Joseph Güecha Rojas Ingeniero civil con amplia experiencia en el sector de mantenimiento vial, transporte, inspección y mantenimiento de redes hidráulicas y supervisión de PTAR y equipos de manejo de residuos.
Ana María Bernal Ingeniera industrial, máster en Dirección y administración de empresas con amplia experiencia en planeación estratégica, sistemas de gestión de calidad, gestión de proyectos y rehabilitación de tubería enrollada en espiral, entre otros.
La tecnología que aquí se expone para la rehabilitación de tuberías sin zanja no depende de la destreza manual, ya que su método constructivo es estandarizado; está diseñada para asegurar la rehabilitación, renovación, optimización o modernización de la red de drenaje o cualquier tubería a gravedad para diámetros desde 6 hasta 42 pulgadas a través del sistema de enrollado en espiral.
Cuando se detecta la necesidad de estructurar un proyecto de obra civil para rehabilitar la red de drenaje, seguramente lo primero que se piensa es en una vía intervenida a zanja abierta, con interrupción total del tráfico, limitación de acceso a zonas, exceso de maquinaria en el sitio, interrupción del servicio de drenaje, exceso de contaminación ambiental, contaminación auditiva, numeroso personal de obra en la ejecución, entre otros recursos que resultan necesarios para lograr el objetivo de esa rehabilitación. Al ser el método tradicional más conocido, muchas entidades y profesionales optan por diseñar, planear y estructurar proyectos asociados a estas obras civiles con método a zanja abierta, sin dar posibilidad de explorar soluciones sin zanja que aseguran, e incluso mejoran, el resultado esperado. Alternativas de rehabilitación como las tecnologías sin zanja son más favorables, ya que aseguran la optimización de recursos, menores costos en la instalación, menor impacto ambiental, menor impacto social, mayor eficiencia, mejor desempeño y capacidad en la tubería, entre otras bondades, que quedarán expuestas a lo largo de este escrito.
La tecnología para la solución sin zanja no depende de la destreza manual, ya que su método constructivo es estandarizado; está diseñada para asegurar la rehabilitación, renovación, optimización o modernización de la red de drenaje o cualquier tubería a gravedad para diámetros desde 6 (150 mm) hasta 42 pulgadas (1,050 mm) a través del sistema de enrollado en espiral SWLP (spiral wound lining pipe) de ajuste perfecto (véase figura 1), principal característica que permite acoplar la nueva tubería enrollada en espiral a la geometría del tubo anfitrión con una mínima disminución en el diámetro original, siendo este un factor inversamente significativo en relación con la capacidad hidráulica que generalmente se mantiene o aumenta respecto al tubo deteriorado. Según las especificaciones de diseño, los requerimientos de rigidez y el diámetro a rehabilitar, se selecciona el perfil de PVC que mejor se adapte a la necesidad. Por ejemplo, para un tubo de 12” (300 mm), se aplica el perfil 85-7EX con una altura de 8.20 mm, que genera como diámetro final del tubo rehabilitado 283.6 milímetros.
Para la instalación de esta tecnología, se accede al pozo de inspección o registro, en el cual se ubica la máquina de bobinado que enrolla el perfil de PVC en forma de espiral, hasta completar la longitud de rehabilitación y llegar al siguiente pozo de inspección. El proceso de enrollado acopla la tira del perfil al interior del tubo deteriorado y se mantiene conformando un revestimiento continuo que se expande hasta lograr el ajuste perfecto con el tubo deteriorado a lo largo del tramo o sección rehabilitada, y que está diseñado originalmente como un revestimiento estructural independiente que asemeja su desempeño al de una tubería de plástico común (véase figura 2). Es relevante destacar que esta tecnología y su método constructivo están alineados con la ASTM F1741 – Práctica estándar para la instalación de tubería en PVC para revestimiento conformado helicoidalmente para rehabilitación de alcantarillas y conductos existentes.
Al intervenir la tubería con esta tecnología, no se requiere interrumpir completamente el servicio de drenaje o alcantarillado, ya que su versatilidad permite trabajar con flujo vivo en la tubería hasta un 25% y se genera un mínimo impacto en la comunidad. Además, la facilidad de manejo en los equipos requeridos para su instalación ocupan espacios moderados que no invaden más de un carril y, por consiguiente, no bloquean el tráfico en la zona de intervención, con lo que se generan planes de manejo de tráfico sencillos para el proyecto, que sin duda se traducen en menores costos asociados. En la figura 3 se ilustra la estimación de espacio requerido para la instalación en dos áreas de trabajo en el sitio de intervención: el pozo de inspección donde se inicia la instalación, que ocupa un área aproximada de 37.5 m2, y el pozo de inspección final donde termina la instalación, desde el cual se mantiene monitoreo del proceso de rehabilitación por medio de circuito cerrado de televisión CCTV con un área de ocupación de alrededor de los 12.5 m2 (véase figura 3).
