Máquina elevadora de tuberías: cómo funciona, cuándo usarla y qué buscar

Qué hace realmente una máquina elevadora de tuberías

Una máquina de elevación de tuberías es un sistema de construcción sin zanjas que instala tuberías subterráneas perforando simultáneamente el suelo y empujando secciones de tuberías prefabricadas hacia el interior del túnel excavado desde un pozo de lanzamiento a nivel de la superficie. La máquina corta en la cara del orificio mientras los gatos hidráulicos colocados en la parte trasera de la sarta de tubos aplican el empuje hacia adelante necesario para hacer avanzar tanto el cabezal de corte como el tren de tubos en crecimiento a través del suelo. El resultado es una tubería completamente revestida instalada en profundidad, sin la necesidad de excavar una zanja abierta continua a lo largo de la ruta de la tubería.

Este método, también conocido como elevación de tuberías, apisonamiento de tuberías en algunos contextos o microtúnel cuando se aplica a perforaciones de diámetro más pequeño con guía controlada a distancia, se ha convertido en una de las técnicas más importantes en la construcción de servicios públicos subterráneos. Se utiliza para instalar tuberías de alcantarillado por gravedad, tuberías de transmisión de agua, líneas de distribución de gas, conductos de telecomunicaciones y alcantarillas debajo de carreteras, vías férreas, ríos, pistas de aterrizaje y áreas urbanas urbanizadas donde la excavación a cielo abierto sería poco práctica, dañina o estaría prohibida por los operadores de infraestructura y las autoridades de planificación.

La máquina de elevación de tubos en sí es el sistema de corte y guía al frente de la operación: el componente que determina el diámetro del orificio, la compatibilidad del suelo, la precisión de la línea y la pendiente, y la capacidad de soporte de la cara. Todo lo demás en una operación de elevación de tuberías (el marco de elevación, el anillo de empuje, las estaciones intermedias de elevación, el sistema de lubricación y el dispositivo de eliminación de desechos) se configura según los requisitos de la máquina y las condiciones específicas del terreno encontradas en el proyecto.

Los componentes principales de un sistema de elevación de tuberías

Un sistema completo de elevación de tuberías es más que solo una máquina cortadora. Es un conjunto integrado de sistemas mecánicos, hidráulicos y de guía que deben trabajar juntos de manera confiable para que la operación avance de manera segura y en línea. Comprender la función de cada componente ayuda a los contratistas e ingenieros de proyectos a tomar mejores decisiones de selección de equipos y anticipar dónde es más probable que ocurran los problemas.

El cabezal de corte y el escudo

El cabezal de corte es el elemento más adelantado del máquina elevadora de tubos , diseñado para excavar el suelo y presentarlo para su remoción a través del orificio de la tubería. El diseño del cabezal de corte varía significativamente según las condiciones del terreno. En terrenos blandos (arcillas, limos, arenas y gravas), generalmente se usa un disco giratorio o un cabezal de corte con patrón de radios con puertos para acondicionamiento del suelo, a menudo en combinación con bentonita o inyección de polímero para estabilizar la cara y reducir la fricción. En terrenos mixtos o rocas, se requieren cabezales de corte más robustos equipados con cortadores de disco, brocas de arrastre o cortadores de botones de carburo de tungsteno para desmenuzar el material y retirarlo. El cabezal cortador está alojado dentro de un escudo de acero que proporciona soporte al suelo en la cara del túnel y forma el cuerpo estructural de la máquina.

