COMPARACION TECNOLOGICA Y COSTOS DEL MÉTODO DE INSTALACION DE TUBERIAS SIN ZANJA (TRENCHLESS) MÁS EFICIENTE PARA LOS SUELOS ENCONTRADOS EN UN PROYECTO DE BOGOTA. JONATHAN ARMANDO ALARCON ROCHA JOSÉ LUIS PACHECO CALVO PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C 2014 COMPARACION TECNOLOGICA Y COSTOS DEL MÉTODO DE INSTALACION DE TUBERIAS SIN ZANJA (TRENCHLESS) MÁS EFICIENTE PARA LOS SUELOS ENCONTRADOS EN UN PROYECTO DE BOGOTA JONATHAN ARMANDO ALARCON ROCHA JOSÉ LUIS PACHECO CALVO Trabajado presentado para la obtención del título de Ingeniería civil DAVID GOMEZ VILLASANTE (IC) Director PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C 2014 2 Tabla de contenido 1. Índice de Figuras ............................................................................................................. 7 2. Índice de Tablas ............................................................................................................. 10 3. Introducción ................................................................................................................... 12 4. Planteamiento del problema y justificación .................................................................. 13 5. Antecedentes.................................................................................................................. 16 5.1 Desarrollo e historia de la tecnología ................................................................................... 16 5.2 Antecedentes a nivel mundial .............................................................................................. 19 5.2.1 Asociación Internacional de Tecnología Sin Zanja ...................................................... 19 5.2.2 Principales aplicaciones ................................................................................................ 21 5.2.3 Desarrollo e Historia en Colombia ............................................................................... 23 6 Definición de la tecnología ............................................................................................. 30 6.1 Instalación de nueva tubería................................................................................................ 31 6.1.1 Métodos Convencionales de Zanja abierta ...................................................................... 31 6.1.1.1 Control de Aguas lluvias de infiltración........................................................................ 33 6.1.1.2 Clasificación de las excavaciones .............................................................................. 34 6.1.1.2.1 Excavaciones de zanjas y apiques ........................................................................... 34 6.1.1.2.2 Excavaciones para fundaciones .............................................................................. 37 6.1.2 Métodos sin zanja ............................................................................................................. 39 6.1.2.2 Tubo hincado (pipe jacking) y microtunelado ........................................................... 39 6.1.2.2.1 Aplicaciones............................................................................................................ 42 6.1.2.2.2 Excavación y evacuación de detritus en hinca de tubos (pipe jacking) .................. 44 6.1.2.2.3 Excavación y evacuación de residuos en microtunelado ........................................ 46 6.1.2.1.4 Excavación y evacuación de detritus en microtunelado con tubo pilote................ 47 6.1.2.1.6 Características del terreno .......................................................................................... 48 6.1.2.1.7 Tubos y tuberías ........................................................................................................ 49 6.1.2.1.8 Pozos .......................................................................................................................... 50 6.1.2.3 Topo de percusión e hincado por percusión (ramming)............................................. 51 6.1.2.3.2 Características del terreno ....................................................................................... 54 6.1.2.3.3 Alineación y lanzamiento ....................................................................................... 55 6.1.2.3.4 Monitorización y seguimiento ................................................................................ 55 6.1.2.4 Hincado de tubos por percusión “ramming” .............................................................. 58 6.1.2.4.1 Aplicaciones............................................................................................................ 58 6.1.2.3.2 Montaje....................................................................................................................... 59 6.1.2.5 Perforación con tornillos sinfín .................................................................................. 61 6.1.2.5.1 Aplicaciones............................................................................................................ 61 6.1.2.5 Perforación horizontal dirigida (HDD) ........................................................................ 64 3 6.1.2.5.1 Métodos .................................................................................................................. 65 6.1.2.5.3 Variantes de perforación ........................................................................................... 67 6.1.2.5.3 Perforación asistida por fluidos............................................................................... 67 6.1.2.5.4 Tubos de perforación .............................................................................................. 70 6.1.2.6 Fluidos de perforación ............................................................................................... 71 6.1.2.7 Selección de la metodología correcta para obra nueva .............................................. 72 7. Búsqueda y selección de proyectos ............................................................................... 74 7.1 7.2 Proyectos método convencional .......................................................................................... 75 Proyectos método sin zanja (trenchless) .............................................................................. 76 8. Análisis de presupuestos en los proyectos con zanja .................................................... 78 9. Proyecto seleccionado con zanja abierta ....................................................................... 88 9.1 Construcción de las obras del colector pluvial (hacia el rio Bogotá) en el municipio de Soacha para el proyecto ciudadela Colsubsidio Maiporé, ejecutado del pozo número 9 al pozo número 24 por Structural Forms .................................................................................................. 89 9.1.1 Exploración del subsuelo .............................................................................................. 91 9.1.2 Programación de proyecto .......................................................................................... 104 9.1.3 Presupuesto general ........................................................................................................ 107 10. Alcance de las diferentes metodologías de instalación de tubería sin zanja en factores como longitud del trazado, diámetro de la tubería, profundidad de instalación y tipo de suelo 109 10.1 Longitud total del trazado ................................................................................................ 110 10.1.1 Topos de percusión e hincado por percusión pipe ramming ..................................... 110 10.1.2 Pipe jacking y microtunelado.................................................................................... 111 10.1.3 Perforación con tornillos sin fin, auger boring ........................................................ 111 10.1.4 Perforación horizontal dirigida HDD........................................................................ 111 10.2 Diámetro de tubería......................................................................................................... 112 10.2.1 Topos de percusión e hinca por percusión pipe ramming ......................................... 113 10.2.2 Pipe jacking y microtunelado.................................................................................... 113 10.2.3 Perforación con tornillo sin fin, auger boring .......................................................... 113 10.2.4 Perforación horizontal dirigida HDD........................................................................ 113 10.3 Profundidades de instalación ........................................................................................... 115 10.3.1 Topos de percusión e hinca por percusión pipe ramming ......................................... 115 10.3.2 Pipe jacking y microtunelado.................................................................................... 115 10.3.3 Perforación con tornillo sin fin, auger boring .......................................................... 115 10.3.4 Perforación horizontal dirigida HDD........................................................................ 115 10.4 Tipos de Suelo ................................................................................................................. 117 10.4.1 Topos de percusión e hincado por percusión pipe ramming ........................................ 117 10.4.1 Pipe jacking y microtunelado.................................................................................... 117 10.4.2 Perforación con tornillos sin fin, auger boring ........................................................ 117 10.4.3 Perforación horizontal dirigida HDD........................................................................ 118 4 10.5 Evaluación y selección de 3 metodologías sin zanja (trenchless) para las condiciones de longitud del trazado, diámetro de tubería, profundidad de instalación y tipos de suelos encontrados en el proyecto en estudio con método a zanja abierta ............................................ 118 11. Evaluación y selección de una metodología de instalación de tubería sin zanja (trenchless) entre las 3 preseleccionadas en el capítulo anterior, para la comparación tecnológica y de costos del proyecto con método convencional a zanja abierta en estudio 120 11.1 Verificación de longitud total del trazado para la metodología pipejacking/microtunelado 123 11.2 Verificación del diámetro de la tubería para la metodología pipejacking/microtunelado 124 11.3 Verificación de las profundidades de instalación para la metodología pipejacking/microtunelado .......................................................................................................... 124 11.5 Metodología de instalación de tubería sin zanja seleccionada para la comparación tecnológica y de costos en el proyecto elegido de zanja abierta ................................................. 125 11.5.1 Clasificación de tuneladoras .................................................................................... 125 12. Análisis de la estructura de costos correspondiente a la obra seleccionada con zanja y el método de instalación de tubería sin zanja (pipe jacking) aplicable a esta. ................... 129 12.1 Porcentajes de incidencia de APU para las principales actividades del proyecto con zanja en estudio .................................................................................................................................... 129 12.2 Estructura de costos del método sin zanja en estudio (pipe jacking/microtunelado) .......... 132 13 Comparación de la estructura de costos directos del proyecto en estudio a zanja abierta con el método de instalación pipe jacking/microtunelado.................................................. 139 14 Comparación de tiempos de construcción del proyecto en estudio a zanja abierta con el método de instalación pipe jacking/microtunelado ............................................................ 149 15 Comparación de costos por perjuicios colaterales de carácter social y ambiental del proyecto estudiado a zanja abierta con el método de instalación pipe jacking/microtunelado ............................................................................................................................................ 153 15.1 Introducción y definición de los costos por perjuicios colaterales en proyectos de instalación de tubería ..................................................................................................................................... 153 15.2 Cálculo de la proyección de los costos por perjuicios colaterales (social y ambiental) en el proyecto estudiado a zanja abierta .............................................................................................. 157 15.3 Cálculo de la proyección de los costos por perjuicios colaterales (social y ambiental) para el método pipe jacking/microtunelado ............................................................................................ 162 16 Comparación del costo total del proyecto (costos de construcción + perjuicios colaterales proyectados) ejecutado a zanja abierta y su proyección con la metodología pipe jacking/microtunelado ........................................................................................................ 164 17. Conclusiones................................................................................................................. 166 18. Recomendaciones ...................................................................................................... 168 5 19. Referencias ................................................................................................................ 169 6 1. Índice de Figuras Figura 1: Países afiliados al ISTT a nivel mundial ........................................................................... 20 Figura 2 Excavación a zanja abierta, por métodos manuales y mecánicos...................................... 32 Figura 3 Sistemas de drenaje de agua, Motobomba .......................................................................... 34 Figura 4 Diseño común de zanja para la instalación de tubería con método convencional .............. 35 Figura 5 Equipo típico Pipe Jacking o Microtunelado. ..................................................................... 40 Figura 6 Estación principal para instalación de tubería por microtunelado. ..................................... 41 Figura 7 Perforación piloto controlada por teodolito laser ................................................................ 42 Figura 8 Vagoneta empleada en evacuación de detritus. ................................................................. 45 Figura 9 Ampliación del diámetro con tornillo sin fin en instalación con tubo pilote. ..................... 48 Figura 10 Tubería de concreto para instalación con método sin zanja (microtunelado) ................... 49 Figura 11 Pozo de ataque para instalación de tubería de 18”. ........................................................... 51 Figura 12 Topo de percusión marca hammerhead ............................................................................ 52 Figura 13 Esquema de perforación con topo de percusión. .............................................................. 53 Figura 14 Instalación de tubería con topo neumático Hammerhead. ................................................ 54 Figura 15 Sistema de alineación y guiado con topo de percusión ..................................................... 56 Figura 16 Topos de percusión usados en diversos proyectos en Colombia ..................................... 57 Figura 17 Camisa de acero con frente abierto, Pipe Ramming. ........................................................ 58 Figura 18 Esquema de hinca de tubos por pipe ramming ................................................................. 59 Figura 19 Maquinaria pipe ramming sobre carriles en pozo de lanzamiento.................................... 60 Figura 20 Maquina Auger Boring (Tornillo Sin Fin) ........................................................................ 61 Figura 21 Cabeza cortadora de máquina de Auger Boring ............................................................... 63 Figura 22 Esquema de perforación horizontal dirigida HDD ........................................................... 65 Figura 23 Equipo de perforación Horizontal Dirigida ...................................................................... 66 Figura 24 Maquina HDD asistida por fluidos. .................................................................................. 68 Figura 25 Maquina PHD de gran capacidad ..................................................................................... 69 Figura 26 Despliegue de escariador de 42” ....................................................................................... 70 Figura 27 Sarta de perforación .......................................................................................................... 71 Figura 28 Fotos de la visita realizada al proyecto de la calle 169b, cortesía Bessac Andina ............ 78 Figura 29: Análisis de las principales actividades y su respectivo porcentaje de incidencia dentro del presupuesto del proyecto del colector pluvial del pozo uno al ocho realizado por Con&Ger S.A.S.79 Figura 30 : Análisis de las principales actividades y su respectivo porcentaje de incidencia dentro del presupuesto del proyecto del colector pluvial del pozo 8 al 24 realizado por Structural Forms. 80 Figura 31 Análisis de las principales actividades y su respectivo porcentaje de incidencia en el proyecto de evacuación de aguas pluviales realizado por Congeter Ltda ........................................ 82 Figura 32 Análisis de las principales actividades y su respectivo porcentaje de incidencia en el proyecto de Aguas Residuales realizado por Consorcio Ediviales Soacha. ..................................... 84 Figura 33 Análisis de las principales actividades y su respectivo porcentaje de incidencia en el proyecto de Aguas Lluvias realizado por Consorcio Ediviales Soacha. ............................................ 86 Figura 34 Localización proyecto con zanja elegido, Proyecto Colector Pluvial Maipore,(Uribe s., n.d.) ................................................................................................................................................... 90 Figura 35 Perfil estratigráfico de Figura 36 Perfil estratigráfico.................... 92 7 Figura 37 Perfil estratigráfico de Figura 38 Perfil estratigráfico de .................. 93 Figura 39 Perfil estratigráfico de sondeo número 5,(Uribe s., n.d.) .................................................. 94 F ........................................................................................................................................................ 95 Figura 41 Perfil Estratigráfico de Sondeo número 7,(Uribe s., n.d.) ................................................. 96 F ........................................................................................................................................................ 97 Figura 43 perfil estratigráfico promedio del estudio de suelos de la construcción de las obras del colector pluvial (hacia el rio Bogotá) en el municipio de Soacha. (Uribe s., n.d.) .......................... 100 Figura 44 Tipo de cimentación recomendada para apoyo de las tuberías a instalar. ...................... 102 Figura 45 Análisis de longitudes máximas de instalación permitidas para diferentes métodos sin zanja. ............................................................................................................................................... 112 Figura 46 Análisis para diámetros máximos aceptables de tubería para diferentes métodos sin zanja. ............................................................................................................................................... 114 Figura 47 Análisis de profundidades máximas aceptables de instalación para diferentes métodos sin zanja........................................................................................................................................... 116 Figura 48 Instalación de tubería con métodos Pipe Jacking y Microtunelado ................................ 123 Figura 49 Maquina tuneladora AVN-T ........................................................................................... 126 Figura 50Maquina tuneladora AVN-D............................................................................................ 127 Figura 51 Maquina tuneladora EPB ................................................................................................ 128 Figura 52 Maquina tuneladora de Escudo abierto ........................................................................... 128 Figura 53 Análisis de estructura de costos para el sistema de entibado en el proyecto en estudio. 129 Figura 54 Análisis de la estructura de costos para el suministro e instalación de tubería de 92”(2300mm) en el proyecto estudiado .......................................................................................... 130 Figura 55 Análisis de estructura de costos para el relleno en material seleccionado de excavación en el proyecto en estudio ................................................................................................................. 131 Figura 56 Porcentajes de incidencia para el relleno en triturado en el proyecto en estudio ........... 131 Figura 57 Análisis de estructura de costos pasa sistema pipe jacking, D=2300mm y L=65 m. ..... 133 Figura 58 Análisis de estructura de costos pasa sistema Pipe Jacking, D=2450mm y L=1000 m. . 134 Figura 59 Análisis de estructura de costos pasa sistema Pipe Jacking, D=900mm y L=274 m. ..... 135 Figura 60 Análisis de estructura de costos pasa sistema Pipe Jacking, D=2450mm y L=76.28 m. 136 Figura 61 Análisis de estructura de costos pasa sistema Pipe Jacking, D=1300mm y L=343 m. ... 137 Figura 62 Análisis de costo por metro lineal de instalación en método pipe jacking en función de la longitud total trazado....................................................................................................................... 138 Figura 63 Análisis de costo por metro lineal de instalación en función del diámetro a instalar ..... 139 Figura 64 Análisis de la estructura de costo del APU de excavación a máquina ........................... 143 Figura 65 Análisis de la estructura de costos del APU de instalación de tubería 92” ................... 144 Figura 66 Estructura de costos para diferentes tipos de relleno en proyecto con zanja .................. 148 Figura 67 Configuración para cálculo de costos totales en proyectos de zanja abierta (Yeun & Sunil, 2004) ............................................................................................................................................... 158 Figura 68 Análisis de la contribución por categoría de los por perjuicios colaterales mínimos y máximos por metro lineal de instalación de tubería. ....................................................................... 160 Figura 69 Análisis estructura de costos totales (costos de construcción + proyección de perjuicios colaterales) para el proyecto a zanja abierta estudiado ................................................................... 161 8 Figura 70 Costos de construcción y de perjuicios colaterales proyectados con metodología pipe jacking/microtunelado para el proyecto a zanja abierta estudiado. ................................................. 163 Figura 71 Costos totales del proyecto estudiado: zanja abierta vs pipe jacking/microtunelado ..... 165 9 2. Índice de Tablas Tabla 1: Ubicación de proyectos encontrados en el proceso de investigación con tecnología sin zanja (Trenchless) alrededor del mundo 22 Tabla 2 Principales obras en Bogota con tecnología Trenchless,(Bessac-Andina, 2014) 24 Tabla 3 Principales compañías que importan maquinaria trenchless en Colombia cortesía de Tecmeco. (Tecmeco, 2014) 26 Tabla 4 Proyecciones de población total por Departamento en Colombia, (Dane, 2005) pg. 50 28 Tabla 5 Indicadores demográficos de aumento poblacional en la ciudad de Bogotá al año 2020, (Dane, 2005) pg. 88 29 Tabla 6 Anchos de zanjas según el diámetro de la tubería a instalar en redes de Alcantarillado y Acueducto. (Epm, 2014) 35 Tabla 7 Ancho de zanja mínimo en relación a la profundidad de zanja, pg. 7, (Revinca, 2002) 36 Tabla 8 Profundidad de cimentación entre pozos,(Uribe s., n.d.) 90 Tabla 9 Profundidades de los 8 sondeos realizados al suelo del proyecto,(Uribe s., n.d.) 91 Tabla 10 Espesores superficiales con presencia de arcillas con raíces, (Uribe s., n.d.) 98 Tabla 11 Profundidades a las que se encontraron los niveles freáticos, aguas libres. 99 Tabla 12 Resultados de estudios de carga viva y muerta para determinar tipo de cimentación de apoyo. 101 Tabla 13 Potencial de expansión, (Uribe s., n.d.) 102 Tabla 14 Presupuesto final para construcción colector ciudadela Maiporé, realizado por Structural Forms 2012 108 Tabla 15 Longitud máxima de instalación para maquinaria HDD, (PINTER, 2013) pg 3. 112 Tabla 16 Diámetros para instalación para metodología de perforación horizontal dirigida HDD.(PINTER, 2013) pg 3. 114 Tabla 17 Profundidades para instalación para metodología de perforación horizontal dirigida HDD. (PINTER, 2013) pg 3. 116 Tabla 18 Análisis de costo por metro lineal, diámetro de tubería y longitud para los proyectos investigados con tecnología sin zanja. 137 Tabla 19 Comparación de costos en suministro de tubería con y sin zanja 140 Tabla 20 Costo total por metro lineal de excavación e instalación de tubería en el proyecto en estudio a zanja abierta 142 Tabla 21 Comparación de costos por excavación e instalación de tubería con y sin zanja 144 Tabla 22 Comparación de costo para pozos de ataque y finalización 145 Tabla 23 Comparación de costos de instalación de sistema de entibado por m2 146 Tabla 24 APU Sistema de entibado proyecto con zanja en estudio, realizado por Structural Forms año 2012. 147 Tabla 25 Comparación de costos directo por tipos de relleno 147 Tabla 26 Analisis y sumatoria de duraciones totales por actividad en proyecto en estudio con zanja abierta. 150 Tabla 27 Proyección de duración de las principales actividades para la instalación de nueva tubería con el método Pipe Jacking para la construcción del colector Pluvial en la Ciudadela Maipore,(Bessac-Andina, 2014) 151 10 Tabla 28 Comparación de la duración total del proyecto en estudio con y sin zanja 151 Tabla 29 Avance diario promedio para la metodología pipe jacking/microtunelado, entrevista con Ingeniero Jhon Díaz (Anexo 14) 152 Tabla 30 Duración total estimada con metodología pipe jackin/microtunelado para proyecto elegido a zanja abierta según en base a anexo 9 y 14 152 Tabla 31 Valores máximos y mínimos de los costos sociales y ambientales por pie de tubería instalada y por día de trabajo.(Apeldoorn, 2010) 159 Tabla 32 Proyección basada en las estadísticas internacionales de los perjuicios colaterales para el proyecto con zanja estudiado 159 Tabla 33 Costo total del proyecto con zanja estudiado (Costos de construcción + perjuicios colaterales proyectados) 161 Tabla 34 Costos por perjuicios colaterales (sociales y ambientales) para diferentes metodologías sin zanja (trenchless) (Boschert, 2011) 162 Tabla 35 Cálculo del costos por perjuicios colaterales para la proyección de la obra seleccionada a zanja abierta con metodología pipe jacking/microtunelado. 