u319408

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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 
Facultad de Ingeniería 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
 
 
 
Proyecto de Grado 
Johana Rocío Muñoz Rojas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Asesor: Juan Guillermo Saldarr iaga 
 
 
 
VARIACIÓN DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD (KS) EN TUBERIAS 
INSTALADAS POR EL METODO DE PIPE J ACKING 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Bogotá, Enero de 2008 
 
 
 
Facultad de Ingeniería - Departamento de Ing eniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantari llados – CIACUA 
Pro yecto de Grado 
Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el 
método de Pip e Jacking 
 
 
ICIV 200720 19 
 
Variación del coeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jacki ng 
 
TABLA DE CONTENIDO 
1 INTRODUCCIÓN............................................................................................................... 1 
2 OBJETIVOS...................................................................................................................... 4 
3 PIPE JACKING ................................................................................................................. 5 
3.1 CONSTRUCCIÓN Y COMPONENTES.................................................................................. 6 
3.1.1 Elementos Típicos ................................................................................................. 7 
3.1.2 Método Constructivo .............................................................................................. 8 
3.1.3 Puestos de Control (Working Shafts)..................................................................... 10 
3.1.4 Tipos de Escudos ................................................................................................ 12 
3.1.4.1 Escudos Convencionales ..................................................................................12 
3.1.4.2 Escudos de Aire Comprimido.............................................................................14 
3.1.4.3 Escudos de Presión .........................................................................................14 
3.1.5 Tuberías.............................................................................................................. 16 
3.2 INFORMACIÓN DEL SUELO Y ESTUDIOS D E CAMPO ............................................................ 18 
3.3 DESVENTAJAS D EL MÉTODO......................................................................................... 22 
4 HIDRÁULICA DEL FLUJO .............................................................................................. 24 
4.1 NÚMERO DE REYNOLDS .............................................................................................. 24 
4.2 FLUJO HIDRÁULICAMENTE LISO E HIDRÁU LICAMENTE RUGOSO ........................................... 25 
4.3 FACTOR DE FRICCIÓN (F)............................................................................................. 27 
4.4 TRABAJO DE JOHANN NIKURADSE Y LEWIS MOODY......................................................... 28 
4.5 TRABAJO DE COLEBROOK – WHITE ............................................................................... 30 
5 MODELO FÍSICO ............................................................................................................ 32 
5.1 CONSTRUCCIÓN TUBERÍAS .......................................................................................... 35 
5.1.1 Tubería 1 ............................................................................................................ 35 
5.1.2 Tubería 2 ............................................................................................................ 43 
5.2 CONSTRUCCIÓN PIEZÓMETROS Y TABLERO ................................................................... 44 
6 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS............................................................... 48 
6.1 CALIBRACIÓN VERTEDEROS ......................................................................................... 48 
6.1.1 Vertedero tubería 1 .............................................................................................. 50 
6.1.2 Vertedero tubería 2 .............................................................................................. 52 
6.2 PIEZÓMETROS........................................................................................................... 53 
6.2.1 Piezómetros tubería 1 .......................................................................................... 53 
6.2.2 Piezómetros tubería 2 .......................................................................................... 55 
6.3 CAUDAL ................................................................................................................... 57 
6.3.1 Caudal tubería 1 .................................................................................................. 57 
6.3.2 Caudal tubería 2 .................................................................................................. 59 
6.4 CÁLCULO COEFICIENTE D E RUGOSIDAD KS ..................................................................... 60 
6.4.1 Coeficiente de rugosidad Ks tubería 1 ................................................................... 61 
6.4.2 Coeficiente de rugosidad Ks tubería 2 ................................................................... 66 
6.5 ANÁLISIS .................................................................................................................. 71 
7 CONCLUSIONES............................................................................................................ 76 
8 REFERENCIAS TEXTO................................................................................................... 78 
9 REFERENCIAS FIGURAS ............................................................................................... 79 
10 REFERENCIAS TABLAS ................................................................................................ 80 
11 BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................... 81 
 
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Pro yecto de Grado 
Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el 
método de Pip e Jacking 
 