El marco de elevación y los cilindros de empuje

El marco de elevación principal se instala en el foso de lanzamiento detrás de la sarta de tuberías y proporciona la fuerza de empuje principal que hace avanzar la máquina y las tuberías a través del suelo. Consiste en un pesado marco de reacción de acero anclado contra la pared trasera del pozo, equipado con cilindros hidráulicos (generalmente de dos a cuatro arietes de gran diámetro) que se apoyan contra un anillo de empuje o un collar de empuje apoyado contra la cara trasera del último tubo de la sarta. Las fuerzas de elevación en las operaciones de elevación de tuberías son sustanciales: los accionamientos de microtúneles de pequeño diámetro pueden requerir de 50 a 200 toneladas de empuje, mientras que los accionamientos de gran diámetro en terrenos difíciles con largas sartas de tuberías pueden exigir fuerzas de empuje superiores a 1.000 a 3.000 toneladas. El marco del gato debe estar clasificado para entregar estas fuerzas de manera segura y tener el tamaño correcto para el diámetro de la tubería y la resistencia anticipada del suelo del accionamiento específico.

Sistema de eliminación de desechos

El material excavado debe retirarse continuamente de la cara del túnel a través del orificio de la tubería durante el levantamiento. El método de eliminación de desechos es una de las variables clave que diferencia los tipos de máquinas elevadoras de tubos. Las máquinas de protección de lodo utilizan un circuito de lodo de bentonita presurizado para suspender y transportar los recortes hidráulicamente a través de una tubería de lodo hasta una planta de separación de superficie, donde se extraen los sólidos y se recircula el lodo limpio. Las máquinas de equilibrio de presión de tierra mezclan el suelo excavado con agentes acondicionadores para crear una masa plastificada que luego se extrae mediante un transportador de tornillo de Arquímedes a través del orificio de la tubería hasta el pozo de lanzamiento. La excavación manual con herramientas manuales y la retirada de contenedores todavía se utilizan en recorridos de mayor diámetro donde la entrada de trabajadores es práctica y las condiciones del terreno son lo suficientemente estables como para permitirlo.

Sistema de guía y dirección

Mantener la precisión de la línea y la pendiente durante todo el recorrido es fundamental: las tuberías instaladas desalineadas causan problemas de gradiente hidráulico en las alcantarillas por gravedad, tensión en las juntas de las tuberías de presión y posibles conflictos con los servicios existentes. Las máquinas elevadoras de tubos se dirigen ajustando la extensión de los cilindros de dirección hidráulica colocados alrededor de la periferia del escudo, que articulan el cabezal de la máquina con respecto a la siguiente sarta de tubos. El monitoreo de la posición se logra mediante un teodolito láser montado en el foso de lanzamiento que proyecta un rayo sobre un objetivo dentro de la máquina; el operador lee la desviación de la máquina del rayo y la corrige a través de los cilindros de dirección. En recorridos más largos o en curvas, en las que una simple línea láser no es suficiente, se utilizan sistemas de guiado más sofisticados que utilizan estaciones totales giroscópicas o giroscopios láser anulares.

Tipos de máquinas elevadoras de tuberías y cuándo se utiliza cada una

Las máquinas elevadoras de tuberías no son un solo producto: existen en varias configuraciones distintas, cada una optimizada para una gama diferente de diámetros de orificio, condiciones del terreno y requisitos del proyecto. Seleccionar el tipo de máquina correcto es la decisión de equipo más importante en cualquier proyecto de elevación de tuberías.

Máquinas de microtunelización (MTBM)

Las máquinas de microtunelización son sistemas de elevación de tuberías operados de forma remota y diseñados para diámetros de orificio que generalmente oscilan entre 150 mm y 1200 mm, aunque el límite con sistemas de entrada tripulados más grandes es específico del proyecto. La característica definitoria de una máquina de microtunelización es que el operador no ingresa al túnel durante el viaje; toda la dirección, el monitoreo y el control de la máquina se administran desde una cabina de control de superficie a través de una conexión umbilical. Esta capacidad de operación remota hace que los microtúneles sean adecuados para perforaciones de diámetro pequeño donde la entrada de los trabajadores es físicamente imposible y para cualquier condición del terreno donde el acceso frontal presenta un riesgo de seguridad inaceptable. Las máquinas de microtunelización suelen ser sistemas de tipo lodo, con corte hidráulico y transporte de lodo que brindan soporte continuo a la cara y eliminación eficiente de desechos en terrenos blandos y mixtos.

