería C-300 de AWWA se debe usar para tuberías de concreto de microtúnel encapsuladas en cilindros para clasificaciones de presión entre 50 y 150 psi.

ASCE también ha publicado el libro "Pautas de construcción estándar para microtúneles", que cubre la planificación, el diseño, los materiales de las tuberías y la construcción de microtúneles (CI/ASCE 36-15).

Al elegir tuberías diseñadas adecuadamente para el trabajo, los propietarios pueden lograr proyectos exitosos que satisfagan las demandas del público para las generaciones venideras.

Robert, Ward, cofundador de Ward and Burke, fue la fuente de este artículo en nombre de la Asociación Norteamericana de Microtúneles (NAMA). NAMA y sus miembros respaldan el contenido de este artículo.