 
ICIV 200720 19 
 
Variación del coeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jacki ng 
 
 
ÍNDICE DE FIGURAS 
FIGURA NO. 1 - ESQUEMA GENERAL ..................................................................................... 5 
FIGURA NO. 2 - COMPONENTES TÍPICOS ............................................................................... 7 
FIGURA NO. 3 - THRUST WAL ................................................................................................. 9 
FIGURA NO. 4 - WORKING SHAFTS....................................................................................... 10 
FIGURA NO. 5 – ESCUDO CONVENCIONAL CUTTER BOOM................................................. 12 
FIGURA NO. 6 – ESCUDO CONVENCIONAL BACKACTER .................................................... 13 
FIGURA NO. 7 – ESCUDO CONVENCIONAL EPBM................................................................ 13 
FIGURA NO. 8 – ESCUDO CONVENCIONAL TBM .................................................................. 14 
FIGURA NO. 9 - ESCUDOS DE PRESIÓN PRESSURISED SLURRY MACHINE (PSM) ............. 15 
FIGURA NO. 10 - ESCUDOS DE PRESION EARTH PRESSURE BALANCE MACHINE (EPBM) 15 
FIGURA NO. 11 – DIAGRAMA TÍPICO DE JUNTAS EN TUBERÍAS DE CONCRETO ............... 17 
FIGURA NO. 12 - DIAGRAMA TÍPICO DE JUNTAS EN TUBERÍAS DE ACILLA VITRIFICADA . 17 
FIGURA NO. 13 – LINEAS SECUNDARIAS ............................................................................. 18 
FIGURA NO. 14 - ESQUEMA DE LA INFORMACIÓN TÍPICA NECESARIA PARA EL DISEÑO . 19 
FIGURA NO. 15- MÉTODOS DE TRATAMIENTO PARA DIFERENTES CLASES DE SUELO ... 21 
FIGURA NO. 16 - SUBCAPA LAMINAR VISCOSA................................................................... 26 
FIGURA NO. 17 - FLUJO TURBULENTO HIDRÁULICAMENTE LISO....................................... 26 
FIGURA NO. 18 - FLUJO TURBULENTO HIDRÁULICAMENTE RUGOSO................................ 27 
FIGURA NO. 19 - DIAGRAMA NIKURADSE ............................................................................ 29 
FIGURA NO. 20 - DIAGRAMA MOODY.................................................................................... 30 
FIGURA NO. 21 - ESQUEMA GENERAL MONTAJE ................................................................ 32 
FIGURA NO. 22 - VISTA PANORAMICA MONTAJE................................................................. 33 
FIGURA NO. 23 - VISTA GENERAL MONTAJE ....................................................................... 33 
FIGURA NO. 24 - VISTA HACIA EL TANQUE .......................................................................... 34 
FIGURA NO. 25 - VISTA HACIA EL VERTEDERO ................................................................... 34 
FIGURA NO. 26 - MONTAJE FINAL ........................................................................................ 35 
FIGURA NO. 27 - ACONDICIONADOR DE SUPERFICIE.......................................................... 37 
FIGURA NO. 28 - ADHESIVO NOVAFORT .............................................................................. 37 
FIGURA NO. 29 - PISTOLA APLICADORA .............................................................................. 38 
FIGURA NO. 30 - DETALLE DE APLICACIÓN ADHESIVO NOVAFORT ................................... 38 
FIGURA NO. 31 - DETALLE SEGMENTOS UNIDOS ................................................................ 39 
FIGURA NO. 32 - DETALLE DE PEGA AL INTERIOR DE LA TUBERÍA ................................... 39 
FIGURA NO. 33 - DETALLE DE SECADO ............................................................................... 40 
FIGURA NO. 34 - SEGMENTOS DEL 1 AL 7 YA UNIDOS ........................................................ 40 
FIGURA NO. 35 - SEGMENTOS DEL 1 AL 7 YA UNIDOS ........................................................ 41 
FIGURA NO. 36 - DETALLE MONTAJE Y APOYOS TUBERÍA 1 .............................................. 42 
FIGURA NO. 37 - DETALLE APOYOS ADICIONALES Y METÁLICOS TUBERÍA 1 ................... 42 
FIGURA NO. 38 - DETALLE ACOPLES BOCATOMA .............................................................. 43 
FIGURA NO. 39 - DETALLE UNION TUBERÍA 2 ...................................................................... 43 
FIGURA NO. 40 - DETALLE ACOPLES TUBERÍA 2................................................................. 44 
FIGURA NO. 41 - MANGUERA 316 CALIBRE 40 ..................................................................... 44 
FIGURA NO. 42 - APERTURA DE ORIFICIOS PARA INSTALACIÓN DE PIEZÓMETROS......... 45 
FIGURA NO. 43 - DETALLE DEL PROCESO DE LA INSTALACIÓN DE PIEZÓMETROS.......... 45 
FIGURA NO. 44 - DETALLE PIEZÓMETROS ........................................................................... 46 
FIGURA NO. 45 - INSTALACIÓN COMPLETA PIEZÓMETROS ................................................ 46 
FIGURA NO. 46 - DETALLE TABLERO PIEZOMÉTRICO......................................................... 47 
FIGURA NO. 47 - VERTEDEROS ............................................................................................ 49 
FIGURA NO. 48 - DETALLE AGUJA LIMNIMETRICA .............................................................. 50 
FIGURA NO. 49 - ILUSTRACIÓN hf ......................................................................................... 53 
FIGURA NO. 50 - ILUSTRACIÓN Ks Y DIAGRAMA DE MOODY TUBERÍA1 ............................ 65 
 
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FIGURA NO. 51 - ILUSTRACIÓN Ks Y DIAGRAMA DE MOODY TUBERÍA2 ............................ 69 
FIGURA NO. 53 - TUBERÍAS LISAS, DIAGRAMA DE MOODY ................................................ 75 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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ÍNDICE DE TABLAS 
TABLA NO. 1 - MÉTODOS DE EXCAVACIÓN PARA DIFERENTES TIPOS DE SUELO ............ 15 
TABLA NO. 2 - CLASIFICACIÓN MATERIAL TUBERIAS......................................................... 16 
TABLA NO. 3 - PARÁMETROS QUE DEBEN SER CONSIDERADOS CON RELACIÓN AL TIPO 
DE SUELO.............................................................................................................................. 20 
TABLA NO. 4 - PROPIEDADES SEGMENTOS TUBERIA 1 ...................................................... 36 
TABLA NO. 5 - PENDIENTES TUBERÍA 1 ............................................................................... 41 
TABLA NO. 6 - LONGITUD DE INSTALACIÓN DE PIEZOMETROS ......................................... 47 
TABLA NO. 7 - CALIBRACIÓN VERTEDERO TUBERÍA 1 ....................................................... 50 
TABLA NO. 8 - CALIBRACIÓN VERTEDRO TUBERÍA 2 ......................................................... 52 
TABLA NO. 9 - ALTURAS PIEZOMÉTRICAS TUBERÍA 1 ........................................................ 53 
TABLA NO. 10 - VALORES DE hf TUBERÍA 1 ......................................................................... 54 
TABLA NO. 11 - ALTURAS PIEZOMÉTRICAS TUBERÍA 2 ...................................................... 55 
TABLA NO. 12 - VALORES DE hf TUBERÍA 2 ......................................................................... 56 
TABLA NO. 13 - CAUDAL TUBERÍA 1 .................................................................................... 57 
TABLA NO. 14 - CAUDAL TUBERÍA 2 .................................................................................... 59 
TABLA NO. 15 - DATOS DE ENTRADA CÁLCULO FACTOR DE FRICCIÓN TUBERÍA 1 ......... 61 
TABLA NO. 16 - DIÁMETRO PROMEDIO TUBERÍA 1.............................................................. 61 
TABLA NO. 17 - FACTOR DE FRICCIÓN TUBERÍA 1 .............................................................. 62 
TABLA NO. 18 - DATOS DE ENTRADA CÁLCULO NÚMERO DE REYNOLDS TUBERÍA 1 ...... 62 
TABLA NO. 19 - NÚMERO DE REYNOLDS TUBERÍA 1........................................................... 63 
TABLA NO. 20 - COEFICIENTE DE RUGOSIDAD Ks TUBERÍA 1 ............................................ 64 
TABLA NO. 21 - DATOS DE ENTRADA CÁLCULO FACTOR DE FRICCIÓN TUBERÍA 2 ......... 66 
TABLA NO. 22 - FACTOR DE FRICCIÓN TUBERÍA 2 .............................................................. 66 
TABLA NO. 23 - DATOS DE ENTRADA CÁLCULO NÚMERO DE REYNOLDS TUBERÍA 2 ...... 67 
TABLA NO. 24 - NÚMERO DE REYNOLDS TUBERÍA 2........................................................... 67 
TABLA NO. 25 - COEFICIENTE DE RUGOSIDAD Ks TUBERÍA 2 ............................................ 68 
TABLA NO. 26 - COMPARACIÓN FACTOR DE FRICCIÓN ...................................................... 71 
TABLA NO. 27 - COEFICIENTE DE RUGOSIDAD Ks PROMEDIO ........................................... 75 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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ÍNDICE DE GRÁFICAS 
 