Máquinas elevadoras de tuberías de equilibrio de presión de tierra

Las máquinas elevadoras de tuberías con equilibrio de presión de tierra (EPB) utilizan el propio suelo excavado (acondicionado con agua, espuma o polímero para lograr una plasticidad viable) como medio principal de soporte de la cara. Un mamparo de presión detrás del cabezal de corte mantiene una presión controlada del suelo contra la cara del túnel, con la tasa de extracción del transportador de tornillo equilibrada con la tasa de avance para mantener la presión de la cara dentro de un rango objetivo. Las máquinas EPB son particularmente efectivas en suelos cohesivos y mixtos, arenas encharcadas y ambientes urbanos donde se debe minimizar el asentamiento del suelo. Manejan una amplia gama de diámetros desde alrededor de 600 mm hasta varios metros y están disponibles en configuraciones operadas de forma remota y con entrada tripulada, según el tamaño del orificio.

Máquinas elevadoras de tuberías con protección para lodos

Las máquinas protectoras de lodo sostienen la cara del túnel utilizando lodo de bentonita presurizado y eliminan los recortes hidráulicamente a través de un circuito cerrado de lodo. Sobresalen en suelos granulares saturados (arenas corrientes, gravas y depósitos aluviales permeables) donde el acondicionamiento del EPB es difícil y donde mantener la presión frontal es fundamental para evitar explosiones o asentamientos. La planta de separación de lodos requerida en la superficie es un elemento logístico importante en proyectos de tipo lodos: ocupa un área considerable del sitio, requiere una gestión cuidadosa de las propiedades de la mezcla de lodos y genera una corriente de eliminación de desechos de torta de lodos prensada por filtración que debe gestionarse como material de desecho. A pesar de esta complejidad, las máquinas de protección contra lodos suelen ser la única tecnología viable para terrenos granulares que contienen agua a una profundidad significativa.

Máquinas elevadoras de tubos para corte de roca

En formaciones rocosas, los cabezales cortadores de suelo estándar son ineficaces y se requieren máquinas cortadoras de rocas especializadas. Estas máquinas están equipadas con conjuntos de cortadores de disco de cara completa, similares en principio a una TBM (máquina perforadora de túneles), que aplican cargas puntuales elevadas a la cara de la roca para fracturarla en astillas. A continuación, las virutas se lavan o transportan fuera del orificio. Las máquinas elevadoras de rocas deben adaptarse a las características de resistencia a la compresión, abrasividad y fractura de la formación rocosa específica: las rocas sedimentarias blandas, como la tiza o la lutita, pueden manejarse con cabezas de brocas de arrastre reforzadas, mientras que las rocas ígneas o metamórficas duras con valores de UCS superiores a 100 MPa requieren cortadores de disco de cara completa en grados de acero más duros. Las tasas de desgaste de los cortadores en roca abrasiva son un importante factor de costos y deben tenerse en cuenta en los presupuestos del proyecto desde el principio.

Condiciones del terreno y su impacto en la selección de máquinas

Ningún tipo de máquina de elevación de un solo tubo funciona bien en todas las condiciones del terreno. La investigación geotécnica (perforaciones, pozos de prueba, pruebas de laboratorio de muestras de suelo y monitoreo del nivel de agua subterránea) es la base esencial en la que se debe basar cada decisión de selección de máquina. Especificar la máquina incorrecta para las condiciones del terreno encontradas es una de las causas más frecuentes de fracaso en un proyecto de elevación de tuberías, lo que provoca máquinas atascadas, reventones, asentamientos excesivos o abandono total de la transmisión.