162 11 3. Introducción El presente trabajo muestra gran parte de la información referente a la tecnología sin zanja que se define como la técnica a utilizar en la instalación, reemplazo y renovación de tubería con excavación mínima del terreno(Yeun & Sunil, 2004). Estas tecnologías protegen el medio ambiente, son menos contaminantes, utilizan los recursos de forma más sostenible y tratan los residuos de forma más aceptable que las tecnologías que han venido a sustituir los métodos convencionales con zanja (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). En cuanto a sus usos y aplicaciones para la instalación de tuberías, se podrán ver los diferentes métodos existentes que se encuentran actualmente en el mercado colombiano y mundial. Mostrando esta tecnología como una mejor opción para la ejecución de obras de instalación de servicios públicos y alcantarillado. Para el desarrollo del presente trabajo de grado se acudió a diferentes empresas del sector público y privado, principalmente en la ciudad de Bogotá que tienen gran conocimiento sobre dicha tecnología y la usan en la actualidad. Esto con el fin de recopilar la mayor cantidad de información verídica, confiable y vigente de esta; así como también lograr tener acceso de manera personalizada al interior de proyectos sin zanja con el objetivo de tener una perspectiva completa del verdadero impacto que causa la presencia de este tipo de proyectos en la ciudad. Mediante este documento se pretende incentivar el aumento de la utilización de las tecnologías sin zanja, en este caso, aquellas que sirvan para la instalación de nuevas redes subterráneas (entubados, encamisados, empuje de tubos, perforación dirigida, microtuneles, 12 hinca de tubos, entre otros.). Igualmente, investigar como es el diseño de estas nuevas instalaciones y la ingeniería necesaria para su ejecución. Finalmente se pretende realizar un aporte académico significativo en el área de conocimiento de la tecnología y de costos, realizando una comparación detallada entre la instalación de tubería convencional (a zanja abierta) y la instalación de tubería sin zanja (trenchless). Con el objetivo de evaluar el potencial de utilización en los proyectos de instalación de servicios públicos y alcantarillado en la ciudad de Bogotá. 4. Planteamiento del problema y justificación Las tecnologías sin zanja están definidas como una familia de métodos, materiales y equipos utilizados para la instalación de infraestructura subterránea nueva, reparación de la existente y remplazo de aquellas que por sus condiciones estructurales han llegado a su límite de servicio (PINZÓN ABAUNZA, 2011). La utilización de esta tecnología sin zanja se puede considerar una práctica relativamente nueva, se inició en los países desarrollados como Rusia, Estados Unidos, España, Inglaterra y Japón, entre otros (PINZÓN ABAUNZA, 2011). Sus orígenes se debieron a la necesidad de disminuir o desaparecer la paralización de zonas en distintos puntos urbanos, pues la instalación de tuberías o reparación de estas implica un rompimiento de pavimento, detención de servicios públicos básicos, zonas de peligro para peatones, problemas de tráfico y problemas de salud, entre otros (Noor & Miranda, 2000), adicional a lo anterior la técnica de instalación de tubería sin zanja ahora se encuentra entre los métodos de construcción preferidos, ofreciendo beneficios económicos a propietarios y al público sobre las prácticas convencionales (Kramer,1998). 13 Por otro lado, de la tecnología sin zanja se desprenden dos ramas: la primera, que concierne a la instalación de tubería nueva y la segunda, enfocada a la rehabilitación de estas (Halloran & Slattery, 1999). La tarea de instalación y reparación de tuberías está ligada a los costos directos e indirectos para la realización de estos trabajos, además de los costos sociales, por lo que es fundamental la utilización de esta nueva tecnología donde se busca reducir al máximo las molestias a la población y los costos de construcción (Clark & Browning, 1992). En los países en desarrollo como Guatemala, Colombia, Ecuador, entre otros, se siguen implementando los procesos tradicionales a zanja abierta, métodos que generan daños de tipo social y ambiental que requieren de una mayor inversión de tiempo de ejecución y recursos(Viana Vidal, 2004). En nuestro país, hay aproximadamente 43 millones de habitantes, de los cuales el 80% se encuentra ubicado en zonas urbanas (Dane, 2005); la población va en aumento y esto ha generado una mayor demanda de servicios públicos, por lo que es necesario la realización de este tipo de obras, donde las tecnologías sin zanja se convierten en una opción particularmente atractiva de construcción en zonas urbanizadas. Existe una institución multidisciplinaria en Colombia creada en los años 2009-2010, con intereses profesionales en aspectos ambientales y de servicios, competentes en temas de tecnologías “trenchless” y de infraestructura subterránea. Esta organización llamada ICTIS, (Instituto Colombiano de Tecnologías de Infraestructura subterránea), tiene información que ayuda a la identificación y aplicación de estas tecnologías, sin embargo esta organización no cuenta con datos cuantificables o documentos que expongan los beneficios de este sistema, esta podría ser una de las causas que limita a las empresas C o l o m b i a n a s p r e s t a d o r a s de servicios, y a q u e , a l n o ver los beneficios y la 14 conveniencia al implantar estos procedimientos para la población de la ciudad, siguen utilizando los métodos convencionales de instalación de tuberías. Todos estos antecedentes le proporcionaran al trabajo de grado una gran importancia, ya que brindaría una considerable fuente de información para el análisis de este tipo de problemas en el sector de la ingeniería civil. El presente trabajo se guia por los siguientes objetivos: Objetivo General Establecer el potencial de utilización del método de instalación de tubería sin zanja (trenchless) en un proyecto de la ciudad de Bogotá. Objetivos Especificos Identificar que métodos sin zanja son los apropiados para su utilización en el proyecto elegido. Establecer la viabilidad de tres métodos de instalación de tubería sin zanja alternativos, en comparación al método convencional para instalación de tuberías con zanja. Establecer una comparación detallada entre el método convencional para instalación de tuberías con respecto al método de instalación de tubería sin zanja elegido. 15 5. Antecedentes 5.1 Desarrollo e historia de la tecnología Aunque se puede considerar que es un término relativamente nuevo, el desarrollo de la tecnología sin zanja se puede decir que tuvo sus inicios en los años 60 en Japón, como resultado de una decisión del gobierno de incrementar la proporción de población urbana provista con los servicios básicos. Así mismo en Europa occidental y norte América no es difícil encontrar datos sobre el inicio de instalación de tuberías sin zanja que datan sus inicios para esta misma época (Viana Vidal, 2004). En el año de 1963 el ministerio japonés resolvió, por medio de una serie de programas de 5 años, generar un aumento en la proporción de la población con servicios en un 46% para el año de 1990. La ciudad de Osaka es referida constantemente como la ciudad en la que nace el micro-túnel, con sus estrechas calles y densamente congestionadas de la conurbación se generaron severas restricciones a la excavación de la superficie. Las zanjas comúnmente tienen que ser cubiertas en las horas del día y descubiertas en las horas de la noche para trabajar en la ciudad; por lo tanto los constructores no tenían derecho de abrir las calles (Zanja) y entonces los métodos a zanja abierta no solo se convirtieron en prohibidos sino imposibles (Pinzón Abaunza, 2010). Bajo estas circunstancias y con un mercado que estaba garantizado para los proyectos con zanja, se empezaron a dar varios incentivos para el desarrollo de nuevos métodos de construcción. Gracias a esto y con la ayuda del gobierno japonés, los usuarios, manufacturas, contratistas y universidades crearon una nueva miniindustria, la cual estaba basada en el pipe-jacking (Lobo, 1997). 16 Los nuevos proyectos fueron diseñados específicamente con una visión de palanquear tubos desde pozos maestros en posiciones que luego funcionan como boca de alcantarilla. Todas las operaciones eran realizadas por medio de control remoto sin personas trabajando en la trayectoria. Estas son características de lo que hoy se conoce como las tecnologías sin zanja (Pinzón Abaunza, 2010). En 1980 el ministerio de desarrollo y tecnología de Alemania occidental patrocino un proyecto de micro-túnel en Hamburgo, el cual fue propuesto por un equipo Japonés – Alemán. A mediados de los años 80 la metodología de micro-túnel era ampliamente utilizada para la instalación de tubería, particularmente en las ciudades de Tokio y Osaka donde las condiciones del suelo eran favorables. En el año 1985 en Europa solo existían 15 micro-tuneladoras, todas ellas en la llanura de Alemania del norte, donde el estrato uniforme de arcilla favorece la técnica (Pinzón Abaunza, 2010). Estas máquinas nuevas en su época, eran todas usadas con brocas de berbiquí para remover la tubería dañada a través de la nueva línea de tubería instalada, el uso de micro-túneles ha sido utilizado para la instalación de servicios en países como Singapur, Australia, Hong-Kong y Medio Oriente, pues se tenía la necesidad de reemplazar tuberías de asbesto-cemento que estaban generando severos problemas de corrosión por el sulfuro de hidrógeno (Pinzón Abaunza, 2010). Es pertinente decir que el progreso en el porcentaje de utilización ha sido dramático, pero aun así existe una larga ruta por recorrer para que su utilización sea completa, esto en términos de proyectos de infraestructura subterránea. En los años noventa con el aumento en la población y el desarrollo de la industria turística, no era políticamente aceptable la interrupción del tráfico en la superficie. El ímpetu por desarrollar los métodos sin zanjas en norte América fue diferente a los impulsos en Japón. 17 El crecimiento de las industrias de petróleo, el gas y sus necesidades de largas líneas de tubería cruzando territorios ambientalmente sensibles, estimularon el uso de la perforación direccional. La necesidad inicial entonces fue la de hacer proyectos piloto como superar ríos, carreteras y vías de tren. Con una evidente reducción en el impacto al medio ambiente y la reducción de tiempos de construcción a los acostumbrados (Viana Vidal, 2004). Las generaciones venideras o inclusive la actual, reconocerán a las tecnologías sin zanja como uno de los desarrollos más significativos dentro de la industria de la construcción así mismo, con el paso del tiempo las zanjas se hicieron aún más profundas y sofisticadas, con longitudes mayores teniendo en cuenta los servicios requeridos a ser instalados bajo tierra, cambiando de esta forma la idea que se tenía inicialmente de las zanjas, pues se veían como un beneficio para la colocación de servicios en caminos sin pavimentar, pero después esta empezó a ser tomada como la principal causa de la destrucción de la superficie en caminos con tráfico moderado o alto (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). La tecnología sin zanja es una gran herramienta, pero no debería dejarse solo a este nivel, pues al obtener el máximo rendimiento de estas tecnologías se observará un cambio radical para el cliente, diseñador, constructor, y para los habitantes en general de los sectores donde son usados estos métodos, quienes dejarían de sufrir las graves molestias asociadas a los trabajos con zanja abierta en las vías (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). 18 5.2 Antecedentes a nivel mundial 5.2.1 Asociación Internacional de Tecnología Sin Zanja En el año de 1985 empieza a tomar fuerza a nivel internacional esta mini industria y así mismo las frases “tecnología sin zanja” y “sin excavar” son cada vez más utilizados. Ese mismo año tuvo lugar una conferencia en Londres llamada “sin excavar 85”, la cual era patrocinada por la institución de ingenieros en salud pública, en donde surgió la idea y la necesidad de crear una organización que promoviera este tipo de tecnología, como una industria emergente con implicaciones mundiales (Viana Vidal, 2004). Luego de dicha conferencia se reconoce que es necesario comprometerse a realizar los trabajos de instalación de servicios básicos con un mínimo de excavación superficial, creando conciencia por el ambiente urbano. A pesar de esto, el progreso se ve detenido debido a la falta de conocimiento en el momento, la falta de registros probados y la constante resistencia al cambio (Viana Vidal, 2004). Estas necesidades fueron respondidas, en cierta medida con la formación de la Sociedad Internacional para Tecnología sin zanjas (ISTT) por sus siglas en inglés, la cual fue fundada como una compañía ilimitada en septiembre de 1986 (Viana Vidal, 2004). La ISTT incentivó la formación de institutos o sociedades con los mismos objetivos, en diferentes países o regiones del mundo, pero siempre afiliándose a la Asociación Internacional esto genero la creación de las primeras sociedades luego de la ISTT en Japón, Holanda y Suecia, para el año de 1989. Un año después de esto se formaron sociedades tanto en Alemania como en Francia y en Norte América (USA y Canadá unidas). 19 Actualmente hay afiliadas a la ISTT, 29 sociedades nacionales de tecnología sin zanja, repartidas por más de 30 países en los cinco continentes, más de 4000 técnicos expertos en tecnologías sin zanja conectados internacionalmente (Choi, Ariaratnam, & Boi, n.d.). Vale notar que Colombia es uno de los países asociados a la ISTT, privilegiados de ser una de las dos únicas sedes en todo Suramérica, además de Brasil. El ICTIS, sede de la ISTT en Colombia, brindara toda la información posible y un respaldo completo al desarrollo de este trabajo de grado. Figura 1: Países afiliados al ISTT a nivel mundial Figura 1: Tomada de la página oficial del ISTT, sección sociedades afiliadas La labor de la asociación consiste básicamente en promover e informar la utilización de las tecnologías sin zanja, con la colaboración de otras organizaciones públicas o privadas para el apoyo mutuo y de esta manera cambiar el conocimiento y las experiencias en pro del 20 bienestar de los ciudadanos y del medio ambiente (Asociación Ibérica de Tecnologías Sin Zanja, 2013). Es pertinente ya que una nueva tecnología requiere ser informada y se evidencia como la asociación cumple con su labor al informar adecuadamente sobre esta a nivel mundial, por otro lado también es relevante mencionar que proporcionar la información adecuada genera el conocimiento preciso para el manejo de esta tecnología, lo que llevaría a un desarrollo sostenible favorable para cada país donde está presente la asociación. De esta manera y con el paso del tiempo, el aumento en el número de afiliados, la frecuencia y popularidad de las conferencias de la ISTT, la lleva a mantener un alto estándar. Por otro lado en el mes de octubre del presente año, se llevó a cabo el congreso anual de tecnologías sin zanja No-Dig, la Exposición No 32, la cual se realizó en Madrid España, contando con el apoyo de la Asociación Ibérica de Tecnología sin Zanja (IBSTT) como anfitriona. 5.2.2 Principales aplicaciones A nivel mundial se han realizado obras de gran importancia, dentro de las cuales se destacan la creación de grandes proyectos de infraestructura subterránea. La ubicación de algunos proyectos sin zanja encontrados durante la investigación del presente trabajo se pueden apreciar en la tabla No 1: PAÍS Londres Alemania LUGAR Bajo Río Támesis FFCC FECHA 1824 1857 Francia Carretera Lyon-Chamberry 18041820 21 España FFCC-Barcelona-Mataró 1848 U.S.A U.S.A U.K U.S.A Canadá Canadá U.S.A Río Mississippi Oakland, California Cardiff, Wales Toledo, Ohio Ajax, Ontario Kitchener, Ontario Alaska 1986 1993 2000 2000 2004 2007 2008 U.S.A Baton Rouge, Louisiana 2009 Colombia Bogotá 2012 Tabla 1: Ubicación de proyectos encontrados en el proceso de investigación con tecnología sin zanja (Trenchless) alrededor del mundo Las tecnologías sin zanja promueven un desarrollo sostenible para las ciudades, la aplicación de estas se enfoca principalmente en la instalación y reparación de redes de tuberías, estas han jugado un papel vital en el desarrollo de la economía mundial y el mantenimiento de la salud pública. Estas redes, particularmente aquellas que habitan debajo de nuestras ciudades, tienen más de 100 años y son tributo a las capacidades ingenieriles de nuestros antepasados, ya que en gran parte estas han continuado cumpliendo su labor (Manual de Tecnologías sin Zanja, 2013). De esta forma el deterioro que empiezan a mostrar, claramente por el paso de los años, crea la necesidad de la construcción de nuevas redes, sin embargo, pensar en el costo y molestias sociales que puede generar el realizar estos trabajos con métodos convencionales sería desastroso. Se necesita entonces un enfoque alternativo para este tipo de problemática, de aquí el nacimiento de las tecnologías sin zanja para la construcción, rehabilitación y reparación de redes de tuberías. Teniendo en cuenta lo anterior la tecnología sin zanja es aplicable a redes de suministro de agua, aguas residuales, redes de desagüe y alcantarillado, redes de gas, redes de 22 telecomunicaciones, redes de distribución industrial y redes de potencia eléctrica (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). 5.2.3 Desarrollo e Historia en Colombia Los primeros antecedentes sobre este tipo de tecnología en nuestro país datan de los años 80, gracias a la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá con un megaproyecto llamado Bogotá IV, este proyecto se desarrolló sobre el sector de la calle 116 con carrera séptima, basándose en las metodologías previamente estudiadas en la construcción sin zanja, llegando a instalar redes de tubería con diámetros superiores a un metro y longitudes lineales entre los 30 y 50 metros (Lobo, 1997). Para principios de la década del 90 y debido al interés de algunas empresas petroleras como Ecopetrol, quienes trabajan en el transporte de hidrocarburos, se activan en mayor cantidad la aplicación de las tecnologías sin zanja para instalación de tuberías en obras como los cruces de oleoductos bajo diferentes ríos como el Magdalena, Cauca, Saldaña, entre otros, presentando grandes ventajas, tanto en condiciones ambientales, sociales y económicas en comparación con los métodos tradicionales. Primordialmente porque con estos métodos no había necesidad de desviar el río para realizar las excavaciones, logrando así márgenes de seguridad más adecuados contra los posibles movimientos de tierra en las laderas de los ríos, evitando problemas por socavación debido a que la tubería se puede instalar a grandes profundidades (Lobo, 1997). Con el crecimiento en la instalación de tuberías de gas natural, se empezó a trabajar con la técnica de perforación horizontal neumática y dirigida, principalmente con maquinaría importada de Estados Unidos entre los años de 1993 y 1995 (Lobo G, 1997). 23 En la tabla No. 2 se muestra algunas de las obras desarrolladas en la ciudad de Bogotá con tecnologías sin zanja (trenchless), suministrada por la empresa Bessac-Andina: UBICACIÓN Bogotá Interceptor Río Tunjuelo Bajo Pipe Jackingsistema hidráulico de retiro de escombros jul-09 1600 592 Bogotá Interceptor Río Tunjuelo Bajo Pipe Jacking-EPB- sep-09 600 1616 Bogotá Ampliación Autopista Norte, Colector Aguas Lluvias Pipe Jacking-EPB con tornillo y vagón de retiro de escombros nov-09 1600 846 Bogotá Troncal Transmilenio Calle 26, Colector Expreso sur de aguas lluvias Pipe Jacking-EPB- abr-10 1600 871 1200 946 600 491 600 528.4 600 126 600 27 1400 82 1200 y 600 98 Bogotá Cali Bogotá Bogotá Chía Bogotá Cali METODOLOGÍA FECHA DIÁMETRO LONGITUD (mm) (m) CIUDAD Pipe Jackingsistema hidráulico Alcantarillado Calle 187 ago-10 de retiro de escombros Pipe JackingTroncal Agua blanca, sistema hidráulico sep-10 Colector drenaje de retiro de escombros Pipe Jackingsistema hidráulico Interceptor Canal Río Fucha feb-11 de retiro de escombros Pipe JackingAvenida Calle 26, manijas de Sistema jul-11 Aguas Lluvias desplazamiento de suelos Cruce vial: Chía- San Máquina de Ignacio, tubería perforación con oct-11 Alcantarillado tornillo Pipe Jackingsistema hidráulico Interceptor Canoas ene-12 de retiro de escombros Pipe JackingCruce intersección Cra 39 sistema hidráulico En Calle 25 de retiro de Ejecución escombros Tabla 2 Principales obras en Bogota con tecnología Trenchless,(Bessac-Andina, 2014) 24 En los últimos años el uso de la tecnología ha aumentado significativamente, gracias a varias empresas nacionales que fomentan y muestran los distintos beneficios de tipo económico, social y ambiental que brinda la utilización de está, en pro del desarrollo de la ingeniería en Colombia. Un ejemplo de estas compañías es la empresa Tecmeco, la cual colabora para el desarrollo de este trabajo de grado, y está dedicada a brindar soluciones en el sector de la construcción, en las áreas de instalación, reparación y rehabilitación de tuberías, pues es una de las principales compañías distribuidoras de maquinaria sin zanja (trenchless) en el país, incursionando en este mercado aproximadamente hace 8 años (Tecmeco, 2014), dicha empresa proporcionó una base de datos con las principales compañías que importan productos trenchless en las diferentes regiones y capitales del país (Tecmeco, 2014), estas se pueden observar en la tabla No. 3. Nombre o Razón social Ciudad (municipio) Departamento (estado) DRUMMOND LTD CIENAGA MAGDALENA INGEOMEGA S.A MEDELLIN ANTIOQUIA MINKA CONSTRUCCIONES LTDA CIENAGA MAGDALENA NEUMATICA DEL CARIBE S.A. BARRANQUILLA ATLANTICO SILAR S.A. BOGOTA BOGOTA D. C. CABALLERO ACEVEDO SAS CARTAGENA BOLIVAR TRIPLE A S,A E.S.P BARRANQUILLA ATLANTICO CONSTRUCTORA NIRVANA LTDA BARRANQUILLA ATLANTICO COMERCIALIZADORA S Y E Y CIA S.A ITAGÜI ANTIOQUIA L.T. GEOPERFORACIONES Y MINERIA LTDA BOGOTA BOGOTA D. C. CONCALI COLOMBIA SAS CALI VALLE DEL CAUCA AINPRO SA BOGOTA BOGOTA D. C. TECNO-KIMA LTDA ARMENIA QUINDIO SIERRA PEREZ & CIA S EN C BARRANQUILLA ATLANTICO R&T SA BARRANQUILLA ATLANTICO MCC INGENIERIA SAS BARRANQUILLA ATLANTICO CIVILCOM BARRANQUILLA ATLANTICO 25 VALVULAS Y COMPLEMENTOS LTDA CALI VALLE DEL CAUCA NC CONSTRUCCIONES & CIA LTDA CALI VALLE DEL CAUCA SERCONTEC LTDA SOLUCIONES INTEGRALES DE MANTENIMIENTO LTDA CARTAGENA BOLIVAR CARTAGENA BOLIVAR PERFOTEC SAS MEDELLIN ANTIOQUIA CONDUGAS S.A MEDELLIN ANTIOQUIA MACO INGENIERIA S.A. VILLAVICENCIO META CMIJ INGENIEROS LTDA BOGOTA BOGOTA D. C. CIA DE INGENIEROS CONSTRUCTORES SAS BOGOTA BOGOTA D. C. TRELTEC INGENIERIA LIMITADA BOGOTA BOGOTA D. C. CONSTRUCCIONES RO&MA BOGOTA BOGOTA D. C. MONTIN PETROL S.A. BOGOTA BOGOTA D. C. MONTECZ S.A. BOGOTA BOGOTA D. C. COLPOZOS SAS CALI VALLE DEL CAUCA CONSTRUCTORA PRECOMPRIMIDOS SA ITAGÜI ANTIOQUIA REDYCO S.A.S MEDELLIN ANTIOQUIA INGENIERIA CONSTRUCCIONES Y SERVICIOS LTDA BOGOTA BOGOTA D. C. CONSTRUCCIONES Y DESARROLLO URBANO LTDA BARRANQUILLA ATLANTICO EQUIPOS Y HERRAMIENTAS INDUSTRIALES S A S CALI VALLE DEL CAUCA PERFORACIONES E INGENIERIA LTDA BOGOTA BOGOTA D. C. RESTITUBO SAS INGENIERIA DE PERFORACIONES HORIZONTALES LTDA BOGOTA BOGOTA D. C. BOGOTA BOGOTA D. C. PERFOTECNICA SAS BOGOTA BOGOTA D. C. UT CONDUGAS – KIMA MEDELLIN ANTIOQUIA D&O INGENIERIA PERFORACION HORIZONTAL IBAGUE TOLIMA INGENIERIA REDES Y TUNELES SAS BOGOTA BOGOTA D. C. MONTAJES CARMONA S.A.S MEDELLIN ANTIOQUIA UNION TEMPORAL S&E – KIMA MEDELLIN ANTIOQUIA UNION TEMPORAL MEJIA ACEVEDO – INGEOMEGA SABANETA ANTIOQUIA UNION TEMPORAL CONDUGAS – SILAR MEDELLIN ANTIOQUIA Tabla 3 Principales compañías que importan maquinaria trenchless en Colombia cortesía de Tecmeco. (Tecmeco, 2014) Es importante aclarar que pese a que se ha presentado un aumento en la presencia de las tecnologías sin zanja en el país, aún es demasiado pobre el nivel de utilización en los métodos de instalación y rehabilitación de tuberías, como nos lo dice el gerente general de Bessac-Andina, el Ingeniero Xavier Laloun. “El país aún tiene muchos problemas de 26 contratación en el área de alcantarillado, en su mayor parte por la falta de conocimiento de este tipo de tecnologías. Sin nombrar la alta gama de problemas políticos y sociales que se presentan en el momento de adjudicación de los proyectos en la sociedad colombiana”. (Laloum, n.d.) Además de este tipo de problemas es importante darse cuenta que en Colombia la necesidad de instalación de nuevas obras de alcantarillado y servicios públicos está en aumento, pues como lo muestra el Dane en su documento de crecimiento de la población colombiana al año 2020, “El proceso de urbanización en el país continuara en aumento. El país ha experimentado un acelerado proceso de crecimiento de las cabeceras municipales en los últimos treinta años.”(Dane, 2005-2020) Entonces el aumento poblacional en el país año a año será mayor. 27 Tabla 4 Proyecciones de población total por Departamento en Colombia, (Dane, 2005) pg. 50 Teniendo en cuenta lo anteriormente dicho la ampliación de las ciudades en el país es inevitable, así como también lo es la generación de nuevos proyectos de infraestructura subterránea para la prestación de servicios públicos básicos a estos nuevos lugares. Según 28 los datos del Dane, en la tabla No. 5 se muestra el aumento poblacional al año 2020 en la ciudad de Bogotá (Dane, 2005): Tabla 5 Indicadores demográficos de aumento poblacional en la ciudad de Bogotá al año 2020, (Dane, 2005) pg. 88 La importancia de empezar a ejecutar proyectos con tecnología sin zanja en Bogotá, es evidente al observar los datos suministrados por el Dane, entonces crear proyectos que no generen problemas de tipo social y ambiental en las zonas de ejecución de obras y que a su vez contribuyen al desarrollo urbano en la capital de Colombia sería fundamental. Es de vital importancia hacer enfasis en que muchos de los proyectos encontrados durante la realizacion de este trabajo de grado no solo fueron encontrados en la ciudad de Bogota, si no tambien en el municipio de Soacha, pues este en la actualidad cuenta con grandes proyectos de vivienda y esta sufriendo un aumento en el crecimiento de la poblacion considerable, un estudio realizado en el año 2013 por parte del Dane revelo que en los ultimos 10 años la poblacion del municipio aumento en 140.561 habitantes (Dane, 2012) pg. 3. 29 6 Definición de la tecnología La tecnología sin zanja se define como la técnica a utilizar en la instalación, reemplazo y renovación de tubería con excavación mínima del terreno, su utilización es casi con exclusividad dirigida a los servicios de utilidad subterránea, en una gama de tuberías de distintos diámetros (Yeun & Sunil, 2004). Estas tecnologías protegen el medio ambiente, son menos contaminantes, utilizan los recursos de forma más sostenible y tratan los residuos de forma más aceptable que las tecnologías que han venido a sustituir los métodos convencionales con zanja (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Actualmente el número total de métodos de tecnología sin zanja fácilmente sobrepasa los cuarenta, clasificándose de la siguiente manera según el autor (Viana Vidal, 2004): Métodos para realizar una nueva instalación de tubería en un alineamiento, donde anteriormente no existe tubería de antemano. Métodos para realizar el reemplazo de una tubería ya existente, con el mismo alineamiento. Métodos de renovación para mejorar el correcto funcionar de la tubería. Sin embargo no todo el rango de tecnologías sin zanja es utilizado en cada uno de los servicios (agua, alcantarillado, gas y cableado), en la mayoría de los casos de redes de electricidad y telecomunicaciones, solo se aplican los métodos para una nueva instalación, pues los métodos de reparación y renovación no aplican para estos trabajos. 30 Es importante decir que este documento trabajará exclusivamente con los métodos sin zanja (trenchless) para realizar una nueva instalación de tubería, es decir aquellos proyectos donde anteriormente no exista una tubería de antemano. 6.1 Instalación de nueva tubería Hablar de una obra nueva incluye todos los procesos empleados para instalar una tubería a lo largo de un nuevo trazado, ya sea como sustitución de una línea existente o como una nueva instalación, en la actualidad existen dos tipos de procesos para realizar este tipo de trabajos según el documento (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013) son: Metodos de zanja abierta a. Métodos convencionales de zanja abierta Metodos sin zanja a. Tubo hincado ( pipe jacking ) y microtunelado b. Topo de percusión e hinca por percusión c. Perforación con tornillos sinfín (auger boring) d. Perforación horizontal dirigida (HDD) e. Tunelado convencional 6.1.1 Métodos Convencionales de Zanja abierta En cualquier tipo de instalación subterránea, la calidad de la instalación es uno de los factores más importantes en el comportamiento a largo plazo de los ductos utilizados (Krah, 2008). A continuación describiremos los requerimientos y procedimientos necesarios para la correcta instalación de nueva tubería con zanja a cielo abierto. 