GRÁFICA NO. 1 - CURVA CALIBRACIÓN VERTEDERO TUBERÍA 1...................................... 51 
GRÁFICA NO. 2 - CURVA CALIBRACIÓN VERTEDERO TUBERÍA 2...................................... 52 
GRAFICA NO. 3 - FACTOR DE FRICCIÓN VS. CAUDAL ........................................................ 72 
GRAFICA NO. 4 - COEFICIENTE DE RUGOSIDAD Ks VS. CAUDAL ...................................... 74 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Variación del coeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jacki ng 1 
 
1 Introducción 
 
En la actualidad, existen aproximadamente 6,000 millones de habitantes en el 
planeta. La explosión demografía lamentablemente no cuenta con una tasa de 
crecimiento constante, sin embargo, el crecimiento de las zonas urbanas muestra 
ser bastante acelerado. Según Pomeranz (2000), la población, o número de 
habitantes de una determinada región, afecta a todos los aspectos de nuestro 
mundo, desde las oportunidades económicas hasta los cambios en el medio 
ambiente y en las experiencias de la vida cotidiana. La comprensión de las 
tendencias a largo plazo resulta esencial para efectuar las proyecciones 
necesarias para una planificación inteligente en las áreas de economía, protección 
del medio ambiente y sanidad. 
 
 
Refiriéndonos específicamente a las últimas dos áreas mencionadas en el articulo 
de Pomeranz, junto con el crecimiento acelerado y desordenado de las ciudades, 
se derivan problemas serios de medio ambiente y sanidad. Además de las 
modificaciones causadas al medio, también existe la necesidad de llevar todas las 
líneas de servicios públicos a cada uno de los nuevos asentamientos, esto sin 
contar las vías de comunicación con el resto de la población. Quizá uno de los 
servicios públicos más importantes que debe ser suministrado es el servicio de 
acueducto y alcantarillado, no solo proporciona un elemento vital para la vida de 
los habitantes, sino que también previene graves problemas de sanidad. 
 
Por definición, un acueducto es un canal artificial construido para transportar agua 
y abastecer a una población. Puede ser un canal abierto o cerrado, un túnel o una 
tubería, o puede ser un puente que eleve el canal sobre un valle o un río.El primer 
acueducto que funcionó exitosamente fue el acueducto romano (Aqua Marcia) que 
transportaba el agua sobre la superficie del suelo, en Roma; tenía una longitud de 
90 km y fue construido por el pretor Marcio en el año 144 a.C. La sección de este 
acueducto, soportada por puentes, medía unos 16 km. Diez acueductos 
suministraban agua a la antigua ciudad de Roma, unos 140.000 m3 de agua al día. 
En la actualidad se encuentran porciones de ellos que todavía están en 
funcionamiento, y proporcionan agua a las fuentes de Roma. Los antiguos 
romanos también construyeron acueductos en otros lugares de su imperio, 
muchos de los cuales se mantienen todavía en buen estado: el acueducto sobre el 
canal de Francia; el de Segovia en España y el de Éfeso en Turquía. (Microsoft 
Encarta, 2006) 
 
 
 
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Variación del coeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jacki ng 2 
 
Tal como se describió anteriormente, los acueductos han sido parte integral en la 
evolución de la raza humana. Gracias a los distintos avances presentados por la 
rama de la ingeniería (la cual derivo en lo que hoy llamamos mecánica de fluidos) 
las técnicas de construcción, así como los materiales y la modelación hidráulica 
han evolucionado considerablemente. 
 
Actualmente las líneas de acueducto, en su mayoría, se encuentran instaladas a 
nivel subterráneo, se utilizan como transporte tuberías con diferentes gamas de 
diámetros y materiales, entre ellos; vidrio, PVC, CPVC, asbesto cemento, GRP, 
acero, hierro forjado, CCP, hierro fundido asfaltado, hierro galvanizado, arcilla 
vitrificada, hierro fundido, hierro dúctil, madera cepillada, concreto, acero blindado. 
La instalación de dichas líneas ha representado un inconveniente para los 
constructores y para la ciudad en si. En la mayoría de los casos, la instalación de 
nuevas líneas de acueducto es un proceso de sumo cuidado, debe tenerse en 
cuenta: la hidráulica de todo el conjunto de líneas de la ciudad (red de acueducto) 
así como la hidráulica de la línea instalada, la existencia de líneas preliminares o 
de otras características (líneas de teléfono, energía, gas, etc.) existentes en el 
mismo lugar, así como el optimo proceso constructivo de instalación. 
 
Tradicionalmente, el proceso de construcción para la instalación de nuevas líneas 
o reparación de las antiguas, se basa en abrir una zanja (brecha, hueco) en el 
lugar de la instalación de la tubería y se procede con el proceso de instalación. Sin 
embargo este método probó tener varios problemas, el más importante de ellos es 
el impacto que tiene sobre la superficie que es abierta, lo cual, en la mayoría de 
los casos, resulta ser una vía. También existen problemas con las profundidades 
a las cuales se instalan las nuevas líneas, entre más profundo, será más costoso y 
más complicado el proceso. Además de esto, se pueden mencionar los problemas 
de ruido durante la construcción así como obstrucciones en la vía (problemas de 
movilidad) y largas jornadas de trabajo. 
 
Teniendo esto en mente, se ha desarrollado una nueva tecnología llamada Pipe 
Jacking, o instalación sin zanja, la cual tiene como objetivo principal tener el 
mínimo impacto en la superficie durante la construcción. El método está basado 
en la instalación de las líneas de tubería mediante métodos de excavación 
subterráneo. Es decir, en vez de abrir la zanja, se hace una excavación a la 
profundidad deseada y desde este punto se empujan las tuberías hasta el punto 
de llegada. 
 
El método probo tener varias ventajas, entre ellas se pueden encontrar; daño 
mínimo en la superficie, habilidad de instalar líneas bajo construcciones o líneas 
ya existentes, producción mínima de ruido, seguridad mayor para los 
 
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constructores, posibilidad de instalación bajo profundidades mayores comparadas 
con el otro método, relación de beneficio – costo mayor y adaptabilidad a cualquier 
tipo de suelo. A pesar de las garantías constructivas que ofrece el método, este 
tiene un inconveniente que no se encuentra del todo resuelto; se refiere a las 
variaciones de pendiente que se puedan llegar a presentar entre los diferentes 
tramos de las tuberías hincadas, lo cual puede llegar a afectar considerablemente 
el diseño hidráulico de la línea. 
 