La siguiente tabla resume la relación general entre las condiciones del suelo y los tipos apropiados de máquinas elevadoras de tubos:

Gestión de fuerzas de elevación y uso de estaciones de elevación intermedias

A medida que la sarta de tuberías se alarga durante un accionamiento, la fricción que actúa sobre la superficie exterior de las tuberías se acumula y la fuerza total de elevación necesaria para hacer avanzar el sistema aumenta progresivamente. En recorridos cortos en terreno favorable, esta acumulación es manejable dentro de la capacidad del bastidor de elevación principal únicamente. En recorridos más largos, particularmente aquellos que superan los 100 a 150 metros, o recorridos más cortos en terrenos abrasivos o de alta fricción, la fricción superficial acumulada puede exceder la capacidad de empuje del marco principal y la capacidad de carga estructural de las juntas de las tuberías. Aquí es donde las estaciones intermedias de elevación se vuelven esenciales.

Una estación de elevación intermedia (IJS) es un cilindro corto de acero equipado con su propio conjunto de arietes hidráulicos, instalados dentro de la sarta de tuberías a intervalos predeterminados durante el recorrido. Cuando la fuerza del gato se acerca a su límite, los arietes IJS se activan para empujar la parte delantera de la sarta de tuberías de forma independiente mientras los gatos principales se reinician. Al dividir la sarta de tuberías en segmentos y activar las unidades IJS secuencialmente, la fuerza máxima aplicada a cualquier junta de tubería individual se mantiene dentro de límites estructurales seguros y la conducción puede continuar mucho más allá de lo que el marco principal de elevación por sí solo podría lograr. Los proyectos de elevación de tuberías bien diseñados en recorridos largos especifican las posiciones del IJS de antemano en función de las cargas de fricción calculadas, con posiciones adicionales planificadas previamente en caso de que las condiciones del terreno sean peores de lo previsto.

La otra estrategia principal para gestionar las fuerzas de elevación es la lubricación de la interfaz tubería-tierra utilizando lechada de bentonita o gel polimérico inyectado a través de puertos en la pared de la tubería. Un programa de lubricación eficaz puede reducir la fricción entre la tubería y la pared entre un 50 % y un 80 % en comparación con las unidades no lubricadas, ampliando drásticamente la longitud de transmisión alcanzable y reduciendo la cantidad de unidades IJS necesarias. La lubricación debe mantenerse continuamente durante toda la transmisión; permitir que se rompa o sea absorbida por el suelo circundante aumenta rápidamente la fricción y puede provocar que la sarta de tuberías se atasque.

Materiales de tubería utilizados en operaciones de elevación de tuberías

Los tramos de tubería empujados a través del suelo mediante una máquina elevadora de tubos deben resistir tanto las cargas de empuje transmitidas a lo largo de su eje como las presiones externas del suelo y del agua subterránea que actúan sobre sus paredes durante toda su vida útil. No todos los materiales de tubería son adecuados para el elevación, y la elección del tipo de tubería tiene implicaciones directas para el diámetro del orificio, la longitud del recorrido, la deflexión permitida en las juntas y el rendimiento a largo plazo de la tubería.

