Herramientas de perforación de rocas en proyectos hidroeléctricos

La construcción de centrales hidroeléctricas no es un trabajo aislado. Se trata de un conjunto de diferentes retos de ingeniería civil apilados unos sobre otros: túneles de desvío que tienen que desviar ríos enteros, cavernas subterráneas del tamaño de estadios deportivos, estribos de presas anclados en paredes de valles fracturados y pozos de tuberías forzadas que caen cientos de metros a través de roca sólida. Cada una de estas tareas depende de la perforación, y la elección de herramientas de perforación de rocas da forma a la rapidez con la que avanza el trabajo y a la parte del presupuesto que sobrevive.

La tecnología de martillos en cabeza se sitúa en el centro de la mayor parte de este trabajo. Las herramientas hidráulicas montadas en jumbos se encargan de la perforación frontal en túneles y galerías. Los equipos de perforación de barrenos largos realizan voladuras de producción y refuerzos de roca en cavernas. Herramientas especializadas de gran diámetro cortan redondos de banco en cimientos de presas y aliviaderos. Saber qué herramienta se utiliza en cada lugar y por qué, es el punto de partida para cualquier decisión seria de adquisición en un proyecto hidroeléctrico.

Aplicación de herramientas de perforación de rocas en proyectos hidroeléctricos

Deriva del túnel de desvío

Antes de construir una presa, el río tiene que ir a otra parte. Ese trabajo recae en el túnel de desvío, que suele ser la primera excavación importante de la obra y una de las que más tiempo requieren. Un retraso en este punto retrasa todo lo que ocurre aguas abajo, por lo que la velocidad de penetración es importante desde el primer día.

Los jumbos hidráulicos son la norma aquí. Un jumbo electrohidráulico de dos o tres brazos puede cubrir un frente completo de voladura en una sola instalación. Las perforadoras de roca de estas máquinas funcionan a 2.000-5.000 impactos por minuto, generando la energía de alta frecuencia necesaria para romper roca dura o semidura en el frente. La sarta de perforación -adaptador de vástago, barras de extensión acopladas y una broca de botón en la punta- transmite esa energía a profundidades de hasta 20-30 metros por barreno antes de que la desviación se convierta en un problema práctico.

La elección de la broca depende del tipo de roca. Los botones balísticos funcionan bien en rocas más blandas y plásticas. Los botones esféricos resisten mejor en formaciones abrasivas y de alta resistencia, donde el desgaste plano es el principal modo de fallo. En los túneles de desviación que atraviesan granito, basalto o diorita, litologías habituales en las presas situadas en terrenos montañosos, los botones esféricos son los más adecuados. bits de botón en sistemas roscados T38 o T45 son un punto de partida habitual.

El diámetro del agujero para la perforación frontal en un túnel de desviación suele ser de 43-51 mm. El patrón de corte (corte paralelo, corte en V o corte quemado) determina cómo se rompe el redondeo y la limpieza del perfil. Una voladura suave en el perímetro limita la sobreexcavación, lo que es importante tanto para los costes de sostenimiento del túnel como para la eficacia hidráulica a largo plazo una vez que el agua fluye.

Deriva del túnel de desvío

Nombre De
Producto
DiámetroBotones (nº x tamaño mm)Ángulo del medidorHiloPeso (kg)Código del producto
mmpulgadaIndicadorCentro
Brocas de botón T38 Retrac para taladrado en banco7638 x 116 x 1035°T383.3174-7614-7605
7638 x 116 x 1040°T382.7174-7614-7664
7638 x 116 x 1035°T382.4176-7614-7605
7638 x 116 x 1035°T382.5176-7614-7665
Broca de botón estándar T38 para taladrado en banco7637 x 124 x 1135°T382.4175-7611-7605
7638 x 116 x 1035°T383.3173-7614-7605
7638 x 106 x 1040°T383.4173-7614-7664
7638 x 116 x 1030°T383.3173-7614-7603
Rosca T38 y broca retráctil (64-76mm)642 1/26 x 123 x 1130°T381.9173-6409-7663
702 3/48 x 106 x 1035°T382.3173-7014-7665
7637 x 124 x 1135°T383.3173-7611-7665
642 1/26 x 123 x 1130°T381.7173-6409-7603
702 3/48 x 106 x 1035°T382.0173-7014-7605
Se vende broca de roscar y retráctil T457637 x 124 x 1235°T452.8173-7611-7765
893 1/28 x 124 x 1235°T453.8173-8912-7765
7638 x 116 x 1035°T453.0174-7614-7705
893 1/28 x 126 x 1135°T454.7174-8914-7705

