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Instalación de tuberías mediante hinca. Estado actual de la técnica

Victor Flórez Casillas

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

Director del Departamento de Presas y Obras Hidráulicas de FCC Construcción, SA

vflorez@fcc.es

Generalidades En el transcurso de una obra de conducciones, no es infrecuente que nos veamos obligados a abandonar el sistema de ejecución y montaje tradicional, ya sea en zanja, en terraplén, etc, por la existencia de obstáculos imposibles de movilizar. Para atravesar una carretera de poco tránsito podremos intentar desviar el tráfico por uno de los carriles y luego por el otro; para atravesar un arroyo pequeño podemos emplear semipenínsulas y medios de agotamiento si es posible, pero en otros casos no es factible. En general, no podemos mover las vías del ferrocarril, desviar una autovía o un río y, por tanto, debemos de tener recursos para poder plantear y afrontar otros sistemas de instalación.

Uno de estos sistemas es la Hinca de tuberías.

La técnica de hinca no se empezó a desarrollar hasta principios del siglo XX, y, hasta mediados de siglo era bastante deficiente. Este sistema requiere de unos medios muy especializados y una técnica relativamente compleja que mejora constantemente, abordándose cada vez mayores retos.

Parámetros a tener en cuenta en una hinca de tubería Existen bastantes parámetros para realizar una clasificación y selección de las hincas. Entre ellos, los que se han considerado son los siguientes:

diámetro de la conducción acceso de personas y equipo al interior del tubo

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material a hincar terreno a atravesar nivel freático exterior sistema de propulsión o empuje control remoto extracción de la excavación precio

Generalmente la conducción pretende ser mera continuidad de la tubería existente y, por tanto, el diámetro suele ser el de la tubería adyacente. Pues bien, simplemente este hecho hace que se tenga que optar por una técnica u otra muy diferente.

Por ejemplo, si la tubería es un φ 600, deberíamos descartar cualquier acceso de personas o equipo al interior de la conducción. Además, el material hincado será seguramente acero o polietileno y cada uno forzará finalmente a una técnica totalmente diferente. Si es acero será un barrenado, una hinca neumática o un sistema raise-boring, y si es polietileno será un tipo de hinca dirigida.

Siguiendo con el mismo ejemplo, si ninguno de estos dos materiales es admisible, se podrá hincar hormigón armado con o sin camisa de chapa o bien un tubo de polycrete o similar y, habrá que ampliar el diámetro hasta un mínimo de φ 1200 para poder instalar equipos y personal en el interior y de esa forma extraer la tierra interior.

Si, además, existe agua freática, no nos quedará más remedio que emplear un sistema de escudo cerrado o microtuneladora. Como se puede apreciar, simplemente con el ejemplo anterior, debemos conocer los distintos sistemas con cierto detalle para poder seleccionar el más idóneo en cada caso.

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Tipos de Hincas

Hinca por percusión

Dentro de los sistemas de hinca neumática o por percusión está el que consiste en el desplazamiento de una puntaza por impactos sucesivos de un pistón provocados por un compresor de aire.

En este caso, la tubería iría cogida al cuerpo exterior e introducida por arrastre del propio cuerpo.

Este sistema suele emplearse para tubería de acero o polietileno de pequeño diámetro y también para la hinca de la guía de una hinca dirigida.

El terreno, si no se trata de una hinca dirigida, ha de ser muy homogéneo, importando menos la dureza del mismo, porque en otro caso cabecea y pierde la dirección. No es en general apto para terrenos con bolos y gravas gruesas. Otro empleo de este tipo de hincas es el de sustitución (rehabilitación) de tubería por quebrantamiento de la existente y arrastre de una nueva generalmente de PEAD.

Otro sistema de hinca neumática consiste en el desplazamiento de una camisa, generalmente de acero, mediante la percusión de un pistón sobre una abrazadera que recoge a la camisa. En estos casos la tubería puede llegar a φ 2000 mm.

