Perforación de pequeño diámetro en geotecnia: micropilotes y anclajes

No, no es una entrada erótico-festiva. Hoy nos centramos en el estudio de las diferentes técnicas de perforación que se utilizan para la ejecución de trabajos geotécnicos de pequeño diámetro: micropilotes, anclajes, inyecciones o soil nailing. Las mismas técnicas, o muy similares, son las que se utilizan en la industria petrolera o para la realización de sondeos, captación de geotermia o de aguas.

A los valientes que aguanten hasta el final les depara algún regalo en forma de libro de perforaciones en abierto…..

Básicamente cuando hablamos de perforación hablamos de hacer un agujero en el terreno, así de sencillo. Y así de complejo, ya que hay bastante tecnología en una perforación. Para hacer ese agujero es necesario machacar o triturar ese material (o desplazarlo) y extraerlo del mismo y si las paredes de ese agujero no son estables debemos contenerlas.

Esas perforaciones son habituales desde 76mm hasta 300mm de diámetro y profundidades de hasta 60m, normalmente verticales o poca inclinación (20º), los micropilotes , o con inclinación respecto a la horizontal de hasta 35º, los anclajes. Se perforan en todo tipo de terrenos, ya sean suelos arenosos, cohesivos, cementados, roca, rellenos, con obstáculos tipo hormigón, bolos (corre , corre antes de que te pillen)…con nivel freático y muchas veces, perforando bajo el nivel freático (anclajes).

Estas técnicas se han desarrollado fundamentalmente en la perforación de roca (exploración, voladuras) hasta que a partir de los años 60 se empezó a necesitar la contención de tierras y las cimentaciones profundas debido a la creciente actividad de la construcción.

La elección del método de perforación puede ser un éxito o un gran fracaso en nuestra obra, y es fundamental la información geotécnica disponible. Nuestro trabajo consiste en perforar o excavar el terreno y es importante (mucho) que sepamos qué tenemos que perforar o excavar. A veces esto no se entiende por parte de nuestro cliente. El estudio geotécnico es mi principal herramienta de trabajo. Cuanto mejor sea éste mejor será mi trabajo.

Para la perforación en roca se usan dos métodos: rotación y rotopercusión, siendo éste último el mas utilizado. La perforación a rotopercusión consiste en: una percusión que produce impactos producidos por golpeo que originan ondas de choque que se trasmiten a la boca a través del varillaje (martillo en cabeza) o directamente sobre la boca (martillo de fondo), una rotación que hace girar la boca para que los impactos se produzcan sobre la roca en diferentes posiciones, un empuje para mantener un contacto útil de la boca de perforación con la roca y un barrido con un fluido (aire) para extraer los detritus de la perforación.

Cómo he comentado la percusión se produce de dos maneras: martillo en cabeza o martillo de fondo. El martillo en cabeza tiene su aplicabilidad en diámetros pequeños y profundidades cortas: 100mm y 15m, mientras que el martillo de fondo entre 100-200mm y por encima de 20m, siendo más efectivos cuanto mayor es su diámetro, por lo que no se utilizan con diámetros menores de 80mm al no ser eficientes.

Los martillos de fondo (DTH: down-the-hole drilling) tienen limitaciones geométricas , siendo la más importante la reducción del área del pistón por lo que necesitan trabajar con mayores presiones del orden de 10-14 bares (media presión) y 15-25 bares (alta presión). Los martillos en cabeza trabajan con presiones del orden de 7 bares (hablamos de martillos neumáticos). Con el DTH la velocidad de perforación es constante e independiente de la profundidad, tiene mejor aprovechamiento del aire como fluido de barrido,menor fatiga en la sarta de perforación, menos ruido y menos desviaciones que el martillo en cabeza.

Buahhh, pero perforar en un material rocoso no tiene mucho mérito. La cosa se complica en los suelos , en lo que los anglosajones denominan Overburden, palabro que significa cobertura o algo similar, o lo que es lo mismo el pan nuestro de cada día. En este tipo de terrenos hay mucha heterogeneidad de materiales y la influencia de las aguas subterráneas es importante. Cuando el terreno es estable se pueden utilizar los métodos de perforación en roca así como rotación con trialeta y aire.

La método de perforación mas usual es la perforación continua con lavado (agua, aire y otros fluidos) para retirar el suelo . La mesa de rotación mueve el varillaje que transmite el giro al útil de corte. En esta perforación se combina la acción de corte o desgaste del giro con una acción de compresión del sistema de empuje. Con el fluido de perforación podemos lubricar y enfriar los útiles de perforación así como extraer a la superficie los detritus que se van perforando.

En los micropilotes es muy importante, que al trabajar por fuste, el método de perforación y el lavado no impida la capacidad portante requerida de cálculo, al igual que en los anclajes , ese lavado debe permitir movilizar la resistencia necesaria.

En terrenos blandos con resistencia al corte baja se puede vencer con el par de giro de la perforadora y se puede utilizar la perforación con hélice ( y extracción mecánica del material), aunque poco utilizada en España para realizar micropilotes y anclajes. En alguna obra en Madrid he visto realizar anclajes con éste método pero la empresa era alemana.

También se puede utilizar la trialeta como elemento de corte extrayendo el material mediante barrido hidráulico. Cuando la resistencia crece la disgregación del material se consigue con la fricción de elementos duros, como la widia (botones o puntas) . Este rozamiento va acompañado de un empuje importante que supere la resistencia a compresión del material y un sistema de extracción potente que elimine el detritus generado.

La rotación con coronas (compresión y abrasión) permite atacar cualquier tipo de terreno, pues puede perforar desde suelos y gravas hasta rocas de la máxima abrasividad , con diámetros no superiores a los 250-300mm, siendo a partir de 150mm muy complicado, y a un coste elevado , con rendimientos lentos y poco productivos.

