Tubería de elevación y sarta de tubería: factores clave para un microtúnel curvo exitoso - TBM: Tunnel Business Magazine

El resultado deseado de un trabajo de microtúnel es una tubería instalada de manera precisa e impecable. Idealmente, el tubo elevado sirve también como tubo portador, evitando así el costoso revestimiento deslizante de un tubo adicional. El mejor beneficio para el propietario de la operación de un microtúnel es la tubería más larga posible por pozo: una vez que el sistema está en funcionamiento, el costo por pie lineal disminuye con cada pie adicional que se levanta. Las alineaciones curvas permiten longitudes de transmisión extendidas al evitar obstáculos y ejes intermedios. Sin embargo, se deben tener en cuenta algunos aspectos clave relacionados con la tubería de elevación y la sarta de tuberías para garantizar la calidad impecable de la tubería instalada.

Hoy en día, las curvas cerradas en los microtúneles en la mayoría de los casos sólo son posibles con tubos de elevación rígidos y de paredes gruesas con juntas articuladas, como el hormigón armado o el hormigón polímero. En una alineación curva, debido a la rigidez del material, la deflexión se concentra en las juntas de las tuberías.

Figura 1: Junta hidráulica JC260 instalada en un tubo de elevación de 2000 mm de diámetro interior.

Una fuerza de elevación admisible alta es esencial para una operación eficiente y, especialmente cuando las cosas no salen exactamente como se planeó, es deseable tener algunas reservas y deberían ser parte de la gestión de riesgos. Incluso con la mejor investigación geotécnica, cualquier forma de construcción de túneles siempre conlleva sorpresas.

Por lo tanto, transferir de forma segura la fuerza de elevación de un tubo a otro en una junta articulada es un aspecto clave y necesario para comprender la fuerza de elevación admisible sin causar daños a las tuberías.

La determinación de la fuerza de elevación admisible en una junta articulada depende directamente del comportamiento del material del anillo de transferencia de presión; por lo tanto, un comportamiento predecible del material es clave para un cálculo fiable.

En el caso de los anillos de transferencia de presión de madera convencionales, las consecuencias inevitables debido al comportamiento difícilmente predecible del material son la separación de las juntas en el exterior de la articulación, así como cargas puntuales y picos de tensión impredecibles en el interior (Figura 2).

Figura 2: Distribución de tensiones y carga excéntrica con anillo de transferencia de presión de madera.

Los anillos de transferencia de presión diseñados, como la junta hidráulica (Figura 1) o el EDAR, pueden proporcionar una transferencia de presión de cara completa sin picos de tensión incluso cuando se experimentan grandes ángulos de articulación y permiten una comprensión exacta de las tensiones que actúan sobre la tubería debido a su naturaleza inherente y perfecta. Comportamiento mecánico predecible (Figura 3).

Figura 3: Distribución de tensiones y carga excéntrica con junta hidráulica.

La transferencia de cargas a través de juntas articuladas siempre provoca una carga excéntrica en la tubería. Los anillos de transferencia de presión diseñados reducen la excentricidad por dimensiones, pero el efecto global en la tubería individual aún se puede observar y se debe considerar. La carga axial excéntrica se equilibra mediante fuerzas laterales que actúan sobre los tubos de elevación, lo que aumenta considerablemente el riesgo de daños.

La excentricidad relevante no solo proviene de la articulación de una sola junta, sino que es el resultado de diferentes ángulos de articulación de las juntas en el extremo delantero y trasero de la tubería (Figura 2 y Figura 3). Para minimizar la excentricidad, la clave es un anillo de transferencia de presión adecuado y una dirección suave de la máquina.

Además de un diseño estructural robusto de los tubos de elevación, el diseño de las uniones de las tuberías es importante ya que la articulación se concentra en las uniones de las tuberías. La junta debe quedar a ras por dentro y por fuera de la tubería y sellar la tubería contra el agua subterránea y el suelo, incluso en estado articulado. Teniendo en cuenta el requisito de un comportamiento predecible del anillo de transferencia de presión, es clave que el diseño de la junta también selle el área de transferencia de presión para evitar que el suelo o el agua afecten de manera impredecible el comportamiento del anillo de transferencia de presión. Un diseño de junta adecuado consiste en una banda de acero externa o un collar de acero, moldeado en el concreto y un extremo en forma de espiga con la junta en una ranura en el exterior de la tubería. Estas consideraciones también son válidas para transmisiones rectas diseñadas, ya que las correcciones de dirección siempre fuerzan deflexiones en las uniones de las tuberías.

La articulación de la junta no sólo depende del radio de curvatura y del diámetro de la tubería, sino también de la longitud de la tubería. Las tuberías más cortas reducen el ángulo de articulación de la junta en un diámetro y radio determinados, pero aumentan la cantidad de juntas necesarias. Cada junta es un punto débil en la tubería y, por lo tanto, se debe minimizar el número de juntas. Además, las tuberías más cortas aumentan el costo por pie lineal, no solo en el lado de fabricación sino también durante la instalación, ya que para cada tubería nueva que se instala, todos los servicios públicos deben desconectarse y volverse a conectar, lo que lleva a una tasa de avance lenta. La clave aquí es utilizar tuberías tan largas como sea posible.

Para acomodar las fuerzas laterales debidas a la carga excéntrica, el diseño estructural debe proporcionar suficientes reservas. Con un sofisticado sistema de monitoreo y la junta hidráulica como anillo de transferencia de presión, la fuerza de elevación admisible en cada tubería en cualquier ubicación y estado de articulación se puede determinar en tiempo real con mediciones de campo de la presión real y la articulación de la junta a la que está sujeta la tubería. De esta manera, se puede comprender el estado de tensión efectivo de cada tubería en cada circunstancia durante la instalación, que es la clave más deseable en la gestión de riesgos para una instalación exitosa.

La alineación de un microtúnel consta de elementos rectos, curvos y de transición. Las curvas requieren sistemas de navegación que puedan funcionar sin línea de visión entre el eje y la máquina.

Los elementos de transición pueden ser clotoides, que sólo cambian gradualmente el radio de la curva y no instantáneamente como lo haría un elemento curvo justo después de un elemento recto.

Estos elementos de transición se pueden implementar en sistemas de navegación sofisticados, ayudando al operador a girar suavemente en la curva, evitando así grandes diferencias en la articulación de las articulaciones en un tramo corto, que suele ser la causa de fuerzas de elevación admisibles reducidas o daños en las tuberías.

Cyrill Althuser es director de proyectos en Jackcontrol AG, Suiza.

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