31 Las excavaciones podrán ejecutarse por métodos manuales o mecánicos de acuerdo con las normas establecidas o las indicaciones de interventoría (Epm, 2014), estas deberán diseñarse y excavarse de manera tal que asegure una instalación cómoda y segura de las tuberías (Krah, 2008). Figura 2 Excavación a zanja abierta, por métodos manuales y mecánicos. Figura 2: Tomada de página informática: Noticias ministerio de ambiente sección construcción sostenible. Antes de iniciar el proceso de excavación el contratista deberá investigar el sitio por donde cruzan las redes existentes de servicios públicos, y en caso que llegara a ser necesario la movilización de alguna de estas redes se deberá solicitar a la entidad correspondiente la ejecución de estos trabajos o la autorización para realizarlos, también es necesario hacer un estudio de las estructuras adyacentes para determinar y evitar posibles riesgos que ofrezca el trabajo a realizar (Epm, 2014). Se verificará que los estándares de seguridad del proyecto sean los correctos en cuanto a lo que se refiere en la disposición de los materiales y señalización de todo el proyecto. En caso de realizar excavaciones en zonas pavimentadas, no deberá mezclarse el afirmado y el pavimento con los demás materiales que se pueden extraer, con el fin de optimizar su futura 32 reutilización. Se deberá dejar una faja mínima de 0.60 m a cada lado de la zanja libre de tierra excavada, escombros, tubos u otros materiales. En caso que la excavación presente algún peligro de derrumbe se deberá colocar algún tipo de entibado que garantice la seguridad del personal y la estabilidad de las estructuras y terrenos adyacentes (Epm, 2014). Es de vital importancia contar con los respectivos estudios de suelos, en donde se indique las características de suelos encontradas en el proyecto. 6.1.1.1 Control de Aguas lluvias de infiltración Durante las excavaciones para la instalación de tuberías, colocación de concretos o morteros, colocación de entresuelos, cimentaciones y en general para todas las actividades en donde se requiere el control de la humedad, se debe disponer de sistemas de drenaje de agua, de tal manera que se pueda desarrollar el proyecto en condiciones adecuadas (Krah, 2008). La disposición de esta tiene que ser de forma segura y apropiada, así mismo debe evitarse que las aguas que corren por las zanjas penetren a las tuberías que se encuentran en proceso de instalación, siempre que no se esté trabajando las tuberías se deben mantener taponadas para evitar la entrada de basuras o agentes contaminantes (Epm, 2014). En caso de encontrar aguas residuales en las zanjas donde se va extender la tubería, es necesario eliminarlos y reemplazar el material de la zona contaminada. 33 Figura 3 Sistemas de drenaje de agua, Motobomba Figura 3: Tomada de página informática: sistemas de drenaje sección motobombas 6.1.1.2 Clasificación de las excavaciones 6.1.1.2.1 Excavaciones de zanjas y apiques Comprende la remoción de material necesaria para la construcción de las redes de servicios, así como también la excavación para la realización de conexiones domiciliarias, cajas de inspección, apiques y nichos. En caso de que los proyectos sean en vías públicas, para poder proceder con la ejecución de la obra se deberá solicitar los debidos permisos de rotura de pavimento y el cierre de las vías correspondientes (Epm, 2014). El ancho de las zanjas según las normas de la Epm en Colombia deben ser de la siguiente manera (Epm, 2014), las paredes de las zanjas se excavaran y mantendrán verticales y equidistantes del eje de instalación de tubería, y los anchos de las zanjas en redes de alcantarillado y acueducto serán los que se indican en la tabla No. 6: 34 Diámetro de la tubería 75-200 mm (3"a 8") 250-300 mm (10"a 12") 375-400 mm (15"a 16") 450 mm (18") 500-525 mm (20"a 21") 600 mm (24") 675 mm (27") 750 mm (30") 825 mm (33") 900 mm (36") Ancho de la zanja(m) 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1000 mm (40") 1,8 Tabla 6 Anchos de zanjas según el diámetro de la tubería a instalar en redes de Alcantarillado y Acueducto. (Epm, 2014) Para diámetros mayores a los que están descritos en la tabla, el ancho de la zanja será igual al diámetro exterior de la tubería más 0,40 m a cada lado, vale aclarar que cuando las excavaciones requieren de entibado, el ancho de la excavación aumentara de acuerdo con el espesor determinado.(Epm, 2014) Así mismo el ancho de la zanja variara con su profundidad y también con el tipo de suelo presente.(Revinca, 2002). Las paredes de la zanja pueden estar a un declive de un angulo de 45 grados, esto no es general, pues depende de las profundidades de cimentación de la instalación y el diámetro de la tubería Figura 4 Diseño común de zanja para la instalación de tubería con método convencional Figura 4: Tomada de procedimientos de instalación de tuberías, pg. 5, (Revinca, 2002) 35 En cuanto a la profundidad de las zanjas, estas estarán determinadas en los planos de construcción y dependerá exclusivamente del estudio de suelos, cuando se emplean equipos mecánicos la excavación se llevara a cabo hasta una cota de 0,20 m por encima de la indicada en los planos, se excavará el resto de forma manual, de manera cuidadosa (Revinca, 2002), buscando la no alteración del suelo de fundación y nivelar el fondo de la excavación para garantizar la distribución de esfuerzos de la tubería a instalar. Si los materiales encontrados a las cotas especificadas de colocación de tuberías no cumplen con las condiciones de instalación, la excavación se llevara cabo hasta encontrar una calidad de suelo óptimo para la colocación de la tubería (Epm, 2014). Tabla 7 Ancho de zanja mínimo en relación a la profundidad de zanja, pg. 7, (Revinca, 2002) Para la excavación de zanjas profundas, que generalmente trabajan con diámetros de tubería entre 250 y 600 mm, es esencial la instalación de un filtro cerca de la base, de esta manera, el agua entrante es removida usando una bomba sumergible, y este se crea para evitar la pérdida de finos y debe elegirse en función de la granulometría del suelo (Krah, 2008). 36 6.1.1.2.2 Excavaciones para fundaciones El primer paso en este tipo de excavación es ejecutar una nivelación y contra nivelación del terreno, para determinar los cortes indicados en los planos de construcción, con el fin de evitar remoldeos no se permite el uso de equipos pesados, sino hasta una cota de 0,30 m por encima de las líneas de excavación, de ahí en adelante la excavación se hará de forma manual, apenas se acabe esta etapa se vaciará un solado con un espesor mínimo de 0,05 m con el objetivo de proteger el suelo de fundación (Epm, 2014). También podemos clasificar las excavaciones según el tipo de material encontrado y según el grado de humedad, primero encontramos excavación según el tipo de material. El material más común es aquel que puede excavarse por métodos manuales o mecánicos utilizando las herramientas comunes para este tipo de labor tales como, excavadoras mecánicas, barras, picas, y palas. De esta forma los materiales comunes son las arcillas, limos, arenas, conglomerado, cascajo y piedras sin tener en cuenta el grado de compactación o de dureza (Epm, 2014). Mientras que se habla de clasificación según el grado de humedad se refiere a dos tipos de excavación: en húmedo y en seco. La primera es aquella excavación que se ejecuta por debajo del nivel freático y necesita de equipo de bombeo para solventar los problemas causados por el agua. Y la segunda es toda aquella que no presente problemas con los niveles freáticos (Epm, 2014). Por ultimo encontramos la clasificación de excavación, según su profundidad, encontramos 3 tipos. Primero excavación hasta 2.00 m de profundidad medidos desde la superficie 37 original, el segundo es la excavación de 2 y 4 m de profundidad y por último excavación a más de 4 m de profundidad (Epm, 2014). Tenemos a continuación las “Recomendaciones prácticas para la instalación subterránea de tuberías”, Según la norma ASTM D 2321: El fondo de la zanja debe estar liso, seco y estabilizado si es necesario. Si se requiere de material para la fundación, este debe ser de un material convenientemente identificado por ASTM D 2321. El material debe nivelarse y compactarse a un mínimo de 85% STANDARD PROCTOR DENSITY. Colocar el material de relleno de zanja debajo de la tubería. Se requiere consolidar alrededor de la superficie de la tubería usando herramientas convenientes. El relleno de la zanja debe colocarse en una primera y segunda capa uniformemente que no exceda de 12 in. Y cada capa debe compactarse a un mínimo de 85% STANDARD PROCTOR DENSITY. Los primeros rellenos de zanjas deben normalmente extenderse a una altura igual a 5% del diámetro de la tubería, si la tubería será puesta bajo el agua, consulte al ingeniero del proyecto para ver si se requiere de material adicional. El relleno de la zanja final, debe ser de material que esté libre de piedras grandes u objetos punzo-penetrantes. Se debe obtener una compactación adecuada antes de cualquier equipo se maneje encima de la tubería. 38 6.1.2 Métodos sin zanja Todos los métodos sin zanja descritos a continuación incluyen el uso de maquinaria para practicar una perforación horizontal entre un punto de entrada y uno de salida, en el que se alojarán los tubos de canalización ya sea tirando de ellos o empujándolos, alojados en el interior de una camisa instalada por la técnica de instalación empleada o bien sin ella (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). De esta manera, a continuación se explicará detalladamente cada una de las metodologías de instalación de tubería sin zanja y las circunstancias en que se debe aplicar cada una de las técnicas y la conveniencia de aplicarla para asegurar cual es la opción más adecuada cuando hay dos o más opciones. 6.1.2.2 Tubo hincado (pipe jacking) y microtunelado La técnica de tubo de hincado (pipe jacking) y la de microtunelado, incluyendo el microtunelado con tubo piloto, todas hacen parte de una misma familia de técnicas para la instalación de tuberías y su rango de aplicación va desde un diámetro de 120 mm en adelante. Un hincador de tubos, se define como un sistema de instalación de tubos tras un escudo, generalmente tripulado por un operario, el empuje es generado de manera hidráulica desde un pozo de ataque de manera que los tubos formen una tubería continua en el terreno. Estos tubos siempre se diseñan con el objetivo de soportar las fuerzas de empuje generadas por los suelos, así como también para ser ensamblados durante el proceso de instalación, en ocasiones, pueden cumplir la función de camisa para la posterior colocación de tuberías de canalización (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). 39 Figura 5 Equipo típico Pipe Jacking o Microtunelado. Figura 5: Tomada de “Evaluación y perspectivas de la utilización de tecnologías sin zanja en redes de alcantarillado de Bogotá”, pg 38, (Pinzón Abaunza, 2010) Por otro lado, las microtuneladoras se consideran operativas desde el mismo momento en que entran en el pozo de ataque, y si se adiciona la presencia del personal altamente calificado y el conocimiento de la maquinaria, de esta forma se asegura la obtención de óptimos resultados evitando posibles errores y problemas durante la perforación (Pinzón Abaunza, 2010). El microtunelado se caracteriza específicamente por tener un escudo dirigido por control remoto para la instalación de un tubo hincado, con un diámetro interior inferior al que permite el acceso de personas (Viana Vidal, 2004), esto no se generaliza para todo el planeta, en algunos lugares, los sistemas son guiados desde el exterior por control remoto, incluso cuando los tubos a instalar son de diámetros que permiten el acceso a personas. Las microtuneladoras habitualmente emplean un sistema de guiado controlado por láser o por un giroscopio con el propósito de mantener la alineación y la cota de tubería (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). 40 En diámetros que permiten el acceso de personas se pueden emplear técnicas topográficas convencionales. Normalmente pipe jacking y microtunelado son utilizados para tuberías troncales o principales (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Al utilizar los sistemas de pipe jacking y microtunelado, generalmente la maquinaría cuenta con bastidores de empuje con gatos hidráulicos (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013), estos están para proporcionar mediante varios cilindros hidráulicos la presión requerida por el escudo según cada caso, las características de este, vienen dadas por el tipo de terreno, longitud de instalado, diámetro y tipo de escudo (Viana Vidal, 2004). Figura 6 Estación principal para instalación de tubería por microtunelado. Figura 6: Tomada de “Manual de tecnología sin zanja”, pg 105, (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013) Cuando se requiere instalar tuberías con diámetros menores y/o longitudes reducidas, se emplea el microtunelado con tubo piloto, es básicamente una combinación entre un sistema de perforación direccional y un sistema de microtunelado tradicional, en el cual se emplea una barra perforadora para practicar una perforación piloto con una determinada alineación y cota, normalmente monitorizada y controlada mediante un teodolito laser apuntando a una mira situada justo tras la cabeza de perforación. Al finalizar la perforación piloto, se 41 practica una perforación concéntrica empleando un tornillo sin fin para aumentar el diámetro de la perforación y al terminar esta operación, el tubo se empuja a su posición final (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). Figura 7 Perforación piloto controlada por teodolito laser Figura 7: Tomada de “Pilot tube microtunneling Project parallels the shore of lake Erie in Toledo Ohio: A case study”, pg 2, (Haslinger, Gill, & Boschert, 2007) 6.1.2.2.1 Aplicaciones Los grandes avances en la tecnología permitieron que estos métodos sean aprovechados para una gran variedad de condiciones de terreno, tales como arenas y gravas saturadas, pasando por acilla y limos blandos, suelos consolidados secos o saturados, hasta roca sólida (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). El pipe jacking, el microtunelado y el microtunelado con tubo piloto son aptos para proyectos en que la tubería debe cumplir especificaciones rígidas en cuanto a alineación y cota (Maldonado, 2012), pues las características de estos permiten una colocación con precisión. Su aplicación más frecuente son las alcantarillas que funcionan por gravedad, en las que son críticas la alineación, la cota y la profundidad (Viana Vidal, 2004), de modo 42 que la rentabilidad de estas técnicas tiende a ser mejor si se compara con excavaciones a zanja abierta (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Este proceso a menudo ejerce considerable fuerza sobre la tubería por lo cual se recomienda emplear un seguimiento riguroso, debido a los altos índices de calidad que se requieren (Maldonado, 2012), y emplear algunos de los siguientes materiales: tubería de concreto reforzado, acero o fibra de vidrio reforzado entre otros (Akkerman Maynard, 2011). Gran parte de los proyectos de microtunelado cuentan con trazados rectos entre pozos, esto en ocasiones puede crear problemas para los contratistas, por esta razón, en los últimos años, varias empresas han desarrollado sistemas de guiado que permiten la construcción de trazados curvos complejos (Viana Vidal, 2004), particularmente aquellos con mayores longitudes y mayores diámetros de perforación, esto para situaciones en que debido a la curvatura del túnel no es posible una visual entre el pozo de ataque y la microtuneladora o el escudo, pueden entonces implementarse como alternativa sistemas giroscópicos de laser móvil (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Como dice la referencia del IBSTT “El uso de trazados curvos con mayor frecuencia, permiten a diseñadores y contratista diseñar trazados que reducen o inclusive eliminan la necesidad de la construcción de pozos intermedios, que por lo general eran necesarios cuando el trazo de la tubería cambiaba de dirección.” Por lo anterior es de vital importancia tener en cuenta algunos factores relevantes para verificar que el método de pipe jacking sea el más adecuado, factores que son mencionados 43 en el documento pipe jacking equipment and methods (Akkerman Maynard, 2011) que serían principalmente los siguientes: Profundidad de la instalación: El proceso de pipe jacking puede instalar tuberías en grandes profundidades, asumiendo que el suelo presenta buenas condiciones de estabilidad. Área de instalación: Si por ejemplo la instalación se realizará cruzando un río contaminado con sólidos, esta puede no ser la mejor opción, pues en este caso debería emplearse una maquina manejada a control remoto. Condiciones del suelo: Este método se adapta correctamente al trabajar en diferentes formaciones de suelos con excepción de suelos presurizados, para estos últimos existen una gran variedad de máquinas capaces de lidiar con los problemas generados, con una única condición, la cual es que los diámetros sean mayores a seis pies. 6.1.2.2.2 Excavación y evacuación de detritus en hinca de tubos (pipe jacking) Existen diferentes técnicas para la excavación en los procesos de hinca de tubos. El paso inicial, cuando se va a emplear un equipo de hinca de tubos (pipe jacking), microtunelado o microtunelado con tubo piloto, es la excavación de un pozo de ataque, el diseño de dicho pozo depende de la instalación requerida, el tamaño del equipo de gatos hidráulicos y de la longitud de los tubos a instalar. Siempre es necesaria la construcción de un muro de empuje contra el que los gatos hidráulicos puedan operar, garantizando que no se causarán daños 44 y no se presentará desalineado del pozo (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Una vez construido el pozo de ataque y para iniciar la excavación del terreno dentro de los propios tubos, se comienza con la excavación manual básica, en la que un operario utiliza herramientas de tipo manual, eléctricas o neumáticas para retirar la tierra del frente del escudo (Viana Vidal, 2004). En terrenos que presentan mayores dificultades es posible emplear una retroexcavadora equipada con cabeza cortadora o rozadora rotatoria. La evacuación del detritus de excavación se retirará del frente mediante vagonetas que habitualmente posan sobre rieles, para ser remolcadas con un sistema de cable o cuerda continua. Otras opciones válidas son la instalación de una banda transportadora o el uso de un sistema de aspiración para evacuar el detritus (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Figura 8 Vagoneta empleada en evacuación de detritus. Figura 8: Tomada de “Pipe Jacking equipment and methods”, pg. 12, (Akkerman Maynard, 2011). 45 6.1.2.2.3 Excavación y evacuación de residuos en microtunelado Existen dos sistemas de evacuación de residuos asociados con microtunelado cuando los diámetros son menores. En suelos estables en los que la presión de agua exceda los 3 o 4 m, hay la posibilidad de utilizar un sistema de tornillo sin fin para evacuar el producto de excavación. El tornillo evacua el residuo a un sistema de montacargas ubicado bajo el sistema de empuje en el pozo de ataque. Cuando este está completamente lleno, se eleva por medio de un montacargas ubicado en un pórtico, hasta un depósito cercano al pozo de ataque para su posterior vaciado y retornar a su posición inicial (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). Para terrenos que ofrecen más dificultades y presiones de aguas más altas se suele emplear un sistema de lodos recirculados. Este sistema consiste en preparar una suspensión de bentonita, esta se bombeará a la cámara de corte del microtunelado a través de un sistema de tuberías previamente colocado en los tubos hincados. En la cámara de corte los lodos se mezclan con el detritus, y dicha mezcla normalmente pasa por una machacadora incorporada esto para asegurarse de que no penetren en el sistema partículas de granulometría superior a la admitida por el mismo (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). La mezcla de lodo y detritus se bombea a la superficie, donde las partículas del suelo se separan de la suspensión por simple decantación por gravedad, cuando los lodos se encuentran en condiciones óptimas, vuelven en circulación al sistema para alimentar la 46 cabeza de corte (Viana Vidal, 2004). Este sistema tiene una ventaja, pues es continuo, mientras que los métodos de tornillos sin fin, son más cíclicos y requieren interrupciones en la actividad en la cabeza cortadora (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). En suelos duros hay la posibilidad de usar cabezas cortadoras en lugar de los cabezales para terrenos blandos empleados usualmente en las microtuneladoras. Conocidas como SBU, están diseñadas específicamente para terrenos de roca dura (Tecmeco, 2014). Para finalizar un trazado empleando tubo hincado, microtunelado o microtunelado con tornillo sin fin, se hace necesaria la construcción de un pozo de finalización (Boschert, 2006). Las dimensiones de este deben ser tales que permitan que el escudo de hinca o microtunelado o tornillo sin fin, puedan ser recuperados fácilmente. En estos pozos no es necesaria la construcción de muros de empuje de gran espesor, pues estos no están sometidos a grandes esfuerzos (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). 6.1.2.1.4 evacuación de Excavación y detritus en microtunelado con tubo pilote Como se ha mencionado anteriormente, el sistema de microtunelado con tubo pilote, es una combinación entre perforación horizontal dirigida (HDD) y el microtunelado estándar, pues la cabeza cortadora tiene un sistema de guiado, el cual permite dirigir la perforación, he aquí la similitud con el método HDD. Luego de realizarse la perforación piloto, se procede a ampliar el diámetro, por medio de un tornillo sin-fin con una técnica de evacuación de detritus, la cabeza cortadora excava el terreno alrededor de la perforación piloto aumentando el diámetro a medida que es 47 empujado a lo largo de la perforación, mientras que el tornillo sinfín es usado para transportar los detritos hasta la superficie y su respectiva evacuación (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Figura 9 Ampliación del diámetro con tornillo sin fin en instalación con tubo pilote. Figura 9: Tomado de “Pilot tube microtunneling explodes in the U.S using vitirified clay jacking pipe”, pg 3, (Boschert, 2006) Con el avance del tubo en la perforación empleando el bastidor hidráulico, la camisa del tornillo se va extrayendo sección por sección desde el pozo de finalización, y el proceso de instalación llega a su fin (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). 6.1.2.1.6 Características del terreno Un elemento determinante en cualquier proyecto de hinca de tubería o microtunelado es la geología encontrada en el lugar donde se llevará a cabo el proceso de nueva instalación de tubería. Por esto es fundamental la realización de los estudios de suelos a lo largo de todo el trazado donde pasará la tubería, ya que de estos depende la elección del tipo de maquinaría a emplearse (Maldonado, 2012), pues como se ha visto en casos anteriores de 48 fracaso, las causas más comunes son asociadas a características de terrenos no esperadas. Estos fracasos llevan a la necesidad de costosas operaciones de recuperación de maquinaría e inclusive en algunos casos la pérdida total de ella (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). 6.1.2.1.7 Tubos y tuberías Sabemos que este tipo de técnicas requieren de hinca de tubería en el terreno, normalmente empleando grandes fuerzas de hincado, por lo tanto una correcta elección de tubos que tengan la capacidad de soportar los esfuerzos de empuje generados por el suelo en la hinca resulta ser tan importante como la misma elección de maquinaría que las instalará. El mercado mundial actualmente cuenta con una gran variedad de materiales de tubería, claro está que el uso de estas depende de diferentes factores como requisitos del cliente, características del terreno, costos de transporte y longitud de tubería. Estos materiales habitualmente son los siguientes según el IBSTT y Viana Vidal: “Hormigón armado, en masa (centrifugado), hormigón polímero (mezcla de hormigón en una matriz de resinas), tubos de fibra de vidrio con base de resinas, cerámica vitrificada o no vitrificada, acero, fundición dúctil e incluso plástico.” Figura 10 Tubería de concreto para instalación con método sin zanja (microtunelado) Figura 10: Tomada de página informática: Revensub, sección tubos y tuberías. 49 Cabe resaltar que el aspecto más importante en el diseño de tubos para hinca es el ángulo de desvío admisible en las juntas y la geometría en sí de la propia junta, para que de esta manera se asegure la distribución uniforme de esfuerzos de hinca. Buscando que este tipo de configuración se aproveche al máximo es primordial realizar el diseño de los trazados de manera recta en la medida de lo posible ya que si se llegan a presentar desvíos muy grandes habrá riesgo de rotura cuando se esté perforando. Otro aspecto importante es contar con un diseño de tubo con orificios de lubricación que permitan la inyección de fluidos para garantizar una buena lubricación y de esta manera minimizar las pérdidas por fricción (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). 6.1.2.1.8 Pozos Como se ha mencionado anteriormente, los sistemas de instalación de tubería hincada y micro túneles requieren la construcción de un pozo de ataque y uno de salida. Según la IBSTT(Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013) dichos pozos cuentan con diversos requisitos los cuales varían “dependiendo de la máquina que vaya a usarse, las características del terreno, longitud del tubo y material del que está fabricado, longitud del tramo y tipo de instalación. Pueden ser de planta circular, rectangular u oval, de tablestacas, con revestimiento de dovelas, construida en cajón, o incluso sin revestimiento si las características del terreno son suficientemente buenas y la normativa local en materia de seguridad lo permite” (Maldonado, 2012). Estas excavaciones se pueden realizar de forma manual o también empleando excavadoras mecánicas. Cada pozo de ataque debe contar con alguna clase de superficie para soportar los esfuerzos de empuje que ejerce el bastidor hidráulico (Maldonado, 2012), si las condiciones del 50 terreno lo permiten, esta superficie puede ser únicamente el muro trasero del pozo. Este muro tiene como objetivo permitir que el bastidor hidráulico ejerza la máxima fuerza de empuje mientras se mantiene la integridad estructural del pozo y del terreno adyacente (Haslinger et al., 2007). Figura 11 Pozo de ataque para instalación de tubería de 18”. Figura 11: Tomada de “The first major pilot tuve microtunneling Project in the St. Louis metropolitan area”, pg 3, (Sewing, Luth, & Boschert, 2009) 6.1.2.3 Topo de percusión e hincado por percusión (ramming) Las primeras hincas exitosas por percusión se llevaron a cabo en Polonia y en Rusia en los años 60 del siglo XX. Inicialmente estos sistemas eran muy pesados en relación con el tamaño de la perforación lo que ocasionaba problemas como desviaciones del trazado previsto, o inclusive la pérdida de maquinaría en el terreno. Cabe aclarar que desde entonces los topos de percusión han sido mejorados considerablemente a medida que avanzan los estudios y aplicaciones tecnológicas emergentes con el correr de los años, llegando a ser probablemente uno de los sistemas más usados alrededor del mundo en cuanto a tecnología sin zanja se refiere, gracias a la simplicidad de sus herramientas y la poca calificación necesaria para asegurar que los operarios la utilicen de forma correcta y 51 segura (Lobo, 1997). Estas técnicas ofrecen diversas soluciones de colocación especialmente en tramos cortos (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013), el topo de percusión y el ramming emplean básicamente el mismo tipo de equipamiento para instalar nuevos servicios bajo tierra, aunque con técnicas de trabajo diferente, las cuales serán explicadas más adelante. 