Variación del coeficiente de rugosidad KS en tuberías instaladas por el método pipe jacking

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(1)UNIVERSID AD DE LOS ANDES Facult ad de Inge nie ría De partame nto de Inge nie ría Civ il y Amb ie ntal. Proyecto de Grado Johan a Rocío M uñoz Rojas. Ase sor : Ju an Gu iller mo Sald arr iag a. VAR IA CI ÓN D EL CO EFIC I EN T E D E RU GOSI D AD (K S ) EN T U B ER IAS INST AL A DAS PO R EL M ETO DO D E PIP E J AC KI N G. Bog otá , Ene r o de 2 0 0 8.

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(3) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN............................................................................................................... 1. 2. OBJETIVOS...................................................................................................................... 4. 3. PIPE JACKING ................................................................................................................. 5 3.1 CONSTRUCCIÓN Y COMPONENTES .................................................................................. 6 3.1.1 Elementos Típicos ................................................................................................. 7 3.1.2 Método Constructivo .............................................................................................. 8 3.1.3 Puestos de Control (Working Shafts)..................................................................... 10 3.1.4 Tipos de Escudos ................................................................................................ 12 3.1.4.1 3.1.4.2 3.1.4.3. Escudos Convencionales ..................................................................................12 Escudos de Aire Comprimido.............................................................................14 Escudos de Presión.........................................................................................14. 3.1.5 Tuberías.............................................................................................................. 16 3.2 INFORMACIÓN DEL SUELO Y ESTUDIOS D E CAMPO ............................................................ 18 3.3 DESVENTAJAS D EL MÉTODO ......................................................................................... 22 4. HIDRÁULICA DEL FLUJO .............................................................................................. 24 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5. 5. NÚMERO DE REYNOLDS .............................................................................................. 24 FLUJO HIDRÁULICAMENTE LISO E HIDRÁU LICAMENTE RUGOSO ........................................... 25 FACTOR DE FRICCIÓN (F)............................................................................................. 27 T RABAJO DE JOHANN NIKURADSE Y L EWIS M OODY ......................................................... 28 T RABAJO DE COLEBROOK – WHITE ............................................................................... 30. MODELO FÍSICO............................................................................................................ 32 5.1 CONSTRUCCIÓN T UBERÍAS .......................................................................................... 35 5.1.1 Tubería 1 ............................................................................................................ 35 5.1.2 Tubería 2 ............................................................................................................ 43 5.2 CONSTRUCCIÓN P IEZÓMETROS Y TABLERO ................................................................... 44. 6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS............................................................... 48 6.1 CALIBRACIÓN VERTEDEROS ......................................................................................... 48 6.1.1 Vertedero tubería 1 .............................................................................................. 50 6.1.2 Vertedero tubería 2 .............................................................................................. 52 6.2 P IEZÓMETROS ........................................................................................................... 53 6.2.1 Piezómetros tubería 1 .......................................................................................... 53 6.2.2 Piezómetros tubería 2 .......................................................................................... 55 6.3 CAUDAL ................................................................................................................... 57 6.3.1 Caudal tubería 1 .................................................................................................. 57 6.3.2 Caudal tubería 2 .................................................................................................. 59 6.4 CÁLCULO COEFICIENTE D E RUGOSIDAD K S ..................................................................... 60 6.4.1 Coeficiente de rugosidad Ks tubería 1 ................................................................... 61 6.4.2 Coeficiente de rugosidad Ks tubería 2 ................................................................... 66 6.5 A NÁLISIS .................................................................................................................. 71. 7. CONCLUSIONES............................................................................................................ 76. 8. REFERENCIAS TEXTO ................................................................................................... 78. 9. REFERENCIAS FIGURAS ............................................................................................... 79. 10. REFERENCIAS TABLAS ................................................................................................ 80. 11. BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................... 81. Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng.

(4) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO. FIGURA NO.. 1 - ESQUEMA GENERAL ..................................................................................... 5 2 - COMPONENTES TÍPICOS ............................................................................... 7 3 - THRUS T WAL ................................................................................................. 9 4 - WORKING SHAFTS....................................................................................... 10 5 – ESCUDO CONVENCIONAL CUTTER BOOM................................................. 12 6 – ESCUDO CONVENCIONAL BACKACTER .................................................... 13 7 – ESCUDO CONVENCIONAL EPBM................................................................ 13 8 – ESCUDO CONVENCIONAL TBM .................................................................. 14 9 - ESCUDOS DE PRESIÓN PRESSURISED SLURRY MACHINE (PSM)............. 15 10 - ESCUDOS DE PRESION EARTH PRESSURE BALANCE MACHINE (EPBM)15 11 – DIAGRAMA TÍPICO DE JUNTAS EN TUBERÍAS DE CONCRE TO ............... 17 12 - DIAGRAMA TÍPICO DE JUNTAS EN TUBERÍAS DE ACILLA VITRIFICADA . 17 13 – LINEAS SECUNDARIAS ............................................................................. 18 14 - ESQUEMA DE LA INFORMACIÓN TÍPICA NECESARIA PARA EL DISEÑO . 19 15 - MÉTODOS DE TRATAMIENTO PARA DIFERENTES CLASES DE SUELO... 21 16 - SUBCAPA LAMINAR VISCOSA................................................................... 26 17 - FLUJO TURBULENTO HIDRÁULICAMENTE LISO....................................... 26 18 - FLUJO TURBULENTO HIDRÁULICAMENTE RUGOSO................................ 27 19 - DIAGRAMA NIKURADSE ............................................................................ 29 20 - DIAGRAMA MOODY.................................................................................... 30 21 - ESQUEMA GENERAL MONTAJE ................................................................ 32 22 - VISTA PANORAMICA MONTAJE................................................................. 33 23 - VISTA GENERAL MONTAJE ....................................................................... 33 24 - VISTA HACIA EL TANQUE .......................................................................... 34 25 - VISTA HACIA EL VERTEDERO ................................................................... 34 26 - MONTAJE FINAL ........................................................................................ 35 27 - ACONDICIONADOR DE SUPERFICIE.......................................................... 37 28 - ADHESIVO NOVAFORT .............................................................................. 37 29 - PISTOLA APLICADORA .............................................................................. 38 30 - DETALLE DE APLICACIÓN ADHESIVO NOVAFORT................................... 38 31 - DETALLE SEGMENTOS UNIDOS ................................................................ 39 32 - DETALLE DE PEGA AL INTERIOR DE LA TUBERÍA ................................... 39 33 - DETALLE DE SECADO ............................................................................... 40 34 - SEGMENTOS DEL 1 AL 7 YA UNIDOS ........................................................ 40 35 - SEGMENTOS DEL 1 AL 7 YA UNIDOS ........................................................ 41 36 - DETALLE MONTAJE Y APOYOS TUBERÍA 1 .............................................. 42 37 - DETALLE APOYOS ADICIONALES Y METÁLICOS TUBERÍA 1 ................... 42 38 - DETALLE ACOPLES BOCATOMA .............................................................. 43 39 - DETALLE UNION TUBERÍA 2 ...................................................................... 43 40 - DETALLE ACOPLES TUBERÍA 2................................................................. 44 41 - MANGUERA 316 CALIBRE 40 ..................................................................... 44 42 - APERTURA DE ORIFICIOS PARA INSTALACIÓN DE PIEZÓMETROS......... 45 43 - DETALLE DEL PROCESO DE LA INSTALACIÓN DE PIEZÓMETROS.......... 45 44 - DETALLE PIEZÓMETROS ........................................................................... 46 45 - INSTALACIÓN COMPLETA PIEZÓMETROS ................................................ 46 46 - DETALLE TABLERO PIEZOMÉTRICO......................................................... 47 47 - VERTEDEROS ............................................................................................ 49 48 - DETALLE AGUJA LIMNIMETRICA .............................................................. 50 49 - ILUSTRACIÓN hf ......................................................................................... 53 50 - ILUSTRACIÓN Ks Y DIAGRAMA DE MOODY TUBERÍA1 ............................ 65. 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(5) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. FIGURA NO. 51 - ILUSTRACIÓN Ks Y DIAGRAMA DE MOODY TUBERÍA2 ............................ 69 FIGURA NO. 53 - TUBERÍAS LISAS, DIAGRAMA DE MOODY ................................................ 75. Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng.