Excavación de la caverna de la central eléctrica

La caverna de una central eléctrica subterránea es un reto diferente al de un túnel. La sección transversal es grande: anchuras de 20-30 metros y alturas de 40-60 metros no son inusuales en los grandes proyectos. No se puede volar todo de una sola vez. El trabajo se realiza por etapas: un pilotaje en la coronación y luego voladuras sucesivas en dirección descendente, con soportes instalados entre cada voladura.

Los equipos de perforación de barrenos largos con martillo en cabeza se encargan de la perforación de producción en estos bancos. Agujeros de 64-89 mm de diámetro, perforados hacia abajo en abanicos o hileras, definen cada volumen de voladura. La geometría de la carga controla la fragmentación, que es importante porque el escombro tiene que cargarse y sacarse a través del túnel de acceso. Una fragmentación fina mejora la productividad de la pala cargadora; si es demasiado gruesa, los tiempos de ciclo se resienten.

La precisión es el principal problema técnico de la perforación de bancos en cavernas. Un orificio de 20 metros que se desvíe 1-2 grados del diseño puede aterrizar fuera del límite de voladura. En una caverna grande con cientos de barrenos de producción, esa desviación se acumula en problemas de perfil y paredes irregulares. Las barras de perforación con roscas mecanizadas de precisión y centralizadores rígidos ayudan a mantener la rectitud. En los trabajos de perforación de barrenos largos en cavernas subterráneas, muchas cuadrillas utilizan tubos guía o sistemas de barras con rosca MF específicamente para reducir la desviación angular en profundidad.

Excavación de la caverna de la central eléctrica

En una caverna de una central eléctrica de gran tamaño, el ciclo de excavación es continuo: perforación, voladura, limpieza, apoyo y vuelta a la perforación. Las herramientas tienen que seguir ese ritmo en cada turno, no solo funcionar bien en el primer barreno del día.

La voladura de control de pared -líneas de voladura previas o lisas en el perímetro- utiliza barrenos más ligeros y poco espaciados para dejar una superficie de roca limpia y estable. Estos orificios tienen un diámetro menor (38-45 mm) y se perforan con un control angular preciso desde la pluma jumbo. El muro acabado se convierte en el sustrato para el hormigón proyectado y la instalación sistemática de bulones, por lo que su calidad afecta directamente a los costes de sostenimiento del terreno.

Perforación sistemática de rocas

Las aberturas subterráneas en la roca necesitan apoyo. En las cavernas y túneles hidroeléctricos, el método principal es el bulonado sistemático, es decir, la instalación de bulones siguiendo un patrón regular en toda la superficie excavada. Las distancias entre pernos oscilan entre 1,5 y 3 metros, y la longitud de los pernos oscila entre 3 metros en roca buena y 9 metros o más en terrenos débiles o cerca de zonas de falla.

La instalación de pernos de roca comienza con la perforación del orificio del perno con el ángulo y la profundidad correctos. La mayoría de las perforaciones de bulones tienen un diámetro de 38-45 mm. La perforación se realiza justo después de cada voladura, a menudo con los mismos jumbos utilizados para la perforación frontal, cambiando a una sarta de varillas más corta y una broca más pequeña. En los proyectos de mayor envergadura, los equipos de sostenimiento de roca se encargan de este trabajo por separado para mantener el equipo de perforación frontal en movimiento.

La rectitud del orificio es importante para la instalación de pernos. Un orificio doblado o desviado puede hacer imposible insertar un perno de longitud completa, con la consiguiente pérdida de tiempo y material. Las barras de perforación con roscas de tolerancia ajustada y diseño de junta al ras reducen este riesgo. Algunos proyectos especifican pernos anclados con resina que requieren agujeros limpios y secos; en esos casos, el tipo de broca y el sistema de lavado deben adaptarse cuidadosamente a las condiciones del terreno y al fluido de perforación disponible en la obra.