La extracción del material puede ser al final de la hinca con una lanza de presión, o bien mediante la instalación de un tornillo sin-fin acoplado en el eje que se acciona a posteriori o durante la propia hinca, o bien mediante extracción en continuo de lodos por vía húmeda.

Este tipo de hinca se emplea en suelos homogéneos. Es una buena solución en suelos blandos e hincas cortas (< 50 ó 60 m).

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Dado que los impactos de aire comprimido son continuos y de poco desplazamiento, no es necesario el empleo de un muro o una losa de reacción. Este sistema en muchas ocasiones se emplea para el alojamiento de otras tuberías en su interior.

Perforación horizontal mediante barrena

El sistema tiene cierta similitud con el anterior ya que también la tubería hincada es de acero, con un sin fin alojado en su interior que se va acoplando y girando conforme avanza el tubo, que en este caso es presionado por unos pistones alojados en un tren de empuje.

En este caso es necesario que exista una arqueta de grandes dimensiones al inicio de la hinca, donde se pueda transmitir la reacción

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Perforación horizontal sistema raise-boring

Este sistema nació para ejecutar pozos verticales de minería o de presas. Consiste en la perforación de una primera hinca de diámetro pequeño, como un sondeo, y posteriormente en el otro extremo se le acopla una cabeza rozadora del tamaño adecuado para conseguir, funcionando en sentido inverso, el diámetro final del conducto requerido.

Aplicado en perforaciones horizontales, requiere una cierta homogeneidad en el terreno que atraviesa pero es de gran efectividad.

En este caso se requiere un muro frontal de reacción, y la colocación de la tubería de hinca se realiza o bien acompañando a la cabeza principal o con posterioridad, ocupando el hueco sin encamisar. Se comprende que en este caso, el terreno ha de ser estable.

Este sistema de incremento de sección es similar al empleado por la hinca dirigida.

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Perforación dirigida

Actualmente se realiza este tipo de hinca dirigida hasta diámetro de φ 1000, pero seguramente la limitación no se encuentre en el propio diámetro sino en el material normalmente empleado para este tipo de hincas, el Polietileno de alta densidad (PEAD).

Dada la flexibilidad requerida para el sistema de instalación, el resto de los materiales no reúnen los requisitos necesarios, pero la tensión admisible del material es baja y la tracción requerida, aunque no mucha, puede ser excesiva.

El método consiste en la hinca o perforación mediante desplazamiento o rozadura de una tubería guía (en realidad de un varillaje) que es dirigida desde el exterior según el trazado requerido (puede ser tan variado como sea necesario), y el acoplamiento de una cabeza rozadora en el extremo opuesto, que en dirección contraria va alojando la tubería en el interior de la perforación.

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Se suele realizar la excavación y retirada de material por vía húmeda. Tiene inconvenientes de guiado cuando el elemento a atravesar es una red electrificada o unas vías de tren con catenaria. La capacidad de este sistema no ha hecho más que empezar, la tecnología para diámetros superiores a φ 500 es aún incipiente en España, donde el empleo más extendido es en las redes de telefonía y cableado.

Hinca por empuje. Sistema Open Face

Todas las hincas por empuje tienen una serie de elementos comunes:

Arqueta de hinca Elementos de empuje (pistones hidráulicos comunicados) Muro de reacción Tubería rígida (hormigón armado, con o sin camisa de chapa, o polycrete) Instalación de extracción de material y guiado interior

La diferencia entre los distintos tipos depende de:

Acceso al frente Nivel freático exterior Sostenimiento del frente

El sistema Open-face es el más rústico y su tendencia es a desaparecer ya que consiste en la hinca de una tubería de diámetro inferior a φ 1000, donde no se puede instalar maquinaria de extracción de material, y donde tal excavación la realizan dos personas situadas en el interior de la tubería, una de ellas en el frente de avance y la otra en el punto de salida de material para proceder al paleado y carga del mismo.