(6) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. ÍNDICE DE TABLAS TABLA NO. 1 - MÉTODOS DE EXCAVACIÓN PARA DIFERENTES TIPOS DE SUELO............ 15 TABLA NO. 2 - CLASIFICACIÓN MATERIAL TUBERIAS......................................................... 16 TABLA NO. 3 - PARÁMETROS QUE DEBEN SER CONSIDERADOS CON RELACIÓN AL TIPO DE SUELO.............................................................................................................................. 20 TABLA NO. 4 - PROPIEDADES SEGMENTOS TUBERIA 1 ...................................................... 36 TABLA NO. 5 - PENDIENTES TUBERÍA 1 ............................................................................... 41 TABLA NO. 6 - LONGITUD DE INSTALACIÓN DE PIEZOMETROS ......................................... 47 TABLA NO. 7 - CALIBRACIÓN VERTEDERO TUBERÍA 1 ....................................................... 50 TABLA NO. 8 - CALIBRACIÓN VERTEDRO TUBERÍA 2 ......................................................... 52 TABLA NO. 9 - ALTURAS PIEZOMÉTRICAS TUBERÍA 1 ........................................................ 53 TABLA NO. 10 - VALORES DE hf TUBERÍA 1 ......................................................................... 54 TABLA NO. 11 - ALTURAS PIEZOMÉTRICAS TUBERÍA 2 ...................................................... 55 TABLA NO. 12 - VALORES DE hf TUBERÍA 2 ......................................................................... 56 TABLA NO. 13 - CAUDAL TUBERÍA 1 .................................................................................... 57 TABLA NO. 14 - CAUDAL TUBERÍA 2 .................................................................................... 59 TABLA NO. 15 - DATOS DE ENTRADA CÁLCULO FACTOR DE FRICCIÓN TUBERÍA 1 ......... 61 TABLA NO. 16 - DIÁMETRO PROMEDIO TUBERÍA 1.............................................................. 61 TABLA NO. 17 - FACTOR DE FRICCIÓN TUBERÍA 1 .............................................................. 62 TABLA NO. 18 - DATOS DE ENTRADA CÁLCULO NÚMERO DE REYNOLDS TUBERÍA 1 ...... 62 TABLA NO. 19 - NÚMERO DE REYNOLDS TUBERÍA 1........................................................... 63 TABLA NO. 20 - COEFICIENTE DE RUGOSIDAD Ks TUBERÍA 1 ............................................ 64 TABLA NO. 21 - DATOS DE ENTRADA CÁLCULO FACTOR DE FRICCIÓN TUBERÍA 2 ......... 66 TABLA NO. 22 - FACTOR DE FRICCIÓN TUBERÍA 2 .............................................................. 66 TABLA NO. 23 - DATOS DE ENTRADA CÁLCULO NÚMERO DE REYNOLDS TUBERÍA 2 ...... 67 TABLA NO. 24 - NÚMERO DE REYNOLDS TUBERÍA 2........................................................... 67 TABLA NO. 25 - COEFICIENTE DE RUGOSIDAD Ks TUBERÍA 2 ............................................ 68 TABLA NO. 26 - COMPARACIÓN FACTOR DE FRICCIÓN ...................................................... 71 TABLA NO. 27 - COEFICIENTE DE RUGOSIDAD Ks PROMEDIO ........................................... 75. Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng.

(7) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. ÍNDICE DE GRÁFICAS GRÁFICA NO. GRÁFICA NO. GRAFICA NO. GRAFICA NO.. 1 2 3 4. - CURVA CALIBRACIÓN VERTEDERO TUBERÍA 1...................................... 51 - CURVA CALIBRACIÓN VERTEDERO TUBERÍA 2...................................... 52 - FACTOR DE FRICCIÓN VS. CAUDAL ........................................................ 72 - COEFICIENTE DE RUGOSIDAD Ks VS. CAUDAL ...................................... 74. Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng.

(8) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. 1 Introducción En la actualidad, existen aproximadamente 6,000 millones de habitantes en el planeta. La explosión demografía lamentablemente no cuenta con una tasa de crecimiento constante, sin embargo, el crecimiento de las zonas urbanas muestra ser bastante acelerado. Según Pomeranz (2000), la población, o número de habitantes de una determinada región, afecta a todos los aspectos de nuestro mundo, desde las oportunidades económicas hasta los cambios en el medio ambiente y en las experiencias de la vida cotidiana. La comprensión de las tendencias a largo plazo resulta esencial para efectuar las proyecciones necesarias para una planificación inteligente en las áreas de economía, protección del medio ambiente y sanidad.. Refiriéndonos específicamente a las últimas dos áreas mencionadas en el articulo de Pomeranz, junto con el crecimiento acelerado y desordenado de las ciudades, se derivan problemas serios de medio ambiente y sanidad. Además de las modificaciones causadas al medio, también existe la necesidad de llevar todas las líneas de servicios públicos a cada uno de los nuevos asentamientos, esto sin contar las vías de comunicación con el resto de la población. Quizá uno de los servicios públicos más importantes que debe ser suministrado es el servicio de acueducto y alcantarillado, no solo proporciona un elemento vital para la vida de los habitantes, sino que también previene graves problemas de sanidad.. Por definición, un acueducto es un canal artificial construido para transportar agua y abastecer a una población. Puede ser un canal abierto o cerrado, un túnel o una tubería, o puede ser un puente que eleve el canal sobre un valle o un río.El primer acueducto que funcionó exitosamente fue el acueducto romano (Aqua Marcia) que transportaba el agua sobre la superficie del suelo, en Roma; tenía una longitud de 90 km y fue construido por el pretor Marcio en el año 144 a.C. La sección de este acueducto, soportada por puentes, medía unos 16 km. Diez acueductos suministraban agua a la antigua ciudad de Roma, unos 140.000 m 3 de agua al día. En la actualidad se encuentran porciones de ellos que todavía están en funcionamiento, y proporcionan agua a las fuentes de Roma. Los antiguos romanos también construyeron acueductos en otros lugares de su imperio, muchos de los cuales se mantienen todavía en buen estado: el acueducto sobre el canal de Francia; el de Segovia en España y el de Éfeso en Turquía. (Microsoft Encarta, 2006). Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 1.