Analizando las bondades que ofrece esta tecnología al trabajar con el sistema SWLP, existe una mejora en los factores estructurales e hidráulicos de las redes rehabilitadas; estas mejoras o comportamientos finales en la vida útil de la tecnología son congruentes con los cálculos realizados conforme a la normatividad, ya que el proceso de rehabilitación es mecánico, realizado por un equipo de bobinado certificado, y los perfiles provienen de un proceso productivo controlado con elevados estándares de calidad que aseguran el comportamiento de la tecnología y no resultan inciertos.
Tomando como caso de estudio la red a rehabilitar de 12” o 300 mm de diámetro y considerando que comúnmente el tubo anfitrión a rehabilitar proviene de tubería antigua de concreto, se realiza a continuación un análisis estructural e hidráulico que permite dar una referencia del comportamiento de la tecnología desde el punto de vista técnico.
A nivel hidráulico, se analiza el comportamiento de la tubería deteriorada y el de la tubería rehabilitada con la tecnología aquí expuesta, considerando condiciones de la tubería con una pendiente del 1% y al 100% de su capacidad con diámetro 300 mm, utilizando la fórmula de caudal Q = VA, y la velocidad, determinada con la fórmula de Manning:
v = Rh2/3 J0.5
donde:
V = Velocidad (m/s)
n = Coeficiente de rugosidad
Rh = Radio hidráulico (m)
J = Pendiente hidráulica
Para el caso de la tubería de concreto deteriorado, se asume un coeficiente de rugosidad n de 0.015, simulando una superficie rugosa y con desperfectos, que genera una velocidad de flujo de 1.19 m/s y un caudal en la tubería de 0.084 m3/s. Considerando el paso del tiempo y que se presentan filtraciones, obstrucciones, defectos estructurales y colapsos que afectan la rugosidad del tubo a rehabilitar (véase figura 4), el coeficiente de rugosidad más apegado a esas condiciones determinaría un valor mayor, lo que llevaría a un gasto incluso menor al antes señalado.
En el caso de la tubería rehabilitada, el coeficiente de rugosidad n corresponde a 0.010 y el diámetro de la tubería final de 288 mm, debido al espesor que tiene el perfil aplicable, define una velocidad de flujo estimada de 1.71 m/s y un caudal final de 0.108 m3/s, lo que evidencia un incremento de por lo menos el 29% de la capacidad hidráulica respecto al conducto deteriorado.
El aumento de la capacidad hidráulica estimado representa una ventaja en esta tecnología incluso frente a otras soluciones sin zanja que se ven afectadas por variaciones inherentes al método constructivo y las condiciones de instalación.
A nivel de comportamiento estructural, la tecnología tratada aquí va más allá de un revestimiento que puede aportar capacidad estructural a la tubería deteriorada, ya que sus propiedades mecánicas aseguran que, una vez instalada, tenga el comportamiento de una tubería independiente dentro de la tubería anfitriona, característica que aporta un mayor soporte estructural en los eventos de cargas aplicadas. Esta capacidad estructural se verifica por medio de la rigidez anular y la rigidez de tubería que presenta la tecnología, que pueden ser determinadas por medio de ensayos de laboratorio y cálculos. La rigidez anular se determina mediante la siguiente fórmula:
SN =
donde:
SN = Rigidez anular (N/mm2)
E = Módulo de elasticidad (N/mm2)
I = Momento de inercia (mm4/mm)
Dm = Diámetro medio (mm)
Considerando que el perfil de PVC de esta tecnología maneja un módulo de elasticidad de 2.738 N/mm2 y el perfil aplicable para tubería con diámetro de 12” es el 85-8EX, con una inercia de 26.98 mm4/mm, se obtiene una rigidez anular de 0.00307 N/mm2 o MPa, que equivale a 0.45. Con esta rigidez anular, al multiplicar por el factor 53.77 se estima la rigidez de la tubería, que en ese caso corresponde a 24.01 psi, superior en más del 120% frente a otras tecnologías, y por tanto se confirma que ésta aporta un mejor desempeño estructural a la tubería.
Además de evidenciar un óptimo desempeño hidráulico y estructural, el mecanismo de sello de la tubería rehabilitada asegura la estanqueidad según la normativa ASTM F17412. En un análisis realizado a los perfiles de PVC, éstos fueron sometidos a ensayos de estanqueidad acordes con la ASTM F1697-181 en dos escenarios críticos que plantea este estándar: con perfiles sometidos a una desviación axial de 10 grados y con perfiles sometidos a una deformación de 5% del diámetro interno de la tubería a rehabilitar, experimentando una prueba de vacío de 74 kPa durante 10 minutos, con una variación de 17 kPa y una prueba de presión interna de 74 kPa durante 10 minutos; se evidenció que no se presentaron fugas en los ensayos.
