Diseño de una microtuneladora para excavaciones con tecnología sin zanja

0. INTRODUCCIÓN

El proyecto a realizar esta incorporado en la tecnología sin zanja que consiste en instalar, reparar o renovar conductos subterráneos, utilizando técnicas que minimizan o eliminan la necesidad de excavación.

Es un diseño en el que se ponen en práctica los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera tanto en la parte mecánica como la parte eléctrica y electrónica ya que se hace necesario el diseño de mecanismos y elementos de máquinas así como la selección de accionamientos eléctricos para condiciones de trabajo especiales, cumpliendo así con un objetivo del trabajo de grado como requisito para obtener el título de Ingeniero Electromecánico.

Este proyecto busca diseñar una máquina que permita realizar trabajos de excavación a peque ña escala y grandes distancias para minimizar los costos y el impacto ambiental negativo que se presentan cuando se instalan redes subterráneas de distribución de servicios públicos.

El proyecto consta de una recolección de información de los métodos y maquinarias utilizados, un análisis para determinar los parámetros de diseño a tener en cuenta y analizar cual es la mejor alternativa de solución y un diseño preliminar de la máquina en el que se practica una retroalimentación de los pasos anteriores cada vez que se requiere.

1. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN

El proyecto a realizar está incorporado en la tecnología sin zanja que consiste en instalar, reparar o renovar conductos subterráneos, usando técnicas que minimizan o eliminan la necesidad de realizar excavaciones a lo largo de dichos conductos, a continuación se muestran algunos de los métodos más utilizados actualmente para realizar este tipo de trabajo (ver anexo 1) .

1.1 CAMPOS BÁSICOS DE LA TECNOLOGÍA SIN ZANJA1

1.1.1 Sustitución in situ. Los sistemas pipebursting, constan de un conjunto rompedor neumático o hidráulico, que simultáneamente, revienta el conducto existente e instala la nueva tubería, trabajando en combinación con un equipo de tiro que arrastra el conjunto por el interior del conjunto a sustituir. Esta técnica se desarrolla a principios de los años ochenta en Estados Unidos (ver figura 1).

Figura 1. Esquema del sistema pipebursting.

Fuente: http://www.aples.net/Presentaciones/XI_MUESTRA_INDUSTRIA_BURGOS_archivos/ frame.htm#slide0024.htm

1.1.2 Instalación de nuevas tuberías por medio de topos. Este sistema fue desarrollado en Polonia y Rusia en los sesenta, presentando al principio muchos problemas de desviación y pérdidas de equipos. Se basa en la creación de una perforación con base e n compactar el terreno circundante con un martillo de percusión de camisa cilíndrica, en la mayoría de los casos en forma de torpedo, la conducción a colocar va inmediatamente después del torpedo. Sólo se pueden utilizar en terrenos compactables y en longitudes y diámetros reducidos (ver figura 2).

Figura 2. Esquema del sistema "Impac Moling".

Fuente: http://www.aples.net/Presentaciones/XI_MUESTRA_INDUSTRIA_BURGOS_ archivos/ frame.htm#slide0024.htm.

1.1.3 Instalación de nuevas tuberías por medio de hincadores neumáticos ("Pipe Ramming"). El "Pipe Ramming" es un sistema de perforación no dirigible, que se basa en la introducción en el terreno de una vaina de acero, con cabeza abierta, por medio de golpeo. En condiciones de suelo adecuadas se pueden utilizar cabezas cerradas (ver figura 3).

Figura 3. Esquema del sistema de instalación de tuberías por medio de hincadores neumáticos.

Fuente: http://www.aples.net/Presentaciones/XI_MUESTRA_INDUSTRIA_ BURGOS _ archivos/ frame.htm#slide0024.htm

Su realización requiere la ejecución de una zanja en el punto de ataque, con la alineación y cota adecuada para el servicio a instalar. La longitud del foso requerido es variable, siendo ideal 16 m de longitud (12 m de vaina de tubo de acero, y 4 m de espacio para la operación del martillo de golpeo). Es una técnica válida en casi todos los tipos de terreno, a excepción de los que tienen rocas de demasiado diámetro y dureza.