(9) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. Tal como se describió anteriormente, los acueductos han sido parte integral en la evolución de la raza humana. Gracias a los distintos avances presentados por la rama de la ingeniería (la cual derivo en lo que hoy llamamos mecánica de fluidos) las técnicas de construcción, así como los materiales y la modelación hidráulica han evolucionado considerablemente. Actualmente las líneas de acueducto, en su mayoría, se encuentran instaladas a nivel subterráneo, se utilizan como transporte tuberías con diferentes gamas de diámetros y materiales, entre ellos; vidrio, PVC, CPVC, asbesto cemento, GRP, acero, hierro forjado, CCP, hierro fundido asfaltado, hierro galvanizado, arcilla vitrificada, hierro fundido, hierro dúctil, madera cepillada, concreto, acero blindado. La instalación de dichas líneas ha representado un inconveniente para los constructores y para la ciudad en si. En la mayoría de los casos, la instalación de nuevas líneas de acueducto es un proceso de sumo cuidado, debe tenerse en cuenta: la hidráulica de todo el conjunto de líneas de la ciudad (red de acueducto) así como la hidráulica de la línea instalada, la existencia de líneas preliminares o de otras características (líneas de teléfono, energía, gas, etc.) existentes en el mismo lugar, así como el optimo proceso constructivo de instalación. Tradicionalmente, el proceso de construcción para la instalación de nuevas líneas o reparación de las antiguas, se basa en abrir una zanja (brecha, hueco) en el lugar de la instalación de la tubería y se procede con el proceso de instalación. Sin embargo este método probó tener varios problemas, el más importante de ellos es el impacto que tiene sobre la superficie que es abierta, lo cual, en la mayoría de los casos, resulta ser una vía. También existen problemas con las profundidades a las cuales se instalan las nuevas líneas, entre más profundo, será más costoso y más complicado el proceso. Además de esto, se pueden mencionar los problemas de ruido durante la construcción así como obstrucciones en la vía (problemas de movilidad) y largas jornadas de trabajo. Teniendo esto en mente, se ha desarrollado una nueva tecnología llamada Pipe Jacking, o instalación sin zanja, la cual tiene como objetivo principal tener el mínimo impacto en la superficie durante la construcción. El método está basado en la instalación de las líneas de tubería mediante métodos de excavación subterráneo. Es decir, en vez de abrir la zanja, se hace una excavación a la profundidad deseada y desde este punto se empujan las tuberías hasta el punto de llegada. El método probo tener varias ventajas, entre ellas se pueden encontrar; daño mínimo en la superficie, habilidad de instalar líneas bajo construcciones o líneas ya existentes, producción mínima de ruido, seguridad mayor para los Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 2.

(10) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. constructores, posibilidad de instalación bajo profundidades mayores comparadas con el otro método, relación de beneficio – costo mayor y adaptabilidad a cualquier tipo de suelo. A pesar de las garantías constructivas que ofrece el método, este tiene un inconveniente que no se encuentra del todo resuelto; se refiere a las variaciones de pendiente que se puedan llegar a presentar entre los diferentes tramos de las tuberías hincadas, lo cual puede llegar a afectar considerablemente el diseño hidráulico de la línea. El propósito de este proyecto, es precisamente comparar como estas mínimas variaciones de pendiente pueden llegar a afectar la hidráulica del proceso, más específicamente, como afecta en el coeficiente de rugosidad ks de la tubería. La investigación se llevó a cabo en el Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados de la Universidad de Los Andes (CIACUA), en el cual se construyeron dos modelos físicos; uno representaba una línea de instalación teórica con pendiente horizontal, y el otro representaba una línea de instalación con pequeñas variaciones de pendiente entre los tramos. Mediante vertederos se midió el caudal y mediante piezómetros se midió la perdida de cabeza entre aguas arriba y aguas abajo de las dos tuberías, la cual permitiría, bajo las ecuaciones que reinan el diseño de la hidráulica, comparar en términos de ks, los dos modelos. El documento se encuentra organizado de la siguiente manera: El capítulo 2 contiene los objetivos del proyecto, explicando lo que se quiere lograr con el trabajo desarrollado. El capítulo 3 es la base teórica del documento y se explica en detalle el método de Pipe Jacking El capítulo 4 es la descripción de las ecuaciones y la modelación matemática de la hidráulica del flujo en tuberías, este describe el proceso de cálculo del coeficiente de rugosidad ks, necesario para la comparación de los modelos físicos. El capítulo 5 presenta la descripción de la construcción del modelo físico. El capítulo 6 recopila los resultados de las pruebas realizadas en los dos modelos físicos, así como una comparación de los resultados y sus respectivos análisis. En el capítulo 7 están las conclusiones de esta investigación. En el capítulo 8, 9 y 10 están las referencias bibliográficas de texto, figuras y tablas que aparecen a lo largo de trabajo. En el capítulo 11 está la bibliografía utilizada en el desarrollo del proyecto Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 3.

(11) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. 2 Objetivos Los objetivos de un proyecto de investigación permiten marcar una pauta para el comienzo del proyecto, y una meta a la cual se buscará llegar. A medida que se va desarrollando la investigación surgirán algunos otros objetivos, mucho más específicos y detallados. Como objetivo general de este proyecto y lo que se intentará mostrar en este documento, es el desarrollo de una investigación acerca de las posibles consecuencias en el diseño hidráulico (variaciones en el coeficiente de rugosidad ks) de una tubería instalada por medio del método de Pipe Jacking. Para llegar a esto se desarrollarán algunos conocimientos básicos sobre el método de instalación de tuberías Pipe Jacking tales como la descripción del proceso en si, maquinaria utilizada, desventajas del método, etc. También se presentará un resumen de la hidráulica de tuberías que se debe tener presente para el diseño de las mismas. Teniendo esto en mente, se hará la construcción de dos modelos físicos a escala: tubería con pendiente teórica y tubería simulada según el proceso de construcción Pipe Jacking (presentará variaciones en la pendiente del orden del 4%). Finalmente se pretende comparar entre los dos tipos de modelos las variaciones en la hidráulica del flujo, específicamente en la variación del coeficiente de rugosidad ks.. Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 4.