La perforación con bulones es un paso más allá del bulonado estándar. Los bulones de cable, que se utilizan en zonas de gran tensión alrededor de las paredes de las cavernas o en intersecciones, requieren barrenos más largos -de 10 a 30 metros- y una tolerancia de posición más ajustada. Aquí es donde los martillos perforadores toman el relevo a los jumbos. Se aplican los mismos principios: una transmisión de energía constante, un buen lavado para mantener limpio el barreno y varillas lo bastante rígidas para seguir la trayectoria recta en profundidad.

Perforación sistemática de rocas

Perforación de la cortina de drenaje

La presión del agua es una de las principales amenazas para la estabilidad de una presa. Cuando las juntas y fracturas de la roca de cimentación se llenan de agua a presión, disminuye la tensión efectiva sobre la masa rocosa y aumenta el riesgo de deslizamiento o rotura en cuña. La respuesta estándar de ingeniería es una cortina de drenaje: una hilera de agujeros perforados detrás de la cortina de lechada que interceptan el agua a presión y la drenan a una galería de recogida antes de que pueda acumular tensiones.

Directrices de ingeniería de la FERC identifican específicamente el drenaje de las juntas de los estribos como un método eficaz para aumentar la estabilidad de las cuñas en las estructuras de las presas, aunque los drenajes requieren un mantenimiento regular para seguir funcionando.

Los orificios de la cortina de drenaje suelen tener un diámetro de 76-115 mm y se perforan en ángulos controlados desde las galerías de drenaje situadas en el interior de los cimientos de la presa. La profundidad oscila entre 20 y 80 metros, dependiendo de la altura de la presa y de la profundidad de la zona permeable. La precisión de la posición es fundamental: un orificio de drenaje que no llega a la zona prevista no proporciona protección.

Perforación de la cortina de drenaje

La perforación con martillo en cabeza se encarga de los barrenos más cortos en esta aplicación. Las perforaciones de drenaje más largas y profundas suelen realizarse con equipos de DTH (perforación en fondo) porque el DTH mantiene una energía de impacto constante independientemente de la profundidad, lo que mejora la rectitud y la penetración en rocas muy duras. Los dos métodos se utilizan a menudo juntos en el mismo proyecto: el martillo en cabeza para los tramos menos profundos, donde su gran potencia superficial es una ventaja, y el DTH para el perímetro más profundo.

Los orificios de inyección, que forman la cortina de lechada que el sistema de drenaje respalda, se perforan a profundidades y diámetros similares. La secuencia de perforación suele ser la siguiente: primero la cortina de lechada y después la cortina de drenaje, desde el lado de aguas arriba hacia el lado de aguas abajo de la presa.

Voladuras de banco de gran diámetro en cimientos y aliviaderos de presas

Antes de hormigonar, la superficie rocosa debe estar limpia y a la altura adecuada. La excavación de los cimientos de la presa elimina la sobrecarga y la roca erosionada para llegar a un material competente y portante. Los canales de los aliviaderos cortan perfiles anchos y planos en las paredes de los valles para pasar con seguridad los caudales de las crecidas. En ambos casos es necesario retirar grandes volúmenes de roca en un plazo muy ajustado.

La voladura de banco a gran escala con equipos de martillo en cabeza es la respuesta eficaz. Los equipos de superficie sobre orugas equipados con martillos hidráulicos de alta potencia perforan agujeros de 89-127 mm de diámetro en forma de banco. Las alturas de los bancos suelen ser de 10-15 metros en los trabajos de cimentación de presas. La geometría del patrón -carga, espaciado, profundidad de la subperforación- se diseña para fragmentar completamente la roca y mantener al mismo tiempo los niveles de vibración dentro de los límites establecidos para las estructuras cercanas y el hormigón fresco.