El propósito de este proyecto, es precisamente comparar como estas mínimas 
variaciones de pendiente pueden llegar a afectar la hidráulica del proceso, más 
específicamente, como afecta en el coeficiente derugosidad ks de la tubería. 
 
La investigación se llevó a cabo en el Centro de Investigaciones de Acueductos y 
Alcantarillados de la Universidad de Los Andes (CIACUA), en el cual se 
construyeron dos modelos físicos; uno representaba una línea de instalación 
teórica con pendiente horizontal, y el otro representaba una línea de instalación 
con pequeñas variaciones de pendiente entre los tramos. Mediante vertederos se 
midió el caudal y mediante piezómetros se midió la perdida de cabeza entre aguas 
arriba y aguas abajo de las dos tuberías, la cual permitiría, bajo las ecuaciones 
que reinan el diseño de la hidráulica, comparar en términos de ks, los dos 
modelos. 
 
El documento se encuentra organizado de la siguiente manera: 
 
El capítulo 2 contiene los objetivos del proyecto, explicando lo que se quiere lograr 
con el trabajo desarrollado. 
El capítulo 3 es la base teórica del documento y se explica en detalle el método de 
Pipe Jacking 
El capítulo 4 es la descripción de las ecuaciones y la modelación matemática de la 
hidráulica del flujo en tuberías, este describe el proceso de cálculo del coeficiente 
de rugosidad ks, necesario para la comparación de los modelos físicos. 
El capítulo 5 presenta la descripción de la construcción del modelo físico. 
El capítulo 6 recopila los resultados de las pruebas realizadas en los dos modelos 
físicos, así como una comparación de los resultados y sus respectivos análisis. 
En el capítulo 7 están las conclusiones de esta investigación. 
En el capítulo 8, 9 y 10 están las referencias bibliográficas de texto, figuras y 
tablas que aparecen a lo largo de trabajo. 
En el capítulo 11 está la bibliografía utilizada en el desarrollo del proyecto 
 
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2 Objetivos 
 
 
Los objetivos de un proyecto de investigación permiten marcar una pauta para el 
comienzo del proyecto, y una meta a la cual se buscará llegar. A medida que se va 
desarrollando la investigación surgirán algunos otros objetivos, mucho más 
específicos y detallados. 
 
Como objetivo general de este proyecto y lo que se intentará mostrar en este 
documento, es el desarrollo de una investigación acerca de las posibles 
consecuencias en el diseño hidráulico (variaciones en el coeficiente de rugosidad 
ks) de una tubería instalada por medio del método de Pipe Jacking. 
 
 
Para llegar a esto se desarrollarán algunos conocimientos básicos sobre el 
método de instalación de tuberías Pipe Jacking tales como la descripción del 
proceso en si, maquinaria utilizada, desventajas del método, etc. También se 
presentará un resumen de la hidráulica de tuberías que se debe tener presente 
para el diseño de las mismas. Teniendo esto en mente, se hará la construcción de 
dos modelos físicos a escala: tubería con pendiente teórica y tubería simulada 
según el proceso de construcción Pipe Jacking (presentará variaciones en la 
pendiente del orden del 4%). Finalmente se pretende comparar entre los dos tipos 
de modelos las variaciones en la hidráulica del flujo, específicamente en la 
variación del coeficiente de rugosidad ks. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3 Pipe Jacking 
El método llamado Pipe Jacking se refiere específicamente a una técnica por 
medio de la cual se pueden instalar tuberías subterráneas (cabe anotar que estas 
tuberías no necesariamente transportan agua, pueden ser usadas para líneas 
telefónicas y eléctricas, transporte de gas y drenajes entre otros. Sin embargo, 
para propósitos de esta investigación se tomará en cuenta solo el caso de tuberías 
de acueducto.), ductos y box culverts, sin tener la necesidad de una excavación 
sobre el terreno. El término Microtunelaje se refiere a un tipo específico de Pipe 
Jacking que comprende diámetros menores de tuberías. 
 
El uso de este método ha ido creciendo considerablemente; el primer registro de 
uso se remonta a 1910 en Norteamérica (Ripley, 1989). Desde entonces existen 
varios centros de investigación que se dedican a estudiar la técnica, entre ellas se 
destaca el Pipe Jacking Association y el British Tunelling Society. 
 
 
Básicamente el método funciona de la siguiente manera: gatos hidráulicos 
ubicados en un centro de control (que después se convertirá en un pozo de 
inspección) empujan tuberías (especialmente diseñadas) a través del suelo. La 
presión generada por los gatos es transmitida de tubo a tubo hasta la cara de la 
excavación, la fuerza de los gatos varía según las condiciones del suelo, el 
diámetro de la tubería, y la longitud de la misma; se puede presentar fuerzas de 
hasta 300 toneladas para un hincamiento de 1200mm por golpe (Concrete Pipe 
Jacking Asocciation of Australasia [CPJAA]). El suelo removido es transportado 
hacia afuera de la excavación por métodos manuales o mecánicos. (Ver figura no. 
1) 
 
 
 
FIGURA NO. 1 - ESQUEMA GENERAL 
 
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Actualmente no existen límites teóricos para la longitud de los tramos, sin embargo 
existen consideraciones prácticas y económicas que reducen la longitud de los 
mismos. Además, el tipo de tubería, tamaño de excavación del puesto de control, 
maquinaria utilizada y otras especificaciones dependen mayormente del tipo de 
suelo y del diámetro necesario. 
 
 
3.1 Construcción y Componentes 
Para la puesta en marcha de cualquier proyecto es necesario conocer algunas 
consideraciones previas que harán del mismo algo viable tanto funcionalmente 
como económicamente. En construcciones mediante el método de Pipe Jacking 
esta no es la excepción; se necesita una gran cantidad de información previa para 
la puesta en marcha del diseño y posteriormente para la construcción. 
 