La clasificación de los métodos de perforación en terreno inestables mas completa es la de Bruce en “Methods of overburden drilling in geotechnical construction: a generic classification” de 1989, aunque es perfectamente válida para nuestros días:

1.- Hélices: (Auger). Es la más barata para diámetros de152-356mm y hasta 30m pero requiere unas condiciones apropiadas del terreno para su ejecución. Ya he comentado que su utilización en España no es habitual.

2. Métodos mixtos: combinación de dos o más métodos en una misma perforación. Un ejemplo es la realización de un preforo con martillo de fondo y a continuación se encamisa mediante rotación con agua (poor man´s duplex). Son métodos efectivos y con buenas producciones.

3.- Estabilización con polímeros: desarrollo de otros materiales alternativos a los lodos para la estabilización de las paredes de la perforación.

4.- Métodos encamisados (Cased Methods) :

1.– Hinca o empuje (Drive Drilling): las camisas se hincan con una ligera rotación sin usar ningún fluido en la perforación. Se suele aplicar en diámetros de 50-100mm y hasta 30m. Tienen problemas en suelos densos y con desviaciones importantes.

2.- Rotación simple : encamisado con corona. Se produce una rotación con una inyección de agua que sube por el exterior de la camisa (circulación directa). Los diámetros comunes son desde 76 a 200mm y hasta 60m de profundidad. Es un método de altas producciones.

3.- Rotación doble (Rotary Duplex): fue desarrollado en los años 60 para la ejecución de anclajes en UK. Consiste en el avance simultáneo de camisa exterior por el que se introduce un varillaje interior. El flujo del agua inyectado se produce por el interior de la camisa hasta la superficie. Desde 100 a 200mm y profundidades de hasta 60m. Se utiliza en situaciones en los que se quiere alterar lo más mínimo el terreno.

4.- Rotopercusión doble concéntrica : igual al anterior pero la camisa o el varillaje también se puede introducir por percusión (DTH). Desde 90mm a 274mm y 50m de profundidad. El método es útil en zonas de bolos. Actualmente se utilizan martillos de fondo.

5.- Rotopercusión doble excéntrica: hay una excentricidad en el útil de corte del varillaje interior, generando una perforación de mayor diámetro, por lo que se necesita menos par para introducir la camisa. Se diseño originalmente para los suelos más complicados y para superar las limitaciones de los martillos en cabeza en el sistema concéntrico.

6.- Rotación con doble cabeza de giro (doble unidad de rotación): la crème de la crème. Es una mezcla entre la rotación doble y la rotopercusión pero en este caso la camisa y el varillaje giran (rotación) en direcciones opuestas. Se perfora en diámetros de 100 a 200mm y hasta 80m. Es el método ideal para las peores situaciones a perforar, que suelen ser los suelos con bolos.

Actualmente hay técnicas con martillos que tienen alas retráctiles que permiten perforar encamisando hasta 1000mm de diámetro en cualquier tipo de terreno, ya sea suelo o roca. El martillo tiene una posición retractil dentro de la camisa y una posición de perforación en la que despliega las alas y perfora a un diámetro superior al de la camisa. Por ejemplo con una camisa de 193mm exterior y 183mm interior, el martillo tiene 165mm retráctil y 212mm con las alas abiertas. (Numa Superjaws).

Otro sistema novedoso es Elemex de Atlas Copco. perforación encamisada con martillo de fondo que se ha diseñado para minimizar los efectos del uso del aire en el suelo de zonas urbanas, como posibles fugas de aire que puedan afectar a estructuras existentes. Mediante un corona por delante del martillo redirecciona el aire comprimido evitando la alteración del terreno.

A finales de los años 80 Wassara empezó a desarrollar en la minería subterránea el martillo DTH propulsado por agua en vez de aire comprimido, lo que permite que cada metro perforado sea económicamente más rentable debido a su alto rango de penetración y bajo consumo en energía eléctrica. Aunque necesita altas presiones de trabajo, 180 bares, y altos consumos de agua, unos 200-500 litros/minuto para diámetros de 150-200mm.

Un último método que parece tener un buen futuro ( o presente) es la innovadora perforación sónica. En esta perforación se transfiere energía al suelo o la roca en forma de vibración vertical de alta frecuencia (150-180 Hz), fluidificando el terreno en contacto con los útiles de perforación. Una de las principales ventajas es que el volumen de detritus es muy bajo o inexistente. En formaciones blandas se utiliza la vibración y en formaciones más duras la vibración combinada con rotación.

Bueno, vamos terminando por fín. ¿qué métodos habéis utilizado? ¿hay alguno más? ¿cuál puede ser el futuro? ¿será el martillo de fondo con agua o la perforación sónica?….

Y lo prometido es deuda. Por ser valientes os dejo los enlaces a varios libros en abierto sobre perforaciones y sondeos de profesores de la Escuela de Minas de Madrid:

Perforación y voladura de rocas en minería (2013)

Bases tecnológicas de las actividades de sondeos (2012)

Utilización de técnicas de sondeos en estudios geotécnicos (2012)

Utilización de técnicas de sondeos en captaciones de aguas (2012)

 

Otras Referencias para la elaboración del artículo:

Sanz Saracho, José María: «Procedimientos generales de construcción: Perforaciones y Cimentaciones Especiales»  Escuela de Caminos de la UPM, 2000

López Jimeno, Carlos: «Manual de Sondeos», 2000

FHWA: «Micropile, design and construcion guidelines», 2000

El Blog de Víctor Yepes: artículos sobre perforación

Si te parece interesante comparte…..gracias.