La voladura previa a la voladura principal de producción define la línea de excavación final. Una hilera de agujeros poco espaciados y ligeramente cargados crea un plano de fractura que la voladura de producción rompe sin dañar la roca más allá del límite de diseño. Esta técnica es una práctica habitual siempre que la superficie de roca acabada es importante, lo cual, en la cimentación de una presa, ocurre en todas partes.

Las herramientas utilizadas en este caso (sistemas roscados T51, T60 o R38/R32, según la especificación del equipo) deben soportar las condiciones abrasivas típicas de la roca cristalina dura de las presas situadas a gran altitud. La geometría del botón de carburo de tungsteno de la broca se elige en función del tipo de roca: insertos balísticos agresivos para formaciones sedimentarias más blandas, perfiles esféricos o semibalísticos más duros para granito y cuarcita, donde la fractura del inserto es un riesgo.

Voladuras de banco de gran diámetro en cimientos de presas y aliviaderos

Ejes de tuberías forzadas y conductos inclinados

El agua pasa del embalse a las turbinas a través de la tubería forzada, un pozo o túnel que puede ser casi vertical, muy inclinado u horizontal, según la topografía del lugar. La perforación para la construcción de pozos de tuberías forzadas combina técnicas de perforación frontal en el cabezal con perforación en altura para agujeros piloto y pasadas de escariado.

Los equipos de martillo en cabeza se encargan de los trabajos de perforación y voladura en las secciones del túnel y en los accesos. Aquí se utilizan las mismas herramientas de gran tamaño que en los túneles de desviación (sistemas de barras de extensión T38 o T45, brocas de botón esféricas). El reto es la geometría: las secciones de tuberías forzadas suelen tener curvas y cambios de pendiente que requieren un posicionamiento cuidadoso de la pluma y un control del ángulo de perforación para mantener la línea de diseño.

Los trabajos de sostenimiento de roca en los túneles de tuberías forzadas siguen el mismo método sistemático de instalación de bulones descrito para las cavernas de las centrales eléctricas, con patrones de bulonado ajustados a la calidad de la masa rocosa local. Cuando las condiciones de la roca son deficientes, se recurre al forepoling o spiling (perforación de la roca con varillas o tubos de acero por delante del frente) para proporcionar un sostenimiento temporal. Los equipos de perforación con martillo en cabeza también se utilizan para perforar barrenos con espiga, normalmente con sistemas de tuberías o revestimientos más pequeños que avanzan por delante de la excavación.

Referencia para la selección de herramientas: Las principales aplicaciones de los martillos en el sector hidroeléctrico

La tabla siguiente resume las especificaciones típicas de las herramientas para las principales aplicaciones de perforación en un gran proyecto hidroeléctrico. Se trata de intervalos de puntos de partida; las especificaciones reales dependen del modelo de equipo, las propiedades de la roca y los requisitos de precisión de perforación de cada emplazamiento.

Aplicación Método de perforación Agujero Ø (mm) Profundidad típica (m) Sistema de rosca recomendado Requisito de herramienta clave
Túnel de desvío - perforación frontal Jumbo hidráulico, martillo en cabeza 43-51 3-6 por ronda T38, T45 Alto índice de penetración; botón esférico para roca dura; buen lavado
Excavación de cavernas - perforaciones de bancos de producción Equipo de perforación de barrenos largos con martillo en cabeza 64-89 15-30 T45, T51 Rectitud del orificio; rigidez de la sarta de varillas; alineación coherente del acoplamiento
Control de la pared de la caverna (presplit/explosión suave) Jumbo hidráulico, martillo en cabeza 38-45 5-15 T38 Control angular estricto; diámetro uniforme a lo largo del orificio
Perforación sistemática de rocas - agujeros para pernos Jumbo o bolter dedicado 38-45 3-9 T38, R32 Profundidad de perforación uniforme; retirada limpia de recortes; varillas de unión al ras
Perforación del perno del cable Equipo de perforación de barrenos largos con martillo en cabeza 51-64 10-30 T45, serie MF Baja desviación; varillas de rosca MF para mejorar la rigidez en profundidad
Perforación de la cortina de drenaje Martillo en cabeza / DTH 76-115 20-80 T51, T60 / DTH Precisión posicional; sistema de enjuague para eliminar recortes finos
Voladura del banco de cimentación de la presa Oruga de superficie, martillo en cabeza 89-127 10-15 por banco T51, T60, R38 Taladro de roca de alta potencia; botones resistentes al desgaste; capacidad de precorte
Excavación del aliviadero Oruga de superficie, martillo en cabeza 76-102 8-15 por banco T45, T51 Amplio patrón de perforación; rendimiento de avance fiable; larga vida útil de la broca
Perforación de galerías y túneles Jumbo hidráulico, martillo en cabeza 43-51 3-5 por ronda T38, T45 Posicionamiento angular preciso; orificio liso para lavado en secciones inclinadas