(12) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. 3 Pipe Jacking El método llamado Pipe Jacking se refiere específicamente a una técnica por medio de la cual se pueden instalar tuberías subterráneas (cabe anotar que estas tuberías no necesariamente transportan agua, pueden ser usadas para líneas telefónicas y eléctricas, transporte de gas y drenajes entre otros. Sin embargo, para propósitos de esta investigación se tomará en cuenta solo el caso de tuberías de acueducto.), ductos y box culverts, sin tener la necesidad de una excavación sobre el terreno. El término Microtunelaje se refiere a un tipo específico de Pipe Jacking que comprende diámetros menores de tuberías. El uso de este método ha ido creciendo considerablemente; el primer registro de uso se remonta a 1910 en Norteamérica (Ripley, 1989). Desde entonces existen varios centros de investigación que se dedican a estudiar la técnica, entre ellas se destaca el Pipe Jacking Association y el British Tunelling Society. Básicamente el método funciona de la siguiente manera: gatos hidráulicos ubicados en un centro de control (que después se convertirá en un pozo de inspección) empujan tuberías (especialmente diseñadas) a través del suelo. La presión generada por los gatos es transmitida de tubo a tubo hasta la cara de la excavación, la fuerza de los gatos varía según las condiciones del suelo, el diámetro de la tubería, y la longitud de la misma; se puede presentar fuerzas de hasta 300 toneladas para un hincamiento de 1200mm por golpe (Concrete Pipe Jacking Asocciation of Australasia [CPJAA]). El suelo removido es transportado hacia afuera de la excavación por métodos manuales o mecánicos. (Ver figura no. 1). FIGURA NO. 1 - ESQUEMA GENERAL Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 5.

(13) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. Actualmente no existen límites teóricos para la longitud de los tramos, sin embargo existen consideraciones prácticas y económicas que reducen la longitud de los mismos. Además, el tipo de tubería, tamaño de excavación del puesto de control, maquinaria utilizada y otras especificaciones dependen mayormente del tipo de suelo y del diámetro necesario.. 3.1 Construcción y Componentes Para la puesta en marcha de cualquier proyecto es necesario conocer algunas consideraciones previas que harán del mismo algo viable tanto funcionalmente como económicamente. En construcciones mediante el método de Pipe Jacking esta no es la excepción; se necesita una gran cantidad de información previa para la puesta en marcha del diseño y posteriormente para la construcción. Según la PJA (The Pipe Jacking Association [PJA], 2006), estas consideraciones previas pueden ser generalizadas de esta manera: • • • • • • • • •. Requerimientos hidráulicos Ruta óptima Profundidad Pendiente Requerimientos de manhole (pozos de inspección) Condiciones del suelo Topología de tubos existentes así como de posibles subterráneas Longitudes requeridas Diámetros requeridos. estructuras. Todos estos parámetros van a determinar el éxito o fracaso financiero del proyecto. Para este método el componente más importante es el tipo de suelo ya que de este se desprende las demás características y componentes del sistema.. Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 6.

(14) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. 3.1.1 Elementos Típicos Existen algunos elementos típicos en los proyectos de excavación por medio del método de Pipe Jacking; en la figura no. 2 se presenta un diagrama en el cual se pueden apreciar estos componentes. De una manera general los podemos dividir en cuatro elementos (Harbuck, 2000): 1. 2. 3. 4.. Cara de la excavación Línea de excavación Puesto de control (llegada y salida, Jacking Pit y Receiving Pit) Trabajos en la superficie. FIGURA NO. 2 - COMPONENTES TÍPICOS. La cara de la excavación se refiere al frente de avance en donde se realizan las siguientes tareas: excavación y control del suelo, dirección y nivelación de la excavación, y carga del suelo excavado para ser transportado y desechado. Estas están sujetas al tipo de escudo utilizado para la excavación; este tipo de maquinaria será explicado más adelante. La línea de la excavación se refiere a las tuberías ya instaladas, estas cumplen varias funciones: transmiten la presión de los gatos a las tuberías siguientes, facilitan el transporte de material así como de personal a través de ellas, y permiten llegar a la cara de la excavación. Jacking Pit: en algunos casos el puesto de control se encuentra en esta zona y no sobre la superficie como se muestra en la figura no. 2 (para procesos de microtunelaje con diámetros entre 150 y 1000mm (PJA, 2006), el puesto de control es en la superficie debido a la maquinaria utilizada que no deja espacio suficiente para llevar a cabo operaciones adentro de la tubería) , principalmente proporciona el espacio necesario para llevar a cabo la configuración de los gatos y asegurar Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 7.

(15) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. una transferencia de carga uniforme, además de brindar el espacio suficiente para el manejo del material. Receiving Pit: es el punto de llegada de la excavación. Generalmente, estos dos últimos componentes son estratégicamente escogidos para que después de la construcción se conviertan en pozos de inspección (manholes). El tamaño de los Pits está sujeto al diámetro de las tuberías, condiciones del suelo, tamaño de la maquinaria utilizada. En la mayoría de los casos, el Jacking Pit constituye un gran porcentaje del valor de la obra Además de los requerimientos técnicos y de diseño necesarios para llevar a cabo la construcción, existe cierto orden en al misma. Primero que todo se debe definir el tipo de puesto de control (si este es sobre la superficie o si se ubicara en el nivel de la excavación) y como será su construcción, luego debe definirse el tipo de excavación que se hará y el tipo de maquinaria que se debe utilizar. Y por último se deben tomar en cuenta algunas consideraciones adicionales con respeto a los gatos, la fuerza aplicada de los mismos y la longitud tolerable para el proceso de hincamiento.. 3.1.2 Método Constructivo Esencialmente el método consiste en instalar tuberías subterráneas sin la necesidad de abrir una zanja para su instalación. Para la construcción de un tramo por medio de este método primero se debe construir el puesto de control (ver numeral 3.1.3) que es el punto de partida y donde estarán localizados los gatos, desde este punto se empujaran los segmentos de tubería consecutivamente. También debe estar definido y exca vado el punto final adonde se deberá llegar, este marca el final de la excavación. La capacidad de empuje de los gatos dependerá de la longitud de la tubería y de las condiciones del suelo. Los gatos harán reacción en una pared usualmente llamada thrust wall la cual será construida en el puesto de control. Se debe tener especial cuidado si la calidad del suelo en este sitio no es óptima ya que podrían necesitarse estructuras de estabilidad adecuadas tales como pilotes. Si no se tiene acceso a la profundidad requerida para la construcción de la pared, la reacción debe ser soportada por un marco estructural debidamente anclado o pilotado que asegure una transferencia de cargas adecuada. En la figura no. 3 se muestra un esquema de la pared de reacción anteriormente mencionada.. Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 8.