6.1.2.3.1 Topo de percusión Hoy en día los sistemas trenchless más comunes para la instalación de tubería en distancias cortas son los topos de percusión, también conocidos como piercing tolos (Pinzón Abaunza, 2010), estos han mostrado un desempeño notable en condiciones de suelos blandos y solo requieren de pequeños pozos de ataque y salida (Gardener, 2012). Este método se define como la creación de una perforación a través de una herramienta compuesta por un martillo de percusión dentro de una cubierta de acero cilíndrica, el martillo puede ser hidráulico o neumático y se relaciona a este método con dispositivos no guiados, limitando el movimiento de avance a la acción del martillo interno, esperando que la fuerza sea superior a la resistencia por fricción presentada en el terreno. Durante este proceso el terreno se desplaza más no se excava (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Figura 12 Topo de percusión marca hammerhead Figura 12: Tomada de “hammerhead mole: Perforadoras Neumáticas”, pg3, (Hammerhead, 2014) 52 Cabe mencionar que además de los topos de percusión, existen los topos hidráulicos los cuales a diferencia de los de percusión, funcionan por expansión, según la IBSTT, “estos se usan generalmente para obras de reposición con tubería de canalización o “pipe bursting” más que para obra nueva” por lo que en este trabajo no se entrará en detalle en este sistema. Existen dos tipos de topos de percusión, los hidráulicos y los neumáticos, generalmente mayor utilizados estos últimos, pese a que poseen la desventaja de que en la instalación de tubería se hace necesaria la colocación de aceites lubricantes y esto genera contaminación en el tubo. A diferencia de esto las máquinas hidráulicas necesitan dos mangueras (flujo y retorno) que no generan contaminación en el tubo a instalar, pero si una mayor complejidad mecánica (Hammerhead, 2014). Figura 13 Esquema de perforación con topo de percusión. Figura 13:Tomada de “The piercing process”, pg. 1, (Hammerhead, 2014) El funcionamiento básico del topo de percusión consiste en el movimiento interno del pistón en el cuerpo cilíndrico, en el cual el pistón es empujado hacia adelante impactando la parte delantera de la unidad(Viana Vidal, 2004), (Pinzón Abaunza, 2010) y (Maldonado, 53 2012) de esta manera se transmite energía cinética generando un movimiento frontal mientras que el pistón en su retorno regula el posicionamiento para el siguiente golpe hacia delante (Hammerhead, 2014). A medida que los movimientos del pistón se repiten, la unidad va avanzando en el terreno, el material que está situado delante del topo es forzado a desplazarse hacia los lados y es compactado por la nariz cónica del topo (Viana Vidal, 2004). 6.1.2.3.2 Características del terreno La acción del topo de percusión es solamente posible en suelos que puedan ser comprimidos o desplazados. Por lo tanto obstáculos que se encuentren en su camino pueden desviar o parar el topo, de aquí que sea necesaria la realización de un exhaustivo estudio de suelo para evitar posibles problemas en la instalación de la tubería. Estos deben incluir estudios sobre redes existentes y toma de muestras para asegurar la no presencia de rocas que puedan impedir el paso del topo (Asociación ibérica de tecnologías sin zanja, 2013). Figura 14 Instalación de tubería con topo neumático Hammerhead. Figura 14: Tomada de página informática: Revensub, sección topos neumáticos. 54 6.1.2.3.3 Alineación y lanzamiento Luego de contar con los estudios necesarios del terreno y de establecer el trazado de instalación necesario se debe seguir el siguiente procedimiento para realizar la perforación con el topo de percusión: Excavar pozo de lanzamiento y de recepción en los extremos del trazado. Ubicar soporte de lanzamiento, en caso de ser usado, o si no el topo puede posicionarse sobre el fondo del pozo de lanzamiento. Establecer alineación inicial entre los pozos previamente excavados. Realizar lanzamiento inicial del topo en una distancia corta en la cual se verifica la alineación inicial, esto se debe verificar antes de que el topo penetre completamente el terreno. Si la alineación es correcta se continua con el proceso y la perforación finaliza cuando el topo llega al pozo de recepción, si no lo es se reinicia la perforación. Una vez completado el tubo o camisa ha sido colocado, el topo puede retirarse. (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013) 6.1.2.3.4 Monitorización y seguimiento En la actualidad, la mayoría de los topos pueden equiparse con sondas de radio que permiten monitorear el avance y la dirección respecto a la alineación y la profundidad inicial, estas bien pueden colocarse en la parte trasera o delantera del topo, pero es más común que su ubicación sea en la parte delantera ya que así brinda una información más útil, pues estas reaccionan de forma inmediata a los cambios de dirección o inclinación 55 permitiendo al operario parar en el momento adecuado y corregir el imprevisto (Viana Vidal, 2004), así mismo tienen una desventaja, al ser instalados en la nariz deben ser más robustas y por lo tanto deben contar con una protección mayor ya que deben soportar los impactos de las fuerzas de empuje del topo (acción del martillo). El seguimiento al topo se lleva a cabo desde la superficie del terreno, por medio de un aparato receptor, al cual llega la señal e indica la posición exacta del topo (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013; Gardener, 2012). Figura 15 Sistema de alineación y guiado con topo de percusión Figura 15: Tomada de “hammerhead mole: Perforadoras Neumáticas”, pg3, (Hammerhead, 2014) En caso de presencia de obstáculos durante el proceso de perforación, lo más recomendable es realizar una excavación hasta la unidad, retirar el obstáculo, realinear el topo y seguir con el proceso de perforación (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Es por esto que la tecnología ha ido avanzando y algunos de los topos más modernos cuentan con un sistema reversible el cual responde a la presencia de obstáculos deteniéndose para así evitar posibles daños en el equipo. 56 6.1.2.3.5 Aplicaciones El mayor uso de este tipo de metodología es para perforaciones cortas debido a que no son direccionables, la alineación de la perforación se mantiene con diámetros más grandes y cuerpos de topos más largos, abarca diámetros posibles desde 45 hasta 200 mm (Hammerhead, 2014), es importante mencionar que los topos deben tener como mínimo una longitud entre pozos de 26 metros (Gardener, 2012). Para evitar inconvenientes de expansión en los suelos, existe una regla para obras con topo de percusión la cual establece que por cada 100 mm de diámetro de topo debería contar con al menos 1 metro de profundidad. Algunos ejemplos de instalación de tuberías con topo de percusión en imágenes, Colombia (Tecmeco, 2014). Figura 16 Topos de percusión usados en diversos proyectos en Colombia Figura 16 : Cortesía de Empresa importadora de maquinaria trenchless en Colombia, (Tecmeco, 2014) 57 6.1.2.4 Hincado de tubos por percusión “ramming” Se conoce como “ramming”, y se caracteriza por ser un sistema no direccionable y por la instalación en el terreno de una camisa de acero con frente abierto, el detritus es retirado por este frente mediante un tornillo sin fin, con chorro de agua a presión o con aire comprimido. Figura 17 Camisa de acero con frente abierto, Pipe Ramming. Figura 17: Tomada de “Pipe ramming equipment: trenchless pipe ramming and hdd assist tools and accessories”, pg 1,(Hammerhead, Ditchwitch, & Augers, 2013) 6.1.2.4.1 Aplicaciones Su fuerte es la instalación de nuevas tuberías o camisas que albergaran nuevos servicios. Tiene capacidad de instalar longitudes desde 50 m hasta los 100 m. La camisa anteriormente nombrada es de acero y se utiliza este material por la resistencia a las fuerzas de impacto generadas por el martillo, esta misma camisa puede ser utilizada como parte de una tubería o conducto para el fin final, esta se utiliza frecuentemente para el cruce de vías férreas, carreteras y canales. 58 Figura 18 Esquema de hinca de tubos por pipe ramming Figura 18: Tomada del documento “Trenchless technologies and work practices review for Saskatchewan municipalitie”, pg 29,(PINTER, 2013) Se conocen instalaciones hasta de 3000 mm de diámetro en terrenos con condiciones óptimas, usando martillos de hinca de 800 mm de diámetro que llegan a generar fuerzas de hasta 40500 Nm. Pero como es común en las tecnologías sin zanja esto puede variar pues depende mucho de las condiciones del terreno y de la experiencia del operador de la maquinaria. Donde se utiliza HDD es común que en el proceso se encuentren variaciones del terreno, variaciones que ni siquiera se contemplaban en los estudios geológicos, casos como cambios en niveles freáticos y aparición de nuevos tipos de terreno (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). 6.1.2.3.2 Montaje Un proyecto en el que se utilice la hinca de tubería por el método “ramming”, en primer lugar requiere una base sólida, por lo general se usa una losa de hormigón (ubicada en el pozo de lanzamiento). El paso a seguir es la colocación de unos carriles, estos en dirección al sentido de la perforación, después de esto se procede a la colocar sobre los carriles el primer tramo de tubería el cual se acopla con la maquinaria de hincado. En caso de diferir 59 el diámetro de la tubería a instalar con el ramming se pueden utilizar cuñas para asegurar un acople 100 porciento seguro (Hammerhead et al., 2013). Figura 19 Maquinaria pipe ramming sobre carriles en pozo de lanzamiento. Figura 19: Tomada del documento “Trenchless technologies and work practices review for Saskatchewan municipalitie”, pag 30, (PINTER, 2013) Al completar los anteriores pasos se conecta la electricidad para que se empiece a instalar la tubería. La maquinaria fuerza a la camisa de acero a penetrar el terreno, siempre manteniendo la alineación de los carriles. Una vez el primer tubo de ha hincado, se detiene el martillo, se retira y se procede a soldar el siguiente tramo de tubería in situ. Este ciclo se repite hasta que se alcance el pozo de salida (Hammerhead et al., 2013). Como en todos los métodos de instalación de tubería sin zanja, es primordial un excelente estudio de suelos que garantice un avance limpio y sin contratiempos en el proceso de hinca de tubería. 60 6.1.2.5 Perforación con tornillos sinfín Esta técnica es empleada para la instalación sin compactación de un tubo de camisa en el terreno. La tubería definitiva se suele colocar con posterioridad, esta técnica podría haberse mencionado dentro del capítulo de hinca de tuberías, la gran diferencia y por lo que se le define por separado es la implementación de la camisa como parte integrante de la metodología de construcción. Usualmente es más barato que el microtunelado o la tubería hincada, pero cuenta con ciertas limitaciones respecto al terreno en el cual se va a emplear, particularmente en suelos muy húmedos, por otra parte, la profundidad de trabajo depende del tamaño de la excavación requerida para acceder con la máquina de perforación así como la longitud práctica del tubo a instalar, lo cual habitualmente lleva a grandes dimensiones en el pozo de ataque (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Figura 20 Maquina Auger Boring (Tornillo Sin Fin) Figura 20: Tomada del documento “Trenchless technologies and work practices review for Saskatchewan municipalitie”, pg 32,(PINTER, 2013) 6.1.2.5.1 Aplicaciones “Como el propio nombre de perforación con tornillo sinfín indica, la técnica de excavación consiste en usar una cadena rotatoria de tornillos sinfín con una cabeza cortadora acoplada” (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Esta cabeza cortadora se ubica en la parte frontal de la cadena de tornillos y es operada por la misma; 61 Dentro del tubo camisa se encuentra la cadena de tornillos que ha sido previamente dimensionada de tal forma que su diámetro sea un poco menor al diámetro interior de la camisa, permitiendo así su correcta rotación y con esto permitirle a la cabeza excavar el terreno en la parte delantera. Están diseñados para la instalación de camisas desde 102 hasta 1830 mm y en tramos de longitud hasta de 200 metros (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). Los residuos son evacuados hacia la parte posterior a lo largo del tornillo sinfín hacia el pozo de ataque, cuando ya se encuentra ahí el residuo puede ser retirado de manera manual o mecánica depositándolo en vagonetas para su evacuación a medida que sale de la camisa (Díaz, 2014). Es normalmente empleado en obras que no requieran gran precisión en cuanto a alineación y cota, pues es una técnica no guiada (PINTER, 2013). Aunque los operadores más experimentados son capaces de lograr un alto grado de precisión si las condiciones geotécnicas son adecuadas. Generalmente se emplea este sistema en suelos blandos como arcillas, no obstante ya se han diseñado sistemas que pueden funcionar en roca blanda con el uso de unas cabezas especiales (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). 6.1.2.5.2 Excavación y evacuación de residuos Esta máquina de perforación es normalmente manejada por un solo operario mediante controles de la consola. Dicha máquina se apoya sobre unos carriles en la alineación y cota requeridos para la instalación de la camisa que se va introduciendo por secciones, la primera de esta se dispone enfrente de la máquina con el primer tramo del tornillo sinfín instalado previamente. Una vez se pone en funcionamiento, la cabeza cortadora va 62 excavando el terreno y a su vez el tornillo transporta los residuos hacía el pozo de ataque para ser evacuado de forma manual o mecánica, luego de que la máquina de perforación complete el recorrido se suelta el tramo de camisa ya introducido y se mueve hacia el inicio del recorrido para allí acomodar un nuevo tramo de camisa con un tramo de tornillo en su interior, dicho tramo se conecta al primer tornillo para accionar la cabeza cortadora y se sueldan los dos tramos de camisa (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). Figura 21 Cabeza cortadora de máquina de Auger Boring Figura 21: Tomada del documento “Trenchless technologies and work practices review for Saskatchewan municipalitie”, pg 33,(PINTER, 2013) Este proceso de excavación y empuje se repite hasta completar la longitud del tramo con la llegada de la cabeza cortadora al pozo de recepción. Para finalizar los trabajos se realiza la extracción de la cadena de tramos de tornillo sinfín que se encontraba en la parte interna de la camisa y se procede a la limpieza interior, retirando el detritus que aún se encuentre allí para poder instalar la tubería que alojará la camisa (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). 63 6.1.2.5 Perforación horizontal dirigida (HDD) La perforación horizontal dirigida o HDD por sus siglas en inglés “Horizontal Directional Drilling” es utilizada para instalación de tuberías, cables o conductos sin zanja. Esta técnica permite realizar trazados rectos o gradualmente curvados, así como el ajuste de la cabeza cortadora en cualquier momento de la perforación piloto prevista, frecuentemente es aplicada para obras tales como cruces de grandes ríos, canales, autopistas y alcanzado grandes distancias. Uno de los factores más relevantes es la capacidad de tiro de la máquina, pues mientras mayor sea esta, mayor será el diámetro de la tubería capaz de instalarse y también será un indicativo de la máxima longitud de colocación. Siempre dejando claro que todo esto dependerá de las condiciones del terreno (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). El proceso general para la instalación de tubería es el siguiente: Inicialmente se debe realizar una perforación piloto acorde con el trazado previsto y para esto se usa un equipo que controla la posición brindando la información necesaria, luego de esto se procede a ensanchar dicha perforación de manera concéntrica y en sentido contrario al empleado en la perforación piloto, según las condiciones del terreno y la tubería a instalar se realiza en por etapas o no. 64 Figura 22 Esquema de perforación horizontal dirigida HDD Figura 22: Tomada del documento “Trenchless technologies and work practices review for Saskatchewan municipalitie”, pg. 25,(PINTER, 2013) 6.1.2.5.1 Métodos En gran mayoría las máquinas de perforación horizontal dirigida, se emplea una cabeza de perforación asistida por fluidos, la cual es empujada en el terreno por una sarta de perforación, en la cabeza de perforación se acopla una sonda que se utiliza para emitir señales que se reciben y procesan en un receptor que se encuentra en la superficie de modo que los operarios conozcan tanto la dirección como la profundidad a la que se encuentra la tubería, este sistema se conoce como rastreo desde la vertical o “walk over”, el sistema de guiado surgió de la necesidad de mantener la trayectoria en la perforación en escenarios que el acceso a la cabeza de perforación fuera imposible como en ríos o en el caso que representara un riesgo para los operadores (autopistas o vías férreas en servicio), en caso que la zona donde se va a realizar la instalación presente grandes estructuras metálicas o elementos enterrados que puedan interferir con las señales normales de la sonda de transmisión, se usan sistemas de guía asistida que crean un campo magnético y/o eléctrico 65 de manera que se anulen los que están allí previamente (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Figura 23 Equipo de perforación Horizontal Dirigida Figura 23: Tomada del documento “Trenchless technologies and work practices review for Saskatchewan municipalitie”, pg. 27,(PINTER, 2013) Existen otros sistemas de perforación conectados por cables o “wire-line”, en estos sistemas el cable pasa por la sarta de perforación y se emplea cuando las profundidades son demasiado grandes como para usar la localización por medio de radiofrecuencias. Es común que se utilicen mezclas de bentonita y agua para usarse como fluido de perforación y remover el detritus que se encuentre estancado en la perforación; aunque también existen algunos sistemas que fueron diseñados para trabajar en seco o con muy pocas cantidades de agua o fluidos de perforación, estos cuentan con una ventaja y es que son de manejo mucho más simple y no se necesita tanto equipamiento en el lugar de la instalación, pero presenta ciertas restricciones en cuanto a los diámetros que son capaces de instalar y al terreno en que se puede utilizar (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). 66 6.1.2.5.3 Variantes de perforación Según la naturaleza del terreno, la hinca de percusión se puede llevar acabo de dos formas, con tubo de frente abierto o tuve de frente cerrado. La hinca de frente abierta es preferible según nos dice la IBSTT, presenta varias ventajas, por ejemplo, “presenta una menor reacción contra la fuerza de hinca, debido a que solamente el borde cortante es empujado contra el terreno. Se puede aplicar la hinca por percusión con frente abierto en terrenos duros, pues no es necesario que el suelo sea compresible. Debido a que la superficie de contacto con un obstáculo es bastante menor con un tubo de frente abierto, hay también una menor tendencia a la desviación de la trayectoria.” La hinca por percusión cerrada puede ser efectiva en las siguientes condiciones según nos dice la IBSTT, “en situaciones en que se presente perdida de material al frente del borde cortante, y al caer al terreno al interior del tubo y fluir por su interior hasta el foso de lanzamiento, y causar subsidencia o pérdida de apoyo de tuberías adyacentes u otros servicio y al ser el terreno desplazado hacia los alrededores del tubo y compactado alrededor de las paredes de la perforación. Al igual que con topos de percusión, existe el riesgo de levantamiento de la superficie durante el proceso de perforación por compactación.” 6.1.2.5.3 Perforación asistida por fluidos Cualquier máquina de perforación dirigida tiene 2 características, la primera consiste en un sistema accionado (normalmente hidráulicamente), que se encarga del empuje de la sarta a través del terreno para la perforación piloto y la segunda es la presencia de un motor y un 67 sistema para accionar la sarta de perforación que genera la rotación, algunas de las maquinas son autónomas, pues tienen a bordo de ellas tanques de mezcla y las bombas con los fluidos de perforación, juntos cono los sistemas de alimentación y control. Y aquellas que no lo son, pueden utilizar unidades de mezclado y bombeo de manera independiente. Se trata de tubos huecos que están conectados directamente con la cabeza de perforación estos llevan los fluidos y son retornados por medio por el espacio anular existente entre la sarta y las paredes de perforación (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). Figura 24 Maquina HDD asistida por fluidos. Figura 24: Tomada de “manual de tecnologías sin zanja”, pg, 146, (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013) Es común encontrar en las máquinas de perforación de superficie un sistema de carga automática, en el que las secciones de tubos están almacenadas en un “rack”, este sistema hace la conexión o desconexión de tubos a medida que se avanza en el proceso de perforación, es ampliamente utilizado pues incrementa ampliamente el ritmo de instalación, mejora la seguridad y reduce la mano de obra (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). 68 Las máquinas de PHD tienen una capacidad de empuje y de tiro desde las 3,5 Ton en las maquinas más pequeñas hasta 600 Ton en las más grandes, así mismo tienen una capacidad de instalación desde los 50 mm hasta los 1600 mm, con las condiciones adecuadas se puede llegar a instalar longitudes de hasta 3000 m. Las capacidades de las maquinas PHD varían considerablemente dependiendo las condiciones del terreno a perforar. Los suelos más favorables para realizar el trabajo son las arcillas homogéneas, mientras que las arenas pueden presentar problemas, especialmente si estas están debajo del nivel freático. Las gravas pueden perforarse a expensas de un desgaste acelerado de la cabeza de perforación y su estabilización es comúnmente complicada. Las maquinas estándar no son adecuadas para penetrar roca, puede generar daños a la cabeza, sin embargo si es complementada con fluidos de perforación es posible efectuar el trabajo(Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Figura 25 Maquina PHD de gran capacidad Figura 25: Tomada de tomada de “manual de tecnologías sin zanja”, pg., 148, (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013) Existe un método de perforación llamado “fluid jet boring”, es similar a la perforación asistida por fluidos pero presenta una diferencia la cual consiste en la aplicación de chorros 69 a alta presión en la cabeza perforadora, estos bien pueden ser de agua o de fluidos de perforación. La utilización de este método es más común en suelos blandos (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). Otro tipo de máquinas de perforación se han diseñado para funcionar en seco, sin la presencia de fluidos de perforación o agua, estas suelen ser más compactas y simples que las maquinas asistidas por fluidos de perforación y su funcionamiento se asemeja más a un topo de percusión púes funciona con el uso de un martillo neumático para penetrar y compactar el terreno para la perforación. Para la instalación de la tubería que puede llegar a 65 mm de diámetro es necesario la utilización de un escariador cónico el cual cumple las funciones de limpiar la perforación durante el proceso y la de ensanchar la perforación (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Figura 26 Despliegue de escariador de 42” Figura 26: Tomada de tomada de “manual de tecnologías sin zanja”, pg., 149, (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013) 6.1.2.5.4 Tubos perforación de Las sartas de perforación están sometidas a grandes esfuerzos, por lo tanto es de vital importancia poder soportar los esfuerzos de compresión y tensión axial en los procesos de empuje y tiro. Además de esto tienen que ser lo suficientemente ligeros para facilitar su 70 trasporte y manejo, las longitudes de los tubos dependen específicamente del tipo de máquina perforadora y del espacio disponible. Normalmente en máquinas de superficie se usan tubos entre 3 y 9,6 m de longitud y en las máquinas de foso las longitudes son entre 0,3 m y 1,5 m (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013). Figura 27 Sarta de perforación Figura 27: Tomada de página informática: perforación horizontal, sección tubos de perforación. 6.1.2.6 Fluidos de perforación Los fluidos de perforación o de excavación también son conocidos como lodos bentoníticos, la mayoría de estos están basados en la mezcla de agua y bentonita (tipo de arcilla muy fina con propiedades tixotrópicas), estos son de vital importancia en obras de microtunelado y en las perforaciones dirigidas. Según como nos cuenta la IBSTT los fluidos de perforación pueden tener varias funciones: Lubricar y o refrigerar la cabeza cortadora y reducir el desgaste. Reblandecer el terreno para facilitar la perforación. Transportar el detritus en suspensión hasta el pozo de ataque yo salida. 71 Estabilizar la perforación durante el proceso constructivo y la colocación del tubo. Lubrificar la tubería a colocar durante el proceso de ensanche concéntrico e inserción de la misma. Controlar la filtración y pérdida de fluidos a través del suelo, constituyendo un revoque sobre las paredes de la perforación. Propulsar motores de lodos para perforar suelos duros. El fluido de perforación más simple es el agua, el cual para perforaciones de pequeños diámetros y longitudes cortas es ideal, sin embargo para perforaciones con cabezas cortadoras de mayor diámetro como por ejemplo las máquinas de perforaciones dirigidas no son suficientes (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). El tipo de fluido de perforación más común es la mezcla de bentonita y agua, el cual crea un “lodo” que tiene propiedades tixotrópicas, esto quiere decir que adquiere características de un gel fluido. Por lo que puede actuar como lubricante, ayudando a la disminución de la fricción entre el tubo instalado y las paredes de la perforación (Manual de Tecnologías sin Zanja, 2013). La utilización de los fluidos de perforación es compleja y juega un papel muy importante para el éxito en proyectos de instalación de tuberías sin zanja. 6.1.2.7 Selección de la metodología correcta para obra nueva Para cada una de las anteriores tecnologías sin zanja es de vital importancia el conocimiento de todos los factores a tener en cuenta con el objetivo de asegurar que se eligen los métodos y técnicas adecuadas para el tipo de instalación requerida. A 72 continuación se presentan algunos de los factores más importantes sobre los que se necesita información completa y detallada, según la IBSTT: Condiciones del Terreno Longitud requerida Condiciones finales dela tubería instalada Proximidad de otras instalaciones Diámetro de la perforación Acceso en superficie Protección de la perforación o la tubería Potenciales movimientos del suelo (hinchamiento o asentamiento) Espacio de trabajo necesario Medio circundante Tolerancias (alineación e inclinación) Limitaciones de plazo (Si existen) Profundidad de localización Tipo de tubo y camisa Estimación del costo de todas las diferentes opciones disponibles Claramente esta cantidad de información tendrá que ser recopilada en la fase de planeación del proyecto, siendo esta detallada y completa para la prevención de posibles problemas. En cualquier caso las condiciones del terreno por donde se disponga el trazado de la tubería, el tipo, diámetro, profundidad, función de canalización requerida, el material preferido para la tubería y las tolerancias requeridas en la instalación. Reducirán las 73 opciones disponibles para la elección del método sin zanja a utilizar. Cabe aclarar que no siempre las tecnologías sin zanja son aplicables para todos los proyectos, pero estas deben considerarse gracias a las distintas ventajas que ofrecen, a la reducción de impacto ambiental y social (Manual de Tecnologías sin Zanja, 2013). 7. Búsqueda y selección de proyectos Con el objetivo primordial de establecer el potencial de utilización de las tecnologías sin zanja en proyectos de instalación de tubería nueva en la ciudad de Bogotá, fue necesaria la búsqueda de proyectos, bien fueran proyectos en licitación, proyectos en ejecución o proyectos ya ejecutados. Esta búsqueda se realizó en inicio mediante el Instituto Colombiano de Tecnologías Subterráneas ICTIS, (una de las sedes 30 a nivel mundial de la organización mundial ISTT, International Society for Trenchless Thecnology) con el Gerente encargado en Colombia, el Ingeniero Arlex Toro. Se contactaron distintas empresas públicas y privadas que trabajan con temas relacionados a las tecnologías sin zanja. Ejemplos de algunas de las empresas con las cuales se nos contactó fueron: Acueducto y alcantarillado de Bogotá, Bessac –Andina y tecmeco. Además de estos se consiguieron contactos en constructoras como Colsubsidio y Fernando Mazuera. A continuación se nombrarán cada uno de los proyectos que arrojo la investigación y el proceso de selección, tanto en instalación de tubería con zanja abierta e instalación de tubería con métodos sin zanja. 