PROBLEMA: DISEÑO DE UN SISTEMA DE MICROTUNELEO MEDIANTE
TUBOS HINCADOS.
1. Descri Descripci pción ón del proy proyect ecto: o:
Se requiere construir un conducto de desagüe bajo la superfcie del terreno a una proundidad de 6m en la zona metropolitana de la ciudad de México, mediante la utilización de tubos hincados, procedimiento que es solicitado para no aectar las actiidades normales en la superfcie! "ara lograr lo anterior, se utilizar# un $microescudo% con rente presurizable con lodo de & 'm( de di#metro, di#metro, acorde con las las necesidades necesidades hidr#ulica hidr#ulicass de pro)ecto ) tubos de concreto armado de *!6+ 'm( de di#metro di #metro interior! interior! os principales componentes ) conceptos del sistema de microtuneleo a considerar, sona. umbreras umbreras para el el lanzado ) recuper recuperación ación del del microescudo! microescudo! /stas /stas pueden pueden ser circulares o de sección cuadrada o rrectangular! ectangular! as dimensiones deben ser las m0nimas necesarias para albergar el muro de reacción, la estación estación principal de gateo, una pieza de tuber0a por hincar, hincar, el microescudo, ) el muro del portal de salida! b. 1efnición 1efnición de la longitud longitud de los tramos tramos en cu)os extremos extremos se se construir# construir# una lumbrera! c. 2dentiicaci 2dentiicación ón de la capacidad capacidad m#xima m#xima de empuje empuje de la estación estación de gateo! gateo! d. 3stratigra0 3stratigra0a a ) propiedades propiedades del subsuelo! subsuelo! e. 4uber0a hincable hincable de concreto concreto armado 5especif 5especifcacione cacioness ) geometr0a.! 3l diseo geotécnico de las lumbreras sale del alcance de este ejercicio, pero se aclara que por lo menos en la reisión de los estados l0mite de alla ) de sericio se debe cumplir cumplir con la normatiidad normatiidad igente en la ciudad de México 5Reglamento de Construccones ! sus Normas T"cncas Com#lementaras.! Se entiende que su diseo inclu)e- c#lculo de empujes actios ) pasios, diseo de tablaestacas ) troqueles, reisión de alla de ondo, reisión de alla por subpresión, abatimiento del niel re#tico, etc! 7dicionalmente, es importante garantizar una capacidad de reacción por empuje empuje pasio de las paredes de las lumbreras lumbreras equialente equialente a la capacidad capacidad de empuje empuje de la estación principal principal de gateo a in de contrarrest contrarrestar ar las uerzas 5en este caso el empuje m#ximo de la estación de gateo es igual a 8,*99 ton, de acue ac uerd rdo o a las las espec especii iica caci cione oness del del abric abrican ante te,, que que co cons nsid idera era 6 gato gatoss co con n capacidad capacidad de *99 ton cada uno.! 3n ciertos casos cuando no se alcanza la reacción pasia necesaria, se puede recurrir a la ayuda de la losa de ondo ) de las paredes del tablaestacado mediante su contribución con tribución por ricción al terreno ecino para completar el défcit de capacidad de reacción de las paredes de la lumbrera!
1e acuerdo con las necesidades particulares de cada pro)ecto, la existencia de estructuras superfciales, ) aproechando experiencias anteriores, se proponen en nuestro caso preliminarmente & tramos de t:nel con las siguientes longitudes, para un total de tuneleo de 1,572m; estas longitudes tentatias se reisan m#s adelante en unción de la capacidad de empuje de la estación principal, condicionada a la magnitud de la ricción lateral de los tubos durante su hincado-
Ta$la % Longitudes preliminares de excavación
Su$tramo % Su$tramo ) Su$tramo * Su$tramo & TOT
&'( *++ ,&( )&& %-,')
*! Descripción de los parámetros geotécnicos de diseño
limos arenosos frmes ) arenas limo>arcillosas compactas, con contenidos de agua de =9 a 8+9?, pesos olumétricos de 8!+9 a 8!69 ton@m&, ) cohesiones ariables entre &!+ ) A ton@m*! Su #ngulo de ricción interna es del orden de *9o! ormación !rcillosa "uperior - de *!= a &+m de proundidadconstituida por una serie de estratos arcillosos con contenidos de agua de *+9 a A+9?, pesos olumétricos de 8!8+ a 8!& ton@m&, ) resistencias al corte $c% ariables entre * ) *!+ ton@m*! "ara nuestro caso en estudio, se consideran las siguientes propiedades
"roundidad promedio, desde el terreno natural al eje del t:nel-
6 'm( * 'ton@m*( 8!& 'ton@m&( 8!+ 'm( & 'm( 9!C
#.