Desgaste y averías de las herramientas en las centrales hidroeléctricas

Los emplazamientos hidroeléctricos no son buenos para las herramientas de perforación. La roca suele ser dura: el granito, el basalto, la cuarcita y el gneis son comunes en las presas situadas a gran altitud en Asia, Sudamérica y África. Casi siempre hay aguas subterráneas, a veces bajo una presión considerable. Las obras son remotas. Llevar las herramientas de repuesto a la obra lleva tiempo, lo que significa que cada fallo prematuro de la herramienta cuesta más que el precio de la herramienta.

El desgaste de la broca es el principal modo de fallo en roca dura. Los insertos de carburo de tungsteno se desgastan, lo que reduce la velocidad de penetración y aumenta la tensión de la sarta de perforación. La fractura del inserto se produce en rocas muy abrasivas o cuando la broca golpea una inclusión dura inesperada. Rectificar los botones antes de que el desgaste sea grave prolonga considerablemente la vida útil de la broca; muchos grandes proyectos hidroeléctricos cuentan con una instalación de rectificado in situ específicamente para este fin.

La fatiga de la varilla es otro de los principales factores de coste. Las barras de perforación fallan en la zona de la rosca, donde las concentraciones de tensión son mayores durante cada ciclo de impacto. El uso de varillas con tolerancias de rosca ajustadas y la aplicación de la grasa adecuada para roscas reducen este problema. Mezclar varillas de distintos fabricantes -una práctica habitual cuando las piezas de repuesto proceden de varios proveedores- puede provocar desajustes en las roscas que aceleren los fallos.

Los adaptadores de vástago están sometidos a esfuerzos de impacto y de torsión. Por lo general, es necesario sustituirlos antes que otros componentes. Controlar el desgaste de los adaptadores de vástago como indicador principal de la calidad de la configuración del equipo -presión de percusión, fuerza de avance, velocidad de rotación- ayuda a los equipos a detectar problemas de ajuste antes de que propaguen el desgaste a la sarta de varillaje, que es más cara.

PREGUNTAS FRECUENTES

Los jumbos hidráulicos de dos o tres brazos son la norma para la perforación de túneles de desviación. Llevan martillos perforadores hidráulicos que funcionan a 2.000-5.000 impactos por minuto y pueden cubrir un patrón de perforación de cara completa en una sola configuración. La sarta de perforación utiliza normalmente barras de extensión roscadas T38 o T45 con brocas de botón esféricas en roca dura. Una ronda completa de voladura en un frente de túnel de 40-60 m² suele recorrer de 3 a 5 metros de avance por ciclo.

Una vez volada y limpiada de escombros cada elevación de la excavación, se perforan orificios para pernos siguiendo un patrón de rejilla regular (normalmente con una separación de 1,5 a 3 m) a lo largo de la superficie rocosa recién expuesta. Los barrenos suelen tener un diámetro de 38-45 mm y una profundidad de 3-9 m. El mismo jumbo utilizado para la perforación frontal puede realizar este trabajo cambiando a una sarta de varillas más corta. En las cavernas más importantes, un equipo de sostenimiento de roca se encarga de la perforación de bulones por separado para no interrumpir el ciclo de excavación principal. Los bulones de cable, para zonas de mayor tensión, requieren barrenos más largos, de 10 a 30 m, y a menudo utilizan sistemas de varillaje de rosca MF para mejorar la rectitud en profundidad.