1.1.4 Instalación de nuevas tuberías por medio de perforación dirigida. Las técnicas de perforación guiada se usan para la instalación sin zanjas de nuevos conductos. La operación se completa en dos fases. La primera consiste en la realización del taladro piloto guiado. Después se amplia la perforación hasta permitir el paso del conducto a instalar. La perforación dirigida es viable a partir de los avances electrónicos que permiten la detección de la posición de la cabeza y el uso de lodos de perforación (ver figura 4).

Figura 4. Esquema del sistema de instalación de tuberías por medio de perforación dirigida.

Fuente: http://www.aples.net/Presentaciones/XI_MUESTRA_INDUSTRIA_BURGOS _archivos/ frame.htm#slide0024.htm

1.1.5 Instalación de nuevas tuberías por medio de hinca hidráulica. Es uno de los sistemas más antiguos y de menor evolución para la instalación de nuevas tuberías de hormigón. La hinca se realiza por medio de empuje sucesivo de tubos de hormigón de características especiales. El residuo se extrae por medio de excavación manual o con rozadora en el frente de perforación. La dirección se asegura por medio de puntero láser, realizando pequeñas correcciones con base en empujes diferentes de los cilindros (ver figura 5).

1.1.6 Instalación de nuevas tuberías por medio de Raise-Boring. Es un sistema diseñado especialmente para realizar trabajos de perforación vertical en minería pero se han realizado modificaciones en la configuración del equipo para poder realizar perforaciones en horizontal (ver figura 6).

Figura 5. Esquema del sistema de instalación de nuevas tuberías por medio de hinca hidráulica.

Fuente:http://www.aples.net/Presentaciones/XI_MUESTRA_INDUSTRIA_BURGOS_archivos/ frame.htm#slide0024.htm

Figura 6. Esquema del sistema de perforación Raise-Boring.

Fuente:http://www.aples.net/Presentaciones/XI_MUESTRA_INDUSTRIA_BURGOS_archivos/ frame.htm#slide0024.htm

1.1.7 Perforación de largas distancias, microtuneladoras (diámetro menor a 2.5 m y TBM´s (Tunnel Boring Machine) diámetro mayor a 2.5 m). Las microtuneladoras constituyen uno de los sistemas más complejos y avanzados que se utilizan en la actualidad. Formadas por cabezas de perforación de sección completa, realizan la excavación del frente de forma mecanizada y pueden perforar prácticamente en cualquier tipo de terreno con los elementos adecuados. A continuación se exponen algunas de estas.

1.1.7.1 Microtuneladora con acceso al frente. De entre todas las microtuneladoras que aplican lodos de extracción que existen en el mercado, destacan las microtuneladoras con un rodamiento / accionamiento periférico, donde en su interior se encuentra la puerta de acceso a la cámara de machaqueo. Gracias a esta puerta de acceso y al nuevo diseño de discos de corte se permite cambiar las herramientas de corte desde la parte posterior de la rueda de corte (cámara de machaqueo) sin necesidad de acceder al frente (ver figura 7).

Con estas novedades se ha ganado en rapidez y en seguridad. Además, ahora las microtuneladoras para hincas de diámetro nominal 1200mm permiten esta nueva ejecución mientras que anteriormente las microtuneladoras con puerta de acceso al frente debían ser como mínimo para hincas de diámetro nominal 1600mm. Estas novedades permiten realizar hincas de larga distancia en terreno rocoso de gran dureza a partir de diámetro nominal 1200mm.

Figura 7. Esquema de una microtuneladora con acceso al frente.

Fuente: www.microtunel.com

1.1.7.2 Microtuneladoras EPB. Las microtuneladoras EPB son las ideales para trabajar en terrenos homogéneos y blandos, con condiciones geológicas estables.

Estas microtuneladoras se fabrican para diámetros superiores a 1400 mm. El material se extrae del frente mediante un tornillo sinfín. Una vez evacuado del tornillo sinfín se extrae al exterior gracias a una potente bomba.

El modo EPB garantiza la estabilidad del frente de excavación, evitándose la realización de cavernas o desprendimientos en el frente. Si fuera necesario, estas máquinas están equipadas para inyectar agua o espuma al frente para tratar así el terreno para su excavación (ver figura 8).