Según la PJA (The Pipe Jacking Association [PJA], 2006), estas consideraciones 
previas pueden ser generalizadas de esta manera: 
 
• Requerimientos hidráulicos 
• Ruta óptima 
• Profundidad 
• Pendiente 
• Requerimientos de manhole (pozos de inspección) 
• Condiciones del suelo 
• Topología de tubos existentes así como de posibles estructuras 
subterráneas 
• Longitudes requeridas 
• Diámetros requeridos 
 
Todos estos parámetros van a determinar el éxito o fracaso financiero del 
proyecto. Para este método el componente más importante es el tipo de suelo ya 
que de este se desprende las demás características y componentes del sistema. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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método de Pip e Jacking 
 
 
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Variación del coeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jacki ng 7 
 
3.1.1 Elementos Típicos 
Existen algunos elementos típicos en los proyectos de excavación por medio del 
método de Pipe Jacking; en la figura no. 2 se presenta un diagramaen el cual se 
pueden apreciar estos componentes. 
 
De una manera general los podemos dividir en cuatro elementos (Harbuck, 2000): 
 
1. Cara de la excavación 
2. Línea de excavación 
3. Puesto de control (llegada y salida, Jacking Pit y Receiving Pit) 
4. Trabajos en la superficie 
 
 
FIGURA NO. 2 - COMPONENTES TÍPICOS 
 
La cara de la excavación se refiere al frente de avance en donde se realizan las 
siguientes tareas: excavación y control del suelo, dirección y nivelación de la 
excavación, y carga del suelo excavado para ser transportado y desechado. Estas 
están sujetas al tipo de escudo utilizado para la excavación; este tipo de 
maquinaria será explicado más adelante. 
 
La línea de la excavación se refiere a las tuberías ya instaladas, estas cumplen 
varias funciones: transmiten la presión de los gatos a las tuberías siguientes, 
facilitan el transporte de material así como de personal a través de ellas, y 
permiten llegar a la cara de la excavación. 
 
Jacking Pit: en algunos casos el puesto de control se encuentra en esta zona y no 
sobre la superficie como se muestra en la figura no. 2 (para procesos de 
microtunelaje con diámetros entre 150 y 1000mm (PJA, 2006), el puesto de control 
es en la superficie debido a la maquinaria utilizada que no deja espacio suficiente 
para llevar a cabo operaciones adentro de la tubería) , principalmente proporciona 
el espacio necesario para llevar a cabo la configuración de los gatos y asegurar 
 
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Variación del coeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jacki ng 8 
 
una transferencia de carga uniforme, además de brindar el espacio suficiente para 
el manejo del material. 
 
Receiving Pit: es el punto de llegada de la excavación. 
 
Generalmente, estos dos últimos componentes son estratégicamente escogidos 
para que después de la construcción se conviertan en pozos de inspección 
(manholes). 
 
El tamaño de los Pits está sujeto al diámetro de las tuberías, condiciones del 
suelo, tamaño de la maquinaria utilizada. En la mayoría de los casos, el Jacking 
Pit constituye un gran porcentaje del valor de la obra 
 
Además de los requerimientos técnicos y de diseño necesarios para llevar a cabo 
la construcción, existe cierto orden en al misma. Primero que todo se debe definir 
el tipo de puesto de control (si este es sobre la superficie o si se ubicara en el nivel 
de la excavación) y como será su construcción, luego debe definirse el tipo de 
excavación que se hará y el tipo de maquinaria que se debe utilizar. Y por último 
se deben tomar en cuenta algunas consideraciones adicionales con respeto a los 
gatos, la fuerza aplicada de los mismos y la longitud tolerable para el proceso de 
hincamiento. 
3.1.2 Método Constructivo 
 
Esencialmente el método consiste en instalar tuberías subterráneas sin la 
necesidad de abrir una zanja para su instalación. Para la construcción de un tramo 
por medio de este método primero se debe construir el puesto de control (ver 
numeral 3.1.3) que es el punto de partida y donde estarán localizados los gatos, 
desde este punto se empujaran los segmentos de tubería consecutivamente. 
También debe estar definido y excavado el punto final adonde se deberá llegar, 
este marca el final de la excavación. La capacidad de empuje de los gatos 
dependerá de la longitud de la tubería y de las condiciones del suelo. 
Los gatos harán reacción en una pared usualmente llamada thrust wall la cual será 
construida en el puesto de control. Se debe tener especial cuidado si la calidad del 
suelo en este sitio no es óptima ya que podrían necesitarse estructuras de 
estabilidad adecuadas tales como pilotes. Si no se tiene acceso a la profundidad 
requerida para la construcción de la pared, la reacción debe ser soportada por un 
marco estructural debidamente anclado o pilotado que asegure una transferencia 
de cargas adecuada. En la figura no. 3 se muestra un esquema de la pared de 
reacción anteriormente mencionada. 
 
 
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FIGURA NO. 3 - THRUST WAL 
 
El número de gatos hidráulicos utilizados depende de la fuerza de los mismos, del 
diámetro de la tubería y de la longitud de esta. Para proteger la tubería ante 
cualquier daño superficial que le pueda ocasionar la presión de los gatos, y para 
distribuir la presión de los mismos uniformemente en la tubería, existe un anillo 
entre los gatos y la tubería, adicionalmente la tubería se protege con madera 
suave. 
 
Generalmente el escudo (instrumento de excavación) es empujado hasta el puesto 
de llegada en donde se remueve y se extra. En muy raras ocasiones se necesitan 
estaciones de empuje intermedias (Intermediate Jacking Station); usualmente se 
utilizan cuando la longitud es muy larga. 
 
El alineamiento de la excavación y de las tuberías es controlado mediante dos 
puntos fijos, uno es ubicado en el puesto de control y el otro es ubicado en el 
escudo o en la primera tubería de la línea. Actualmente son usados sistemas de 
guía que usan láser y transmiten la señal a un computador guía que hace las 
correcciones necesarias para que el alineamiento no pierda el curso. Sin embargo 
existen dos puntos críticos en cuanto al alineamiento vertical se refiere, al principio 
cuando la presión vertical aumenta y al final, cuando esta disminuye, para estos 
dos casos es necesario ser muy cuidadoso con la presión aplicada por los gatos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3.1.3 Puestos de Control (Working Shafts) 
 
 
FIGURA NO. 4 - WORKING SHAFTS 
 
 
 
Existen diferentes métodos que pueden ser utilizados para la construcción de los 
puestos de control dependiendo del tipo de suelo; 
 
 
• Sheet Piling: consiste en una serie de paneles usados como pilotes, 
conectados entre si, que son hincados para sostener el suelo de la 
excavación. 
• Secant Piling: pila de concreto o acero conectadas entre si que sostienen 
las paredes de la excavación 
• Segmental lining: anillos de concreto colocados uno sobre el otro para 
retener el suelo de la excavación 
• Caissons: estructura completa de acero, madera o concreto formando un 
estilo de caja alrededor de las paredes de excavación 
• Trench sheet: l consiste en una serie de paneles interconectados entre si 
que son de cierto modo empujados y asegurados a las paredes de la 
excavación. 
• Ground Anchorages: anclajes que sostienen la excavación. 
 
