Estudio comparativo técnico y económico del sistema de perforación horizontal ramming y el sistema convencional, estudio de caso

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Estudio comparativo técnico y económico del sistema de perforación horizontal ramming y el sistema convencional, estudio de caso Saieth Baudilio Chaves Pabón 1, Dayan Cárdenas Moreno 2, Carolina Avilez
Estudio comparativo técnico y económico del sistema de perforación horizontal ramming y el sistema convencional, estudio de caso Saieth Baudilio Chaves Pabón 1, Dayan Cárdenas Moreno 2, Carolina Avilez Romero 3, Julieth Barajas Bernal 4 1 Doctor en Ingeniería. Profesor del Programa de Ingeniería Civil, Facultad de Estudios a Distancia, Universidad Militar Nueva Granada, Bogotá, Colombia. Autor de correspondencia. 2 Arquitecta. Estudiante de la Especialización en Gerencia de Obras, Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Colombia, Bogotá, Colombia. 3 Ingeniera Civil. Estudiante de la Especialización en Gerencia de Obras, Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Colombia, Bogotá, Colombia. 4 Ingeniera Civil. Estudiante de la Especialización en Gerencia de Obras, Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Colombia, Bogotá, Colombia. Recibido: septiembre 5 de 2017 Aprobado: diciembre 1 de 2017 Cómo citar este artículo: S.B. Chaves-Pabón; D.Cárdenas-Moreno; C.Avilez-Romero; J.Barajas-Bernal; Estudio comparativo técnico y económico del sistema de perforación horizontal ramming y el sistema convencional, estudio de caso, Ingeniería Solidaria, vol. 14, nº 24, pp. XX-XX, DOI: https://doi.org/ /in.v14i RESUMEN Introducción: El artículo es el resultado de la investigación Estudio comparativo técnico y económico del sistema de perforación horizontal Ramming y el sistema convencional, estudio de caso, desarrollada en la Universidad Católica de Colombia durante el año Objetivo: realizar una comparación técnica y económica tomando como referencia una obra ubicada en el Municipio de Tocancipá, mediante la cual se identifiquen cantidades de obra, costos, procesos constructivos, impacto ambiental, equipos, mano de obra, en obras de 1 instalación de redes subterráneas. Metodología: consistió en recopilación de información bibliográfica sobre el tema, adquisición y análisis de datos de campo, y presentar conclusiones ordenadas y claras dando cumplimiento al propósito principal del proyecto. Resultados: a partir de los datos de campo se obtuvieron datos para hacer la comparación económica de los costos directos e indirectos, igualmente en los aspectos técnicos de ambas tecnologías de intervención. Conclusión: se logró hallar los costos directos e indirectos, donde se evidencia que para los costos directos, el sistema de excavación a cielo abierto es más económico que el sistema de excavación Ramming, y para los costos indirectos sucedió lo contrario. El proyecto tiene un aporte de originalidad y de interés en la Ingeniería Civil dado que se ha podido hacer un estudio completo en una obra con dos técnicas de cruce de tuberías y se ha entregado un insumo importante para desarrollar futuras investigaciones. Limitante: escaza información sobre la utilización e investigación publicada de nuevas tecnologías de construcción de cruces de tuberías en Colombia. PALABRAS CLAVES: Excavación en zanja, Ramming, Estudio comparativo, Redes subterráneas, Tecnología. ABSTRACT The article is the result of the investigation technical and economic comparative study of the system of horizontal perforation Ramming and the conventional system, case study. Developed in the Catholic University of Colombia during the year Objective: perform a technical and economic comparison with reference to a work located in the municipality of Tocancipá, which identify amounts of work, costs, construction processes, environmental impact, equipment, construction workers, of the systems referred to in works of underground networks. Methodology: it consisted of a collection of bibliographic information on the theme, acquisition and analysis of field data, and present conclusions clear and ordered fulfilling with the main purpose of the project. Results: the information of field data were obtained to make the economic comparison of direct and indirect costs, also failed to make a parallelism in the 2 technical aspects of both technologies of intervention and finally be they determined the execution times. Conclusion: managed to find the direct and indirect costs where there is evidence that for direct costs, open pit system is more economical than the excavation system, and for the indirect costs it happened otherwise. The project is a contribution of originality and interest in Civil Engineering since it has managed to do a complete study on a work with two techniques of intersection of pipes and an important input for developing future research has delivered. The limitation is the scarce information about the use and published research of new technologies of construction of crossings of pipelines in Colombia. KEYWORDS: DITCH DIGGING, RAMMING, COMPARATIVE STUDY, UNDERGROUND NETWORKS, TECHNOLOGY. 