Una cortina de drenaje es una hilera de orificios perforados instalados detrás de la cortina de lechada de una presa para interceptar el agua bajo presión en la roca de cimentación y conducirla a través de una galería de drenaje. De este modo se evita la acumulación de presión de elevación que podría desestabilizar la presa o sus estribos. Las perforaciones suelen tener un diámetro de 76-115 mm y pueden alcanzar entre 20 y 80 m de profundidad, dependiendo de la altura de la presa y de la profundidad de la zona de roca permeable. La precisión de la posición es fundamental: un orificio que no llega a la zona objetivo no aporta ningún beneficio al drenaje. Los barrenos más cortos se perforan con martillo en cabeza; los más profundos suelen requerir equipos DTH para mantener la rectitud y una energía constante en profundidad.

En la perforación de cimientos de presas y aliviaderos se suelen utilizar sistemas de barras roscadas T51 o T60 combinados con equipos de perforación sobre orugas que llevan perforadoras hidráulicas de alta potencia. Los diámetros de perforación oscilan entre 89 y 127 mm, con alturas de banco de 10 a 15 m. La geometría de la broca se elige en función de la roca: botones esféricos o semibalísticos de carburo de tungsteno para rocas graníticas duras, y perfiles balísticos más agresivos en formaciones sedimentarias más blandas. En las perforaciones previas para el control de la pared se utiliza el mismo equipo, pero con barrenas de menor diámetro y espaciado más estrecho para definir limpiamente el límite final de la excavación.

En la perforación con martillo en cabeza, la perforadora de roca se sitúa en la parte superior de la sarta de perforación y la energía de impacto desciende por las barras hasta la broca. Esta configuración ofrece velocidades de penetración muy altas y un menor coste del equipo, y funciona bien para perforaciones de hasta 20-30 m en roca de dureza media a dura. La pérdida de energía a través de la sarta de varillaje aumenta a mayor profundidad, lo que limita tanto la velocidad de penetración como la rectitud del agujero. La perforación DTH coloca el martillo directamente detrás de la broca en el fondo del barreno, de modo que la energía de impacto no viaja a través de las barras, lo que mantiene un rendimiento constante y una mejor rectitud del barreno a profundidades superiores a 30 m. Los proyectos hidroeléctricos suelen utilizar ambos: el martillo en cabeza para la perforación frontal, la perforación de bancos y los barrenos de bulones; el DTH para la cortina de drenaje más profunda y los barrenos de inyección.

La causa principal es la abrasión producida por rocas duras ricas en sílice, comunes en las presas: granito, cuarcita, gneis y basalto. Los insertos de carburo de tungsteno se desgastan, lo que reduce la velocidad de penetración y aumenta la tensión en el cuerpo de la broca y las varillas. Trabajar con botones desgastados acelera la fractura del inserto y daña la cara de la broca. Otros factores que contribuyen a este desgaste son las tolerancias de rosca desiguales cuando se mezclan varillas de distintos proveedores, una lubricación insuficiente o incorrecta de la rosca y una presión de percusión o fuerza de avance superiores a las recomendadas por el fabricante de la perforadora. Rectificar los botones en el intervalo de desgaste adecuado (antes de que el desgaste plano supere 1/3 del diámetro de la plaquita) es la forma más rentable de prolongar la vida útil de la broca en condiciones de roca dura.

Sí, las perforadoras hidráulicas de martillo en cabeza son capaces de perforar rocas con valores de UCS muy superiores a 200 MPa cuando se utilizan la geometría de broca y el sistema de varillaje correctos. En rocas muy duras y abrasivas, una calidad de carburo más dura con una geometría de botón esférica resiste mejor el desgaste y la fractura que las calidades más blandas con perfiles balísticos. La energía de impacto de alta frecuencia de una perforadora hidráulica a plena potencia también mantiene velocidades de penetración en roca dura que las máquinas neumáticas no pueden igualar. El límite no es la dureza de la roca, sino la profundidad del agujero: por encima de 25-30 m, la desviación y la pérdida de energía en la sarta de varillaje empiezan a compensar la ventaja de la velocidad, y la DTH se convierte en la mejor opción.

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