Hinca de Tuberías de Hormigón Armado: Emisario Submarino del Mompas

De Construpedia

Logo atha.gif Nota: Este artículo ha sido creado gracias a ATHA en el marco del Programa de Afiliados de la Construpedia. El contenido pertenece a la publicación Manual de Diseño y Cálculo para la Fabricación de Tuberías de Hormigón Armado, disponible en el sitio web .

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Los sistemas de instalación de tuberías para saneamiento y drenaje han experimentado un elevado desarrollo debido a la aplicación de los distintos avances tecnológicos. Nos referimos especialmente a los sistemas de instalaciones especiales, que se añaden a los clásicos de instalación en terraplén e instalación en zanja con sus distintas variantes: zanja terraplenada y zanja inducida en terraplén.


Se consideran instalaciones especiales las tuberías en túnel y tubos hincados con empujador (tubos para hinca), las conducciones elevadas y las tuberías alojadas en tubos protectores, necesarios bajo ciertas condiciones, por ejemplo en áreas de acuíferos protegidos o en instalaciones industriales.


Pero sin duda la técnica que más profusión ha tenido, debido a las múltiples ventajas que ofrece en ciertas circunstancias, es la instalación en hinca. A continuación exponemos los fundamentos básicos de este sistema de puesta en obra ilustrándolo con un ejemplo actual: la construcción del túnel hincado submarino de Mompás (San Sebastián)


Las primeras perforaciones horizontales datan de principios de siglo en Estados Unidos y vienen dadas por la necesidad de realizar instalaciones de tuberías bajo infraestructuras ya acondicionadas (vías ferroviarias, carreteras,...), o de salvar barreras geomorfológicas. Fue a partir de 1950 cuando se difundió su uso, siendo hoy en día una práctica generalizada en toda Europa.


Las principales tecnologías para realizar el hincado de tubería son :

  • Barrenado: consiste en la perforación por barrenado del terreno, retirada del material mediante un tornillo sinfin y colocación de tubería hasta D 1200. En las instalaciones en túnel, la excavación debe coincidir lo más ajustadamente que sea posible con la superficie exterior de la tubería, al igual que si se emplea el sistema de hinca directa de tubos gracias a microtuneladoras.
  • Microtuneladoras: Requiere el uso de maquinaria especializada (tuneladoras, escudos, estaciones de empuje, estación de bombeo de bentonita,...) y de tubos especialmente diseñados para esta aplicación que puedan resistir las tensiones de empuje y cuyas uniones no son dañadas durante la puesta en obra. Con esta finalidad los tubos son equipados con unas piezas protectoras denominadas virolas, que garantizan la perfecta estanqueidad de la conducción.


El hincado de tuberías de hormigón armado con microtuneladoras es el sistema más empleado, y por lo tanto al que dedicaremos más atención. Consta de las siguientes partes principales:

  • Pozo de ataque: debe tener espacio suficiente para alojar los componentes de la hinca y proteger la zona de trabajo. Su pared posterior ha de ser capaz de resistir los empujes previstos para colocar la tubería.
  • Cabeza perforadora o microtuneladora: formada básicamente por el cabezal de ataque donde van colocados los grupos eléctricos, oleohidráulico y compresor así como los depósitos de aire y combustible y las distintas coronas de corte dependiendo de los terrenos a perforar. En esta sección suelen incluirse los cuadros eléctricos y automatismos, además del pupitre de control y la cabeza de guiado, por lo que el operario-maquinista dispone de total información durante el trabajo. El pupitre de mando ofrece la situación exacta de los gatos hidráulicos para el direccionamiento de la cabeza, pudiendo corregir las posibles desviaciones de trayectoria. Estos equipos suelen ir dotados de un sistema de guiado por láser para conocer en cada momento la posición real.
  • Elemento de empuje: formado por un sistema de cilindros hidráulicos en número adecuado al diámetro de los tubos que, a través de una corona para repartir esfuerzos, empuja sobre los tubos para introducirlos en la perforación. Dado que los cilindros hidráulicos tienen un recorrido limitado, se colocan unos postizos a medida que el tubo va introduciéndose con el fin de no parar el avance. Cuando la tubería hincada es de gran longitud, como en el caso que presentamos a continuación del emisario de Mompás, se hace necesario la utilización de estaciones intermedias de empuje. Estas constan de un sistema de cilindros hidráulicos de carrera corta, cuyo empuje actúa alternándose con el de la estación principal. La longitud de una perforación viene condicionada por la máxima presión que pueden desarrollar los cilindros y, por otra parte, por la resistencia que ofrece la compresión longitudinal de la tubería.
Esquema de hinca