(16) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. FIGURA NO. 3 - THRUS T WAL. El número de gatos hidráulicos utilizados depende de la fuerza de los mismos, del diámetro de la tubería y de la longitud de esta. Para proteger la tubería ante cualquier daño superficial que le pueda ocasionar la presión de los gatos, y para distribuir la presión de los mismos uniformemente en la tubería, existe un anillo entre los gatos y la tubería, adicionalmente la tubería se protege con madera suave. Generalmente el escudo (instrumento de excavación) es empujado hasta el puesto de llegada en donde se remueve y se extra. En muy raras ocasiones se necesitan estaciones de empuje intermedias (Intermediate Jacking Station); usualmente se utilizan cuando la longitud es muy larga. El alineamiento de la excavación y de las tuberías es controlado mediante dos puntos fijos, uno es ubicado en el puesto de control y el otro es ubicado en el escudo o en la primera tubería de la línea. Actualmente son usados sistemas de guía que usan láser y transmiten la señal a un computador guía que hace las correcciones necesarias para que el alineamiento no pierda el curso. Sin embargo existen dos puntos críticos en cuanto al alineamiento vertical se refiere, al principio cuando la presión vertical aumenta y al final, cuando esta disminuye, para estos dos casos es necesario ser muy cuidadoso con la presión aplicada por los gatos.. Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 9.

(17) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. 3.1.3 Puestos de Control (Working Shafts). FIGURA NO. 4 - WORKING SHAFTS. Existen diferentes métodos que pueden ser utilizados para la construcción de los puestos de control dependiendo del tipo de suelo; • • • • • •. Sheet Piling: consiste en una serie de paneles usados como pilotes, conectados entre si, que son hincados para sostener el suelo de la excavación. Secant Piling: pila de concreto o acero conectadas entre si que sostienen las paredes de la excavación Segmental lining: anillos de concreto colocados uno sobre el otro para retener el suelo de la excavación Caissons: estructura completa de acero, madera o concreto formando un estilo de caja alrededor de las paredes de excavación Trench sheet: l consiste en una serie de paneles interconectados entre si que son de cierto modo empujados y asegurados a las paredes de la excavación. Ground Anchorages: anclajes que sostienen la excavación.. Suelos cohesivos y no cohesivos secos •. Segmental: permite un tamaño y/o forma de excavación mínimo de 2.4 m de diámetro, no requiere una profundidad de excavación límite, no es necesario un tratamiento adicional de estabilización para el suelo.. Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 10.

(18) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. • • • •. •. •. ICIV 200720 19. Sheet Piled: no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, permite una profundidad de excavación de hasta 15 m, no es necesario un tratamiento adicional de estabilización para el suelo. Secant Piled: no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, permite una profundidad de excavación de hasta 20 m, no es necesario un tratamiento adicional de estabilización para el suelo. Trench Sheeted: no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, permite una profundidad de excavación de hasta 6 m, no es necesario un tratamiento adicional de estabilización para el suelo. Caissons: (Pre-fabricado o fundido in situ) permite un tamaño y/o forma de excavación mínimo de 2.4 m y máximo de 4m, permite una profundidad de excavación de hasta 15 m, no es necesario un tratamiento adicional de estabilización para el suelo. Battered Excavation: no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, permite una profundidad de excavación muy superficial, es necesario un tratamiento adicional para el suelo si el talud es muy empinado. Ground Anchorages: no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, la profundidad de excavación debe ser mínima, casi en el nivel de la superficie, no es necesario un tratamiento adicional de estabilización para el suelo.. Suelos cohesivos y no cohesivos húmedos •. •. • •. •. Segmental: permite un tamaño y/o forma de excavación mínimo de 2.4 m de diámetro, la profundidad esta limitada a el tratamiento de suelo utilizado; estabilización química, congelamiento del suelo, evacuación de agua por medio de pozos de bombeo (dewatering). Sheet Piled: no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, permite una profundidad de excavación de hasta 15 m, es necesario estabilizar las condiciones del suelo por medio de la evacuación de agua por medio de pozos de bombeo (dewatering). Secant Piled: no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, permite una profundidad de excavación de hasta 20 m, puede necesitar estabilización del suelo para la estabilidad de la base de la excavación. Caissons: (Pre-fabricado) permite un tamaño y/o forma de excavación mínimo de 2.4 m y máximo de 4m, permite una profundidad de excavación de hasta 15 m, puede necesitar estabilización del suelo para la estabilidad de la base de la excavación. Caissons: (Fundido in-situ) no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, permite una profundidad de excavación de hasta 40 m, puede. Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 11.

(19) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. necesitar estabilización del suelo para la estabilidad de la base de la excavación. •. Ground Anchorages: no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, la profundidad de excavación debe ser mínima, casi en el nivel de la superficie, es necesario un tratamiento de estabilidad para el suelo o la instalación de pilotes para tener suficiente soporte en la pared de reacción de los gatos.. 3.1.4 Tipos de Escudos La palabra escudo (traducción del ingles shield) se refiere más que todo al tipo de maquinaria usada para la excavación del suelo. Existen varios tipos de escudos, estos son escogidos dependiendo de las características del suelo y del tipo de tubería a instalar. Pueden ser divididos en tres tipos, (Harbuck, 2000): 3.1.4.1 Escudos Convencionales Existen cuatro tipos principales: • • •. Manual: excavación manual con varios tipos de estructuras para el control de la estabilidad del suelo en la cara de la excavación. Blind: excavación por medio de hendiduras o aperturas que fuerzan a los suelos suaves homogéneos plásticos a abrirse. Semi – Mecánica: excavación por medio de brazos mecánicos con un tipo de taladro acoplado en su extremo. En la figuras no. 5 y 6 se pueden ver algunas clases de esta maquinaria.. FIGURA NO. 5 – ESCUDO CONVENCIONAL CUTTER BOOM. Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 12.

(20) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. FIGURA NO. 6 – ESCUDO CONVENCIONAL BACKACTER. •. Mecánica: excavación por medio de cabezas mecánicas rotatorias con discos en sus extremos, son clasificadas por medio de la guía de TBM (Túnel Boeing Machine). En las figuras no. 7 y 8 se pueden ver algunos tipos de estas maquinarias.. FIGURA NO. 7 – ESCUDO CONVENCIONAL EPBM. Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 13.

(21) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. FIGURA NO. 8 – ESCUDO CONVENCIONAL TBM. 3.1.4.2 Escudos de Aire Comprimido Solo existe un tipo de excavación para este escudo, su nombre en ingles es Lock at Face, y consiste en un chorro de aire comprimido aplicado en la cara de la excavación que genera diferenciales de presiones en el suelo debido a la presión del mismo y a la presión del agua contenida. 3.1.4.3 Escudos de Presión Existen tres tipos principales: • •. Presión de Agua: consiste en el uso de maquinaria mecánica de excavación; sin embargo se aplica chorros de agua a presión en la cara de la excavación para mezclar el suelo con la misma y facilitar su remoción. Presión de Bentonita: el mismo caso anterior solo que en vez de agua se utiliza bentonita.. En la figura no. 9 se puede ver como funciona el sistema de este tipo de maquinaria.. Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 14.