1. INTRODUCCIÓN El desarrollo y crecimiento de las ciudades ha impulsado la demanda de ejecución de nuevas redes públicas y privadas subterráneas, principalmente, en zonas con alta densidad de redes existentes, de esta manera, se ha incrementado la necesidad de crear nuevos sistemas que puedan ir de forma subterránea, sin alterar las actuales líneas de servicios. Teniendo en cuenta lo anterior, en el presente trabajo de investigación se pretendió hacer una comparación técnica y económica [1], p.19] entre el sistema convencional usando zanjas o perforación a cielo abierto [2], p14] [3], p.39], y el uso de tecnologías sin Zanjas por medio del Sistema Ramming [4], p.1] [5], p.5], tomando como referencia el caso de la construcción de obras civiles para la expansión y mejoramiento del servicio de energía eléctrica del Municipio de Tocancipá, Colombia, bajo el Contrato No 196 de En el cual se implementaron los dos sistemas. 3 A partir del análisis del caso de estudio, la recopilación de información suministrada por la empresa encargada de le ejecución del proyecto, en lo referente a los aspectos técnicos y económicos, se determinaron cantidades de obra, tiempo de ejecución y costos de las actividades que componen cada uno de los métodos en estudio, con el fin de realizar un análisis del impacto generado teniendo en cuenta que el sito donde se desarrolló este proyecto es una Zona Industrial. Es de considerar las afectaciones que se pueden producir en una ciudad, cuando se realizan obras viales, como cortes en la circulación, accidentes e inseguridad, lo cual ha generado un interés especial en la necesidad de implementar planes que aporten al mejoramiento sostenible de la calidad de vida de la población y, como propósito, mejorar la competitividad de la industria de la construcción, incluyendo obras subterráneas de redes de saneamiento para el sector del área urbana. Para la subterranización de la red eléctrica del proyecto en estudio, fue necesario realizar perforación por el sistema Ramming, debido a que el área intervenida, es una zona industrial donde se encuentran ubicadas varias empresas y también vías principales; Al no hacer estas perforaciones subterráneas se generaba un gran impacto negativo a todas las industrias puesto que se producirían cierres de vías, afectando directamente a las empresas en asuntos tales como retrasos en cadena de producción, de logística e indirectamente a todas las personas que requirieran transitar por esta zona. A su vez en los demás tramos del proyecto se realizaron actividades relacionadas al cruzamiento de la red eléctrica por medio del sistema convencional de excavación a cielo abierto. Dada esta situación, surgió la oportunidad y necesidad de realizar un comparativo entre estos dos sistemas [6], p.2] y así determinar los impactados producidos por cada uno de los sistemas utilizados, en referencia a aspectos técnicos y económicos, estudio que no se había realizado hasta el momento y que permitió identificar los pro y los contra del uso de cada uno de estos 4 sistemas o métodos de trabajo para el tipo de obras en estudio. En consecuencia, se realizó una comparación técnica y económica tomando como referencia el caso de estudio la obra ubicada en el Municipio de Tocancipá, Cundinamarca, Colombia, mediante el cual se identificaron: cantidades de obra, costos, procesos constructivos, impacto ambiental, equipos, mano de obra, tanto del uso del sistema de perforación horizontal Ramming como del sistema convencional a cielo abierto en obras de instalación de redes subterráneas [7], p.28] [8], p.11]. Las fases previstas para el proyecto consistieron en la identificación y documentación de toda la información pertinente (usos, procedimiento, beneficios, ventajas, etc.) de las tecnologías sin zanjas mediante el sistema Ramming, como segunda fase se efectuó un análisis del impacto que causa las instalaciones de redes subterráneas por medio del sistema tradicional excavaciones a cielo abierto y el aporte que trae la implementación de un sistema de perforación horizontal Ramming [9], p.12] [10], p.30], y para finalizar se realizó un comparativo de los aspectos técnicos y económicos al realizar la construcción de obras de redes subterráneas, con excavaciones a cielo abierto y con el uso del sistema Ramming, así como los impactos que cada uno de estos puede llegar a generar. 