• Tubo de elevación de hormigón armado: El material más utilizado para elevación de alcantarillado en diámetros medianos a grandes (300 mm a 3000 mm y más). Los tubos de elevación de hormigón se fabrican según normas de elevación específicas (EN 1916 en Europa, ASTM C76 en América del Norte) con anillos terminales de acero endurecido en cada cara de la junta para distribuir las cargas de elevación de manera uniforme y minimizar la concentración de tensión en las juntas. Ofrecen una excelente durabilidad a largo plazo, resistencia química a los gases de alcantarillado y un costo competitivo en diámetros más grandes.
• Tubo de elevación de arcilla vitrificada: Se utiliza en diámetros de alcantarillado más pequeños, normalmente de 150 mm a 600 mm. La arcilla vitrificada proporciona una resistencia excepcional al ataque químico de aguas residuales agresivas y efluentes industriales, lo que la convierte en la opción preferida para entornos de alcantarillado químicamente exigentes. Su fragilidad en comparación con el hormigón requiere un manejo cuidadoso y limita las fuerzas de elevación que se pueden aplicar.
• Tubo de elevación de acero: Se utiliza para tuberías principales de transmisión de agua y gas, oleoductos y tuberías de revestimiento de diámetros más grandes. El acero proporciona una resistencia muy alta a la compresión y a la tracción, lo que permite la aplicación de altas fuerzas de elevación y lo hace adecuado para recorridos largos y condiciones de terreno duro. La protección contra la corrosión externa (epóxido adherido por fusión, revestimiento de poliuretano o protección catódica) es esencial para una larga vida útil.
• Tubo de elevación de GRP (polímero reforzado con fibra de vidrio): Combina alta resistencia con peso ligero y excelente resistencia a la corrosión. Las tuberías de elevación de GRP se especifican cada vez más para entornos químicamente agresivos y para accionamientos donde el peso reducido de la tubería simplifica el manejo en fosos de lanzamiento confinados. Requieren un diseño cuidadoso de las juntas para garantizar una transferencia de carga adecuada bajo las fuerzas del gato.
• Hormigón polímero y tubería HOBAS: Las tuberías de mortero de polímero reforzado con fibra de vidrio (CCFRPM) fundidas centrífugamente combinan la resistencia química del polímero con la resistencia a la compresión necesaria para aplicaciones de elevación. Ampliamente utilizado en aplicaciones agresivas de alcantarillado y drenaje industrial en toda Europa y cada vez más en otros mercados.

Consideraciones clave de planificación de proyectos antes de movilizar una máquina elevadora de tuberías

Los proyectos de elevación de tuberías que enfrentan serios problemas en el campo rara vez tienen mala suerte: casi siempre son el resultado de una planificación inadecuada, una investigación del terreno insuficiente o suposiciones poco realistas hechas durante el diseño. Los siguientes elementos de planificación merecen especial atención antes de movilizar cualquier máquina elevadora de tuberías al sitio.

• Alcance y calidad de la investigación geotécnica: Los pozos deben espaciarse a intervalos adecuados a la variabilidad del terreno del sitio (generalmente no más de 50 metros a lo largo de la alineación del camino para proyectos urbanos) y deben extenderse hasta al menos 3 diámetros de tubería por debajo del nivel invertido del pozo propuesto. Las pruebas de laboratorio deben incluir la distribución del tamaño de las partículas, el índice de plasticidad, la resistencia al corte no drenado, la resistencia a la compresión libre de rocas y la química del agua subterránea donde la corrosión de tuberías o componentes de máquinas es una preocupación.
• Encuesta de servicios existentes: Antes de finalizar la alineación de la unidad, se debe completar un estudio completo de los servicios públicos utilizando un radar de penetración terrestre, ubicación electromagnética y una revisión de todos los registros de servicios públicos disponibles. Una empresa de servicios públicos no detectada que cruza una perforación activa tiene el potencial de tener consecuencias catastróficas: los golpes de servicio en tuberías principales de gas, cables de alto voltaje o tuberías principales de agua en las proximidades de un camino activo se encuentran entre los riesgos más graves en la construcción urbana sin zanjas.
• Diseño de fosos de lanzamiento y recepción: El foso de lanzamiento debe ser lo suficientemente grande para acomodar el marco del gato, el equipo de manipulación de tuberías, el sistema de eliminación de escombros y proporcionar un acceso de trabajo seguro para la tripulación. Las dimensiones mínimas del pozo están determinadas por el diámetro de la tubería, la longitud de la máquina y la carrera del gato. El pozo debe estar adecuadamente apuntalado y deshidratado, y la pared de empuje trasera debe ser estructuralmente capaz de resistir la fuerza de elevación máxima anticipada sin movimiento ni falla.
• Longitud y curvatura de la unidad: Cada combinación de tipo de máquina y material de tubería tiene una longitud de accionamiento máxima alcanzable, más allá de la cual las fuerzas de elevación o las tensiones en las uniones de tuberías se vuelven inmanejables. De manera similar, las alineaciones curvas son posibles, pero introducen una complejidad adicional en la guía y aumentan las cargas de flexión de las uniones de tuberías. Los recorridos que excedan aproximadamente 150 metros o que incorporen curvas horizontales o verticales deben ser evaluados por un ingeniero especializado en zanjas antes de finalizar la selección de la máquina.
• Seguimiento de liquidaciones y evaluación de riesgos: Para recorridos por debajo de estructuras sensibles (vías de ferrocarril, edificios históricos, estribos de puentes o instalaciones industriales operativas), antes de comenzar el recorrido se debe establecer un programa de monitoreo de asentamientos que utilice monumentos topográficos de la superficie, nivelación precisa e inclinómetros en estructuras sensibles. Los niveles de activación y acción para el ajuste de los parámetros de la máquina o la suspensión de la transmisión deben acordarse de antemano con los propietarios de la infraestructura afectada.