Los tubos de hormigón armado para hinca, por los esfuerzos que deben soportar y por la complejidad del hincado (ya que requiere un perfecto paralelismo entre sus caras), deben ser diseñados y fabricados siguiendo los más estrictos controles de calidad. Hay, de hecho, cuatro aspectos fundamentales que caracterizan y condicionan el diseño de la tubería de hinca:

  • Limitación de la longitud útil a tres metros como máximo para evitar el pandeo. Así mismo, las superficies de los frontales de los tubos, que transmitirán la carga de empuje durante el montaje de la tubería, deben ser planas y estar libres de irregularidades que puedan dar lugar a concentraciones puntuales de carga. La norma UNE 127 010 marca en su apartado 5.4.1. las tolerancias dimensionales admisibles para este tipo de tubos.
  • Los tubos llevan un zuncho metálico galvanizado (virola) en uno de sus extremos de forma que para conseguir la estanqueidad de la conducción se colocará una junta elástica en el extremo macho del tubo para que en la unión haga tope contra la virola. Esta pletina debe ser de acero y se incorpora a los tubos durante el proceso de fabricación de modo que su unión resulte solidaria. Para ello se conecta adecuadamente a la armadura de la tubería. Además entre las testas de los tubos se intercalaran aros de madera conglomerada (sufrideras) que evitan el desconche del hormigón al recibir los esfuerzos de empuje.
  • Los tubos de hinca llevan instalados unos taladros metálicos en las paredes del tubo para facilitar la instalación en obra al permitir la inyección de lodos bentoníticos que lubrican reduciendo el rozamiento y evitan el posible desmoronamiento del terreno perforado.
  • En el caso de juntas a medio espesor las armaduras de los tubos de hinca deben prolongarse desde el cuerpo del tubo hasta los extremos macho y hembra. La armadura transversal debe reforzarse en un 20 % en ambos extremos del tubo, en una longitud de 0,25 D con un mínimo de 25 cm. Además se deben disponer estribos que conecten la armadura exterior e interior en los dos extremos del tubo. La cuantía de la armadura longitudinal debe ser al menos de un 10% de la armadura transversal, con una separación máxima entre barras de 40 cm.
Tubos de hormigón armado para hinca


Durante la instalación de tubos de hormigón armado hincados con empujador existen dos tipos de carga aplicadas sobre el tubo: la carga de tierra debida al relleno, con la posibilidad de alguna sobrecarga debida al asentamiento del terreno de alrededor, y la compresión longitudinal provocada por las presiones aplicadas con el empujador al instalar el tubo.


El cálculo de la carga de relleno, aplicando la teoría de Marston, depende del peso del prisma de tierras sobre la perforación, de las fuerzas de rozamientro entre el prisma de tierra situado sobre la perforación y los prismas adyacentes y de la cohesión del terreno.


La fuerza del empuje se compone de la fuerza en el frente de avance y la fuerza del rozamiento envolvente. Para el cálculo en el frente de avance se tiene en cuenta la tensión de corte del terreno, cuyo valor oscila entre 300 y 600 kN/m2. En el cálculo del rozamiento envolvente se considera que el terreno se aplica omnidireccionalmente al tubo, siendo este criterio el más desfavorable. Para reducir el rozamiento se puede considerar el uso de productos lubricantes, como la bentonita, que reducen el rozamiento por debajo de 10kN/m2, siendo el coeficiente de fricción tubo-relleno más restrictivo, m= 20 kN/m2. Es el caso del ejemplo de hinca de tubería de hormigón armado que presentamos a continuación efectuado en San Sebastián por la UTE DRALVAN (DRACE 65%, ALTUNA Y URIA 25%, VAN OORD-ACZ 10%).


El Emisario Submarino de Mompás recoge las aguas del área de San Sebastián y Pasajes. Hasta la puesta en funcionamiento de esta obra dichos vertidos vienen realizándose a través de dos túneles (Urumea y Sagües) que, tras atravesar el monte Uliz, desembocan a pie de acantilado en un punto próximo a las playas cercanas (Zurriola y La Concha).


El proyecto está compuesto básicamente por:

- camino de acceso
- caverna y edificio de control
- túnel submarino
- emisario submarino


El objeto conjunto pretende conseguir un vertido de agua bruta de hasta 6 m3/sg, a una distancia de 1200m de la costa a través de una tubería de 2 m de diámetro, y a una profundidad de 45 m con un tamizado previo en primera fase y un vertido de agua depurada, una vez finalizada la depuradora de Loyola (2002).