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Hinca por empuje. Sistema Escudo Abierto

Es quizá el sistema más fiable de hinca de tubería ya que existe un acceso permanente al frente de excavación, con un control total del terreno y de la dirección de la hinca.

Los tipos de terreno válidos son aquellos que no tengan nivel freático alto (gravas o bolos sueltos) ni intercalaciones blandas que puedan hacer fracasar el frente al caerse o en terrenos con excesiva dureza. El diámetro mínimo será de 1200 mm.

Este esquema refleja los elementos más importantes de una hinca por empuje con escudo abierto.

La cabeza de avance tiene un escudo o visera que se va hincando en el terreno y protege la cabina y los elementos de excavación. El terreno a atravesar debe ser bastante estable ya que, aunque existen algunos sistemas complejos de presurización del frente, lo normal es que no se emplee ninguno con escudo abierto.

Los desvíos de la trayectoria que se producen durante el empuje, se corrigen mediante unos gatos independientes instalados en la cabeza de empuje.

En la fotografía anterior se aprecian los cilindros hidráulicos de empuje, el muro de reacción y el aro de empuje colocado entre los pistones y la pared de la tubería. Este elemento rígido permite el reparto de la fuerza de empuje de los pistones en toda la superficie de la tubería.ç

Para la excavación y dependiendo de la naturaleza de los materiales excavados, se empleará una rozadora, una pala plana, una mini-retro, o cualquier otro sistema de excavación.

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Entre cada tubería se coloca una sufridera de aglomerado de forma que reparta los esfuerzos del empuje y evite que las imperfecciones de las caras en contacto provoquen tensiones puntuales.

La recogida del material excavado se realiza por lo general hacia una cinta corta que alimenta un cubilete o batea que una vez cargado se extrae hacia la arqueta de hinca para la retirada de los productos sobrantes.

A una distancia que depende de la potencia de los gatos y de los esfuerzos requeridos para la hinca, se colocaran estaciones intermedias (cada 50 a 150 m). En el caso de existir estas estaciones intermedias, el proceso de hincado comienza en la estación más alejada de la entrada y sigue como el movimiento de un gusano hasta la principal que es la última en actuar.

Los recorridos de las estaciones intermedias son de alrededor de 30 a 50 cm y suelen disponer de un número elevado de cilindros hidráulicos (generalmente 12) de menor potencia que los cilindros principales.

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Hinca por empuje. Sistema escudo cerrado. Microtuneladoras

Aunque este esquema (ATHA), perteneciente a una hinca con escudo cerrado, tiene muchas similitudes con el de escudo abierto, existen diferencias importantes en cuanto al sistema de excavación, el sostenimiento del frente y los equipos a disponer.

La parte correspondiente a la arqueta principal de empuje es similar, sin embargo, la cabeza de hinca es totalmente cerrada lo que le permite trabajar bajo el nivel freático, incluso presurizando la cabina si es necesario.

Generalmente se emplean lodos bentoníticos en el contacto para minimizar el rozamiento con las paredes y por tanto los empujes necesarios para el avance.

Puede actuarse contra el frente en medio seco, pero es muy común la necesidad de emplear la vía húmeda tanto para la excavación como para la extracción del material del frente.

El croquis anterior es de una microtuneladora EPB, con extracción inicial por vía seca (tornillo sin fin) y finalmente por vía húmeda bombeada. En este esquema tanto la excavación como la extracción se realizan por vía húmeda. Realmente este esquema tiene una singularidad adicional ya que con el sistema de esclusas dispuesto puede realizarse el cambio de la rozadora delantera sobre la marcha. La operación de cambio de cabeza rozadora puede llevar en general a parones de tiempo importantes, si bien no suelen darse más que en hincas de gran longitud.

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En caso de emplear vía húmeda en el sostenimiento o en la excavación, es necesaria la aportación de agua y lodos. Estos lodos requieren a su vez de un tratamiento especial para retirar o recuperar parte de los líquidos aportados. El sostenimiento del avance se realiza por presión de la cabeza de hinca sobre el frente y el de las paredes por la presión de la bentonita. Es importante la colocación de una junta especial de impermeabilidad en la arqueta principal para evitar que los lodos fluyan entre el terreno excavado y la tubería.