(22) Facultad de Ingeniería - Departam ento de Ing eniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Pro yecto de Gr ado Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. FIGURA NO. 9 - ESCUDOS DE PRESIÓN PRESSURISED SLURRY MACHINE (PSM). •. Presión de suelo: consiste en el uso de maquinaria mecánica de excavación; sin embargo se controla la tasa a la cual el suelo es removido para que este proporcione la suficiente estabilidad en la cara de la excavación.. FIGURA NO. 10 - ESCUDOS DE PRESION EARTH PRESSURE BALANCE MACHINE (EPBM). Para los métodos de excavación anteriormente mostrados, se presenta una tabla (PJA, 2006) que indica como dependiendo del diámetro y del suelo se deberían escoger dichos métodos.. MÉTODO DE EX CAVACIÓN Mecanica (TBM) Semi - Mecanica (Cutter Boom) Semi - Mecanica (Backacter Shield) Presion (agua o bentonita) Presión de suelo (EPBM) Microtunelaje Excavacion a mano. DIAMETRO INTERNO TUBERIA (mm). SUELO SECO (Cohesivo o no cohesivo) SOPORTE EN LA CARA. SUELO HUMEDO (Cohesivo o no cohesi vo) SOPORTE EN LA CARA. 1200 - 3000. Ninguno. Est abilización del suelo. 1400 - 1300 150 - 1000 1200 - 3000. No existe un método conocido aun Anillo de estabilidad. No existe un método conocido aun Estabilización del suelo Estabilización del suelo. TABLA NO. 1 - MÉTODOS DE EXCAVACIÓN PARA DIFERENTES TIPOS DE SUELO Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 15.

(23) Facultad de Ingeni ería - Departam ento de Ing enierí a Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantari llados – CI ACUA Pro yecto de Gr ado Vari ación d el co efici ente de rugosidad ks en tuberí as instal adas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. 3.1.5 Tuberías El material más común de las tuberías usado en el método de Pipe Jacking es el concreto, los diámetros varían entre 450 mm hasta 3000 mm (o mayor si es requerido). Para diámetros menores es común utilizar tuberías de arcilla vitrificada con diámetro promedio entre 150mm y 700 mm. El material seleccionado depende de varias razones; el diámetro, longitud y en algunos casos, de las condiciones del suelo. En la siguiente tabla se muestra una clasificación de los tamaños (PJA, 2006);. Material Arcilla Arcilla Arcilla Arcilla Arcilla Arcilla Arcilla Concreto Arcilla Arcilla Concreto Concreto Arcilla Concreto Concreto Concreto Concreto Concreto Concreto Concreto Concreto Concreto Concreto Concreto. Diametro nominal mm 150 200 225 250 300 400 450 450 500 600 600 675 700 900 1000 1200 1500 1600 1800 1950 2100 2400 2400 2500. Diametro real (rango) mm 149 200 229 253 305 406 450 450 504 609 585 670 704 904 980 1180 - 1200 1470 - 1500 1600 1800 - 1830 1950 - 1980 2080 2375 - 2425 2425 2500. TABLA NO. 2 - CLASIFICACIÓN MATERIAL TUBERIAS. Tuberías de concreto: Las tuberías de concreto deberán se fabricadas con cierta regulación ya que estas deben soportar la presión generada por los gatos hidráulicos y transmitir las mismas a los demás segmentos sin incurrir en daños a las tuberías ni a las juntas. La longitud de los tramos varia entre 1.2 y 2.5 metros. Existen juntas flexibles para unir cada uno de los segmentos; en la siguiente figura se encuentra una ilustración de las juntas descritas.. Variación del c oeficient e de rugosidad Ks en t uberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 16.

(24) Facultad de Ingeni ería - Departam ento de Ing enierí a Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantari llados – CI ACUA Pro yecto de Gr ado Vari ación d el co efici ente de rugosidad ks en tuberí as instal adas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. FIGURA NO. 11 – DIAGRAMA TÍPICO DE JUNTAS EN TUBERÍAS DE CONCRE TO. Tuberías de arcilla vitrificada: Generalmente estas tuberías son utilizadas cuando no hay necesidad de diámetros grandes, existen especificaciones de construcción similares a las mencionadas anteriormente para tuberías de concreto. La siguiente figura muestra el diagrama básico de las juntas.. FIGURA NO. 12 - DIAGRAMA TÍPICO DE JUNTAS EN TUBERÍAS DE ACILLA VITRIFICADA. Líneas secundarias: Hay casos, muy comunes, en los cuales la tubería de concreto o arcilla es instalada de un diámetro mayor a la tubería real que puede ser de un diferente material, existen varias casos los cuales son ilustrados en la siguiente figura.. Variación del c oeficient e de rugosidad Ks en t uberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 17.

(25) Facultad de Ingeni ería - Departam ento de Ing enierí a Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantari llados – CI ACUA Pro yecto de Gr ado Vari ación d el co efici ente de rugosidad ks en tuberí as instal adas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. FIGURA NO. 13 – LINEAS SECUNDARIAS. También existen tuberías revestidas de diferentes materiales como lo son el PVC, acero, concreto y arcilla.. 3.2 Información del suelo y estudios de campo El método de Pipe Jacking exige un elaborado estudio de los suelos que se van a encontrar durante el desarrollo del mismo. De este depende el tipo de maquinaria a utilizar así como todas las consideraciones técnicas y de seguridad del proyecto. Las condiciones y parámetros a evaluar son los siguientes: peso específico, contenido de humedad, ángulo de fricción, distribución del tamaño de las partículas, abrasión, cohesión, tipo y proporción de minerales, ensayo de penetración estándar, permeabilidad, nivel freático, presencia de gases, índices plásticos, resistencia axial, entre otros. Es necesario empezar el estudio con información de la zona ya conocida, tales como estudios previos, fotografías aéreas, entre otras. Este paso da una concepción general del proyecto. Variación del c oeficient e de rugosidad Ks en t uberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 18.

(26) Facultad de Ingeni ería - Departam ento de Ing enierí a Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantari llados – CI ACUA Pro yecto de Gr ado Vari ación d el co efici ente de rugosidad ks en tuberí as instal adas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. El estudio en campo y la cantidad de información requerida depende potencialmente del tipo de suelo; esto se determina mediante ensayos exploratorios tales como SPT (Standard Penetration Test), SCPT (Static Cone Penetration Test), ensayos acústicos, entre otros. Es importante resaltar que los ensayos deberán hacerse desde la profundidad donde va a quedar instalada la tubería, también en zonas adyacentes para determinar cambios abruptos en la geología del sitio (PJA, 2006).. FIGURA NO. 14 - ESQUEMA DE LA INFORMACIÓN TÍPICA NECESARIA PARA EL DISEÑO. El factor más importante a determinar mediante el estudio geológico es la estabilidad del suelo, mediante esta se determina si hay necesidad de consideraciones adicionales en el proceso de construcción tales como prevención de perdida del material, licuefacción y asentamientos no controlados. Según la CPJAA, lo óptimo es encontrarse ante una situación en la cual el suelo esté compuesto de arcilla con un mínimo de esfuerzo de compresión inconfinada de 100 KPa, a mayor porcentaje de limos o arenas en la arcilla, mayor es la fricción entre el suelo y el tubo lo que implica una presión mayor que tendrá que ser ejercida por los gatos hidráulicos. Condiciones desfavorables tales como una gran variedad de estratos, resulta en una gran dificultad en el sistema de guía de la tubería debido a las diferentes presiones ejercidas por el suelo a cada lado de la misma. Se debe tener una consideración especial cuando se trabaja por debajo o en los límites del nivel freático ya que la pérdida de agua durante la excavación resulta en la consolidación del suelo debido a la reducción en la presión de poros; esto puede causar asentamientos en estructuras adyacentes. A continuación se presenta una tabla desarrollada por la PJA, la cual resume los parámetros que deben ser considerados con relación al tipo de suelo.. Variación del c oeficient e de rugosidad Ks en t uberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 19.