Los datos básicos del proyecto son:

- Altura del pozo de entrada: 60 m
- Longitud del túnel: 430 m
- Tubería de hormigón armado:
Diámetro exterior: 2,40 m
Diámetro interior: 2,00 m
- Cota de inicio: -5 m
- Cota final: -34,4 m
- Pendiente descendente: 7%
- Nº de estaciones intermedias: 4


Para la construcción del túnel se ha empleado el método de tubería hincada en roca mediante escudo de presión de tierras y extracción hidráulica de materiales ya que se adapta a la naturaleza del terreno. Efectivamente, a pesar de estar formado por areniscas, el diaclasado, la permeabilidad, y la presencia de un nivel freático superior a la traza del túnel, al discurrir dicha traza por debajo del lecho marino, hacen necesaria la utilización de ese tipo de escudo.


El sistema está constituido por:

- Cabeza de corte
- Estaciones intermedias
- Columna de hormigón y sistemas de extracción e inyección
- Bastidor de empuje
- Sistema de guiado
- Cabina de control y elementos auxiliares
Bastidor de empuje


Debido a la longitud hincada, la cabeza de corte fue especialmente diseñada para que, dependiendo del desgaste, fuese posible el acceso al frente para proceder al cambio de los discos de corte mediante un sistema de presurización y esclusas. Esta operación de gran complicación técnica ha sido realizada satisfactoriamente, a los 353 m de longitud. El escudo de corte y la orientación de 14 m están compartimentados en 5 módulos: corona de corte, esclusa de acceso, cámara principal, esclusa de intercambio y módulo telescópico. Dentro del escudo se encuentran todos los sistemas de corte: machaqueo, barrido, motor hidráulico de corona, gatos hidráulicos de orientación, sistemas de presurización y receptor láser de orientación.


El ataque del terreno se realiza mediante una rueda fresadora. Tanto el par de rotación, como la velocidad de giro, pueden ser regulados sin escalonamiento. El sostenimiento del frente de excavación se realiza mediante la presión del propio escudo contra el terreno. El ataque frontal sobre el terreno puede producir un movimiento de rotación de la tubería ya que el empuje es proporcionado por los gatos al inicio de la columna de hormigón. Este movimiento debe ser contrarrestado cambiando el sentido de rotación de la cabeza de corte, manteniendo estable la posición del escudo.


Para la hinca en roca de 420 m son necesarias 4 estaciones intermedias de 900 t cada una (12 gatos de 80 t) que se utilizan con el fin de alcanzar longitudes de hinca mayores sin agotar las secciones resistentes del tubo. Las estaciones intermedias son unidades de empuje auxiliares intercaladas entre los tubos de hormigón, permitiendo transmitir de forma escalonada las presiones desde la estación principal de empuje, emplazada en el pozo de partida, hasta el frente de excavación.

Estación intermedia


Simultáneamente a la operación de excavación realizada por la cabeza de corte y a la operación de empuje realizada por el bastidor de empuje y las estaciones intermedias, se va realizando el revestimiento definitivo del túnel mediante tuberías de hormigón armado de 2,4 m de longitud y 9 t de peso que se van introduciendo al inicio del túnel y se van empujando simultáneamente al avance de excavación realizado.


Para facilitar el empuje, uno de cada tres tubos viene preparado con unos inyectores que facilitan la lubricación con bentonita del espacio anular que existe entre la excavación y el trasdós de los tubos. A su vez, la columna de hormigón se utiliza como soporte de las diferentes líneas necesarias para la ejecución de la hinca: línea de entrada de aguas, de salida de mezcla de detritus de excavación y agua, de aire a presión, eléctricas, de ventilación, de lubricación con bentonita y de comunicación TV.

Columna de hormigón


Cuando el equipo de hinca finalice su trabajo, realizando su salida al mar a 34,5 m de profundidad, se procederá al cierre y presurización de la cabeza de corte, retirada de todos los elementos de la columna de hormigón y del pozo de salida, a la inyección del trasdós y a la recuperación de la cabeza de corte por vía marítima mediante una embarcación especialmente preparada para tal fin.


Es obvio que el tubo de hormigón armado permite este tipo de puesta en obra gracias a sus elevadas características resistentes, ya que los requerimientos estructurales del método de instalación son muy altos. Los elementos de la conducción se ven sometidos a grandes tensiones por lo que deben emplearse tubos de alta calidad y fiabilidad, especialmente diseñados para esta aplicación. Hoy en día los procesos de fabricación y control han sido mejorados de forma a ofrecer una producción de estos elementos con toda garantía. La Asociación de Fabricantes de Tubos de Hormigón Armado reúne a los fabricantes nacionales de tubos de hormigón armado de alta calidad, entre los que se encuentran los principales fabricantes de tubos para hinca.

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