1.1 Estado del Arte En relación a la definición del método Pipe Ramming, diversos autores han expuesto sus propuestas. Para Abraham, Baik y Gokhale [11], p.9], Pipe Ramming es un método no destructivo para la instalación de tubería y revestimientos de acero, en la cual un martillo neumático es utilizado para hincar la tubería o los revestimientos en el suelo. Según Howell [12],,p.255], esta tecnología básicamente consiste en hincar una tubería de acero e impulsarla gracias a los impactos sucesivos proporcionados por una máquina de percusión, como un martillo neumático. Collins [13], p. 2], manifiesta que este método es utilizado para instalar las tuberías de forma horizontal, pero en algunas ocasiones se pueden situar verticalmente o con inclinación. Entre tanto, Stuedling y Tadesse [14], p.126], en sus investigaciones concluyen que la instalación de nuevas tuberías destinadas a redes de alcantarillados, redes de agua potable, redes de conducción de gas, redes de conducción eléctrica, entre otras, así como la sustitución 5 de las redes existentes, empleando nuevas tecnologías sin zanjas, entre ellas, la tecnología Ramming, están aumentando en notoriedad frente a los métodos convencionales como el sistema tradicional de excavación a cielo abierto. Todo lo anterior, debido a que es una técnica eficiente y de bajo impacto en las actividades cotidianas que se puedan desarrollar en el entorno de la zona de trabajo. En otras publicaciones científicas autores como Milligan y Rogers [15], p570], Kramer, Thomson y McDonald [16], p.130], y Stein [17], p. 51], han profundizado en esta técnica logrando demostrar que el alcance de estas nuevas tecnologías ha ido variando desde una técnica simple de percusión hasta altos procesos sofisticados que involucran excavaciones balanceadas o perforación dirigida mediante equipos robotizados, estas técnicas no serán descritas en este artículo, sin embargo, se pueden consultar para futuros propuestas de investigación en nuestro país. En relación a la comparación de los métodos de cruzamiento de tuberías o conducciones, convencional y Pipe Ramming diversos autores han manifestado las bondades del método Pipe Ramming principalmente por los beneficios a los usuarios. Según Ariaratnam, Chan y Choi [18], p.136] en la instalación de nuevos o la sustitución de alcantarillados existentes tradicionalmente se utilizan técnicas de construcción de zanja abierta, sin embargo, está siendo muy impopular debido al impacto negativo en la vida diaria de los usuarios de carreteras generando retrasos en el tráfico, desvíos, cierres de carreteras o ferrocarriles, ruidos indeseables, perdida del acceso a las viviendas o a los lugares de trabajo, y la duración en la excavación, instalación y operaciones de rellenos de la zanja. Del mismo modo, Meskele y Stuedlein [19], p.2] destacaron que el método Pipe Ramming es una técnica de construcción sin zanjas eficiente y rentable utilizadas primordialmente en aplicaciones horizontales o casi horizontales donde la tubería es presionada al interior del terreno con unos golpes percusivos de alta frecuencia generados por un potente martillo neumático o hidráulico. Stuedlein y Meskele [14], p.133] en otra publicación señalan que el Pipe Ramming permite la instalación de tuberías en suelos con partículas de gran tamaño, lo cual podría ser una condición del suelo que limitaría el uso de otras técnicas de excavación sin zanjas. Entre las diferentes tecnologías sin zanjas disponibles, tales como micro-túneles y perforación horizontal dirigida (HDD), el Pipe Ramming es el método preferido para instalación de tuberías o alcantarillados bajo carreteras y vías férreas, 6 dado que otros métodos generan gran cantidad de movimiento de tierras que podrían ser inadecuadas. De otra manera, Najafi [20], p.5] afirma que quizá el beneficio más significativo de esta técnica está en el costo-beneficio de la operación, relacionado con otras tecnologías sin zanjas, dado que requiere un equipamiento y diseño sencillo, por ejemplo, menos utilización de cabezales de rotación de corte y actuadores de elevación. Otro proyecto de investigación interesante fue llevado a cabo por Matthews, Allouche y Sterling [21], p.196] quienes al comparar dos proyectos de construcción de cruces de tuberías con zanja abierta y sin zanjas, encontraron que la inclusión de los costos sociales en la estimación del costo del proyecto podría hacer que la tecnología sin zanjas más ventajosa en comparación con la construcción a cielo abierto, esto fue más significativo para áreas urbanas altamente densas respecto a áreas medianamente densas. Otro aspecto que ha resultado importante resaltar es que en áreas urbanas densas encontraron que los costos de demora por viaje es el factor más importante de los costos sociales, siendo el 55%. Jung y Sinha [22], p.145] señalan que para determinar los costos totales de un proyecto de cruce de tuberías, fuese por el método convencional a cielo abierto o sin zanjas, se debería tener encuenta los costos totales, los costos sociales, los costos ambientales y otros costos. Siendo los costos directos aquellos que implican la ejecución de la obra, los costos sociales relacionados con los retrasos del tráfico, perdidas de los negocios y de los usuarios de la vía, los costos ambientales tales como la contaminación por ruido, aire, agua y demás, y los otros costos podrían ser la productividad, seguridad y el comportamiento estructural. Otro aspecto que se está investigando en los últimos años, y no menos importante, es el efecto ambiental que tiene cada uno