74 7.1 Proyectos método convencional La investigación de proyectos de instalación de tubería por medio del método convencional llevó a la selección de proyectos con las siguientes empresas constructoras: Acueducto y Alcantarillado de Bogotá División de construcción, Colsubsidio Fernando Mazuera CON&GER Structural Forms Cada una de las anteriores empresas suministró información de sus proyectos de manera autónoma, en pro del desarrollo del presente trabajo de grado, se suministraron documentos tales como: Estudios de suelos, programación de proyectos, presupuestos con sus respectivos análisis de precios unitarios, planos y diseños, memorias de cálculo, registro fotográfico, entre otros. Los proyectos seleccionados en el proceso de investigación de instalación de tubería con el método tradicional a zanja abierta fueron los siguientes: Construcción de redes de acueducto. alcantarillado sanitario y pluvial y reparaciones de redes de alcantarillado sanitario y pluvial para diversos sectores del municipio de Soacha Cundinamarca. Construcción de las obras del colector pluvial (hacia el rio Bogotá) en el municipio de Soacha para el proyecto ciudadela Colsubsidio Maiporé, ejecutado del pozo numero 1 al pozo numero 8 por la constructora Con&Ger S.A.S 75 Construcción de las obras del colector pluvial (hacia el rio Bogotá) en el municipio de Soacha para el proyecto ciudadela Colsubsidio Maiporé, ejecutado del pozo numero 9 al pozo numero 24 por la Constructora Structural Forms. Construcción de los colectores para evacuación de aguas pluviales y sanitarias del cantón norte-Bogotá De los anteriores proyectos se realizará la selección de un único proyecto, el cual será la base para la realización de este trabajo de grado, se mostrarán en detalle aspectos como información general del proyecto, objetivos del mismo, diámetros y longitudes de la instalación de tubería, estudios de suelos, programación del proyecto, presupuesto con sus respectivos análisis de precios unitarios, planos y diseños, memorias de cálculo, registro fotográfico, entre otros. 7.2 Proyectos método sin zanja (trenchless) Para obtener los proyectos en donde se estuviera utilizando tecnología sin zanja, en la ciudad de Bogotá fue necesario acudir al ICTIS (Instituto Colombiano de tecnologías de Infraestructura Subterránea), ya que las grandes empresas que trabajan con esta tecnología en el país son muy pocas y contactarlas es aún más difícil, pese a esto con el apoyo del ICTIS y el Ingeniero Arlex Toro, gerente general del ICTIS Colombia, se logró contactar a algunas de estas compañías, las cuales estuvieron completamente dispuestas a colaborar, brindando un apoyo total para la elaboración de este trabajo de grado, estas compañias fueron: Soletanche Bachy Cimas-Bessac-Andina Corpacero 76 Microtunel S.A. de C.V. ingeniería avanzada en obras subterráneas BESSAC-ANDINA permitió acceso completo a todos los documentos referentes a dos grandes proyectos realizados durante los años 2013 y 2014 , documentos como estudios de suelos, programación de proyectos, presupuestos generales, planos y diseños, registro fotográfico, entre otros y permitió realizar una visita de campo a uno de los dos proyectos en la ciudad de Bogotá, mientras que la colaboración de Microtunel y Corpacero fue en menor escala, pues solo suministraron un presupuesto general de un proyecto, respectivamente. Los proyectos encontrados de instalación de tubería con tecnología sin zanja, son los siguientes: Complementación de los estudios y diseños, mantenimiento, rehabilitación y/o reconstrucción de la calle 169 b en el sector comprendido entre el canal de córdoba y la avenida Boyacá, en Bogotá D.C. Construcción de la intersección a desnivel de la avenida Laureano Gómez (ak 9) por calle 94 y su conexión con la avenida santa bárbara (ak 19) en Bogotá D.C, correspondiente código de obra 104 del acuerdo 180 de 2005 de valorización Cruce de autopista sur de “red de alcantarillado pluvial proyecto Maipore” Proyecto de construcción del alcantarillado para conexión al ITB por microtuneleo para el macro proyecto ciudad verde. Propuesta realizada por Bessac-Andina para la construcción de las obras del colector pluvial (hacia el rio Bogotá) en el municipio de Soacha para el proyecto Ciudadela Colsubsidio Maiporé. 77 Gracias a la completa información brindada y a la colaboración directa del ICTIS y BESSAC-ANDINA, se realizará el respectivo análisis de los documentos suministrados, junto a las visitas de campo para realizar la comparación det al l ad a entre el método convencional para instalación de tuberías con respecto al método de instalación de tubería sin zanja elegido. Figura 28 Fotos de la visita realizada al proyecto de la calle 169b, cortesía Bessac Andina 8. Análisis de presupuestos en los proyectos con zanja Para poder identificar las actividades más representativas referentes a los costos en cada una de las obras ejecutadas con zanja abierta, se realizó un estudio de la estructura de costos de las principales actividades en relación a los costos totales del proyecto. A continuación se muestra cada proyecto con su respectivo análisis. 78 Construcción de las obras del colector pluvial (hacia el río Bogotá) en el municipio de Soacha para el proyecto Ciudadela Colsubsidio Maipore, ejecutado del pozo número uno al pozo número ocho por la constructora Con&Ger S.A.S. El presupuesto general realizado por Con&Ger S.A.S (Anexo 1) y presentado a Colsubsidio para la instalación de tubería necesaria en la construcción del colector y sus afluentes, fue de un total aproximado de 892 millones de pesos y reveló que las actividades de mayor peso dentro de este fueron: excavación mecánica, instalación de relleno con material proveniente de excavación e instalación de tuberías con diámetro de 36” tal como se observa en la figura No. 29. PORCENTAJE DE INCIDENCIA Analisis de las actividades con mayor influencia en el presupuesto de Con&Ger 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 35,57% 30,02% 15,57% 13,14% Excavación Mecánica 8,44% 9,61%8,11% 7,37%6,22% 7,73%6,52% Instalación de Administración Instalación de Instalación de Entibado relleno tuberías tuberías metálico para proveniente Flexibles de Flexibles de protección de de excavación alcantarillado alcantarillado taludes 36" 20" ACTIVIDADES Costos Directos Presupuesto con AIU Figura 29: Análisis de las principales actividades y su respectivo porcentaje de incidencia dentro del presupuesto del proyecto del colector pluvial del pozo uno al ocho realizado por Con&Ger S.A.S. 79 Construcción de las obras del colector pluvial (Hacia el río Bogotá) en el municipio de Soacha para el proyecto Ciudadela Colsubsidio Maipore, ejecutado del pozo número ocho al pozo número veinticuatro por Structural Forms. El presupuesto general realizado por Structural Forms (Anexo 2) y presentado a Colsubsidio para la instalación de tubería necesaria en la construcción del colector y sus afluentes fue de un total aproximado de 13.492 millones de pesos y reveló que las actividades de mayor peso dentro de este fueron: sistema Entibado de taludes, tubería Flowtite 92” y relleno en material excavado, tal como se observa en la figura No. 30: PORCENTAJE DE INCIDENCIA Análisis de las actividades con mayor influencia en el presupuesto de Structural Forms 50% 40% 30% 20% 10% 0% 43,04% 31,37% 21,65% Sistema Entibado de Taludes Administración 21,32% 15,55% 9,05% 6,60% 7,01% 5,11% Tuberia FLOWTITE Relleno en Material Relleno en Triturado 92" Seleccionado de Excavación ACTIVIDADES Costos Directos Presupuesto con AIU Figura 30 : Análisis de las principales actividades y su respectivo porcentaje de incidencia dentro del presupuesto del proyecto del colector pluvial del pozo 8 al 24 realizado por Structural Forms. Construcción de las redes de evacuación de aguas pluviales y sanitarias para las áreas y edificaciones actuales del cantón norte ubicado en la ciudad de Bogotá D.C. El presupuesto general realizado por Congeter Ltda. (Anexo 3) y presentado a la Jefatura de Ingenieros del Ejército Nacional para la instalación de tubería necesaria en la 80 construcción de las redes de evacuación de aguas pluviales fue de un total aproximado de 1365 millones de pesos y reveló que las actividades de mayor peso dentro de este fueron: excavación manual (h=2m), tubería 1000mm tipo novafort y mezcla asfáltica tipo MDC-2, tal como se observa en la figura No. 31: 81 Análisis de las actividades con mayor influencia en el presupuesto de Congeter Ltda. PORCENTAJE DE INCIDENCIA 18% 16% 14% 12% 16,24% 13,44% 10% 8% 6% 4% 2% 9,93% 9,84% 8,15% 9,72% 8,05% 8,45% 7,00% 6,96% 6,91% 5,76% 5,72% 6,23% 5,15% 5,51% 4,56% 4,97%4,12% 3,93% 3,25% 3,64%3,01% 0% ACTIVIDADES Costos Directos Presupuesto con AIU Figura 31 Análisis de las principales actividades y su respectivo porcentaje de incidencia en el proyecto de evacuación de aguas pluviales realizado por Congeter Ltda 82 Construcción de redes de acueducto, alcantarillado sanitario y pluvial para diversos sectores del municipio de Soacha Cundinamarca- Alcantarillado Aguas Residuales. El presupuesto general realizado por Consorcio Ediviales Soacha (Anexo 4) para la instalación de tubería necesaria en la construcción de redes de alcantarillado de aguas residuales fue de un total aproximado de 2670 millones de pesos y reveló que las actividades de mayor peso dentro de este fueron: entibados-uso tablestacado, cajas de inspección en ladrillo recocido, excavación a mano en tierra de 0a 1 m. y suministro colocación y compactación de relleno-recebo-, tal como se observa en la figura No. 32: 83 Análisis de las actividades con mayor influencia en el presupuesto de Consorcio Ediviales Soacha para aguas residuales. 20% PORCENTAJE DE INCIDENCIA 18% 16% 14% 12% 10% 8% 17,84% 14,93% 15,98% 13,38% 10,04% 9,66% 8,09% 8,52% 7,13% 7,67% 6,42% 6% 5,60% 4,69% 4% 5,18% 4,34% 4,96% 4,15% 4,53% 3,79% 3,36% 2,81% 2% 0% Entibado tipo Construcción Administración Excavación a Relleno tipo 2- Carcamos de Suministro e A- Uso de Cajas de mano en tierra Recebo para proteccion instalación de tablestacado inspección en de 0.00m a instalación de tipo placa tubería de ladrillo 1.00m tubería D=8" concreto sin recocido de refuerzo, para e=0.15m. junta con anillo de caucho D=8" Suministro e Retiro y Relleno tipo 3instalación de disposición de Material tubería de escombros a seleccionado concreto sin sitios proveniente refuerzo, para autorizados. de excavación junta con Distancia anillo de promedio caucho D=6" 10000Km Suministro. colocación y compactacion de triturado de cantera de 3/4" ACTIVIDADES Costos Directos Presupuesto con AIU Figura 32 Análisis de las principales actividades y su respectivo porcentaje de incidencia en el proyecto de Aguas Residuales realizado por Consorcio Ediviales Soacha. 84 Construcción de redes de acueducto, alcantarillado sanitario y pluvial para diversos sectores del municipio de Soacha Cundinamarca- Alcantarillado de Aguas lluvias El presupuesto general realizado por Consorcio Ediviales Soacha (Anexo 5) para la instalación de tubería necesaria en la construcción de redes de alcantarillado de aguas lluvias fue de un total aproximado de 3200 millones de pesos y reveló que las actividades de mayor peso dentro de este fueron: construcción de sumidero lateral, suministro e instalación de tubería GRP D=1200 mm y suministro colocación y compactación de relleno-recebo, tal como se observa en la figura No. 33: 85 Figura 33 Análisis de las principales actividades y su respectivo porcentaje de incidencia en el proyecto de Aguas Lluvias realizado por Consorcio Ediviales Soacha. 86 Luego de analizar los diferentes presupuestos de las obras con zanja, consideradas en el presente trabajo, se observó que las actividades que surgen con mayor frecuencia en los diferentes proyectos según la estructura de costos totales son: Entibado para protección de taludes: es una estructura de contención temporal, compuesta generalmente por tablones de madera y/o elementos metálicos, se emplea en las zanjas elaboradas para instalación de tuberías ya que los materiales allí encontrados regularmente no presentan una adecuada consistencia y esto se maximiza en presencia de niveles freáticos superficiales, causando el deslizamiento en las paredes de la zanja. Esto se observa claramente en el proyecto del colector pluvial (hacia el río Bogotá) en el municipio de Soacha, ejecutado por Structural Forms, donde se presentaron excavaciones desde 5.4 hasta 13.5 metros y se hallaron niveles freáticos que varían desde los 0.7 hasta los 8.5 metros, haciendo imperativo el correcto uso de entibados. Rellenos con recebo, triturado o material proveniente de la excavación: consiste en la elaboración de llenos con materiales compactados en zanjas para la construcción de redes de servicios. En la región inicial del lleno y hasta aproximadamente 0.30 metros por encima de la tubería es indispensable utilizar material que no contenga piedras, evitando así que se generen esfuerzos puntuales sobre la tubería durante la compactación (Epm, 2014), debido a esto fue indispensable la clasificación adecuada de los rellenos empleados en las diferentes obras analizadas y esto se ve reflejado en los presupuestos de cada una de ellas, pues es una gran cantidad de material que se debe tener en cuenta para la instalación de cualquier tipo de tuberías. 87 Excavación mecánica y manual: es una de las actividades más representativas en la instalación de tubería y como su nombre lo indica envuelve la ejecución de toda clase de excavaciones necesarias de acuerdo con las líneas, pendientes y profundidades indicadas en los planos de diseño o demandadas durante el proceso constructivo (Epm, 2014). Tal como se puede ver en las gráficas anteriormente mostradas de las obras realizadas por Congeter y por Con&ger principalmente. Tendido y suministro de tuberías en diferentes diámetros: los análisis muestran que en algunas obras realmente representa un porcentaje relevante como lo son los realizados por Structural Forms, Con&ger y Congeter, esto se debe a que en estos proyectos se presentaban los mayores diámetros de tubería y esto es directamente proporcional con su costo, mientras en el proyecto de Structural Forms con diámetros de 92” dicha actividad alcanza un poco más de 20% del presupuesto general, en proyectos como el de Consorcio Ediviales solo representa cerca del 5% debido a que las tuberías son de 8” de diámetro. 9. Proyecto seleccionado con zanja abierta Se investigaron y analizaron en total 5 proyectos de instalación de nueva tubería, todos ejecutados con el método convencional con zanja abierta y ubicados en la zona central del país, en el departamento de Cundinamarca, Bogotá-Soacha, los nombres de los proyectos ya fueron mencionados en capítulos anteriores. A continuación explicaremos los detalles que llevaron a la elección de un único proyecto con la metodología de instalación de tubería a zanja abierta y porqué este se considera como el que genera los mayores aportes al presente trabajo. 88 El objetivo primordial en el proceso de investigación es la selección de un proyecto el cual contara con las condiciones más adecuadas para realizar la comparación de las tecnologías, es decir un proyecto de instalación de tubería con zanja, principalmente de alcantarillado, que fuera de gran envergadura e importancia y que así mismo este generase grandes beneficios a la comunidad. Este debería contar con las siguientes características: longitudes, profundidades y diámetros de instalación significativas, además de presencia de diferentes tipos de suelos: arenas, limos, arcillas, gravas y rocas. Es de vital importancia contar con la información completa y detallada del proyecto, para que de esta manera, al momento de realizar el análisis y comparación de ambos métodos, la información que se esté utilizando como base sea verídica y real, obteniendo así resultados validos y confiables. 9.1 Construcción de las obras del colector pluvial (hacia el rio Bogotá) en el municipio de Soacha para el proyecto ciudadela Colsubsidio Maiporé, ejecutado del pozo número 9 al pozo número 24 por Structural Forms El proyecto está localizado en el departamento de Cundinamarca, ubicado sobre el costado occidental de la autopista Sur hasta llegar al Rio Bogotá – Municipio de Soacha y tendrá una longitud total de 1493 metros (Ramirez, 2014). 89 Figura 34 Localización proyecto con zanja elegido, Proyecto Colector Pluvial Maipore,(Uribe s., n.d.) Figura 34 : Tomada de “Estudio de suelos y simentaciones proyecto colector aguas lluvias”, pg 1,(Uribe s., n.d.) Según el diseño hidráulico, la red de alcantarillado pluvial será de tuberías flexibles tipo FLOWTITE y estará cimentada a profundidades entre 5,4 y 13,5 metros. La profundidad de cimentación de la tubería se presenta a continuación (Anexo 6). Tabla 8 Profundidad de cimentación entre pozos,(Uribe s., n.d.) 90 Como se puede observar en el cuadro anterior, buena parte del tramo de la tubería irá a profundidades superiores a los 10 metros, alcanzando casos de profundidades cercanas a los 14 metros. 9.1.1 Exploración del subsuelo La exploración del subsuelo la realizo la empresa Alfonso Uribe S. y CIA (Anexo 6), y para este fin se realizaron ocho perforaciones que alcanzaron profundidades comprendidas entre 8 y 20 metros bajo el nivel de superficie actual. La profundidad de las perforaciones realizadas para el proyecto fueron las siguientes (Anexo 6): Tabla 9 Profundidades de los 8 sondeos realizados al suelo del proyecto,(Uribe s., n.d.) A continuación presentamos los perfiles estratigráficos obtenidos de cada una de las 8 perforaciones de sondeo (Anexo 6): 91 Figura 35 Perfil estratigráfico de Sondeo número 1,(Uribe s., n.d.) Figura 36 Perfil estratigráfico Sondeo número 2 (Uribe s., n.d.), 92 Figura 37 Perfil estratigráfico de Sondeo número 3,(Uribe s., n.d.) Figura 38 Perfil estratigráfico de Sondeo número 4, (Uribe s., n.d.) 93 Figura 39 Perfil estratigráfico de sondeo número 5,(Uribe s., n.d.) 94 Figura 40 Perfil estratigráfico de sondeo número 6,(Uribe s., n.d.) 95 Figura 41 Perfil Estratigráfico de Sondeo número 7,(Uribe s., n.d.) 96 Figura 42 Perfil Estratigráfico de Sondeo número 8,(Uribe s., n.d.) De acuerdo a la investigación del subsuelo realizada, el perfil estratigráfico promedio encontrado se puede describir de la siguiente manera: 97 Superficialmente aparecen rellenos en arcillas con raíces, con los siguientes espesores (Anexo 6): (metros) Perforación 1 Perforación 2 Perforación 3 Perforación 4 Perforación 5 Perforación 6 Perforación 7 Perforación 8 0.1 0.4 0.8 0.2 0.2 2.7 1.9 2.0 Tabla 10 Espesores superficiales con presencia de arcillas con raíces, (Uribe s., n.d.) Hay luego un perfil heterogéneo y errático por su distribución por arcillas y arcillas arenosas de color café, con una consistencia media a dura, que llegan a profundidades que varían entre 7 y 12 metros (Uribe s., n.d.). Se encontró entonces en las perforaciones profundas (p1, p2, p3, p4) materiales como: limos con madera en descomposición, con una consistencia media a blanda, que llegan a profundidades que varían entre los 11.5 y 14.5 metros. En la perforación P3 este material alcanza la profundidad de exploración (Uribe s., n.d.). Aparecen luego arcillas arenosas de color café intercaladas con lentes y capas de arena fina de color café. Los suelos cohesivos tienen una consistencia media los suelos granulares 98 una densidad muy compacta y los cuales alcanzaron la profundidad de investigación (Uribe s., n.d.). En cuanto a los niveles freáticos se detectó agua libre en los siguientes puntos de investigación (Anexo 6): (metros) Perforación 1 Perforación 2 Perforación 3 Perforación 4 Perforación 5 Perforación 6 Perforación 7 Perforación 8 8.5 5.2 4.8 3.2 2.8 2.8 0.7 1.4 Tabla 11 Profundidades a las que se encontraron los niveles freáticos, aguas libres. Como podemos observar en los anteriores sondeos predominan las arcillas y las arcillas arenosas con consistencia media a dura, como también podemos encontrar a mayor profundidad limos con madera en descomposición con una consistencia media a blanda. No se observa presencia en ninguno de los sondeos realizados la presencia gravas o rocas. El anterior estudio de suelos (8 perforaciones) arrojo como resultado, el siguiente perfil estratigráfico promedio (Anexo 6): 99 Figura 43 perfil estratigráfico promedio del estudio de suelos de la construcción de las obras del colector pluvial (hacia el rio Bogotá) en el municipio de Soacha. (Uribe s., n.d.) 100 De acuerdo a los estudios del subsuelo, el suelo de fundación será el suelo natural, y para determinar el tipo de cimentación de la tubería a lo largo del trazado, se realizaron los respectivos cálculos de análisis de carga sobre la tubería. Estos se obtuvieron teniendo en cuenta los siguientes aspectos, diámetro de la tubería, material de la misma y la profundidad de apoyo. Se determinó un tipo de cimentación para cada tramo (Uribe s., n.d.). Se realizó además un estudio de análisis de cargas muertas y cargas vivas para las tuberías. En el primero se evaluaron las cargas causadas por el peso del suelo y para el segundo se realizó un análisis de la Norma NS-035 de la EAAB-ESP, según el cual el camión de diseño es el c40-95, que aplica una carga de 7500 KG en un área de 0.25 x 0.50 metros. A continuación veremos los resultados de estos estudios y el tipo de cimentación por tramo recomendada (Anexo 6) (Uribe s., n.d.). Tabla 12 Resultados de estudios de carga viva y muerta para determinar tipo de cimentación de apoyo. Los materiales para la cimentación recomendada y los rellenos sobre estas, deberán cumplir las normas y especificaciones vigentes por la Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá y son mostrados en la figura No. 43 (Anexo 6). 101 Figura 44 Tipo de cimentación recomendada para apoyo de las tuberías a instalar. El potencial de expansión de los materiales cohesivos del perfil según la siguiente tabla de la Norma de INVIAS I.N.V.E. -132, presenta un potencial de expansión marginal a elevado (Anexo 6).(Uribe s., n.d.) Tabla 13 Potencial de expansión, (Uribe s., n.d.) 102 Por lo que es necesario asegurarse de que las juntas de las tuberías estén adecuadamente selladas, tanto entre ellas como en las uniones con los pozos, para evitar posibles filtraciones que varíen el contenido de humedad de los suelos. Como datos adicionales del estudio del subsuelo (Anexo 6), se tiene que la capacidad de soporte neta del terreno, sobre el suelo natural, tiene un valor de 0.5 kg cm² (5 T/m²). Se calcularon asentamientos máximos (elásticos y por consolidación) de 3cm (Uribe s., n.d.). Para el relleno con el fin de evitar movimientos en la estructura del pavimento, se utilizara material tipo recebo, el cual deberá cumplir las especificaciones y en el que se llevara a una compactación mínima del 95% de la máxima obtenida en los ensayos de proctor modificado. Para la determinación de los empujes de tierra, para muros apuntalados, se evaluaron las condiciones de empuje de tierra para suelos cohesivos, la resistencia de corte no drenada de los materiales del perfil tiene un valor comprendido entre 30 y 300 Kpa (Uribe s., n.d.). Para las excavaciones, teniendo en cuenta las profundidades de excavación necesarias para la instalación de la tubería se utilizara un entibado y formaleta temporal tipo tablestaca metálica cuya longitud será 1.5 veces la profundidad de excavación. Se deberá garantizar que el sistema de entibado soporte la presión de tierras. Las excavaciones se realizarán en longitudes no mayores a 8 metros y no se iniciara la excavación del tramo aledaño hasta que no se halla colocado y rellenado en recebo el tramo excavado hasta una profundidad como mínimo de 1.0 metro bajo la superficie actual del terreno (Uribe s., n.d.). Para el manejo de las aguas, las cuales se detectaron a profundidades entre 1.9 y 2.4 metros bajo la superficie, se deberá contar con motobombas sumergibles durante las excavaciones 103 para mantener secas las excavaciones. La maquinaria será definida con el contratista, sin embargo para el tipo de zanjas a excavar se requerirá de una retroexcavadora, volqueta para suministro y evacuación del material, compactador de mediana capacidad, herramientas y equipos menores (Uribe s., n.d.). 9.1.2 Programación de proyecto A continuación se describirá y mostrará la programación presupuestada para el proyecto de instalación de tubería con método convencional a zanja abierta, realizado por la constructora Structural Forms (Anexo 7). El proyecto de instalación de tubería para el colector de la Ciudadela Maiporé fue dividido en seis frentes: Actividades preliminares, frente numero 1 construcción del pozo 8 al 12, frente numero 2 construcción del pozo 12 al 18, frente de Obra numero 3 Cruce de autopista Sur, frente de obra numero 4 construcción del pozo 19 al cabezal de descarga y frente de obra número 5 construcción estación de descole (Forms, 2011). El proyecto inició el jueves 25 de agosto del año 2011 y dio inicio con las actividades preliminares, estas consistían en la construcción y adecuación de una vía provisional para el acceso de la maquinaria, materiales y volquetas, esta conduciría al lugar de inicio de la obra (Pozo número 8), esta etapa tenía programada una duración de máximo 15 días calendario de trabajo laboral, por lo que la actividad finalizo el día viernes 9 de octubre del año 2011. Después de la adecuación de la vía se dio inicio a la segunda etapa del proceso de instalación de la tubería, el frente número 1: construcción del pozo 8 al 12., la cual consta de las siguientes actividades y en el siguiente orden: excavación de la pre-zanja a máquina, 104 excavación de zanja a máquina, instalación de entibado deslizante, instalación de geomalla, instalación relleno rajón R15, instalación triturado de sello (capa 5 cms), instalación de geotextil, instalación capa triturado (e=15cm), instalación de tubería, instalación de relleno triturado atraque, instalación recebo B200, retiro de material sobrante e instalación cámara Grp. Esta etapa tuvo una duración total de 92 días, con fecha de inicio el día viernes 9 de octubre del año 2011 y finalización el día 10 de Noviembre del mismo año (Forms, 2011). La etapa número 2, presento algunos problemas con el material de recebo, el cual cumplía la función de apoyo para las tuberías, este resulto ser un material que no cumplía las especificaciones y generó hundimiento y desnivelación de diferentes tramos de tuberías, por lo que fue necesario el retiro de estas y el material para después poder realizar los debidos procedimientos de corrección e instalación, pese a esta demora la programación se cumplió sin contra tiempos (Forms, 2011). Dio inicio la etapa número 3 del proyecto, el frente número 2: construcción del pozo 12 al 18, la cual consta de las siguientes actividades y en el siguiente orden: excavación de la pre-zanja a máquina, excavación de zanja a máquina, instalación de entibado deslizante, instalación de geomalla, instalación relleno rajón R15, instalación triturado de sello (capa 5 cm), instalación de geotextil, instalación capa triturado (e=15cm), instalación de tubería, instalación de relleno triturado atraque, instalación recebo B200, retiro de material sobrante e instalación cámara Grp (Forms, 2011). Esta etapa tuvo una duración total de 117 días, con fecha de inicio el día lunes 19 de octubre del año 2011 y finalización el día 7 de Enero del año 2012 (Forms, 2011). 