a. res/n del 0rente: "ara garantizar la estabilidad del rente ) minimizar el eecto del cambio de esuerzos que podr0an proocar hundimientos o bufamientos en la supericie, se debe mantener una presión en la c#mara de lodos del microescudo igual a la presión actia del terreno m#s la presión hidrost#tica generada por la posición del niel re#tico de tal orma de preserar las condiciones iniciales de esuerzo en la masa de suelo! 3sta presión teórica puede eriicarse en todo momento con el sensor de presión que el escudo tiene habilitado en la c#mara de lodos 5aproximadamente al niel de su base, D C 'm(. a presión del rente se calcula conE D '5EF G FE. H *E 2 IFF( J F F E58. 1ond e
pf D presión del rente, en 'ton@m *(
σ= presión ertical eectia al niel del sensor de presión 5&!6 'ton@m*(.
γ = peso olumétrico del agua, 58 'ton@m &(. w
K D altura entre el niel re#tico ) el punto donde se ubica el sensor de presión del microescudo, en metros 5+!+ 'm(. Ba D coefciente de presión actia, de Lanine, 5tan *5A+>φ@*. D 8.
c D cohesión del suelo, 5* 'ton@m *(.
φ = #ngulo de ricción interna del suelo, en grados 5N 9 para arcillas.
b. 1rcc/n entre la tu$er2a 3ncada ! el su$suelo 4ecno : "ara suelos con cohesión ) ricción, la expresión general a usar esEF D EFJ E F F9 FEEF 5*. 1onde
fs D Oricción lateral, en 'ton@m *(
α D coeiciente de adherencia, adimensional 5para concreto>arcilla blanda,
de acuerdo con el criterio de 4omlinson, 5α N 9!A9. c D cohesión del suelo, 5* 'ton@m *(. σ D presión ertical eectia, al niel del eje del t:nel 56m. 5&!& 'ton@m *(. B 9 D coefciente de empuje en reposo, adimensional 59!C.
δ = #ngulo de ricción entre concreto ) suelo 58C o.
4an δ = coeiciente de ricción 5tan 8Co D 9!&96.
c5
Calcule la fuer$a total de empu%e re&uerida para cada
F D EG F G F G EF 1onde
1 D 1i#metro del escudo D & m
D ongitud del tramo D er tabla 8!
Os D Oricción lateral
d5
Descr$a- $re4emente ! con sus #ro#as #ala$ras- el #roceso de 3ncado de los tu$os ! su #roceso de lu$rcac/n.
(.
)esultados.
a. Substitu)endo alores, tenemosEFD '5&!6 G 8!9. H 5* G *!9 G I8!9.( J 58!9 G +!+. D F! F EFF@F F "or lo que: presión del frente * 5.1 ton+m 2 b. Substitu)endo alores, tenemosEF D 59!A G *. J 5&!& G 9!C G 9!&96. D F! FF EFF@F F c. Subtramos-
Su$tramo % Su$tramo ) Su$tramo * Su$tramo & TOT
&'( *++ ,&( )&& %-,')
"ara el subtramo 8 5ACP m.-
F D EG F G F G 8!+8 D EG & G ACP G 8!+8 D FFFF EFF Si adicionalmente se inolucra un actor de carga O< de 8!8 para solentar cualquier impreisto, se obtiene una uerza total de empuje requerida de 12-2 ton.