Suelos cohesivos y no cohesivos secos 
 
• Segmental: permite un tamaño y/o forma de excavación mínimo de 2.4 m 
de diámetro, no requiere una profundidad de excavación límite, no es 
necesario un tratamiento adicional de estabilización para el suelo. 
 
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• Sheet Piled: no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, 
permite una profundidad de excavación de hasta 15 m, no es necesario un 
tratamiento adicional de estabilización para el suelo. 
• Secant Piled: no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, 
permite una profundidad de excavación de hasta 20 m, no es necesario un 
tratamiento adicional de estabilización para el suelo. 
• Trench Sheeted: no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, 
permite una profundidad de excavación de hasta 6 m, no es necesario un 
tratamiento adicional de estabilización para el suelo. 
• Caissons: (Pre-fabricado o fundido in situ) permite un tamaño y/o forma de 
excavación mínimo de 2.4 m y máximo de 4m, permite una profundidad de 
excavación de hasta 15 m, no es necesario un tratamiento adicional de 
estabilización para el suelo. 
• Battered Excavation: no requiere un tamaño y/o forma de excavación 
mínimo, permite una profundidad de excavación muy superficial, es 
necesario un tratamiento adicional para el suelo si el talud es muy 
empinado. 
• Ground Anchorages: no requiere un tamaño y/o forma de excavación 
mínimo, la profundidad de excavación debe ser mínima, casi en el nivel de 
la superficie, no es necesario un tratamiento adicional de estabilización para 
el suelo. 
 
Suelos cohesivos y no cohesivos húmedos 
 
 
• Segmental: permite un tamaño y/o forma de excavación mínimo de 2.4 m 
de diámetro, la profundidad esta limitada a el tratamiento de suelo utilizado; 
estabilización química, congelamiento del suelo, evacuación de agua por 
medio de pozos de bombeo (dewatering). 
• Sheet Piled: no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, 
permite una profundidad de excavación de hasta 15 m, es necesario 
estabilizar las condiciones del suelo por medio de la evacuación de agua 
por medio de pozos de bombeo (dewatering). 
• Secant Piled: no requiere un tamaño y/o forma de excavación mínimo, 
permite una profundidad de excavación de hasta 20 m, puede necesitar 
estabilización del suelo para la estabilidad de la base de la excavación. 
• Caissons: (Pre-fabricado) permite un tamaño y/o forma de excavación 
mínimo de 2.4 m y máximo de 4m, permite una profundidad de excavación 
de hasta 15 m, puede necesitar estabilización del suelo para la estabilidad 
de la base de la excavación. 
 
• Caissons: (Fundido in-situ) no requiere un tamaño y/o forma de excavación 
mínimo, permite una profundidad de excavación de hasta 40 m, puede 
 
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necesitar estabilización del suelo para la estabilidad de la base de la 
excavación. 
 
• Ground Anchorages: no requiere un tamaño y/o forma de excavación 
mínimo, la profundidad de excavación debe ser mínima, casi en el nivel de 
la superficie, es necesario un tratamiento de estabilidad para el suelo o la 
instalación de pilotes para tener suficiente soporte en la pared de reacción 
de los gatos. 
 
3.1.4 Tipos de Escudos 
 
La palabra escudo (traducción del ingles shield) se refiere más que todo al tipo de 
maquinaria usada para la excavación del suelo. Existen varios tipos de escudos, 
estos son escogidos dependiendo de las características del suelo y del tipo de 
tubería a instalar. Pueden ser divididos en tres tipos, (Harbuck, 2000): 
 
3.1.4.1 Escudos Convencionales 
Existen cuatro tipos principales: 
 
• Manual: excavación manual con varios tipos de estructuras para el control 
de la estabilidad del suelo en la cara de la excavación. 
• Blind: excavación por medio de hendiduras o aperturas que fuerzan a los 
suelos suaves homogéneos plásticos a abrirse. 
• Semi – Mecánica: excavación por medio de brazos mecánicos con un tipo 
de taladro acoplado en su extremo. En la figuras no. 5 y 6 se pueden ver 
algunas clases de esta maquinaria. 
 
 
 
FIGURA NO. 5 – ESCUDO CONVENCIONAL CUTTER BOOM 
 
 
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FIGURA NO. 6 – ESCUDO CONVENCIONAL BACKACTER 
 
 
• Mecánica: excavación por medio de cabezas mecánicas rotatorias con 
discos en sus extremos, son clasificadas por medio de la guía de TBM 
(Túnel Boeing Machine). En las figuras no. 7 y 8 se pueden ver algunos 
tipos de estas maquinarias. 
 
 
FIGURA NO. 7 – ESCUDO CONVENCIONAL EPBM 
 
 
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FIGURA NO. 8 – ESCUDO CONVENCIONAL TBM 
3.1.4.2 Escudos de Aire Comprimido 
 
Solo existe un tipo de excavación para este escudo, su nombre en ingles es Lock 
at Face, y consiste en un chorro de aire comprimido aplicado en la cara de la 
excavación que genera diferenciales de presiones en el suelo debido a la presión 
del mismo y a la presión del agua contenida. 
 
3.1.4.3 Escudos de Presión 
 
Existen tres tipos principales: 
 
• Presión de Agua: consiste en el uso de maquinaria mecánica de 
excavación; sin embargo se aplica chorros de agua a presión en la cara de 
la excavación para mezclar el suelo con la misma y facilitar su remoción. 
• Presión de Bentonita: el mismo caso anterior solo que en vez de agua se 
utiliza bentonita. 
 
En la figura no. 9 se puede ver como funciona el sistema de este tipo de 
maquinaria. 
 
 
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FIGURA NO. 9 - ESCUDOS DE PRESIÓN PRESSURISED SLURRY MACHINE (PSM) 
 
 
• Presión de suelo: consiste en el uso de maquinaria mecánica de 
excavación; sin embargo se controla la tasa a la cual el suelo es removido 
para que este proporcione la suficiente estabilidad en la cara de la 
excavación. 
 
 
FIGURA NO. 10 - ESCUDOS DE PRESION EARTH PRESSURE BALANCE MACHINE (EPBM) 
 
Para los métodos de excavación anteriormente mostrados, se presenta una tabla 
(PJA, 2006) que indica como dependiendo del diámetro y del suelo se deberían 
escoger dichos métodos. 
 