105 La etapa número 3, en general no presento mayores problemas ni demoras en el cumplimiento de la programación inicial, exceptuando en algunas situaciones, como lo comentó el ingeniero Diego Ramírez director del proyecto, en donde el clima (lluvias) no permitió el desarrollo normal de las actividades, se antepuso la seguridad del personal por los altos riesgos que representaba trabajar en esas condiciones (Ramírez, 2014). La etapa número 4 del proyecto, el frente de obra número 3: cruce autopista sur, era conformada por las siguientes actividades: construcción de portales de acceso, excavación de túnel, instalación laminas linner plate, instalación de tubería GRP 98”, inyección de mortero fluido (lamina túnel y terreno) y por último el retiro de material de excavación. Esta etapa tuvo una duración total de 94 días, con fecha de inicio el día lunes 10 de noviembre del año 2011 y finalización el día 14 de enero del año 2012 (Forms, 2011). Esta etapa es especial pues la realización del túnel para la instalación de la tubería que atravesaba la autopista sur fue realizada por un contratista diferente, y trabajada con otro tipo de metodología a la de zanjeo abierto. Por lo que en este punto la empresa Estructural Forms solo estuvo presente en las actividades de instalación de tubería y relleno. Su programación se ajustó a los tiempos de ejecución de la excavación del túnel por parte de la Empresa Micro Túnel S.A. La etapa número 5 del proyecto, el frente número 4: construcción del pozo 19 al cabezal de descarga. La cual consta con las siguientes actividades y en el siguiente orden: excavación de la pre-zanja a máquina, excavación de zanja a máquina, instalación de entibado deslizante, instalación de geo-malla, instalación relleno rajón R15, instalación triturado de sello (capa 5 cm), instalación de geo-textil, instalación capa triturado (e=15cm), instalación de tubería, instalación de relleno triturado atraque, instalación recebo B200, retiro de 106 material sobrante y construcción de del pozo-cámara (Forms, 2011). Esta etapa tuvo una duración total de 60 días, con fecha de inicio el día lunes 12 de diciembre del año 2011 y finalización el día11 de Febrero del año 2012. Y por último la etapa número 6 del proyecto, el frente número 5: construcción de estación de descole o cabezal de descarga. Consta con una única actividad, que es la construcción de estructura de descole en concreto. Esta etapa tuvo una duración total de 22 días, con fecha de inicio el día lunes 28 de diciembre del año 2011 y finalización el día 19 de enero del año 2012 (Forms, 2011). La construcción del colector Maipore tuvo una duración total de 210 días, aproximadamente unos 7 meses de instalación de tubería nueva de 2400 mm de diámetro, en una longitud total de 1493 metros por el método tradicional con zanja abierta, vale recalcar que a pesar que se presentaron demoras adicionales por problemas de clima y procesos constructivo el lugar donde se estaba realizando el proyecto era un terreno “virgen”, no habitado ni construido, lo cual facilito que muchas de las actividades se realizaran en los tiempos estipulados y permitió que no se generaran mayores retrasos en el desarrollo del proyecto. 9.1.3 Presupuesto general El presupuesto total realizado para la construcción e instalación de la tubería en el proyecto del colector de la ciudadela Maiporé por la constructora Structural Forms, es mostrado a continuación en la tabla No. 14 (Anexo 2). 107 PRESUPUESTO FINAL PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL COLECTOR (HACIA EL RÍO BOGOTÁ) EN LA CIUDADELA MAIPORÉ. REALIZADO POR STRUCTURAL FORMS ACTIVIDADES UND CANTIDAD V/UNITARIO V/TOTAL Excavación a Máquina Pre-Zanja m3 14052,46 $ 6.851 $ 96.278.088 Excavación a Máquina Zanja m3 38398,43 $ 6.851 $ 263.080.443 Instalación Relleno en Rajón m3 1686,05 $ 64.979 $ 109.557.843 Relleno en Triturado m3 9070,04 $ 76.004 $ 689.359.320 Base Recebo B 200 m3 5176,45 $ 56.054 $ 290.160.728 Relleno en Material Seleccionado de Excavación m3 48177,77 $ 18.480 $ 890.331.212 Retiro de Sobrantes m3 13076,51 $ 39.932 $ 522.173.922 Sistema Entibado de Taludes m2 17506,12 $ 241.803 $ 4.233.029.708 Estructura de Descole m3 15,50 $ 1.492.278 $ 23.130.308 Tubería FLOWTITE f = 92" M 1140,38 $ 1.839.199 $ 2.097.385.645 Cámara Estructural 2300 MM (P21-P24) Un 3,00 $ 5.491.712 $ 16.475.136 Tubería FLOWTITE f = 2300 MM" (P21-P24) M 246,00 $ 1.839.199 $ 452.442.954 Suministro e Instalación Geo textil NT 2000 m2 14998,73 $ 4.161 $ 62.411.224 Suministro e Instalación de Geomalla Biaxial m2 5347,70 $ 5.261 $ 28.134.260 Instalación de Cámara GRP 2200 MM Und 1,00 $ 8.036.703 $ 8.036.703 Instalación de Cámara GRP 2200 MM" Und 6,00 $ 5.327.712 $ 31.966.272 Instalación de Cámara GRP 2300 MM Und 4,00 $ 5.491.712 $ CONTRATO INCIAL OBRAS ADICIONALES INSTALACION DE CAMARAS GRP SUBTOTAL 21.966.848 $ 9.835.920.615 Administración 29,69% $ 2.920.441.192 Imprevistos 4% $ 393.436.825 Utilidad 3% $ 295.077.618 IVA sobre Utilidad 16% $ 47.212.419 TOTAL A PAGAR $ 13.492.088.669 Tabla 14 Presupuesto final para construcción colector ciudadela Maiporé, realizado por Structural Forms 2012 El presupuesto mostrado es del total ejecutado al finalizar el proyecto y ya están contenidas todas las actividades, en este se muestra el costo directo, incluyendo el suministro de todo el material necesario para la construcción e instalación de la tubería (1493 metros). El costo total del presupuesto de este proyecto fue de $13.492.088.669 millones de pesos. 108 De este presupuesto se conocen las actividades de mayor peso en la estructura de costos, los cuales fueron analizados en capítulos anteriores, en este se muestra las siguientes actividades como las principales del proyecto en cuestión de costos: sistema entibado de taludes, tubería Flowtite f =92” y relleno en material seleccionado de excavación. 10. Alcance de las diferentes metodologías de instalación de tubería sin zanja en factores como longitud del trazado, diámetro de la tubería, profundidad de instalación y tipo de suelo Uno de los objetivos de este trabajo es la selección de 3 métodos instalación de tubería sin zanja (trenchless) para el proyecto estudiado en la ciudad de Bogotá, la construcción del colector de la Ciudadela Maiporé. Ahora es necesario empezar un proceso de selección de tecnología sin zanja (trenchless) en busca de un único método, que se acomode perfectamente a las condiciones descritas del proyecto a estudiar. Brevemente se hará un recuento de las características generales del proyecto con zanja abierta elegido (colector pluvial y de aguas tratadas, proyecto de construcción Maiporé): Longitud total de 1493 metros (pozo numero 8 al 24, cabezal de descarga). La tubería estará cimentada a profundidades entre 5.44 y 13,5 metros. La tubería tendrá un diámetro nominal de 2.40 metros. Costo total de ejecución de 13.492.088.669 millones de pesos. Duración total de 210 días calendario laboral, aproximadamente unos 7 meses. Según como se ha mostrado en el desarrollo de este trabajo, existen diferentes metodologías dentro de la tecnología sin zanja (trenchless), de igual manera a continuación se hará un breve repaso de cuáles son estas: 109 Topos de percusión e hinca por percusión pipe ramming Pipe jacking y microtunelado Perforación con tornillos sin fin, auger boring Perforación horizontal dirigida (HDD) Se empezarán a analizar las características del proyecto con zanja a estudiar y a partir de estas se evaluara que metodologías sin zanja (trenchless) son las más apropiadas para ese proyecto, se tendrán en cuenta para la elección los siguientes factores: longitud total del trazado, diámetros de tubería a instalar, profundidades de instalación, tipos de suelo y objetivo en sí del proyecto. 10.1 Longitud total del trazado La longitud total del proyecto de instalación de tubería con zanja es de 1493 metros, a continuación verificaremos a que longitud de instalación están diseñados cada uno de los métodos sin zanja. 10.1.1 Topos de percusión e hincado por percusión pipe ramming Los topos de percusión neumáticos e hidráulicos están recomendados para instalaciones de tubería en longitudes entre los 12 y 18 metros de distancia, así concuerdan el documento “trenchless technologies and work practices review for saskatchewa municipalities” y la empresa y la empresa Tecmeco (Tecmeco, 2014)(PINTER, 2013). Mientras que la hinca por percusión pipe ramming puede llegar a longitudes de 100 metros como nos lo dice el documento “Preparation of Construction Specifications, Contract 110 Documents, Field Testing, Educational Materials, and Course Offerings for Trenchless Construction” y el “manual de tecnologías sin zanja” siempre y cuando se encuentren condiciones de suelo óptimas. 10.1.2 Pipe jacking y microtunelado Las metodologías pipe jacking y microtunelado pueden alcanzar longitudes de hasta 1000 metros sin pozos intermedios. Las estaciones intermedias de empuje, interjacks, instaladas a lo largo del túnel, garantizan que la fuerza de empuje se mantenga en la potencia admitida (Najafi y Gokhale 2004) y (PINTER, 2013). 10.1.3 Perforación con tornillos sin fin, auger boring El auger boring fue desarrollado inicialmente para cruzar debajo de una calzada de dos carriles con una longitud media de 12 metros y una longitud máxima de 21 metros. Sin embargo, las longitudes típicas en la ejecución de proyectos van desde los 30 metros a los 200 metros con una demanda cada vez mayor para instalaciones más largas. La barrena más larga de auger boring que se tenga registro es de 270 metros.(PINTER, 2013) 10.1.4 Perforación horizontal dirigida HDD La industria del HDD se divide en tres grandes sectores (maxi-HDD), (midi-HDD), y (mini-HDD). No existe diferencia significativa en los mecanismos de funcionamiento de dichos sistemas, pero si su varía su aplicación en longitudes, se puede observar en la siguiente tabla, tomada del documento “trenchless technologies and work practices review for saskatchewan municipalities”: 111 Tabla 15 Longitud máxima de instalación para maquinaria HDD, (PINTER, 2013) pg 3. A continuación se muestra las longitudes máximas de instalación de tubería por las diferentes metodologías sin zanja (trenchless): LONGITUD DE INSTALACIÓN (M) Longitud maxima de instalación para diferentes metodos sin zanja 1800 2000 1500 1000 1000 1000 500 18 200 100 0 Topos de Percusion Pipe Ramming Pipe Jacking microtunelado Auger Boring Perforacion Horizontal Dirigida METODO SIN ZANJA Figura 45 Análisis de longitudes máximas de instalación permitidas para diferentes métodos sin zanja. 10.2 Diámetro de tubería El diámetro del proyecto para la instalación de la tubería con zanja es de 2400 mm, a continuación se verificara para que diámetro de instalación están diseñados cada uno de los métodos sin zanja. 112 10.2.1 Topos de percusión e hinca por percusión pipe ramming Los diámetros típicos de tubería instalada por topos neumáticos e hidráulicos máximo llegan a un máximo de 6 pulgadas (Tecmeco, 2014). Mientras que por pipe ramming, el rango de instalación de tuberías es de 153 mm (6”) a 1553 mm (60”), sin embargo este tipo de hincado de tuberías se ha utilizado para instalar tubería hasta de 3730 mm (147”) de diámetro, pero para esto se requieren condiciones del suelo muy especiales. 10.2.2 Pipe jacking y microtunelado El diámetro mínimo recomendado según (Najafi, Gunnink, & Davis, 2005) para trabajar con el método de Pipe Jacking es de 1067 mm (42”) y puede llegar a trabajar diámetros de 3400 mm (133”). Mientras que el método de microtunelado opera diámetros desde los 120 mm y llega a diámetros hasta de 4000 mm o menos y son capaces de trabajar prácticamente en todos los terrenos (PINTER, 2013)(Herrenknecht, 2012). 10.2.3 Perforación con tornillo sin fin, auger boring El método de auger boring se puede utilizar para instalar tubería que va desde los 100 mm (4”) a por lo menos 1830 mm (72”) de diámetro, los diámetros más comunes van de 200 mm (8”) a 900 mm (36”) (PINTER, 2013). 10.2.4 Perforación horizontal dirigida HDD La industria del HDD se divide en tres grandes sectores (maxi-HDD), (midi-HDD), y (mini-HDD). No existe diferencia significativa en los mecanismos de funcionamiento de dichos sistemas, pero si varía su aplicación en cuanto a sus diámetros, se puede observar en 113 la siguiente tabla tomada, del documento “trenchless technologies and work practices review for saskatchewan municipalities”: Tabla 16 Diámetros para instalación para metodología de perforación horizontal dirigida HDD.(PINTER, 2013) pg 3. A continuación se muestra los diámetros máximos de instalación de tubería por DIÁMETROS DE TUBERÍA (MM) metodología sin zanja: Diámetros maximos aceptables de instalación para diferentes metodos sin zanja 5000 4000 3000 2000 1000 0 3730 3400 4000 1830 1200 153 Topos de Percusion Pipe Ramming Pipe Jacking microtunelado Auger Boring Perforacion Horizontal Dirigida METODO SIN ZANJA Figura 46 Análisis para diámetros máximos aceptables de tubería para diferentes métodos sin zanja. 114 10.3 Profundidades de instalación 10.3.1 Topos de percusión e hinca por percusión pipe ramming Los topos de percusión hidráulicos y neumáticos según la Empresa Tecmeco, pueden alcanzar profundidades de 10 veces el diámetro del tamaño del topo, aproximadamente 3 metros máximo (Tecmeco, 2014). 10.3.2 Pipe jacking y microtunelado La tubería hincada por pipe jacking y el microtunelado sirven para colocación de nuevas tuberías en presión o de gravedad, a través de muchos tipos de terrenos y virtualmente a cualquier profundidad (PINTER, 2013). 10.3.3 Perforación con tornillo sin fin, auger boring Las condiciones del terreno pueden suponer una limitación en términos de profundidad y capacidad, particularmente en zonas de nivel freático alto (Tecmeco, 2014). Además grandes profundidades pueden suponer problemas en el diseño de las dimensiones del pozo de ataque (Manual de Tecnologías sin Zanja, 2013). 10.3.4 Perforación horizontal dirigida HDD La industria del HDD se divide en tres grandes sectores (maxi-HDD), (midi-HDD), y (mini-HDD). No existe diferencia significativa en los mecanismos de funcionamiento de dichos sistemas, pero si su varía su aplicación en función de la profundidad a la que se trabaje, se puede observar en la siguiente tabla, tomada del documento “trenchless technologies and work practices review for saskatchewan municipalities”: 115 Tabla 17 Profundidades para instalación para metodología de perforación horizontal dirigida HDD. (PINTER, 2013) pg 3. A continuación se muestra las profundidades máximas de instalación de tubería por metodología sin zanja: PROFUNDIDAD (M) Profundidades maximas aceptables de instalación para diferentes metodos sin zanja 120 100 80 60 40 20 0 100 100 61 3 10 Topos de Percusion Pipe Ramming Pipe Jacking microtunelado Perforacion Horizontal Dirigida METODO SIN ZANJA Figura 47 Análisis de profundidades máximas aceptables de instalación para diferentes métodos sin zanja. 116 10.4 Tipos de Suelo 10.4.1 Topos de percusión e hincado por percusión pipe ramming La acción compactadora del topo de percusión significa que, en términos generales, solamente puede utilizarse en suelos que puedan ser comprimidos o desplazados. En caso de encontrarse con suelos con presencia de rocas están podrían desviar el topo y generar problemas en la instalación (Manual de Tecnologías sin Zanja, 2013). 10.4.1 Pipe jacking y microtunelado Las últimas tecnologías han permitido que estos dos métodos sean aplicados a un amplio abanico de condiciones del terreno desde arenas y gravas saturadas, pasando por arcilla y limos blandos, consolidados, secos o saturados, hasta roca sólida (Manual de Tecnologías sin Zanja, 2013). 10.4.2 Perforación con tornillos sin fin, auger boring El método se emplea normalmente en suelos blandos como arcillas y suelos blandos con bolos (suelos húmedos). Algunos sistemas se han diseñado para funcionar en formaciones de roca blanda con el uso de una cabeza de corte especial, es decir que el sistema con adaptaciones especiales podría funcionar en suelos más duros incluidos los de roca. Además de esto los niveles freáticos altos y los suelos fluyentes causan problemas (Manual de Tecnologías sin Zanja, 2013). 117 10.4.3 Perforación horizontal dirigida HDD Las capacidades de las maquinas HDD varían considerablemente según el tipo de suelo. En términos generales los suelos más favorables son las arcillas, las arenas pueden generar problemas, especialmente si estas están debajo del nivel freático. Las gravas pueden ser penetradas pero a expensas de grandes desgastes de la cabeza de taladro. Para maquinas estándar los suelos de rocas son inadecuados (PINTER, 2013). 10.5 Evaluación y selección de 3 metodologías sin zanja (trenchless) para las condiciones de longitud del trazado, diámetro de tubería, profundidad de instalación y tipos de suelos encontrados en el proyecto en estudio con método a zanja abierta Con la anterior información y la recolectada en el proyecto elegido con zanja abierta, se cuentan con los suficientes argumentos para poder descartar 3 de las 6 metodologías para instalación de nueva tubería con tecnología sin zanja, y poder realizar el análisis de estas 3 restantes para llegar a escoger una única metodología sin zanja, la cual será utilizada en la comparación entre metodologías, objetivo primordial de este trabajo. Contamos en total con 6 metodologías sin zanja: topos neumáticos e hidráulicos, pipe ramming, pipe jacking, microtunelado, auger boring (tornillo sin fin) y perforación horizontal dirigida HDD. Teniendo en cuenta las características del proyecto a zanja abierta, el cual requiere de instalación de tubería nueva con una longitud total de 1493 metros y con profundidades entre los 5.44 metros y los 13.5 metros, con diámetros de tubería de 2400 mm (94”), el proceso investigativo indica que la metodología sin zanja de topos neumáticos e 118 hidráulicos, no sería aplicable, pues esta solo seria para longitudes máximas de 16 metros, para diámetros máximos de 152 mm (6”) y para profundidades máximas de 3 metros (Najafi et al., 2005). La siguiente metodología que no estaría en condiciones de cumplir con las especificaciones del proyecto con zanja, sería el método de auger boring (tornillo sin fin), pues aunque está diseñado para instalar tuberías de longitudes hasta de 200 metros (PINTER, 2013), requeriría de la construcción de una gran cantidad de pozos de ataque y de salida, para poder alcanzar el objetivo de los 1493 metros, además de esto el método solo tiene la capacidad máxima de instalar tubería de un diámetro de 1500 mm (60”) (Najafi et al., 2005). Y aunque las condiciones del suelo son favorables, pues, los suelos del proyecto tienen presencia de suelos blandos y arcillas, ideales para el funcionamiento de este método (Manual de Tecnologías sin Zanja, 2013), también hay presencia de niveles freáticos muy altos (como por ejemplo: 0.7 metros, 1.4 metros y 2.8 metros) y según la información anteriormente mencionada esto podría llegar a ser problemático para el correcto funcionamiento del método. Por último la metodología de pipe ramming es dejada atrás en el proceso de selección, pues al igual que el método de auger boring (tornillo sin fin), ambas cuentan con longitudes de instalación grandes, hasta los 100 metros (PINTER, 2013), pero estas no son suficientes para cumplir con el objetivo total de instalación de tubería de 1493 metros, para ello se requeriría de la construcción de varios pozos de ataque y salida, y debido a las profundidades que maneja el proyecto, que son entre 5.44 y 13.5 metros, esto no sería recomendable. Sin mencionar que el método en sí, solo tiene la capacidad máxima de 119 instalar diámetros de 1560 mm (60”) (Najafi et al., 2005), y requeriría de componentes adicionales para llegar a diámetros de 2400 mm como los del proyecto estudiado. Quedan de esta manera solo 3 métodos de instalación de tubería sin zanja, estos serán revisados y comparados en el siguiente capítulo con el objetivo primordial de seleccionar uno solo, aquel que reúna y cumpla todas las condiciones y especificaciones del proyecto estudiado con zanja. 11. Evaluación y selección de una metodología de instalación de tubería sin zanja (trenchless) entre las 3 preseleccionadas en el capítulo anterior, para la comparación tecnológica y de costos del proyecto con método convencional a zanja abierta en estudio Teniendo en cuenta la selección de los métodos de instalación de tubería sin zanja en el capítulo anterior, las metodologías que aún se contemplan en el proceso de selección son: pipe jacking, microtunelado y perforación horizontal dirigida, es necesario escoger un único método, que cumpla con las condiciones y especificaciones del proyecto con zanja elegido. A pesar de que la perforación horizontal dirigida es uno de los métodos que alcanza mayores longitudes de instalación de tubería, entre las tecnologías sin zanja, entre los 1000 metros y los 3000 metros, estos últimos en condiciones de suelos ideales (Manual de Tecnologías sin Zanja, 2013). lo anterior muestra que fácilmente podría cubrir los 1493 metros de longitud de instalación que requiere el proyecto estudiado con zanja, así como también cubrir las profundidades de instalación, pues llega a instalar a profundidades de 60 metros (PINTER, 2013). Además la presencia de suelos arcillosos, encontrados en el 120 proyecto, es otro punto a favor, pues estos son los suelos más favorables para el correcto funcionamiento del método (Najafi et al., 2005), sin mencionar que la no presencia de rocas en los suelos es otra ventaja, pues no requerirá de fluidos de perforación. Al llegar a este punto, la perforación horizontal dirigida pareciese cumplir todas las especificaciones para ser apta para el proyecto de construcción del colector pluvial en el proyecto Maipore, inclusive gracias a los últimos avances, permite en la actualidad instalar tuberías de gravedad, cosa que hace pocos años no era posible, sin embargo una limitante importante que presenta la metodología, es los diámetros de instalación de tuberías, pues solo puede alcanzar diámetros de 1200 mm (50”), tal como lo dicen los autores Mohammad Njafi y Brett Gunnink en su libro “trenchless Construction Methods, and Implementation Support” (Najafi et al., 2005), por esta única razón se descarta la perforación horizontal dirigida HDD, como posible método sin zanja para el proyecto estudiado en el presente trabajo. A partir de este punto, en el proceso de evaluación y selección quedan dos métodos de nueva instalación de tubería de tecnología sin zanja que son, el tubo hincado o pipe jacking y microtunelado. Los métodos de pipe jacking y microtunelado pertenecen a una misma familia de técnicas de colocación de nueva tubería y tienen las mismas capacidades de instalación de tuberías, en cuanto a longitudes, diámetros, profundidades y las dos pueden ser trabajadas prácticamente en cualquier tipo de terreno (PINTER, 2013), ambas se emplean normalmente para instalación tuberías troncales o principales (Manual de Tecnologías sin Zanja, 2013). 121 Es de notar que el método de microtunelado tiene una ramificación, llamada microtunelado con tubo piloto, esta es un hibrido entre el microtunelado “tradicional” y el sistema de perforación direccional y normalmente es empleada para la instalación de diámetros pequeños (Manual de Tecnologías sin Zanja, 2013), por lo que no entra en el proceso de evaluación y selección de las metodologías adecuadas para el proyecto estudiado. Las metodologías sin zanja de pipe jacking y microtunelado tienen como aplicaciones más comunes la instalación de alcantarillados que funcionan por gravedad, y son ideales, pues cuentan con una alta precisión de alineación y cota, normalmente requerida en este tipo de proyectos. Después de una amplia investigación con información proveniente de empresas prestadoras de servicios de instalación de tubería con tecnología sin zanja, documentos científicos, documentales y manuales. Se llegó a la conclusión de que los métodos de microtunelado y pipe jacking son complementarios (HOBAS, 2012), es decir, ambos son utilizados en el proceso de instalación de tubería, el pipe jacking por su parte consiste en la acción de los gatos hidráulicos que van hincando la tubería en el terreno (Manual de Tecnologías sin Zanja, 2013), mientas que el microtunelado es el que proporciona la cabeza cortadora al interior de la perforación y que a su vez controla la alineación y cota del procedimiento, como se observa en la figura No. 48 (PINTER, 2013). 122 Figura 48 Instalación de tubería con métodos Pipe Jacking y Microtunelado Figura 48: Tomada de “Hinca de tubos con tecnología de microtuneladoras”, pág. 5,(Herrenknecht, 2012) Teniendo certeza de lo mencionado anteriormente, se procede a verificar que la metodología pipejacking/microtunelado de tecnología sin zanja cumpla todas las especificaciones del proyecto estudiado con zanja. 11.1 Verificación de longitud total del trazado para la metodología pipejacking/microtunelado La familia del pipe jacking y microtunelado en combinación, son capaces de instalar longitudes hasta de 1000 metros sin pozos intermedios (Herrenknecht, 2012), las estaciones intermedias de empuje, instaladas a lo largo del túnel garantizan que la fuerza de empuje no sobrepase la máxima potencia admitida. Como en el proyecto con zanja estudiado la longitud total a instalar es de 1493 metros, sería necesario la creación de un pozo adicional a los de ataque y salida, con el objetivo de cubrir la longitud total (Laloum, n.d.), de esta forma el pozo de salida inicial será acondicionado para ser el nuevo pozo de ataque. 123 11.2 Verificación del diámetro de la tubería para la metodología pipejacking/microtunelado El método de pipe jacking puede llegar a trabajar diámetros de 3400 mm (133”). Y el método de microtunelado opera diámetros hasta de 4000 mm (Herrenknecht, 2012). Lo que muestra que las metodologías cumplen satisfactoriamente con los requerimientos de diámetro que exige el proyecto, tubería de 2400 mm de diámetro (PINTER, 2013). 11.3 Verificación de las profundidades de instalación para la metodología pipejacking/microtunelado En este aspecto la metodología sin zanja no tendrá problemas para la instalación de la tubería, pues el proyecto con zanja elegido requiere profundidades de hasta 13 metros, y el método está en la disposición de instalar tubería a prácticamente cualquier profundidad (PINTER, 2013). 11.4 Verificación de los tipos de suelo para la metodología pipejacking/microtunelado Las últimas tecnologías han permitido que estos dos métodos sean aplicados a un amplio abanico de condiciones del terreno desde arenas y gravas saturadas, pasando por arcilla y limos blandos, consolidados, secos o saturados, hasta roca sólida. No debería presentar ningún tipo de problema, ya que los suelos del proyecto elegido presentan las siguientes características: presencia de arcillas, arcillas arenosas, limos con consistencia blanda y presencia de niveles freáticos altos, que son terrenos totalmente aptos para trabajo con la combinación de estas metodologías. 124 11.5 Metodología de instalación de tubería sin zanja seleccionada para la comparación tecnológica y de costos en el proyecto elegido de zanja abierta Después del proceso investigativo y de selección en busca de la metodología sin zanja adecuada para realizar la comparación de tecnologías entre métodos con y sin zanja, esta arrojó que la metodología sin zanja que cumple con todas las especificaciones referentes a longitudes de instalación, diámetros, profundidades, tipos de suelos presentes y objetivo del proyecto (alcantarillado) con zanja estudiado, es la combinación de los métodos pipe jacking y microtunelado, ambas pertenecientes a la misma familia en la tecnología sin zanja. 11.5.1 Clasificación de tuneladoras Las condiciones geológicas de los terrenos son invariables, pero los equipos son adaptables para optimizar su rendimiento dependiendo del tipo de suelo (Herrenknecht, 2012). A continuación describiremos los principales tipos de tuneladoras existentes en el mercado. Las principales ventajas de la serie AVN-T son el acceso al frente de la perforación a partir de diámetros de 1200 mm y el potente accionamiento para la rueda de corte. Estas son condiciones imprescindibles para trabajar en las rocas más duras (hasta 300 Mpa) y para largas distancias sin presencia de pozos intermedios (Herrenknecht, 2012). 125 Figura 49 Maquina tuneladora AVN-T Figura 48: Tomada de “Hinca de tubos con tecnología de microtuneladoras”, pg. 10,(Herrenknecht, 2012) La serie AVN-D tiene sus ventajas en suelos no homogéneos y con condiciones geológicas variables, con y sin nivel freático. Esta máquina tiene la capacidad de ser transformada de un Mix-shield a Slurry (modo bentonitico) durante la hinca y permite el acceso al frente de perforación para cambio de herramientas de corte. Da garantías para una eficaz hinca de largas distancias en terrenos sueltos y rocas semiduras (Herrenknecht, 2012). 