"ara el subtramo * 5&99 m.-
F D EG F G F G 8!+8 D EG & G &99 G 8!+8 D FFFF EFF Si adicionalmente se inolucra un actor de carga O< de 8!8 para solentar cualquier impreisto, se obtiene una uerza total de empuje requerida de (( ton.
"ara el subtramo & 5+AP m.-
F D EG F G F G 8!+8 D EG & G +AP G 8!+8 D FFFF EFF Si adicionalmente se inolucra un actor de carga O< de 8!8 para solentar cualquier impreisto, se obtiene una uerza total de empuje requerida de 117-7 ton.
"ara el subtramo A 5*AA m.-
F D EG F G F G 8!+8 D EG & G *AA G 8!+8 D FFFF EFF Si adicionalmente se inolucra un actor de carga O< de 8!8 para solentar cualquier impreisto, se obtiene una uerza total de empuje requerida de 52(# ton.
Estacones ntermedas o lum$reras adconales ! 1ado que la estación principal de gateo tiene una capacidad nominal de empuje de 8,*99 'ton(, se sugiere que para algunos casos se requieren, en proporción, instalar estaciones intermedias de gateo a cada =+m, o bien construir lumbreras intermedias a esa separación m#xima!
d5
Descr$a- $re4emente ! con sus #ro#as #ala$ras- el #roceso de 3ncado de los tu$os ! su #roceso de lu$rcac/n.
•
3mpuje del microescudo ) de la sarta de tubos de concreto, uno a uno, mediante la acción conjunta de los 6 gatos de la estación principal, que pueden generar un empuje nominal total de *99 x 6 D 8,*99 ton!
•
Simult#neamente se hace girar la cabeza de corte del microescudo ) se actia la circulación del sistema de lodos para producir la presión requerida del rente, ) para transportar la rezaga en suspensión hasta la superfcie! a presión rontal puede regularse mediante la operación dierencial de las bombas que suministran )@o extraen el lodo del rente!
•
3n la superfcie del terreno se recibe el lodo $pesado% proeniente del rente de excaación ) se $limpia% retirando los materiales granulares que an mezclados con él! 3l lodo pesado se $aligera% agregando agua ) nueamente se en0a al rente de excaación!
•
Qna ez que los gatos alcanzan su m#xima extensión, se retraen ) se coloca un anillo met#lico de extensión, repitiendo el proceso de empuje! Rueamente se retraen los pistones, se retira el anillo met#lico de extensión ) se coloca un tubo de concreto aline#ndolo ) niel#ndolo topogr#icamente!
•
7 medida que crece la longitud de la sarta de tubos se a in)ectando el lubricante a traés de las boquillas o $graseras%, )a mencionadas, para mitigar la ricción con el terreno circundante!
ubricación- como medida de seguridad o de emergencia, en algunas ocasiones se recurre a la lubricación de la supericie lateral de los tubos para reducir la ricción entre el suelo ) el concreto de los mismos, mediante la in)ección de bentonita o productos qu0micos comerciales 5por ejemplo
mezclas de pol0meros- acrilatos@acrilamida en presentación l0quida, rebajados con agua.! "ara llear a cabo esta operación es necesario instalar boquillas de in)ección o $ graseras% 5com:nmente & piezas de 8% de di#metro. a separaciones equidistantes de 8*9 o, ijando una de las
boquillas en la clae del t:nel ) las * restantes a la separación mencionada quedando en la sección inerior del tubo! Rormalmente las $graseras% ineriores se utilizan para in)ectar el lubricante utilizando la superior como $testigo% pero también se pueden utilizar las superiores como puntos de in)ección! Se ha comprobado que el uso del lubricante puede reducir la uerza teórica de empuje hasta 8@A ó 8@+ de su alor calculado sin el uso de lubricante!