Figura 8. Esquema de una microtuneladora EPB.

Fuente: www.microtunel.com

1.1.7.3 Topos. Los topos son tuneladoras diseñadas para poder excavar rocas duras y medias sin grandes necesidades de soporte inicial. Los elementos principales que forman un topo son dos, la cabeza de corte y la sección de anclaje, compuesta a su vez por los codales o grippers, los cilindros y el back up o carro estructural. En el diseño de un topo, la parte fundamental a estudiar con más detenimiento es la cabeza de corte y la posición de las herramientas de corte, discos de corte, rastrillos, cangilones de desescombro y coppy cutters que se van a instalar en ella. La fuerza para realizar el avance se obtiene como reacción de los grippers contra el terreno (ver figura 9).

Figura 9. Esquema básico de un topo.

Fuente: www.microtunel.com

Existen otras clases de topos, como el topo ensanchador que, como su propio nombre indica, es aquel que se utiliza para agrandar túneles y así evitar las consecuencias de las fuerzas de agarre en la excavación finalizada, ya que los topos ensanchadores tienen los grippers delante de la rueda de corte.

Los topos para planos inclinados están especialmente diseñados para la realización de túneles con pendientes mayores de 10% y que han llegado al 50%. Estos topos han sido utilizados en la construcción de funiculares subterráneos a estaciones de esquí, túneles de centrales eléctricas, minas, etc.

1.1.7.4 El doble escudo. Los dobles escudos son tuneladoras con características mixtas entre el topo y el escudo. La característica principal es que está dotado de dos sistemas de propulsión independientes donde el primero de éstos corresponde al sistema de propulsión del escudo y el segundo al del topo. El doble escudo es un escudo telescópico articulado en dos piezas que proporciona un sostenimiento continuo del terreno durante el avance del túnel (ver figura 10).

Las distintas posibilidades de trabajo que ofrecen los dobles escudos permiten conseguir unos rendimientos próximos a los de los topos, que los escudos para roca dura no podrían conseguir. Al igual que los escudos para roca dura los dobles escudos permiten realizar túneles a través de terrenos con geología cambiante e inestable que los topos no podrían realizar.

Figura 10. Fotografía de un doble escudo.

Fuente: www.microtunel.com

El escudo delantero sirve como estructura soporte de la cabeza de corte, contiene el rodamiento principal, la corona de accionamiento y los sellos interno y externo. El escudo trasero o escudo de anclaje, incorpora las zapatas de los grippers operables a través de ventanas. En su parte posterior incorpora el erector de dovelas y los cilindros de empuje para la propulsión en modo escudo normal.

1.2. MECÁNICA DE LOS SUELOS A EXCAVAR

Para determinar la posibilidad de la ejecución de una perforación es necesario realizar al terreno un estudio geotécnico básico, que entregue información sobre los tipos de terreno a excavar y su comportamiento, para disponer de antemano de una serie de medios y cálculos con los cuales comenzar el trabajo tratando de controlar una serie de riesgos establecidos2. Algunos de estos valores que entrega un estudio geotécnico son:

– Granulometría .

– Consistencia.

– Humedad.

– Permeabilidad.

– Estratigrafía , buzamiento y fallas.

– Factores climatológicos, (aguas, lluvias, hielos, sequía).

– Vibraciones.

Composición de los suelos. Los suelos se componen de partículas sólidas y huecos. Los huecos pueden retener agua en mayor o menor medida de acuerdo con el tipo, forma, tamaño y disposición de las partículas que condicionan la permeabilidad a través del tamaño de los poros. Del contenido de agua retenida depende a su vez la deformabilidad y resistencia del suelo. Así podemos diferenciar varias clases:

?? Los suelos de grano grueso o arenosos, son permeables y su comportamiento mecánico viene definido por el peso y rozamiento de sus partículas; su resistencia es función de la proximidad de sus partículas entre si (densidad relativa). Las deformaciones motivadas por la acción de fuerzas exteriores se producen con rapidez.