126 Figura 50Maquina tuneladora AVN-D Figura 50: Tomada de “Hinca de tubos con tecnología de microtuneladoras”, pg.10,(Herrenknecht, 2012) El equipo EPB con bomba para materiales espesos se emplea con éxito en suelos blandos a partir de diámetros de 1400mm. La potente bomba de transporte de material hace posible un elevado rendimiento de avance y el material extraído se puede depositar directamente en el vertedero, el sistema EPB asegura el sostenimiento del frente y en caso de necesidad se pueden añadir aditivos o agua para acondicionar el material (Herrenknecht, 2012). 127 Figura 51 Maquina tuneladora EPB Figura 51: Tomada de “Hinca de tubos con tecnología de microtuneladoras”, pg. 5,(Herrenknecht, 2012) Los escudos abiertos que trabajan con excavadoras y o rozadoras extraen los escombros en función de la geología a la vez que los carga en una cinta trasportadora. Por norma general, se emplean en suelos homogéneos y sin nivel freático aunque para casos especiales existen sistemas de presurización (Herrenknecht, 2012). Figura 52 Maquina tuneladora de Escudo abierto Figura 52: Tomada de “Hinca de tubos con tecnología de microtuneladoras”, pg. 5,(Herrenknecht, 2012) 128 12. Análisis de la estructura de costos correspondiente a la obra seleccionada con zanja y el método de instalación de tubería sin zanja (pipe jacking) aplicable a esta. 12.1 Porcentajes de incidencia de APU para las principales actividades del proyecto con zanja en estudio Para realizar el análisis del presupuesto en el proyecto en estudio se estudiaron los APU de las actividades que presentaron mayor influencia en el costo total del proyecto, para poder determinar qué es lo más relevante incluyendo materiales, equipos, mano de obra o en algunos casos subcontratos realizados. A continuación se muestran los resultados arrojados por este análisis: Sistema de entibado: PORCENTAJE DE INCIDENCIA Estructura de costos de sistema de Entibado 48% 50% 40% 30% 20% 20% 16% 15% 10% 1% 0% Ayudante Maestro Retro E-200 Electrobomba Entibado / Motob. Antideslizante DESCRIPCIÓN Figura 53 Análisis de estructura de costos para el sistema de entibado en el proyecto en estudio. Para la actividad de entibado se puede observar que lo más representativo es el insumo del mismo con un 48% sobre el valor total por metro cuadrado que es de $ 241.803 pesos, seguido de la mano de obra, la cual sumando el ayudante y maestro representan un 36%. 129 Suministro e instalación de tubería: PORCENTAJE DE INCIDENCIA Estructura de costos suministro e instalación de tubería 92" (2300mm) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 90,62% 1,16% 0,48% 0,55% 0,55% 3,31% 0,12% 0,18% 0,23% 1,27% 1,52% DESCRIPCIÓN Figura 54 Análisis de la estructura de costos para el suministro e instalación de tubería de 92”(2300mm) en el proyecto estudiado El análisis de precios unitario para la instalación y suministro de tubería de 92” o 2300 mm tiene un costo total de $ 1´839.199 por metro lineal y se puede observar en la gráfica anterior como el insumo de la tubería representa un 90% del costo total, y según indagaciones realizadas a ingenieros relacionados con este proyecto eso ocurre por los grandes diámetros y el material empleado (tubería GRP, poliéster reforzado con fibra de vidrio). 130 Material de relleno seleccionado de excavación: PORCENTAJE DE INCIDENCIA Estructura de costos de material seleccionado de excavación 32,56% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 28,88% 13,80% 11,87% 8,38% 4,51% Ayudante Maestro Inspector DESCRIPCIÓN Retro E-200 Electrobomba Combustibe / Motob. Figura 55 Análisis de estructura de costos para el relleno en material seleccionado de excavación en el proyecto en estudio El valor total por metro cúbico de material en relleno seleccionado de la excavación fue de $18.480 pesos, que se divide básicamente en el valor de la retroexcavadora y el ayudante con un 62 % aproximadamente de importancia sobre el costo total por m3 de la actividad. Material de relleno tipo triturado: PORCENTAJE DE INCIDENCIA Estructura de costos de relleno en triturado 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 48,35% 7,02% 11,54% 6,71% 7,92% 8,15% 9,21% 1,10% DESCRIPCIÓN Figura 56 Porcentajes de incidencia para el relleno en triturado en el proyecto en estudio 131 Por último, de las actividades que predominaron en el presupuesto del proyecto realizado por Structural Forms se encuentra el relleno con material triturado, donde nuevamente se destaca el insumo del relleno de triturado con un 49%, mayor a los demás ítems como transporte, mano de obra o maquinaria empleadas. El costo total por metro cúbico de esta actividad fue de $76.004 pesos. 12.2 Estructura de costos del método sin zanja en estudio (pipe jacking/microtunelado) Para la búsqueda y recopilación de información referente al costeo de proyectos sin zanja en Bogotá, fue necesario acudir al ICTIS con el objetivo de encontrar empresas que estén o hubieran realizando proyectos con esta tecnología y que a su vez estuvieran en la disposición de suministrar documentos relacionados al tema. Pero desde un principio se comunicó la dificultad que representaba la entrega de estos, pues por lo general las empresas que trabajan en este medio son muy reservadas. Los documentos que se solicitaron para el análisis de la estructura de costos de los proyectos sin zanja a estas empresas fueron: presupuestos con sus respectivos análisis de precio unitarios (APU) tanto de inicio y cierre de obra. Vale aclarar que la información brindada en cuanto a los diseños, información general de los proyectos, planos, estudios de suelos, programación de obra y la disponibilidad de realizar visitas a obras, por parte de las empresas fue excelente. Sin embargo en el ítem de costos por temas de competitividad empresarial en el medio, no fue posible que se suministrara la información de análisis de precios unitarios de los presupuestos. Solo se lograron conseguir los costos generales de los proyectos. 132 Teniendo como base los costos generales de los proyectos sin zanja conseguidos, se realizó un análisis en busca de determinar cómo los factores de longitud y diámetro de instalación de tuberías afectan la estructura de costos. Los resultados de los 5 proyectos encontrados con la aplicación del método sin zanja pipe jacking/microtunelado se mostrarán a continuación: Cruce de autopista Sur, realizado por empresa Microtunel S.A Para esta obra en particular el costo de los pozos de entrada y salida representan más del 50% del costo total por metro lineal de instalación de tubería como se ve en la figura No. 57. Esto se debe a que la distancia de instalación fue muy corta (Díaz, 2014), pues en el proyecto solo se empleó esta tecnología para el cruce de la autopista sur por las grandes complicaciones que hubiera representado un cierre parcial o total de esta importante y transitada vía. El costo por metro lineal de instalación fue de $34,541,538.46 pesos (Anexo 8). Porcentaje de Incidencia Estructura de costos para intalación Pipe Jacking D=2300mm y L=65m. 60% 40% 53,4% 37,0% 20% 9,6% 0% Pozo circular de empuje y salida Actividad Excavacion e instalacion de tuberia D=2300 mm con tuneladora y equipos Suministro de tuberia de concreto reforzado especial para Pipe jacking Figura 57 Análisis de estructura de costos pasa sistema pipe jacking, D=2300mm y L=65 m. 133 Proyección colector pluvial hacia el rio Bogotá (Ciudadela Colsubsidio Maipore), realizado por empresa Bessac-Andina. Los datos pertenecen a la propuesta que realizó Bessac Andina a Colsubsidio para la instalación de tubería en diámetro de 2450 mm con una longitud de 1493 metros. Teniendo en cuenta estas características el costo por metro lineal de instalación planteado fue de $11, 420,500.34 pesos (Anexo 9). Las incidencias de cada actividad dentro de este costo se ven en la gráfica No. 58: Porcentaje de Incidencia Estructura de costos para instalación Pipe Jacking D=2450mm y L=1493m. 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 64% 20% 6% 5% Pozos de Excavacion e Instalacion Retorno en lanzamiento y instalacion de tuneladora y Pozo de recepción tuberia DN equipos lanzamiento 2.45 5% Repliegue Tuneladora Actividad Figura 58 Análisis de estructura de costos pasa sistema Pipe Jacking, D=2450mm y L=1000 m . Construcción de la intersección a desnivel de la Av Laureano Gómez (Ak 9) por calle 94 y su conexión con la avenida santabárbara (Ak 19) en Bogotá. Este proyecto presentó el menor costo por metro lineal entre las obras estudiadas, este fue de $ 5, 265,677.00 pesos (Anexo 10). Esto se puede atribuir a que fue el que empleó un menor diámetro de tubería (900 mm), pese a esto dentro de su estructura de costos la 134 actividad que representa un mayor porcentaje fue la de excavación e instalación de tubería con un 61%, la construcción de los pozos ocupan el segundo lugar con 31,8%, como se Porcentaje de Incidencia muestra en la figura No. 59. Estructura de costos para instalación Pipe Jacking D=900mm y L=274m. 100% 50% 31,8% 61,0% 7,2% 0% Pozos de lanzamiento y Recepción Excavacion e instalacion de tuberia D=0,90 m Instalacion tuneladora y equipos Actividad Figura 59 Análisis de estructura de costos pasa sistema Pipe Jacking, D=900mm y L=274 m. Proyección cruce de autopista sur, realizado por empresa Bessac-Andina Antes de adjudicársele a Microtunel S.A las obras para instalación de tubería a través de la autopista sur, la empresa Bessac Andina también envió una propuesta en la cual el costo por metro lineal de instalación era de $ 36, 706,869.43 pesos (Anexo 11) a la cual se tuvo acceso para poder continuar con el análisis del presente trabajo. En la figura No. 60 se puede observar como con longitudes menores de instalación los pozos de ataque y salida toman un gran porcentaje del costo total, en este caso fue del 52%. 135 Porcentaje de Incidencia Estructura de costos para instalación Pipe Jacking D=2450mm y L=76,28m. 60% 40% 52,0% 43,2% 20% 4,8% 0% Pozos de lanzamiento y Recepción Actividad Excavacion e instalacion de tuberia en concreto reforzado clase IV D=2,45 m Instalacion tuneladora y equipos Figura 60 Análisis de estructura de costos pasa sistema Pipe Jacking, D=2450mm y L=76.28 m. Proyecto de construcción del alcantarillado para conexión al ITB por microtunelado para el macro proyecto Ciudad Verde Dentro de la estructura de costos por metro lineal en esta obra la actividad más relevante fue la excavación e instalación de tubería con tuneladora y equipos necesarios abarcando el 59% y dejando por detrás aspectos como el suministro de tubería que representó el 24% o la construcción de los pozos de lanzamiento y recepción que fue del 16% tal como se ve en la figura No. 61. El costo por metro lineal de instalación fue de $7,601,367.21 pesos (Anexo 12). 136 Porcentaje de Incidencia Estructura de costos para instalación Pipe Jacking D=1300mm y L=343m. 60% 30% 0% 59,3% 24,0% 16,7% Pozos de lanzamiento y Recepción Suministro de tubería deConcreto D=1,3 m Actividad Excavacion e instalacion de tuberia con tuneladora y equipos Figura 61 Análisis de estructura de costos pasa sistema Pipe Jacking, D=1300mm y L=343 m. Los resultados encontrados en la investigación de los proyectos sin zanja en cuanto a características como longitud, diámetro y costo por metro lineal de instalación de tubería, están recopilados en la siguiente tabla: Diámetro (mm) Longitud (m) Bessac-Andina Calle 94 900 274 $ 5,265,677.00 Ciudad Verde 1300 343 $ 7,601,367.21 Bessac-Andina Colector Maipore 1700 1493 $ 11,420,500.34 Microtúnel Autopista Sur 2300 65 $ 34,541,538.46 Bessac-Andina Autopista sur 2450 76.28 $ 36,706,869.43 Empresa Costo metro lineal (COP) Tabla 18 Análisis de costo por metro lineal, diámetro de tubería y longitud para los proyectos investigados con tecnología sin zanja. Haciendo una revisión de los diferentes presupuestos y proyecciones de los proyectos con tecnología sin zanja (Trenchless) investigados, se determinó la existencia de relaciones entre la longitud total del trazado y el diámetro a instalar con el costo por metro lineal de instalación de tubería, tal como lo muestran las figuras No. 62 y No. 63 respectivamente. 137 Costo por metro lineal (COP) Costo por metro lineal de instalación en método pipe jacking en función de la longitud del trazado 40.000.000 30.000.000 20.000.000 10.000.000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Longitud del trazado (m) Figura 62 Análisis de costo por metro lineal de instalación en método pipe jacking en función de la longitud total trazado Se evidencio que a menor longitud total de instalación de tubería con metodología pipe jacking/microtunelado sin zanja, el costo por metro lineal de instalación de tubería aumenta, esto se debe a que esta metodología como mínimo requiere de la construcción de dos pozos (ataque y salida), los cuales tienen un costo que no varía en función de la longitud a instalar como si lo podrían afectar factores como profundidad y diámetro a instalar. Vale mencionar que esta gráfica es el resultado del análisis de los 5 proyectos sin zanja investigados y analizados en este documento, y no sirve como base de costeo para otros posibles proyectos que pretendan la utilización de tecnología sin zanja por el método de pipe jacking. En cuanto a la relación diámetro a instalar con costo total por metro lineal, se observa que a mayor diámetro requerido en el proyecto, el costo por metro lineal de instalación de tubería aumenta. Esto sucede porque al tener diámetros mayores se requieren pozos con dimensiones acordes a estos, maquinaria trenchless con mayor capacidad de instalación 138 (fuerza y diámetro) y el insumo de la tubería que eleva su costo con el aumento del Costo por metro lineal de instalación (COP) diámetro. Costo por metro lineal de instalación en función del diámetro a instalar 40.000.000 30.000.000 20.000.000 10.000.000 0 0 500 1000 1500 2000 Diámetro de tubería a instalar (mm) 2500 3000 Figura 63 Análisis de costo por metro lineal de instalación en función del diámetro a instalar Estos valores están sujetos a cambios según condiciones de cada proyecto tales como: longitud del trazado, profundidades de instalación, tipos de suelo. 13 Comparación de la estructura de costos directos del proyecto en estudio a zanja abierta con el método de instalación pipe jacking/microtunelado La demanda en la mejora de cantidad y calidad de la infraestructura subterránea para sistemas como acueducto y alcantarillado ha puesto una carga cada vez mayor en la planeación, instalación y mantenimiento en dicho servicio; Convencionalmente esto se realiza con métodos a zanja abierta y los contratistas deben excavar cuidadosamente mientras trabajan cerca a otras instalaciones previas de servicios públicos para alcanzar la profundidad requerida, lo que hace que las obras se tornen más lentas de lo estipulado inicialmente (Yeun & Sunil, 2004), entonces la innovación es un factor clave en el desarrollo de la infraestructura. La adopción de nuevos materiales, la instalación con nuevas tecnologías y sistemas de monitoreo pueden aumentar drásticamente el rendimiento y la fiabilidad de la instalación de tuberías (Marangoni, 2010). 139 El análisis de los costos de un proyecto de instalación de infraestructura subterránea normalmente se divide en dos ramas: costos directos e indirectos (costos por perjuicios colaterales), vale aclarar que en la realización de este documento se analizarán estos tomados desde el punto de vista de la entidad contratante y serán trabajados como costos de construcción y costos por perjuicios colaterales, de esta manera se procederá inicialmente a establecer el análisis de la comparación sobre la estructura de costos por construcción del proyecto en estudio a zanja abierta en relación con el método sin zanja elegido (pipe jacking/ microtunelado). Se partió del análisis de la estructura de costos para determinar las actividades más relevantes dentro de la obra a zanja abierta y así poder compararlas con las actividades semejantes en el proceso de instalación de tubería realizado mediante la metodología pipe jacking/ microtunelado. Estas actividades serán analizadas a continuación: Suministro de tubería Comparación de costo entre el suministro de tubería para el proyecto estudiado con zanja y su proyección con metodología pipe jacking/microtunelado sin zanja Obra con zanja Obra sin zanja Tubería OTEK (Poliéster Tubería de concreto reforzado y con reforzado con fibra de vidrio) recubrimiento interior en Polietileno de alta densidad, Suministro especial para metodología pípe Tubería 93" jacking (ml) $ 1,666.667 $ 3,300.000 Tabla 19 Comparación de costos en suministro de tubería con y sin zanja La diferencia de costos directos entre las tuberías necesarias para instalación con o sin zanja se debe a las grandes fuerzas de hincado que deben soportar en los métodos de pipe 140 jacking, pues se hace necesaria una correcta elección de los tubos con la capacidad adecuada para soportar los esfuerzos de empuje a las que están sometidas durante el proceso de hinca. Una de las características más importantes en este tipo de tuberías y que las diferencia de las tuberías empleadas en instalaciones a zanja abierta es diseño de las juntas, estas deberán fabricarse de acuerdo a los estándares reconocidos o su equivalente local, la junta debe armarse con el material adecuado, asegurando la distribución uniforme de los esfuerzos de hinca a lo largo de la junta (Manual de Tecnologias sin Zanja, 2013). Además, en la tubería empleada en pipe jacking las juntas no sobresalen por fuera del cilindro del tubo, a diferencia de los tubos convencionales para zanjas a cielo abierto, que normalmente tienen juntas de enchufe y campana (Diámetro exterior superior al resto del cilindro exterior del tubo). Las ventajas que ofrece este tipo de tubería es el bajo coeficiente de rozamiento con el terreno durante la hinca, ya que está libre de protuberancias. Excavación e Instalación de tubería: Para realizar esta comparación fue necesario unificar las actividades de excavación e instalación en el proyecto realizado a zanja abierta, se utilizaron los análisis de precios unitarios, en estos se encontró que el precio de excavación por m3 fue de $ 6.851 pesos y el precio para instalación de tubería por metro lineal fue de $ 172,532. Se requería calcular el volumen promedio de los perfiles de la zanja a lo largo del trazado para un metro lineal (Anexo 13), este cálculo arrojó un total de 37.95m3 de material excavado en un metro lineal de instalación. 141 Finalmente los 37.95 m3 se multiplicaron por el precio de un metro cúbico de excavación para un total de $ 260,008 pesos, el cual se sumó al precio por metro lineal de instalación de tubería igual a $ 172.532, para un total de $432.540 pesos. Costo total por metro lineal de excavación e instalación de tubería en el proyecto en estudio a zanja abierta Descripción Unidad Volumen del perfil promedio de excavación a lo largo del trazado m3 37,95 Valor metro cúbico excavación Cop $6.851 Valor total de excavación por metro lineal del perfil promedio a lo largo del trazado Cop $260.008 Valor metro lineal de instalación de tubería Total excavación e instalación de tubería Cop Cop $172.532 $432.540 Tabla 20 Costo total por metro lineal de excavación e instalación de tubería en el proyecto en estudio a zanja abierta A partir de esta información se procede a evaluar los porcentajes de incidencia de cada una de los APU correspondientes a excavación e instalación de tubería con el fin de determinar las actividades que gobiernan el costo unitario dentro de estas actividades. Se inicia analizando los porcentajes de incidencia dentro del APU para la actividad de excavación a máquina, se observó que el componente que gobierna el costo por m3 es la excavación Retro E-200 con un porcentaje cercano al 88%. Tal como se ilustra en la figura No.64. 142 Estructura de costo del APU de excavación a máquina Porcentaje de incidencia 100% 87,8% 80% 60% 40% 20% 12,2% 0% Retro E-200 Electrobomba / Motob. Componentes Figura 64 Análisis de la estructura de costo del APU de excavación a máquina Ahora se analizarán los porcentajes de incidencia del APU para instalación de tubería de 92” está compuesta por mano de obra que consta de ayudante, maestro, inspector e ingeniero SISO y equipos que se divide en retro E-200, motobomba, malacates de cadena, eslingas, entibado de protección y láminas 1” x 6.10 m x 2.4 m. De esta lista de actividades la que gobierna el costo por metro lineal en la instalación de tubería fue el empleo de la Retro E-200 con un 35% y le sigue las láminas 1” x 6.10 m x 2.4 m con un 16%; Tal como se ve en la figura No 65. 143 PORCENTAJE DE INCIDENCIA Estructura de costos de instalación Tubería 92 " 40% 35,3% 30% 20% 13,5% 12,4% 10% 5,1% 5,9% 5,9% 1,3% 1,9% 16,2% 2,4% 0% DESCRIPCIÓN Figura 65 Análisis de la estructura de costos del APU de instalación de tubería 92” La tabla No. 21 muestra la comparación del costos directo entre la excavación e instalación de tubería para el proyecto en estudio con zanja y su proyección de costo con metodología pipe jacking suministrada por la empresa Bessac andina (Anexo 9). Comparación del costo directo entre la excavación e instalación de tubería para el proyecto en estudio con zanja y su proyección con metodología pipe jacking/microtunelado sin zanja Obra con zanja Obra sin zanja Excavación e instalación de tubería (ml) Excavación manual y/o a máquina e instalación manual. Excavación con tuneladora y empuje por gatos hidráulicos (Pipe Jacking) $432,540.00 $8,245,856.00 Tabla 21 Comparación de costos por excavación e instalación de tubería con y sin zanja En las obras que se emplea tecnología sin zanja por lo general la excavación e instalación son una misma actividad, esto de igual manera sucede en el método elegido de pipe jacking, a medida que la tuneladora hace el trabajo de excavación horizontal desde el pozo 144 de ataque por medio del empuje hidráulico se van hincando los tubos de modo que estos formen una tubería continua en el terreno y esta será la red final al terminar el proceso. Pozos de ataque y finalización En la tabla No. 22 se evidencia que los pozos de ataque en la metodología de pipe jacking/microtunelado exigen unas mayores dimensiones y por lo tanto mayores costos de construcción en comparación a los pozos de finalización. Estos valores pueden ser revisados en el Anexo 9. Descripción Costo Directo Obra con zanja Obra sin zanja Pozo de ataque D=12m Pozo de finalización D=8 m ----- $ $ 1,038,848,000.00 779,136,000.00 Tabla 22 Comparación de costo para pozos de ataque y finalización Tal como se ha mencionado en capítulos anteriores la metodología pipe jacking/microtunelado, requiere la construcción de un pozo de ataque y uno de finalización. Para proyectos con longitudes de más de 1000 metros, diámetros de tubería cercanos a los 2300 mm y profundidades que alcanzan los 13 metros se presentan los costos aproximados para la construcción de estos en la tabla número 26. Aunque estos pueden variar dependiendo de la máquina (microtuneladora) que vaya a utilizarse. Por el contrario en las obras a cielo abierto no es necesaria la construcción de estos pozos pues los procesos constructivos son diferentes. Cabe mencionar que una vez que se haya terminado la instalación de tubería a lo largo del trazado propuesto inicialmente se realiza una adecuación a los pozos de ataque y finalización para que estos puedan funcionar como cámaras o pozos de inspección. 145 Sistema de entibado Costo directo de instalación de sistema de entibado por (m2) Obra con zanja Obra sin zanja Entibado y formaleta temporal tipo --tablestaca metálica Descripción Sistema de entibado (m2) $ 241,802.85 Tabla 23 Comparación de costos de instalación de sistema de entibado por m2 Para proyectos con características similares al seleccionado, en que se cuentan con grandes profundidades de instalación de tubería se hace necesario el uso de sistemas de entibado en pro de la protección de la excavación y del personal que trabaja en ella. A diferencia de la metodología pipe jacking microtunelado, que en el proceso de excavación e instalación no requiere de este tipo de sistemas. Los valores de la tabla No. 23 pueden ser revisados en el Anexo 2. A continuación se muestra el análisis de precio unitario para el sistema de entibado del proyecto con zanja en estudio (Anexo 2). ANALISIS DE PRECIOS UNITARIOS COLECTOR POZO 8 A RIO BOGOTA Descripción: ENTIBADO DE PROTECCIÓN TEMPORAL Unidad: M2 MANO DE OBRA TIPO RENDIMIENTO CANTIDAD VALOR UNITARIO VALOR TOTAL Ayudante Día 0.75 2 32,025 48,037.50 Maestro Día 0.75 1 52,641 39,480.75 Inspector Día 0.75 0 61,2 - Ingeniero SISO Día 0.75 0 61,2 - subtotal EQUIPOS 87,518 UNIDAD RENDIMIENTO CANTIDAD VALOR UNITARIO VALOR TOTAL 146 Retro E-200 Electrobomba / Motob. Entibado antideslizante Día Día m2 0.50 0.50 1.00 0.063 0.125 2.54 1,180,000 40 45,24 36,875 2,5 114,91 subtotal 154,285 TOTAL 241,803 Tabla 24 APU Sistema de entibado proyecto con zanja en estudio, realizado por Structural Forms año 2012. Rellenos de excavación Descripción Relleno en recebo B-200(m3) Costo directo de tipos de relleno por (m3) Obra con Obra sin zanja zanja $ 56,054 --- Relleno en triturado (m3) $ 76,004 --- Relleno en rajón (m3) $ 64,979 --- Relleno en material seleccionado proveniente de excavación (m3) $ 18,480 --- Tabla 25 Comparación de costos directo por tipos de relleno Los rellenos serán únicamente analizados en el proyecto con zanja elegido, pues estos no son necesarios en el método de instalación de tubería por pipe jacking gracias al desarrollo en si del método. Se encontraron 4 tipos de relleno en el proyecto (Anexo 2): recebo B-200, triturado, rajón y de material seleccionado proveniente de excavación. La suma en porcentajes de incidencia de los 4 rellenos dentro de la estructura de costos del presupuesto general, representa un 20.12% del total del proyecto. Sin embargo de estos 4, los de mayor influencia son relleno de triturado y relleno proveniente de material de excavación que abarcan más del 79% del total de los rellenos del proyecto. Como lo muestra la figura No. 66. 147 PORCENTAJE DE INCIDENCIA Estructura de costos para diferentes tipos de relleno en proyecto con zanja 50% 40% 30% 20% 10% 0% 45% 35% 15% 5% Instalacion Relleno en Rajòn Relleno en Triturado Base Recebo B 200 TIPO DE RELLENO Relleno en Material Seleccionado de Excavación Figura 66 Estructura de costos para diferentes tipos de relleno en proyecto con zanja A razón de los porcentajes mostrados anteriormente, se procede a analizar la estructura interna en cada APU para los rellenos predominantes. El relleno en material seleccionado de excavación está compuesto por mano de obra que a su vez está subdividido por ayudante, maestro e inspector, equipos que constan de retro E200 y motobomba, por último en el ítem de materiales será solo combustible. De estas las que gobiernan el costo por m3 son: relleno con retro E-200 y ayudante, con 32.56% y 28.88% respectivamente. Esto se puede ver en la figura No. 55. El relleno en triturado está compuesto por mano de obra que a su vez está subdividido por Ayudante, maestro e inspector, equipos que constan de retro E-200 y motobomba, subcontrato de transporte y por último en el ítem de materiales será combustible e insumo de triturado. De estas la que gobierna el costo por m3 de relleno, es el insumo de triturado abarcando casi un 49%, esto se puede ver en la gráfica No. 55. 