 
SOPORTE EN LA CARA SOPORTE EN LA CARA
Mecanica (TBM)
Semi - Mecanica (Cutter Boom)
Semi - Mecanica (Backacter Shield)
Presion (agua o bentonita)
Presión de suelo (EPBM) 1400 - 1300 No existe un método conocido aun 
Microtunelaje 150 - 1000 Estabilización del suelo
Excavacion a mano 1200 - 3000 Anillo de estabilidad Estabilización del suelo
SUELO SECO 
(Cohesivo o no cohesivo)
SUELO HUMEDO (Cohesivo o no 
cohesivo)
DIAMETRO 
INTERNO TUBERIA 
(mm)
MÉTODO DE EXCAVACIÓN
1200 - 3000 Ninguno Estabilización del suelo
No existe un método conocido 
aun
 
TABLA NO. 1 - MÉTODOS DE EXCAVACIÓN PARA DIFERENTES TIPOS DE SUELO 
 
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3.1.5 Tuberías 
 
El material más común de las tuberías usado en el método de Pipe Jacking es el 
concreto, los diámetros varían entre 450 mm hasta 3000 mm (o mayor si es 
requerido). Para diámetros menores es común utilizar tuberías de arcilla vitrificada 
con diámetro promedio entre 150mm y 700 mm. 
El material seleccionado depende de varias razones; el diámetro, longitud y en 
algunos casos, de las condiciones del suelo. En la siguiente tabla se muestra una 
clasificación de los tamaños (PJA, 2006); 
 
 
 
Material Diametro nominal Diametro real (rango)
mm mm
Arcilla 150 149
Arcilla 200 200
Arcilla 225 229
Arcilla 250 253
Arcilla 300 305
Arcilla 400 406
Arcilla 450 450
Concreto 450 450
Arcilla 500 504
Arcilla 600 609
Concreto 600 585
Concreto 675 670
Arcilla 700 704
Concreto 900 904
Concreto 1000 980
Concreto 1200 1180 - 1200
Concreto 1500 1470 - 1500
Concreto 1600 1600
Concreto 1800 1800 - 1830
Concreto 1950 1950 - 1980
Concreto 2100 2080
Concreto 2400 2375 - 2425
Concreto 2400 2425
Concreto 2500 2500 
TABLA NO. 2 - CLASIFICACIÓN MATERIAL TUBERIAS 
 
Tuberías de concreto: 
Las tuberías de concreto deberán se fabricadas con cierta regulación ya que estas 
deben soportar la presión generada por los gatos hidráulicos y transmitir las 
mismas a los demás segmentos sin incurrir en daños a las tuberías ni a las juntas. 
La longitud de los tramos varia entre 1.2 y 2.5 metros. Existen juntas flexibles para 
unir cada uno de los segmentos; en la siguiente figura se encuentra una ilustración 
de las juntas descritas. 
 
 
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FIGURA NO. 11 – DIAGRAMA TÍPICO DE JUNTAS EN TUBERÍAS DE CONCRETO 
 
 
Tuberías de arcilla vitrificada: 
Generalmente estas tuberías son utilizadas cuando no hay necesidad de 
diámetros grandes, existen especificaciones de construcción similares a las 
mencionadas anteriormente para tuberías de concreto. La siguiente figura muestra 
el diagrama básico de las juntas. 
 
 
FIGURA NO. 12 - DIAGRAMA TÍPICO DE JUNTAS EN TUBERÍAS DE ACILLA VITRIFICADA 
 
Líneas secundarias: 
Hay casos, muy comunes, en los cuales la tubería de concreto o arcilla es 
instalada de un diámetro mayor a la tubería real que puede ser de un diferente 
material, existen varias casos los cuales son ilustrados en la siguiente figura. 
 
 
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FIGURA NO. 13 – LINEAS SECUNDARIAS 
 
También existen tuberías revestidas de diferentes materiales como lo son el PVC, 
acero, concreto y arcilla. 
 
3.2 Información del suelo y estudios de campo 
El método de Pipe Jacking exige un elaborado estudio de los suelos que se van a 
encontrar durante el desarrollo del mismo. De este depende el tipo de maquinaria 
a utilizar así como todas las consideraciones técnicas y de seguridad del proyecto. 
Las condiciones y parámetros a evaluar son los siguientes: peso específico, 
contenido de humedad, ángulo de fricción, distribución del tamaño de las 
partículas, abrasión, cohesión, tipo y proporción de minerales, ensayo de 
penetración estándar, permeabilidad, nivel freático, presencia de gases, índices 
plásticos, resistencia axial, entre otros. 
Es necesario empezar el estudio con información de la zona ya conocida, tales 
como estudios previos, fotografías aéreas, entre otras. Este paso da una 
concepción general del proyecto. 
 
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El estudio en campo y la cantidad de información requerida depende 
potencialmente del tipo de suelo; esto se determina mediante ensayos 
exploratorios tales como SPT (Standard Penetration Test), SCPT (Static Cone 
Penetration Test), ensayos acústicos, entre otros. Es importante resaltar que los 
ensayos deberán hacerse desde la profundidad donde va a quedar instalada la 
tubería, también en zonas adyacentes para determinar cambios abruptos en la 
geología del sitio (PJA, 2006). 
 
 
FIGURA NO. 14 - ESQUEMA DE LA INFORMACIÓN TÍPICA NECESARIA PARA EL DISEÑO 
 
 
El factor más importante a determinar mediante el estudio geológico es la 
estabilidad del suelo, mediante esta se determina si hay necesidad de 
consideraciones adicionales en el proceso de construcción tales como prevención 
de perdida del material, licuefacción y asentamientos no controlados. 
 
Según la CPJAA, lo óptimo es encontrarse ante una situación en la cual el suelo 
esté compuesto de arcilla con un mínimo de esfuerzo de compresión inconfinada 
de 100 KPa, a mayor porcentaje de limos o arenas en la arcilla, mayor es la 
fricción entre el suelo y el tubo lo que implica una presión mayor que tendrá que 
ser ejercida por los gatos hidráulicos. Condiciones desfavorables tales como una 
gran variedad de estratos, resulta en una gran dificultad en el sistema de guía de 
la tubería debido a las diferentes presiones ejercidas por el suelo a cada lado de la 
misma. 
 
Se debe tener una consideración especial cuando se trabaja por debajo o en los 
límites del nivel freático ya que la pérdida de agua durante la excavación resulta 
en la consolidación del suelo debido a la reducción en la presión de poros; esto 
puede causar asentamientos en estructuras adyacentes. 
 