de los métodos de construcción. Según estudios hechos por Gerasimova [23], p.1396] a diferencia de los métodos tradicionales de construcción de zanjas abiertas, que aumentan considerablemente la contaminación del medio ambiente, los métodos de construcción sin zanjas reducen significativamente las emisiones de CO2 y otros gases nocivos a la atmosfera los cuales causan enormes problemas de salud, asimismo, la contaminación por ruido es otro problema asociado a esta tecnología. De acuerdo a Ariaratnam [24], p.10] la construcción sin zanjas tiene una ejecución más rápida y más económica, siendo que para ejecutar un cruce de tubería sin zanjas puede tener una duración de aproximadamente 7 3 días y para el método de cielo abierto puede durar aproximadamente 7 días. En este sentido, la North American Society for Trenchless Technology (NASTT) [25], p.1], señalan en su investigación cuantitativa de las ventajas ecológicas de las tecnologías sin zanjas que ella provee una reducción del 90% en la emisión de gases de efecto invernadero y hasta un 25-30% en ahorro de los costos, comparado con la tecnología de cielo abierto. Otros investigadores, Myers, Stickrod, Abraham e Iseley [26], p.62] han definido los impactos sociales y ambientales del método convencional de construcción a cielo abierto, siendo estos, el inconveniente vehicular, tráfico de peatones, seguridad en el trabajo, interrupción de los comercios, impacto en los residentes, impacto en la autopistas, impacto en el subsuelo, disposición del material de excavación, contaminación del aire, contaminación del agua, contaminación por ruido y daños en el paisaje. 2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 Excavación a cielo abierto o convencional Teóricamente, es aquella que se ejecuta en condiciones naturales de iluminación, ventilación y drenaje. Las excavaciones consisten en la extracción de materiales en sitios previamente definidos donde la zanja debe ser lo suficientemente ancha para permitir al personal trabajar en condiciones de seguridad [27], p.34]. En el caso de estudio, el ancho mínimo (Bd, según se aprecia en la figura 1) ha sido el diámetro exterior más 0,3 m y para el promedio, el diámetro exterior más 0,40 m. Si se hubiese requerido ampliar el ancho de la zanja debe hacerse por encima del lomo de la tubería. 8 Figura 1. Excavación tipo en zanja o convencional Fuente: Elaboración propia 2.2 Excavación por el Sistema Ramming También conocido como Pipe Ramming es una técnica de instalación de tuberías sin zanjas utilizada para hinca horizontalmente tubería de hacer de diferentes diámetros. La principal diferencia con respecto a la hinca de tubería normal es que el empuje se realiza mediante un martillo neumático o hidráulico, que golpea el tubo de hacer, el cual penetra en suelo sin causar alteración del mismo [28], p.31]. La palabra Ramming, viene del gerundio del verbo RAM, que traduce en golpear duro o apisonar, del cual aplicado al sistema relacionado en el presente estudio se ve directamente relacionado a su proceso constructivo. El avance de esta tecnología en el sector de la ingeniería y su aplicación se debe principalmente al impacto que genera este tipo de obras a la sociedad en aspectos tales como: las profundas consecuencias negativas desde el punto de vista ambiental, social y económico generado por las excavaciones a cielo abierto; el excavar sobre 9 una calzada, los ruidos que producen los martillos neumáticos por la rotura del pavimento, los cambios de tipo y colores en los parcheos sobre el pavimento; el hecho de que una obra por pequeña que sea se demora más de lo previsto en su ejecución; la remoción de los volúmenes de material de excavación y relleno, que generan gran cantidad de polvo, olores y gases; el aumento en la interrupción del tráfico vehicular y en muchas ocasiones peatonal generando un gran malestar en la comunidad residente y aledaña al lugar donde se está realizando la obra; y peor aun cuando se trata de una zona comercial o industrial donde por razón de estos inconvenientes afecta la actividad económica de estos establecimientos aledaños [29], p43]. Para lograr minimizar los impactos anteriores se requiere documentar con la información pertinente a los usos, proceso constructivo, características técnicas, limitaciones, condiciones requeridas y ventajas del sistema. El funcionamiento del sistema Ramming es de empuje dinámico mediante golpes, los cuales hacen que la camisa de acero vaya hincando y se logre completar la longitud requerida para llevar a cabo el cruce. Figura 2. Esquema general de instalación de tuberías por medio del sistema Ramming Fuente: [30] 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 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 10 ni siquiera se contemplaban en los estudios geológicos, casos como cambios en niveles freáticos y aparición de nuevos tipos de terreno [31], p. 35]. En el caso base del proyecto Expansión y mejoramiento del servicio de
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