(27) Facultad de Ingeni ería - Departam ento de Ing enierí a Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantari llados – CI ACUA Pro yecto de Gr ado Vari ación d el co efici ente de rugosidad ks en tuberí as instal adas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. TABLA NO. 3 - PARÁMETROS QUE DEBEN SER CONSIDERADOS CON RELACIÓN AL TIPO DE SUELO. Sin embargo, como las condiciones del suelo generalmente son adversas y se presentan gran variedad de estratos, se tienen al igual algunas recomendaciones para tratar los suelos con el fin de brindarles estabilidad así como para el uso de diferentes maquinarias dependiendo del mismo. Existen varios procesos tales como: • Soporte en la cara de la excavación (Face Support): Se refiere más que todo a métodos mecánicos para darle soporte a la punta de la excavación, es decir, para prevenir que la excavación colapse. Entre ellos podemos encontrar el uso de maquinaria como la TBM (Túnel Boeing Machine) preferiblemente con cara cerrada. También encontramos sistemas como la excavadora Cutter Boom así como sistemas de aire comprimido. • Tratamiento del suelo (Ground Treatment): Se trata de modificar las propiedades del suelo alrededor de la excavaron mediante diferentes métodos tales como la evacuación de agua por medio de pozos (Dewatering), la inyección de diferentes tipos de lechadas alrededor de la excavación (Grouting); para este método se puede utilizar cemento, bentonita o diferentes químicos, esto dependiendo del tipo de suelo. Por último se tiene el congelamiento del suelo, para condiciones extremas de inestabilidad del mismo. A continuación se muestra una clasificación de los procesos o maquinarias recomendados para aumentar la estabilidad del suelo dependiendo de la clasificación del mismo.. Variación del c oeficient e de rugosidad Ks en t uberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 20.

(28) Facultad de Ingeni ería - Departam ento de Ing enierí a Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantari llados – CI ACUA Pro yecto de Gr ado Vari ación d el co efici ente de rugosidad ks en tuberí as instal adas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. FIGURA NO. 15 - MÉTODOS DE TRATAMIENTO PARA DIFERENTES CLASES DE SUELO. Variación del c oeficient e de rugosidad Ks en t uberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 21.

(29) Facultad de Ingeni ería - Departam ento de Ing enierí a Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantari llados – CI ACUA Pro yecto de Gr ado Vari ación d el co efici ente de rugosidad ks en tuberí as instal adas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. 3.3 Desventajas del método El método de Pipe Jacking ofrece sinnúmero de ventajas constructivas frente a los métodos tradicionales: daño mínimo en la superficie, habilidad de instalar líneas bajo construcciones o líneas ya existentes, producción mínima de ruido, seguridad mayor para los constructores, posibilidad de instalación bajo profundidades mayores comparadas con el otro método, relación de beneficio – costo mayor y adaptabilidad a cualquier tipo de suelo Sin embargo el método todavía tiene algunas deficiencias que afectan la construcción en si, así como el diseño hidráulico de la línea instalada. A continuación se muestran algunas de las deficiencias antes mencionadas; •. Según el estudio "Structural Behaviour and Dimensioning of Reinforced Concrete Jacking Pipes" desarrollado por el Instituto de Ingeniería Estructural de Suiza, bajo el liderazgo del profesor Dr. Peter Marti, el sistema de Pipe Jacking no tiene desarrollado completamente la teoría acerca de la transmisión de cargas cuando se están empujando las líneas de tubería. Usualmente, y como se mencionó anteriormente, las cargas deben ser transmitidas uniformemente a través de toda la sección transversal de las tuberías que están siendo hincadas; para esto se usan anillos que transmiten la carga hechos de madera. Sin embargo, y según lo que el estudio revela, estos anillos no son del todo efectivos y existen ocasiones en las que las fuerzas de presión no son distribuidas uniformemente, las investigaciones muestran que se generan presiones extremas en dirección perpendicular al eje de la tubería. Lo anterior puede causar daños en las líneas de tuberías, alineamientos pobres o inexactos y se puede llegar al colapso de la estructura.. •. Otras investigaciones han mostrado que el método tiene un defecto debido a que hay remoción de suelo cerca de los extremos de las tuberías lo que incrementa la posibilidad de asentamiento de la misma. A pesar de los tratamientos existentes que hay para estabilizar los suelos, estos han mostrado ser en algunos casos impredecibles.. •. Los problemas de asentamiento se incrementan a causa de las juntas que hay entre cada sección de tubería instalada; según la PJA, las tolerancias entre niveles de alineación, tanto vertical como horizontal, es de masmenos 50 mm. Aunque parezca muy poco, esto representa cambios en la pendiente de los diferentes segmentos de la tubería.. Variación del c oeficient e de rugosidad Ks en t uberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 22.

(30) Facultad de Ingeni ería - Departam ento de Ing enierí a Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantari llados – CI ACUA Pro yecto de Gr ado Vari ación d el co efici ente de rugosidad ks en tuberí as instal adas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. Las deficiencias del método de instalación de tuberías Pipe Jacking mostradas anteriormente llevan a concluir que se presentan variaciones involuntarias en la pendiente de cada segmento de tubería. El propósito de esta investigación es demostrar si estas variaciones en la pendiente de las tuberías afectan la hidráulica del flujo, es decir, si afectan el coeficiente de rugosidad. Las pendientes que se manejaran en los modelos físicos que se construyeron para este proyecto varían entre 0 y 4% para segmentos de tubería entre 0.5 y 1 metro.. Variación del c oeficient e de rugosidad Ks en t uberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 23.