El control de la trayectoria de la hinca (siempre recta o de una sola curvatura) se realiza mediante unos paneles colocados en el exterior que corrigen con pequeños movimientos de los gatos de la cabeza las desviaciones del empuje. En todas la hincas el apoyo geológico y geotécnico es vital, conociendo las características del terreno y el tipo de formaciones geológicas que pueden verse atravesadas por la hinca. En el caso de escudo cerrado esto es aún más importante ya que un cambio de material de forma brusca puede hacer cabecear a la máquina en exceso.

Condicionantes de trazado A excepción de las hincas dirigidas, todas las demás serán generalmente rectas, sobre todo las de empuje.

La trayectoria de las hincas de empuje podría ser curva, con una sola curvatura, pero su guiado es mucho más complicado.

En el caso de las hincas dirigidas, el sistema de guiado no impone límites al trazado en planta o alzado, sin embargo, si la tubería se emplea para el transporte de líquidos (en general agua), habrá que huir de puntos altos

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relativos donde por reducción de presión pudiera liberarse aire combinado y provocar problemas en la conducción.

A veces el trazado de la hinca viene condicionado no solamente por los puntos a conectar sino por las condiciones geotécnicas y geológicas de la traza. En todas las hincas es preferible la homogeneidad del terreno por esta razón, a veces es preferible buscar un terreno más competente, aunque sea más duro, que un relleno incontrolado.

Características de las tuberías de hinca

Tubería de polietileno

Cuando se emplea este tipo de tubería, se busca un material flexible que pueda adaptarse a un trazado sinuoso y con una resistencia suficiente para transmitir por tracción el empuje o el avance de la cabeza principal.

Generalmente se tratará de tubería de polietileno de alta densidad, tipo PE100. La tubería se soldará en toda su longitud en el exterior y para una mejor hinca se retirarán los bordones de soldadura exteriores.

La tubería ha de resistir el esfuerzo de tracción para realizar la hinca, y, además, las cargas exteriores ovalizantes, de forma que la deflexión interior no sobrepase un cierto valor que suele ser del 5% del diámetro. Si ha de funcionar con presión interior, ha de comprobarse que el tubo está dimensionado para ella.

Tubería de acero

La tubería de acero en las hincas se emplea generalmente como camisa protectora de otra tubería. Solamente en algunos casos, con acero galvanizado, se emplean como parte de la conducción.

La tubería debe soportar, sin problemas de colapso por pandeo, los empujes o las percusiones neumáticas, o bien las tracciones a que sea sometido en algunas instalaciones con raise-boring.

En su estado final también se verá sometido a esfuerzos exteriores ovalizantes que deberá soportar limitando su deflexión a valores inferiores a uno fijado que variará del 2% al 5%, dependiendo del tipo de revestimiento que tenga el acero.

Si el acero forma parte de la conducción, ha de resistir además los esfuerzos de presión interior a los que vaya a someterse a la tubería.

Tubería de hormigón armado

Este tipo de tubería se emplea en hincas por empuje. Este sistema de instalación obliga a una serie de características especiales de las tuberías.

La tubería presentará la mayor superficie posible de contacto entre cada dos tuberías de forma que el reparto del empuje se realice muy distribuido.

De la resistencia a compresión del hormigón depende el esfuerzo máximo permitido a los gatos de empuje.

Para una fck (resistencia a compresión de cálculo del hormigón) la tensión máxima de cálculo será del 40% de este valor. Además, se calcula como si la junta estuviera abierta y el reparto se hiciera en la mitad de la sección de empuje. Por tanto, el empuje máximo que podrá soportar una determinada sección de hormigón será:

E = 0,2 fck x Sección

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Los valores de fck de las tuberías de hormigón serán de 40 a 45 N/mm2 , es decir, un hormigón de gran calidad.