?? Los suelos de grano muy fino, arcillosos, contienen huecos muy pequeños y son impermeables, por lo que retienen el agua; su comportamiento depende de la película de agua existente entre sus partículas; su resistencia depende del espesor de esta película, cuanto más gruesa es más débil el suelo; las deformaciones son motivadas por la acción de las fuerzas exteriores, se producen muy despacio, ya que el paso de agua a través de los huecos es un proceso lento.

?? Los suelos limosos tienen un comportamiento intermedio. Los inorgánicos son suelos de grano fino con poca o ninguna plasticidad. Generalmente se denominan polvo de roca, que se constituye de partículas más o menos equidimensionales de cuarzo.

Granulometría : se denomina composición granulométrica al conjunto de distintos tamaños que integran un suelo en relación con el peso total del mismo. Para conocer el tamaño exacto de las partículas del suelo se procede a un estudio granulométrico. Las partículas grandes se identifican por tamizado hasta 63 micras. Las de menor tamaño se identifican por sedimentometría basada en la ley de Stoket o bien por centrifugado.

Casi todos los técnicos de mecánica del suelo, emplean su criterio y experiencia personal para la clasificación del mismo, la mayoría se basan en la diferenciación de cuatro fracciones granulométricas: la fracción arena y grava se puede subdividir en fina, muy fina y gruesa; las gravas mayores pueden denominarse como bloques; las arcillas suelen encontrarse en la fracción más pequeña del material del suelo, superando raramente las 4 micras de tamaño; y entre las cinco y setenta micras podemos encontrar los limos.

La resistencia mecánica de los suelos arenosos, arcillosos y limosos ya mencionados son bajas comparadas con las rocas que se pueden encontrar en los trabajos de perforación, por eso también se describe en esta sección las propiedades de estas por ser de mayor importancia para el diseño del sistema de corte de la maquina.

RS Dureza de las rocas.

La resistencia a la compresión simple es el mejor indicador de la dureza de las rocas frente a su aptitud a la trituración. Esta resistencia puede estimarse, sea directamente en el laboratorio, ensayando muestras provenientes de perforaciones con recuperación de núcleos, o indirectamente en el campo, a partir de muestras irregulares mediante el ensayo de carga puntual, o aún en el mismo macizo mediante la lectura de rebote del martillo Schmidt, o, finalmente, a partir de tablas de clasificación de dureza, tabla 1 (ver anexo 2).

1.3 NORMATIVIDAD DE LAS REDES SUBTERRÁNEAS.

Existe poca normatividad acerca de la instalación de tubería subterránea por medio de tecnología sin zanja por ser este método relativamente nuevo en Colombia por lo que los parámetros resultantes de una instalación hecha a través de la tecnología sin zanja deben adaptarse a la regulación establecida para la instalación por lo métodos tradicionales como el grado de compactación del terreno, la profundidad a la que se debe instalar la tubería, ángulo de inclinación, la separación mínima permitida con otros servicios, etc. según la función a realizar: red de agua potable, aguas servidas, red eléctrica, gas, teléfono, etc. (ver anexo 3).

Tabla 1. Índice de dureza de las rocas.

Fuente. http://www.docentes.unal.edu.co/adcorreaa

1.4 SELECCIÓN PRELIMINAR

1.4.1 Herramienta de corte. La selección de la herramienta de corte es determinada por el material mas duro que pudiera encontrar la máquina a su paso que es la roca dura, es por esto que la mayoría de los cálculos se deben realizar con base en las propiedades de las rocas duras, teniendo en cue nta sin embargo que se trabaja principalmente en terrenos blandos.

Se debe optar por una herramienta pequeña que sea de fácil adquisición y reemplazo ya que el costo de fabricación de una herramienta grande sería demasiado elevado por lo que se propone que el sistema de corte conste de una base que a su vez soporte unos útiles de corte reemplazables de tal modo que cuando estos se desgasten sólo sea necesario reemplazarlos para continuar con el trabajo. En el anexo 4 se ilustran algunas de las posibles herramientas de perforación a utilizar.