(31) Facultad de Ingeni ería - Departam ento de Ing enierí a Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantari llados – CI ACUA Pro yecto de Gr ado Vari ación d el co efici ente de rugosidad ks en tuberí as instal adas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. 4 Hidráulica del flujo Desde el punto de vista de su comportamiento, un fluido es una sustancia que no puede resistir esfuerzo cortante. Si se presenta, el fluido se deforma y continua deformándose mientras es esfuerzo cortante exista. En este proceso de deformación continua las diferentes partes del fluido cambian de posición relativa en forma permanente, a la vez que tienen un movimiento relativo con respecto a un contorno sólido. Esta combinación de movimientos se conoce como flujo. (Saldarriaga, 2007) El diseño hidráulico de sistemas de tuberías es realizado bajo la premisa de que el flujo es uniforme, por lo tanto las características de presión y velocidad permanecen constantes en el espacio y en el tiempo. Sin embargo, es importante resaltar que existen tres fuerzas que actúan en el caso de este flujo; fuerzas de presión, fuerzas gravitacionales y fuerzas de fricción. Para propósitos de este proyecto solo se hará énfasis en esta última. Siguiendo la segunda ley de movimiento de Newton, la ecuación preliminar para explicar las perdidas de energía por fricción a través de cualquier tipo de ducto, derivo en la siguiente expresión:. τo =. A ρgS f P. En donde el término en la izquierda de la ecuación representa el esfuerzo cortante en la pared interna de la tubería. Este es función del radio hidráulico, la pendiente de fricción (Sf) y del peso específico del fluido.. 4.1 Número de Reynolds Osborne Reynolds de la Universidad de Cambridge Inglaterra, alrededor de 1880 y 1884, derivó una ecuación adimensional la cual planteaba una relación entre las fuerzas viscosas y fuerzas de presión en el flujo, lo que resultó en la siguiente expresión: Número de Reynolds (Re) Re =. vdρ. µ. Variación del c oeficient e de rugosidad Ks en t uberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 24.

(32) Facultad de Ingeni ería - Departam ento de Ing enierí a Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantari llados – CI ACUA Pro yecto de Gr ado Vari ación d el co efici ente de rugosidad ks en tuberí as instal adas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. En donde el número de Reynolds (Re) es función de la velocidad (v) del flujo, diámetro (d) de la tubería, densidad (ρ) y viscosidad (µ) del fluido.. A partir de esta relación y mediante los resultados obtenidos en sus experimentos, Reynolds logró describir el comportamiento del flujo y de esta manera clasificarlo. Los resultados obtenidos fueron los siguientes: • • •. Para un número de Reynolds menor a 2200, el flujo es laminar. Para números de Reynolds entre 2200 y 4500, el flujo es transicional. Para un número de Reynolds mayor a 4500, el flujo es turbulento.. Reynolds definió el flujo laminar como un tipo de flujo en el cual el movimiento de las partículas del fluido se produce siguiendo trayectorias regulares, separadas y perfectamente definidas como si se tratara de láminas o capas paralelas entre si, las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras, sin que exista mezcla macroscópica o intercambio transversal entre ellas. La ley de Newton de la viscosidad es la que rige el flujo laminar. (Flujo Laminar. (s.f.). Wikipedia. Recuperado el 4 de Enero de 2008, de http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_laminar) De la misma manera, el flujo turbulento fue definido como el movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en el cual las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos no periódicos. Debido a esto, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible. (Flujo Turb ulento. (s.f.). Wikipedia. Recuperado el 4 de Enero de 2008, de http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_turbulento) El flujo transicional representa la transición de flujo laminar a flujo turbulento. Es difícil de clasificar debido al movimiento caótico de las partículas.. 4.2 Flujo hidráulicamente liso e hidráulicamente rugoso Teniendo los resultados presentados por Reynolds en mente, el siguiente paso era relacionar las pérdidas por fricción con el tipo de flujo. Ludwig Prandtl (1904) desarrolló la teoría de la capa límite, la cual indica que siempre que un fluido en movimiento interactúa con una pared sólida, el esfuerzo cortante que se genera afecta principalmente una zona de dicho flujo. Esta zona recibe el nombre de capa limite la cual puede ser laminar o turbulenta. (Saldarriaga, 2007). Variación del c oeficient e de rugosidad Ks en t uberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 25.

(33) Facultad de Ingeni ería - Departam ento de Ing enierí a Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantari llados – CI ACUA Pro yecto de Gr ado Vari ación d el co efici ente de rugosidad ks en tuberí as instal adas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. FIGURA NO. 16 - SUBCAPA LAMINAR VISCOSA. La subcapa laminar viscosa (δ’) describe una zona de flujo laminar adentro de la capa límite. Se denomina viscosa ya que en esta zona priman las fuerzas viscosas. El espesor de la subcapa laminar es mucho menor que el de la capa límite. La relación existente entre δ’ y el tamaño de la rugosidad de las paredes (ks) establece la diferencia entre los flujos hidráulicamente lisos y los hidráulicamente rugosos. (Saldarriaga, 2007) Flujo turbulento hidráulicamente liso, ks < δ’: la rugosidad queda cubierta por la subcapa laminar, por lo tanto la rugosidad no influye en el valor del factor de fricción (f) puesto que ningún punto de la pared queda afectado por las turbulencias que producirían las rugosidades internas, comportándose la tubería como un material liso.. FIGURA NO. 17 - FLUJO TURBULENTO HIDRÁULICAMENTE LISO. Flujo turbulento hidráulicamente rugoso, ks > δ’: el espesor de la capa límite es menor que la rugosidad, las irregularidades internas de la tubería rebasan la subcapa laminar, produciendo una alta turbulencia. En este caso las fuerzas inerciales son predominantes las fuerzas viscosas no lo son, por lo que el factor de fricción pasa a ser función de la rugosidad relativa ks/d y no de Re.. Variación del c oeficient e de rugosidad Ks en t uberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 26.

(34) Facultad de Ingeni ería - Departam ento de Ing enierí a Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantari llados – CI ACUA Pro yecto de Gr ado Vari ación d el co efici ente de rugosidad ks en tuberí as instal adas por el método de Pip e Jacking. ICIV 200720 19. FIGURA NO. 18 - FLUJO TURBULENTO HIDRÁULICAMENTE RUGOSO. El espesor de la subcapa laminar viscosa puede ser calculado mediante la siguiente ecuación:. δ '=. 11.6υ v*. En donde:. υ ⇒ viscocidadcinematica v* ⇒ velocidadcorte La velocidad de corte mide la magnitud relativa del esfuerzo cortante en la superficie sólido-fluido (Saldarriaga, 2007), puede ser calculada por medio de la siguiente expresión: v* =. τo ρ. En donde la velocidad de corte es igual a la raíz cuadrada de la relación entre el esfuerzo cortante en la pared (anteriormente descrito) de la tubería y la densidad del fluido.. 4.3 Factor de fricción (f) La ecuación de Darcy – Weisbach es la ecuación de resistencia fluida más general para el caso de tuberías circulares fluyendo a presión, la cual es el resultado de aplicar las leyes físicas del movimiento de Newton. Fue establecida por Henry Darcy (1803 – 1858), utilizando experimentos de flujo en tuberías (Saldarriaga, 2007). Dichos experimentos contaron con el uso de tuberías de diferentes materiales como el vidrio, hierro, plomo, latón, hierro fundido y hierro recubierto con bitumen. Los diámetros variaron desde 0.0122 hasta 0.5m. La longitud de las tuberías utilizadas osciló alrededor de los 100m, excepto para las tuberías de vidrio y plomo las cuales tenían una longitud aproximada de 50m. La rugosidad superficial en el interior de las tuberías también fue variada (material nuevo o usado). Se midió la caída en las alturas piezometricas mediante piezómetros y se utilizaron tanques aforados para medir el caudal que transitaba por la tubería. Variación del c oeficient e de rugosidad Ks en t uberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng. 27.