Para determinar la capacidad de la tubería frente al empuje longitudinal se podrán efectuar los ensayos indicados en el apartado 5.4 de la UNE 127.010, incluido al menos uno completo de resistencia de la superficie de empuje, según el artículo 6.7 de la UNE, y un ensayo de aplastamiento a fisuración.

Otro factor de vital importancia en las hincas es el paralelismo entre las caras. Las tolerancias dimensionales, especialmente de la ortogonalidad de los extremos serán las indicadas en la Tabla 7 de la UNE 127.010, realizándose para el 100% de las tuberías, siendo motivo de rechazo una desviación superior, debiendo ser reparados los extremos mediante mortero epoxi posterior a un tratamiento del contacto entre hormigón viejo y nuevo. La medición de la desviación en la ortogonalidad se realizará de acuerdo con el artículo 6.1.7 de la UNE 127.010.

La clasificación de las tuberías se realizará de acuerdo a la UNE 127.010 pero teniendo en cuenta una serie de singularidades:

La longitud máxima de los tubos será de 3,00 m, para evitar el pandeo

La armadura interior y exterior se prolongará hasta los extremos macho y hembra

La armadura transversal se reforzará en un 20 % en los φ/4 cercanos a cada extremo y se unirá la armadura exterior e interior mediante cercos a distancia menor de 30 cm

La armadura longitudinal se repartirá en 24 generatrices y su cuantía será al menos el 10% de la armadura transversal.

Se dispondrán virolas de chapa galvanizada en el extremo hembra, a modo de sufrideras, colocadas enrasadas con la superficie exterior

En la tubería se realizarán unos taladros generalmente a 120º por donde se puede inyectar bentonita para lubricar el contacto y aminorar los esfuerzos de rozamiento

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La estanquidad se obtendrá mediante junta elástica deslizante colocada en el macho del tubo y contra la virola de chapa. Algunos fabricantes, atendiendo a unos estándares de calidad más elevados, ofrecen la posibilidad de junta alojada que básicamente es una junta tórica introducida en una acanaladura del tubo. Esta junta alojada ofrece mejores garantías a la impermeabilidad, sobre todo en cuanto a la infiltración desde el exterior.

Para el cálculo de las tuberías de hinca distinguiremos entre hincas cortas e hincas largas, ya que cuando la hinca es de poca longitud (menor de 30 tubos), es decir, cuando los efectos de un fallo en la alineación no sean importantes y/o sus efectos sencillos de modificarse, ya sea por tratarse de un fácil acceso a ambos lados o bien un terreno suficientemente competente pero no muy resistente, el cálculo puede efectuarse siguiendo las recomendaciones del “CONCRETE PIPE HAND BOOK” de la ACPA. Tunneled & Jacked Installations.

Ha de comprobarse, además, que no existe un nivel freático o agua sobre la clave. En otras circunstancias, el cálculo recomendado será el descrito en la ATV – A161 alemana que tiene en cuenta unos esfuerzos adicionales mínimos por desvío contra las paredes de la hinca.

Tubería de polycrete

Este material, también denominado hormigón polímero, es ahora mismo una novedad. Se fabrica exclusivamente con resina de poliéster, áridos y cargas adicionales, sin agua ni cemento. Debe ofrecer las mismas características resistentes que el hormigón, con un menor peso, sin embargo, su uso no está todavía muy extendido en España.

Otras tuberías

Otro tipo de tuberías como las de PRFV, fabricadas por el sistema HOBAS (mayor sección de pared), pueden emplearse en algunas hincas por empuje, si bien tampoco su uso está extendido en España.

Finalmente cabe destacar, como novedad, la instalación de tubería de fundición con hinca dirigida. La tubería de fundición viene revestida exteriormente con un vendaje de polietileno y con un sistema de juntas acerrojadas muy novedoso (sistema TYTON- BLS con juntas en segmentos) presentado en la VI Jornada Internacional de Tecnología Sin Zanja.