El útil de perforación a utilizar que se considera más conveniente es el de una herramienta utilizada en las máquinas rozadoras llamadas picas de fricción pero que en lugar de trabajar de lado a lado del túnel perfore directamente hacia delante (ve r anexo 5).

1.4.2 Tamaño. El diámetro exterior estimado de la microtuneladora es de treinta y cinco centímetros ya que es una medida que se acomoda al rango de los tubos más utilizados en las instalaciones de servicios públicos (ver anexo 3), pero el diámetro real de la máquina esta sujeto a los componentes que lleve dentro ya que si por ejemplo, se determina que el motor a utilizar debe ser de un tamaño mayor o muy cercano a dicho diámetro se podrían ver afectadas las dimensiones.

También se considera diseñar una serie de herramientas de diferentes tamaños para poder efectuar túneles de diferente tamaño con la misma microtuneladora.

1.4.3 Sistema de sujeción. El sistema utilizado es básicamente el mismo de la mayoría de las tuneladoras comerciales que consiste en una zapatas que ejercen presión contra la superficie del túnel con el objetivo de obtener la suficiente adherencia requerida por el sistema de corte evitando el movimiento de traslación o de giro de la parte fija de la máquina mientras efectúa la operación de perforación. Dichas zapatas se extienden y recogen de manera controlada e individual con el propósito de ubicar la máquina para que siga la ruta preestablecida.

La utilización de un sistema hidráulico no es viable porque este sistema requiere de mecanismos que son de difícil implementación debido a que sus elevados costos alejan al proyecto de su objetivo de ser una alternativa económica, además estos mecanismos no se encuentran fácilmente en las dimensiones requeridas en esta aplicación por lo que se sugiere que el mecanismo de sujeción de la microtuneladora debe constar de tornillos de potencia debido a su propiedad de autobloqueo generando estabilidad y reducción en el consumo de energía aplicada ya que no requiere de esta cuando se mantiene en una misma posición y engranajes que generan el par de torsión necesario y se pueden ubicar en diversas configuraciones lo que permite optimizar los espacios dentro de la microtuneladora.

1.4.4 Sistema de avance. El sistema de avance escogido es una adaptación del proceso de avance de un topo, pero en este se utiliza el sistema de avance de la herramienta de perforación para lograr también el avance de la máquina. Es un sistema en el que se busca reducir componentes utilizando un mecanismo para dos aplicaciones (ver anexo 6).

1.4.5 Sistema de control. Para controlar la microtuneladora se decide hacerlo por medio de un instrumento virtual ya que este tipo de instrumento nos permite efectuar fácilmente el control remoto de la máquina a través de un computador con ventanas ilustrativas que generan un panel gráfico representativo de la máquina, además con la utilización de un tablero de mando virtual no se hace necesaria la construcción de un tablero de control.

Para realizar el programa encargado de controlar la microtuneladora, se selecciona el lenguaje de programación gráfica para instrumentación LABVIEW™ por la facilidad de programación y visualización debido a las enormes ventajas que este brinda, entre las que se destacan las interfaces gráficas de interacción con el usuario, que funciona por eventos como hacer clic con el ratón, pulsar una tecla, cambiar el contenido de un cuadro de texto entre otros, lo cual permite una fácil asimilación de la aplicación por parte del operario (ver anexo 7).

Como intérprete entre el software de control y los accionamientos y sensores se hace necesaria la utilización de una tarjeta de adquisición de datos. Se propone entonces el diseño de dicha tarjeta a partir de la utilización de un microcontrolador, un circuito integrado programable que tiene todos los elementos necesarios para controlar un sistema y la ventaja de un reducido tamaño, fácil programación y bajo costo con relación a otros sistemas como los PLC (Controladores Lógicos Programables) o tarjetas de adquisición de datos como las fabricadas por la National Instruments™.

1.4.6 Extracción de residuos. Se opta por el sistema clásico de vagón que aunque no proporciona una extracción continua de los residuos si tiene una relativa facilidad de fabricación con otros sistemas utilizados actualmente que aplican lodos de perforación y bandas transportadoras. No se aplican lodos de perforación porque las bombas y sus accesorios elevan demasiado los costos y la instalación de bandas transportadoras no es factible en un diámetro tan reducido.

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