Como caso real de este resultado en el comportamiento de estanqueidad o hermeticidad de la tubería, en 1990 se ejecutó el proyecto de West Lake, al sur de Australia. A los nueve años en 1999 y a los 19 años en 2009 se aplicó la prueba de estanqueidad acorde con esta normatividad y quedó claro que el tramo rehabilitado mantenía la condición de hermeticidad o estanqueidad esperada.
Por otra parte, la ASTM F17412 establece las etapas claves de la rehabilitación con tubería enrollada en espiral; por tanto, el método constructivo o de instalación de esta tecnología cumple con esta práctica estándar a fin de asegurar los resultados mencionados anteriormente. Desde el método de instalación se identifican etapas claves para asegurar la correcta rehabilitación de tubería enrollada en espiral, comenzando por la etapa más importante previa a la instalación, que consiste en el alistamiento de la tubería. El alistamiento del tubo deteriorado requiere una limpieza con equipo presión-succión, una inspección inicial con circuito cerrado de televisión (CCTV) para registrar la ubicación de tuberías domiciliarias o laterales y para determinar el estado de la tubería y los defectos u obstrucciones presentes que deben ser eliminados posteriormente mediante el uso de un robot de corte (véase figura 5). Estas actividades se realizan accediendo desde el pozo de inspección, para dar paso a la instalación de la tecnología.
En la etapa de instalación de la tubería enrollada en espiral, se realiza una segunda limpieza al tramo o sección por rehabilitar, e inmediatamente se inicia el proceso de enrollado del perfil de PVC al interior del tubo deteriorado hasta completar la longitud de rehabilitación. Teniendo en cuenta que esta tecnología se caracteriza por el ajuste perfecto, a medida que se enrolla el perfil de PVC se alimenta también un cable de acero que genera la expansión; al completar la longitud del tramo o sección, el cable se jala y genera ruptura en un pasador del perfil que lo libera y permite su desplazamiento hasta encontrarse con las paredes del tubo deteriorado, condición con la cual el nuevo tubo se expande y se acopla en ajuste perfecto al tubo anfitrión, para generar el mecanismo de sello final que asegura la estanqueidad del tubo rehabilitado. Posteriormente a la instalación, se realizan acabados laterales en la tubería y se procede a la reapertura de tuberías domiciliarias o laterales de la red, sin necesidad de interrumpir completamente el servicio de alcantarillado.
Ahora bien, retomando el caso de estudio de tubería de 12” (300 mm), si se deseara rehabilitar 100 m de tubería por método convencional a zanja abierta, haciendo un análisis detallado de las actividades que intervienen, la ejecución podría demorarse alrededor de 15 días, mientras que otros métodos sin zanja alternativos para la rehabilitación tomarían alrededor de siete días, aproximadamente el 50% del método convencional. Pero analizando la rehabilitación con la tecnología que aquí se expone, el tiempo de ejecución sería alrededor de tres días, lo que demuestra que esta solución sin zanja es 80% más eficiente que el método a zanja abierta y 60% más eficiente que otros métodos de rehabilitación sin zanja.
En los ámbitos ambiental y social, esta tecnología genera mínimos residuos, que en su mayoría se pueden reciclar; no requiere uso y manipulación de sustancias químicas agresivas, por lo que no se generan vertimientos a la red de drenaje, y al mismo tiempo la exposición a factores de riesgo para los operadores es de nivel bajo. El método constructivo no emite material particulado, es una tecnología práctica, limpia, silenciosa y de fácil instalación. Los equipos que se requieren para su instalación son sencillos de transportar y manipular, además de que no se requieren grandes espacios, con lo que se asegura la continuidad de tráfico vehicular en la zona de instalación. No depende de condiciones climáticas, permite la instalación sin interrumpir el servicio de alcantarillado y genera mínimos impactos en la comunidad alrededor del proyecto (véase figura 6).
Conclusión
Se ha expuesto aquí una tecnología que constituye una alternativa de rehabilitación, renovación, optimización, reposición o modernización de tuberías por gravedad atractiva para el diseño y desarrollo de proyectos orientados a asegurar un desempeño rentable y en tiempos óptimos y de calidad. Se trata además de una tecnología innovadora que genera mínimos impactos a la sociedad y al medio ambiente.
Recientemente se culminó con éxito el proyecto de este tipo más grande en América Latina, con 24,000 m de rehabilitación de tubería de alcantarillado o drenaje en Bogotá, Colombia, para diámetros de entre 8 y 36” (200 a 900 mm). La apertura a nuevas opciones, además de garantizar la capacidad de la infraestructura hidráulica en respuesta al crecimiento de la población, permitirá a los organismos encargados implementar soluciones que den respuesta rápida, rentable y responsable a las necesidades en la red de drenaje