Problemas comunes durante el levantamiento de tuberías y cómo los manejan los contratistas experimentados

Incluso las operaciones de elevación de tuberías bien planificadas encuentran problemas. Las condiciones del terreno rara vez coinciden exactamente con los datos del pozo, los componentes de las máquinas se desgastan o funcionan mal y las obstrucciones inesperadas son una realidad en la construcción del subsuelo urbano. La diferencia entre un proyecto que se recupera de estos eventos y uno que resulta en una máquina atascada o una unidad abortada generalmente se reduce a la experiencia del equipo y las medidas de contingencia incorporadas en el plan del proyecto.

Obstrucciones en el frente del túnel

Cantos rodados, adoquines, cimientos antiguos de mampostería, pilotes de madera y servicios públicos fuera de servicio se encuentran entre las obstrucciones inesperadas más comunes que se encuentran durante las operaciones de elevación de tuberías en áreas urbanas. En los accionamientos de diámetro con entrada tripulada, los trabajadores a veces pueden derribar las obstrucciones con herramientas manuales o martillos neumáticos bajo la protección del escudo. En diámetros de microtúneles más pequeños donde no es posible la entrada, las opciones de contingencia incluyen acceso intervencionista desde una excavación sobre el camino, inyección de lechada con superficie perforada o inyección de resina para estabilizar el suelo alrededor de la obstrucción o, en casos extremos, abandonar el camino y recuperar la máquina de un nuevo pozo delante del bloqueo.

Acumulación excesiva de fuerza de elevación

Cuando las fuerzas de elevación aumentan más rápido de lo previsto, la primera respuesta siempre debe ser evaluar y optimizar el programa de lubricación: aumentar el volumen y la frecuencia de la inyección, verificar que los puertos de lubricación no estén bloqueados y verificar que el vacío anular alrededor de las tuberías esté adecuadamente lleno. Si la optimización de la lubricación no detiene el aumento de fuerza, el siguiente paso es activar las estaciones intermedias de elevación antes de lo previsto. Forzar una transmisión atascada aplicando el máximo empuje rara vez es productivo y corre el riesgo de dañar las juntas de las tuberías, fallar los componentes de la máquina o levantar la superficie. Pausar el avance y permitir que el suelo se relaje ligeramente alrededor de la sarta de tuberías, combinado con una lubricación intensificada, a menudo logra más progreso que forzar continuamente.

Desviación fuera de línea

Las desviaciones de la guía que se detectan tempranamente son manejables: los cilindros de dirección pueden corregir progresivamente el rumbo de la máquina a lo largo de los siguientes tramos de tubería sin crear ángulos de unión inaceptables. Es mucho más difícil recuperarse de las desviaciones que no se detectan hasta que son grandes y pueden provocar tensiones en las uniones de las tuberías, asentamientos superficiales en una ubicación no deseada o posibles conflictos con los servicios existentes. La mejor defensa contra los problemas de desviación es un régimen de monitoreo riguroso (leer y registrar la posición objetivo de guía después de cada instalación de tubería, no solo al comienzo de cada turno) y un protocolo de acción claro sobre qué correcciones de dirección se aplican y en qué magnitud de desviación.