148 14 Comparación de tiempos de construcción del proyecto en estudio a zanja abierta con el método de instalación pipe jacking/microtunelado Todo proyecto requiere de un control de obra y una eficiente administración del proyecto para esto es necesario seguir una programación. La cual servirá como referencia de cómo se va a proceder durante la ejecución de obra. La programación es la determinación de los tiempos para las operaciones que abarcan el proyecto, entonces la suma de los tiempos constituye el tiempo total de terminación. Además la estimación de los tiempos puede determinarse en base a tres factores: la experiencia, la cantidad de trabajo a realizar y los recursos asignados. El proyecto con zanja en estudio presentó una programación presupuestada aproximada de 181 días calendario laboral (Anexo 7), para su correcta y completa ejecución. Y estuvo dividida en 5 etapas ya descritas en capítulos anteriores. A partir de esta se analizara en busca de la duración total de cada actividad y su influencia dentro de la programación. Ya que la programación estaba dividida en 5 frentes, y cada frente contaba con las mismas actividades para su respectivo desarrollo en diferentes sectores, se procedió a unificar las duraciones de estas actividades con el fin de hallar la duración total por actividad, la tabla No.26 muestra las duraciones totales por actividad. Duraciones totales por actividad en proyecto elegido con zanja abierta realizado por Structural Forms anexo 7 Nombre de la Actividad Duración (Días) Excavación a Máquina Pre-Zanja Excavación a Máquina Zanja Instalación Entibado Deslizante 147 114 140 Instalación de Geo malla 139 149 Instalación Relleno Rajón R15 138 Instalación Triturado de Sello (Capa 5 cm) 138 Instalación de Geotextil 138 Instalación Capa Triturado (e=15 cm) 138 Instalación de Tubería 138 Instalación Relleno Triturado Atraque 138 Instalación Recebo B200 Retiro de Material Sobrante Instalación Cámara GRP 138 137 126 Tabla 26 Analisis y sumatoria de duraciones totales por actividad en proyecto en estudio con zanja abierta. La mayoría de actividades arrojaron una duración total similar entre sí, debido a esto y con el objetivo de alcanzar la meta planteada en la programación inicial se tomó la decisión de dividir la programación total del proyecto en 5 frentes, logrando con esto un avance en paralelo en diferentes tramos de la construcción del colector evitando retrasos. Pese estas medidas el proyecto presento un retraso general de 29 días, se presentaron problemas en el proceso de instalación de la tubería, principalmente en el tramo de los pozos 8 al 12, ya que en este, el material dispuesto para el apoyo de las tuberías no cumplió las especificaciones recomendadas y presento problemas de asentamientos diferenciales causando problemas de cota y alineación en las tuberías ya instaladas,(Ramírez, 2014) por lo que fue necesario el retiro de estas para el cambio del material de apoyo y reiniciar la instalación de las tuberías para continuar el normal desarrollo de la construcción del colector. Además de los inconvenientes generados por el clima, especialmente las fuertes lluvias que azotaron el proyecto al inicio del mismo. Con estas demoras el proyecto termino ejecutándose en un tiempo total de 210 días calendario laboral. 150 Se expondrán en la tabla No.27 los tiempos aproximados de construcción cotizados para la realización del colector pluvial en la ciudadela Maipore desarrollado con la metodología pipe jacking/microtunelado, presentado por la empresa Bessac-Andina (Anexo 9). Tiempos proyectados del método pipe jacking/microtunelado para la obra seleccionada con zanja Actividad Tiempo (días) Pozos Excavación Instalación Retorno Repliegue Total 38 52 20 28 20 158 Tabla 27 Proyección de duración de las principales actividades para la instalación de nueva tubería con el método Pipe Jacking para la construcción del colector Pluvial en la Ciudadela Maipore,(Bessac-Andina, 2014) La tecnología sin zanja y en específico el método de pipe jacking que fue el seleccionado, hubiera generado un menor tiempo de ejecución total del proyecto. Tenía una alta probabilidad de no presentar demoras o retrasos pues las características del proyecto cumplían ampliamente las especificaciones para las que está diseñado el método. Los tiempos totales de ejecución del proyecto se pueden observar en la tabla No. 28. Comparación de la duración total del proyecto en estudio con zanja y su proyección mediante la metodología pipe jacking/microtunelado suministrado Bessac-Andina Instalación de tubería con zanja Instalación de tubería sin zanja Duración Total (Días) 210 158 Tabla 28 Comparación de la duración total del proyecto en estudio con y sin zanja 151 Las tecnologías sin zanja hubieran completado la misma instalación en 52 días menos que lo que tardó la instalación de la tubería con métodos a zanja abierta. La duración total del proyecto ejecutado a zanja abierta fue de 210 días esto se puede verificar en el Anexo 7. De igual forma la proyección sin zanja para el proyecto elegido a zanja abierta, puede ser verificada en el Anexo 14 en la entrevista realizada en el proyecto sin zanja en la calle169 Bogotá al ingeniero Jhon Díaz director de obra, el suministró información real ejecutada referente al avance diario promedio de la metodología pipe jacking/microtunelado, en la que afirmaba que este se encontraba entre los 12,5 m y 15 m por día. Avance diario promedio para la metodología pipe jacking/microtunelado, 13,75 ml/dia según anexo 14 Tabla 29 Avance diario promedio para la metodología pipe jacking/microtunelado, entrevista con Ingeniero Jhon Díaz (Anexo 14) Tomando como base la información anterior, se realizó una proyección para la duración total del proyecto elegido a zanja abierta, que presentaba una longitud total de 1493 m. Esta información verifica la confiabilidad y veracidad de la información suministrada en el Anexo 9 como se muestra en la tabla No. 30. Duración total estimada con metodología pipe jackin/microtunelado para proyecto elegido a zanja abierta según en base a anexo 9 y 14 Días Proyección en días de excavación e instalación de tubería con 109 método pipe jacking/microtunelado para el proyecto a zanja abierta en base al anexo 14 38 Construcción pozos en base al anexo 9 147 Duración total estimada del proyecto Tabla 30 Duración total estimada con metodología pipe jackin/microtunelado para proyecto elegido a zanja abierta según en base a anexo 9 y 14 152 Se observa que la duración total estimada solo presenta una diferencia de once días con respecto a la duración total presentada por Bessac-Andina para el proyecto del colector hacía el río Bogotá, con lo que se certifica la confiabilidad de estos datos para su respectivo análisis. 15 Comparación de costos por perjuicios colaterales de carácter social y ambiental del proyecto estudiado a zanja abierta con el método de instalación pipe jacking/microtunelado 15.1 Introducción y definición de los costos por perjuicios colaterales en proyectos de instalación de tubería Actualmente afrontamos un crecimiento permanente en las áreas urbanas, lo cual deriva en un gran número de obras para de esta forma alcanzar la infraestructura necesaria, pero esto a su vez implica una serie de problemas que son cada vez más evidentes tales como congestión en el tráfico, contaminación debido a la generación de polvo y ruido a diferentes horas del día, sin dejar de lado los posibles daños a las estructuras ya existentes. Todo esto sumado, causa un gran malestar y diferentes incomodidades a los habitantes de dichas áreas. Los métodos sin zanja proveen importantes ventajas en comparación con las prácticas tradicionales en obras a zanja abierta. Una de estas, y tal vez, para la ciudad de Bogotá la más importante es la reducción de interrupciones en el tráfico, logrando disminuir no solo el estrés de los conductores sino también de los habitantes en general pues se reducen los niveles de ruido y de emisiones por parte de los vehículos. 153 Por otro lado hay un descenso en el ruido, el polvo y en emisiones de CO2 de la misma obra a raíz del menor uso de equipos y la corta duración de los proyectos, comparándolos con las obras a zanja abierta. Debido a todas estas ventajas y otras más no mencionadas en este momento, las obras sin zanja son la vía más eficiente de instalar tuberías, pues según el autor (Koller, 2011): Menos duración en el proyecto = menor costo del sistema. Menos daños a la infraestructura = menor costo debido a que los trabajos de reconstrucción son bajos. Menos interrupciones de tráfico = menor costo porque no requiere una complicada regulación del tráfico. Menos ruido y polución = menor costo ya que no requiere medidas especiales para protección de ruido y polvo. A diferencia de esto, los métodos convencionales a zanja abierta presentan diferentes problemas de carácter social tales como las congestiones y atascos en el tráfico, menor durabilidad de pavimentos, pérdidas en negocios locales e incomodidades generales para los habitantes del sector; también es necesario analizar el impacto ambiental de cualquier proyecto que se vaya a ejecutar. Los principales problemas sociales que acarrean los métodos a zanja abierta según concuerdan autores como (Yeun & Sunil, 2004) y (Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja, 2013) son: Inconvenientes vehiculares/Tráfico de peatones: A menudo, el uso de autopistas, vías y andenes disminuye debido a la instalación de tuberías entre 154 ellas. Debido a la disminución del ancho de los carriles en las carreteras o la eliminación operativa de los mismos, los accidentes de tráfico son más propensos a ocurrir y el flujo de tráfico no planificado puede también causar una rápida degradación de las carreteras. Seguridad de los trabajadores: La seguridad de los trabajadores en una zanja es un tema de gran importancia, El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) estima que cerca de 63 trabajadores mueren en accidentes de obras en con zanjas por año. De hecho la tasa de accidentes en excavaciones de zanja es 112% más alta que en construcciones en general. Interrupción de los negocios locales: Los negocios cercanos a áreas congestionadas por la construcción son más propensos a perder sus clientes debido a las interrupciones en el tráfico generado por los métodos de excavación a zanja abierta. Esto puede resultar también en una disminución en los ingresos por concepto de impuestos para el gobierno local. Impactos en los residentes: Principalmente inconvenientes como congestión vehicular y demoras en los pasos son a menudo impuestos en los vecindarios cercanos a las obras con métodos a zanja abierta. Impacto en las vías: Los métodos a zanja abierta requieren remover el pavimento de las vías y su subsecuente restauración. Esto reduce significativamente la vida útil del pavimento. Los hundimientos en la superficie del pavimento desde el corte y el proceso de reparcheo empleado 155 para estas obras, puede reducir la vida útil del pavimento hasta cerca de un 40%. Impacto en los servicios públicos existentes: Instalaciones previas de servicios públicos cerca al sitio de la construcción son frecuentemente dañados por los asentamientos subsecuentes del suelo o de la zanja, así como por las técnicas de compactación durante el cubrimiento de la zanja. Aumento de consumo de combustible en los vehículos: Esto se debe al aumento de las distancias recorridas y las paras intermitentes, acarreando una elevación de costes operativos de los vehículos. El impacto ambiental generado por los proyectos de instalación de tubería con métodos a zanja abierta es mayor al generado con tecnologías sin zanja, según la investigación realizada y principalmente autores como (Allouche & Gilchrist, 2004) y (Yeun & Sunil, 2004) coinciden en que este se puede dividir en: Disposición del suelo: A menudo se encuentra suelo contaminado durante la instalación de tuberías. Los métodos a zanja abierta necesitan remover grandes volúmenes de tierra para la instalación de las tuberías. La disposición de este material que requiere equipos y personal especializado, lo cual puede llegar a ser costoso si este efectivamente está contaminado. Contaminación del aire: Finas partículas de suelo pueden llegar al aire en forma de polvo debido a las corrientes de aire que soplan desde los acopios de suelo creados durante el proceso de apertura de la zanja. Por otro lado y gracias a las congestiones de tráfico generadas, dichos métodos también 156 traen consecuencias ambientales causadas por el aumento en las emisiones por parte de los motores de los carros. Contaminación del agua: La lluvia o el agua generada durante la instalación con métodos a zanja abierta puede causar erosión en los suelos y sólidos contaminados que desembocarán debido a la escorrentía en ríos y alcantarillas. Contaminación auditiva: Los métodos a zanja abierta requieren el uso de maquinaria pesada, la cual produce niveles de ruido que pueden causar problemas a los hospitales, escuelas y negocios, sin mencionar la perturbación que sufren los residentes. 15.2 Cálculo de la proyección de los costos por perjuicios colaterales (social y ambiental) en el proyecto estudiado a zanja abierta Por la complejidad al momento de cuantificar los costos de carácter social y ambiental en el país, se recurrió a una investigación con diferentes documentos y estudios previos elaborados alrededor del mundo sobre este tema, para de esta forma realizar dicho cálculo en el proyecto estudiado con zanja abierta y poder determinar el costo total real del proyecto. La estructura correcta para evaluar el costo total de un proyecto a zanja abierta según el autor (Yeun & Sunil, 2004) es la siguiente: 157 Figura 67 Configuración para cálculo de costos totales en proyectos de zanja abierta (Yeun & Sunil, 2004) El autor (Apeldoorn, 2010) en el documento “Comparing the costs - trenchless vs traditional methods” realizó un estudio de los costos indirectos o perjuicios colaterales para los siguientes casos: “Storm drain, Oackland, California”, “Sewer 7 district Vienna, Austria” y “Sewer 19 district Vienna, Austria” en estos trataban costos sociales y ambientales como: costos operativos de los vehículos, costos debido a demoras de viaje, costo de interrupción peatonal, costo por contaminación de polvo y suciedad, costo por pérdida de ingresos por parquímetros, costo de la seguridad de los trabajadores, disminución del valor de carretera. Finalmente como resultado de esta investigación presentó una tabla resumen con los datos de costos unitarios sociales para las categorías ya descritas anteriormente, la tabla muestra el mínimo y máximo valor por metro de tubería instalada y también el valor por día de trabajo tal como se muestra en la tabla No. 31. 158 Tabla 31 Valores máximos y mínimos de los costos sociales y ambientales por pie de tubería instalada y por día de trabajo.(Apeldoorn, 2010) Para el análisis de los datos anteriores se procedió a convertir los valores a pesos colombianos por metro lineal de instalación, así como a peso colombiano por día de trabajo, de igual manera fue necesario llevar estos valores a las características específicas del proyecto, longitud total del trazado (1493 m.) y duración total del mismo (210 días). Los resultados obtenidos se muestran en la tabla No.32 Proyección en base a la estadística internacional de los perjuicios colaterales para el proyecto con zanja estudiado: Construcción del colector pluvial hacia el río Bogotá Valor mínimo Valor máximo en Valor mínimo en Valor máximo en Perjuicios colaterales en función de la función de la función de la función de la longitud total (Cop) longitud total (Cop) duración total (Cop) duración total (Cop) Operación de vehículos $ 29,644,575.03 $ 892,631,092.57 $ 12,045,797.40 $ 914,090,702.70 Demora de viajes $ 42,819,941.71 $ 3,096,211,169.80 $ 18,995,295.90 $ 2,981,334,856.50 Polvo y suciedad $ 42,819,941.71 $ 217,393,550.22 $ 25,481,494.50 $ 3,008,786.40 Ingresos parquímetro $ 85,639,883.42 $ 128,459,825.13 $ 38,453,891.70 $ 100,536,078.30 Disminución del valor de la superficie de la carretera Coto total por perjuicios colaterales $ 217,393,550.22 $ 474,313,200.48 $ 105,169,077.30 $ 147,329,368.20 $ 418,317,892.09 $ 4,809,008,838.20 $ 200,145,556.80 $ 4,206,299,792.10 Tabla 32 Proyección basada en las estadísticas internacionales de los perjuicios colaterales para el proyecto con zanja estudiado 159 A partir de este punto se continuará la comparación basándose en los costos mínimos y máximos por metro lineal de instalación de tubería. Se realizó un análisis de la estructura de los costos mínimos y máximos por perjuicios colaterales (sociales y ambientales) proyectados para la obra a zanja abierta elegida, esto se puede ver en la figura No. 68. Contribución por categoria de los costos por perjuicios colaterals mínimos por metro lineal de instalación 7,1% 10,2% Contribución por categoria de los costos por perjuicios colaterales máximos por metro lineal de instalación 3% 5% 10% 18% 10,2% 52,0% 20,5% 64% Operación de vehículos Operación de vehículos Demora de viajes Demora de viajes Polvo y suciedad Polvo y suciedad Ingresos parquímetro Ingresos parquímetro Disminución del valor de la superficie de la carretera Disminución del valor de la superficie de la carretera Figura 68 Análisis de la contribución por categoría de los por perjuicios colaterales mínimos y máximos por metro lineal de instalación de tubería. Con los valores obtenidos en la tabla No. 32 se calcularon los costos totales máximos y mínimos para el proyecto con zanja estudiado en la ciudad de Bogotá, tal como se puede observar en la tabla No. 33. 160 Costo total del proyecto con zanja estudiado ( costos de construcción + perjuicios colaterales proyectados) Descripción. Valor mínimo Valor máximo en en función de la función de la longitud total (Cop) longitud total (Cop) Costo total de $ 13,492,088,699.00 $13,492,088,699.00 construcción Perjuicios colaterales $ 418,317,892.09 $ 4,809,008,838.20 (Social y ambiental) Costo total $ 13,910,406,591.09 $18,301,097,537.20 Tabla 33 Costo total del proyecto con zanja estudiado (Costos de construcción + perjuicios colaterales proyectados) Al analizar la tabla No. 33 se obtuvo la estructura de costos (figura No.69) en la que se observa una variación entre el 3% y 26% teniendo en cuenta el mínimo y máximo de perjuicios colaterales respectivamente sobre el costo total del proyecto estudiado. Costos de construcción y de perjuicios colaterales mínimos proyectados del proyecto a zanja abierta estudiado Costos de construcción y de perjuicios colaterales máximos proyectados del proyecto a zanja abierta estudiado 3% 26% 74% 97% Costo total de construcción Costo total de construcción Costo de perjuicios colaterales (Social y ambiental) Costo de perjuicios colaterales (Social y ambiental) Figura 69 Análisis estructura de costos totales (costos de construcción + proyección de perjuicios colaterales) para el proyecto a zanja abierta estudiado 161 15.3 Cálculo de la proyección de los costos por perjuicios colaterales (social y ambiental) para el método pipe jacking/microtunelado Según el autor (Boschert, 2011) en el artículo “Comparing some aspects between nondestructive methods for pipelines underground facilities and others traditional methods” Y los autores (Pucker, Allouche, & Sterling, 2006) en el artículo: “Social costs associated with trenchless projects: case histories in North America and Europe” concuerdan en que los costos por perjuicios colaterales en el método de pipe jacking/microtunelado se encuentran en un rango del 2% al 5% del costo de construcción del proyecto, dependiendo de las características generales del mismo. En la tabla No. 34 se puede observar lo planteado por el autor Boschert. Tabla 34 Costos por perjuicios colaterales (sociales y ambientales) para diferentes metodologías sin zanja (trenchless) (Boschert, 2011) Cálculo del costo por perjuicios colaterales para la proyección de la obra seleccionada a zanja abierta con metodología pipe jacking/microtunelado Costo total de construcción Proyección costo indirecto (5%) $ 17,050,807,008.00 $ 852,540,350.40 Tabla 35 Cálculo del costos por perjuicios colaterales para la proyección de la obra seleccionada a zanja abierta con metodología pipe jacking/microtunelado. Se observa en la figura No. 70 que los costos directos abarcan un 95%, mientras que los costos por perjuicios colaterales conformados por costo social y ambiental representan un 5% del costo total del proyecto. 162 Costos de construcción y de perjuicios colaterales proyectados con metodología pipe jacking/microtunelado para el proyecto a zanja abierta estudiado 5% 95% Costos de construcción Proyección costo perjuicios colaterales Figura 70 Costos de construcción y de perjuicios colaterales proyectados con metodología pipe jacking/microtunelado para el proyecto a zanja abierta estudiado. El costo por perjuicios colaterales para la proyección de la obra seleccionada a zanja abierta con metodología pipe jacking/microtunelado es de $ 852, 540,350 pesos. Tomando los costos de construcción de la proyección con metodología pipe jacking/microtunelado para el proyecto a zanja abierta estudiado del Anexo 9 correspondiente al presupuesto de este, se procede a hacer uso de la ecuación que aparece en la figura No. 67 (Yeun & Sunil, 2004) para el cálculo de los costos totales (de construcción + perjuicios colaterales) del proyecto de construcción del colector pluvial hacia el río Bogotá para la ciudadela Maiporé. Dicho cálculo se puede observar en la tabla No. 36. Cálculo del costo total para la proyección de la obra seleccionada con metodología pipe jacking/microtunelado Costo por construcción $ 17,050,807,008.00 Proyección costo perjuicios colaterales $ 852,540,350.40 Costo total del proyecto $ 17,903,347,358.40 Tabla 36 Cálculo del costo total para la proyección de la obra seleccionada con metodología pipe jacking/microtunelado 163 16 Comparación del costo total del proyecto (costos de construcción + perjuicios colaterales proyectados) ejecutado a zanja abierta y su proyección con la metodología pipe jacking/microtunelado Tomando los costos totales (de construcción + perjuicios colaterales proyectados) del proyecto a zanja abierta calculados en la tabla No. 33 y de la proyección con metodología pipe jacking/microtunelado para el mismo proyecto, calculado en la tabla No. 36 se procede a realizar la comparación y análisis de estos. Los valores se muestran en la tabla No. 37. Comparación de costos totales entre el proyecto estudiado a zanja abierta y su proyección con metodología pipe jacking/microtunelado Proyecto a zanja abierta Descripción Perjuicios colaterales Perjuicios colaterales Proyección con pipe jacking/microtunelado mínimos máximos Costo de construcción $ 13,492,088,699 $ 13,492,088,699 $ 17,050,807,008 Proyección costo por perjuicios colaterales $ 418,317,892 $ 4,809,008,838 $ 852,540,350 Costo total del $ 13,910,406,591 $ 18,301,097,53 $ 17,903,347,358 proyecto Tabla 37 Comparación de costos totales entre el proyecto estudiado a zanja abierta y su proyección con metodología pipe jacking/microtunelado Los resultados de la anterior tabla se ilustran en la figura No. 70. Se podrá ver el costo total por tipo de proyecto según la metodología de construcción utilizada, cada uno de estos estará dividido en costos de construcción y costos por perjuicios colaterales. También mostrara la manera en que varía el costo total del proyecto dependiendo si los perjuicios colaterales se acercan a valores mínimos o máximos, previamente calculados en base a lo expuesto por el autor (Pucker et al., 2006). 164 Costos totales: Zanja abierta vs pipe jacking/microtunelado 20.000.000.000 18,301,097,537 17,903,347,358 18.000.000.000 16.000.000.000 COSTO (COP) 14.000.000.000 13,910,406,591 12.000.000.000 10.000.000.000 8.000.000.000 6.000.000.000 4.000.000.000 2.000.000.000 0 Proyecto a zanja abierta (costo por perjuicios colaterales mínimos) Costo de construcción Proyección costo colaterales Figura 71 Costos totales del proyecto estudiado: zanja abierta vs pipe jacking/microtunelado La figura No. 71, representa la comparación de los dos métodos constructivos trabajados en este documento (a zanja abierta y sin zanja), la estimación de costos por perjuicios colaterales a zanja abierta está calculada en dos secciones: la primera con costos por perjuicios colaterales mínimos y la segunda con máximos, mientras que la estimación de costos por perjuicios colaterales con tecnología sin zanja se muestra en una sola sección. Debido a que el proyecto estudiado en este documento se encuentra en una zona de alta densidad poblacional, la proyección de los costos por perjuicios colaterales se aproxima a los costos máximos presentados, así como lo exponen las estadísticas internacionales encontradas en documentos científicos realizados por autores como: Pucker y Appeldorn en donde estudian proyectos ejecutados con metodología a zanja abierta en ciudades con 165 densidad poblacional alta y presentan mayores costos por perjuicios colaterales a los que presentan proyectos en lugares con densidad poblacional baja. 17. Conclusiones A partir de los resultados obtenidos en la realización de este trabajo de grado, se presentan las siguientes conclusiones: Las metodologías trenchless de mayor tendencia en aplicación y utilización para la instalación de tubería en la ciudad de Bogotá son: pipe jacking, microtunelado y auger boring. En el desarrollo del presente trabajo se encontró que hay una gran variedad de metodologías viables para la instalación de tuberías dentro de la tecnología sin zanja (trenchless) aplicables a diversos proyectos, que dependen particularmente de factores como: longitud del trazado, diámetro de tubería, profundidad de instalación y tipo de suelo, tomando como base las anteriores especificaciones las metodologías trenchless aplicables al proyecto de estudio fueron la combinación de pipejacking/microtunelado. La metodología pipe jacking/microtunelado seleccionada para la instalación de tubería en el proyecto estudiado, mostró una disminución en tiempos de ejecución del proyecto en un 30% en relación a los tiempos requeridos para realizar la instalación de tubería mediante los métodos con zanja. Si se tuvieran en cuenta solo los costos por construcción en el proyecto estudiado en este documento, resultaría un 21% más costoso el empleo de la tecnología sin zanja 166 a través de la metodologías pipejacking/microtunelado que la utilización de los métodos convencionales con zanja. Los costos por perjuicios colaterales en instalación de tubería varían según la densidad poblacional, en proyectos realizados con zanja y situados en áreas que presenten una alta densidad poblacional son cercanos al 30% de los costos por construcción, mientras que en áreas que presentan baja densidad poblacional son cercanos al 6% de los costos por construcción. La inclusión de los costos proyectados por perjuicios colaterales en los costos de construcción en ambas metodologías, hacen que la tecnología sin zanja sea un 2% menos costosa en comparación con la metodología con zanja en el caso de estudio. Para poder aprovechar los múltiples beneficios que la tecnología sin zanja ha mostrado a nivel mundial, es necesario que se tengan en cuenta los costos por perjuicios colaterales desde las etapas de planeación, diseño y construcción de los proyectos en el país. Gracias a los resultados obtenidos a lo largo de la realización del presente trabajo, se pudo establecer que el potencial de utilización de un método de instalación de tubería sin zanja en un proyecto en la ciudad de Bogotá es alto, pues se demuestra su aplicabilidad y versatilidad en diversas condiciones geológicas, así como también los beneficios que puede llegar a brindar si se tuvieran en cuenta los costos por perjuicios colaterales. 167 18. Recomendaciones Gracias al acceso que se tuvo con los principales actores en los proyectos con la utilización de tecnologías sin zanja, se identificó la necesidad de generar una formación temprana por parte de las instituciones de educación superior a los futuros ingenieros en torno a este tipo de tecnologías en donde se fomenten las buenas prácticas en la construcción de proyectos sin zanja. Es necesario definir un criterio estándar para los perjuicios colaterales generados en proyectos de instalación de tubería para poder determinar sus costos y de esta manera tenerlos en cuenta en fases de planeación, diseño y ejecución, ya que en el desarrollo del trabajo se evidencio la falta de estos para su aplicación. Para obtener una mayor confiabilidad en cuanto a costos unitarios de los perjuicios colaterales es necesario el análisis de una mayor cantidad de proyectos de estudio. El presente trabajo abre las puertas para futuros trabajos de grado donde se trate la cuantificación de los perjuicios colaterales en proyectos de instalación de tubería para nuestro país. 168 19. Referencias Akkerman Maynard. (2011). Pipe Jacking Equipment and methods. Allouche, E., & Gilchrist, A. (2004). Quantifying construction related social costs (p. 8). Presented at the No-Dig 2004, New Orleans, Louisiana. Apeldoorn, S. (2010). Comparing the costs-Trenchless vs traditional methods. Presented at the Australasian society for trenchless technology, New Zealand. Asociación Ibérica de tecnologías Sin Zanja. (2013). Manual de tecnología sin zanja (2013th ed.). Bessac-Andina. (2014). Principales proyectos con tecnologia sin zanja Bogota. Boschert, J. (2006). Pilot tube microtunneling explodes in the U.S using vitirified clay jacking pipe. Presented at the North American Societyfor Trenchless Technology (NASTT) NO DIG 2006, Nashville Tenessi. Boschert, J. (2011). 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