A continuación se presenta una tabla desarrollada por la PJA, la cual resume los 
parámetros que deben ser considerados con relación al tipo de suelo. 
 
 
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Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng 20 
 
 
TABLA NO. 3 - PARÁMETROS QUE DEBEN SER CONSIDERADOS CON RELACIÓN AL TIPO 
DE SUELO 
 
Sin embargo, como las condiciones del suelo generalmente son adversas y se 
presentan gran variedad de estratos, se tienen al igual algunas recomendaciones 
para tratar los suelos con el fin de brindarles estabilidad así como para el uso de 
diferentes maquinarias dependiendo del mismo. 
Existen varios procesos tales como: 
• Soporte en la cara de la excavación (Face Support): Se refiere más que 
todo a métodos mecánicos para darle soporte a la punta de la excavación, 
es decir, para prevenir que la excavación colapse. Entre ellos podemos 
encontrar el uso de maquinaria como la TBM (Túnel Boeing Machine) 
preferiblemente con cara cerrada. También encontramos sistemas como la 
excavadora Cutter Boom así como sistemas de aire comprimido. 
• Tratamiento del suelo (Ground Treatment): Se trata de modificar las 
propiedades del suelo alrededor de la excavaron mediante diferentes 
métodos tales comola evacuación de agua por medio de pozos 
(Dewatering), la inyección de diferentes tipos de lechadas alrededor de la 
excavación (Grouting); para este método se puede utilizar cemento, 
bentonita o diferentes químicos, esto dependiendo del tipo de suelo. Por 
último se tiene el congelamiento del suelo, para condiciones extremas de 
inestabilidad del mismo. 
 
A continuación se muestra una clasificación de los procesos o maquinarias 
recomendados para aumentar la estabilidad del suelo dependiendo de la 
clasificación del mismo. 
 
 
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FIGURA NO. 15 - MÉTODOS DE TRATAMIENTO PARA DIFERENTES CLASES DE SUELO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3.3 Desventajas del método 
 
 
El método de Pipe Jacking ofrece sinnúmero de ventajas constructivas frente a los 
métodos tradicionales: daño mínimo en la superficie, habilidad de instalar líneas 
bajo construcciones o líneas ya existentes, producción mínima de ruido, seguridad 
mayor para los constructores, posibilidad de instalación bajo profundidades 
mayores comparadas con el otro método, relación de beneficio – costo mayor y 
adaptabilidad a cualquier tipo de suelo 
 
Sin embargo el método todavía tiene algunas deficiencias que afectan la 
construcción en si, así como el diseño hidráulico de la línea instalada. A 
continuación se muestran algunas de las deficiencias antes mencionadas; 
 
 
• Según el estudio "Structural Behaviour and Dimensioning of Reinforced 
Concrete Jacking Pipes" desarrollado por el Instituto de Ingeniería 
Estructural de Suiza, bajo el liderazgo del profesor Dr. Peter Marti, el 
sistema de Pipe Jacking no tiene desarrollado completamente la teoría 
acerca de la transmisión de cargas cuando se están empujando las líneas 
de tubería. Usualmente, y como se mencionó anteriormente, las cargas 
deben ser transmitidas uniformemente a través de toda la sección 
transversal de las tuberías que están siendo hincadas; para esto se usan 
anillos que transmiten la carga hechos de madera. Sin embargo, y según lo 
que el estudio revela, estos anillos no son del todo efectivos y existen 
ocasiones en las que las fuerzas de presión no son distribuidas 
uniformemente, las investigaciones muestran que se generan presiones 
extremas en dirección perpendicular al eje de la tubería. Lo anterior puede 
causar daños en las líneas de tuberías, alineamientos pobres o inexactos y 
se puede llegar al colapso de la estructura. 
 
• Otras investigaciones han mostrado que el método tiene un defecto debido 
a que hay remoción de suelo cerca de los extremos de las tuberías lo que 
incrementa la posibilidad de asentamiento de la misma. A pesar de los 
tratamientos existentes que hay para estabilizar los suelos, estos han 
mostrado ser en algunos casos impredecibles. 
 
• Los problemas de asentamiento se incrementan a causa de las juntas que 
hay entre cada sección de tubería instalada; según la PJA, las tolerancias 
entre niveles de alineación, tanto vertical como horizontal, es de mas-
menos 50 mm. Aunque parezca muy poco, esto representa cambios en la 
pendiente de los diferentes segmentos de la tubería. 
 
 
 
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Variación d el co eficiente de rugosidad ks en tuberías instaladas por el 
método de Pip e Jacking 
 
 
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Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng 23 
 
 
Las deficiencias del método de instalación de tuberías Pipe Jacking mostradas 
anteriormente llevan a concluir que se presentan variaciones involuntarias en la 
pendiente de cada segmento de tubería. 
 
El propósito de esta investigación es demostrar si estas variaciones en la 
pendiente de las tuberías afectan la hidráulica del flujo, es decir, si afectan el 
coeficiente de rugosidad. Las pendientes que se manejaran en los modelos físicos 
que se construyeron para este proyecto varían entre 0 y 4% para segmentos de 
tubería entre 0.5 y 1 metro. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng 24 
 
4 Hidráulica del flujo 
 
Desde el punto de vista de su comportamiento, un fluido es una sustancia que no 
puede resistir esfuerzo cortante. Si se presenta, el fluido se deforma y continua 
deformándose mientras es esfuerzo cortante exista. En este proceso de 
deformación continua las diferentes partes del fluido cambian de posición relativa 
en forma permanente, a la vez que tienen un movimiento relativo con respecto a 
un contorno sólido. Esta combinación de movimientos se conoce como flujo. 
(Saldarriaga, 2007) 
 
El diseño hidráulico de sistemas de tuberías es realizado bajo la premisa de que el 
flujo es uniforme, por lo tanto las características de presión y velocidad 
permanecen constantes en el espacio y en el tiempo. Sin embargo, es importante 
resaltar que existen tres fuerzas que actúan en el caso de este flujo; fuerzas de 
presión, fuerzas gravitacionales y fuerzas de fricción. Para propósitos de este 
proyecto solo se hará énfasis en esta última. 
 
Siguiendo la segunda ley de movimiento de Newton, la ecuación preliminar para 
explicar las perdidas de energía por fricción a través de cualquier tipo de ducto, 
derivo en la siguiente expresión: 
 
fo gS
P
A
ρτ = 
 
En donde el término en la izquierda de la ecuación representa el esfuerzo cortante 
en la pared interna de la tubería. Este es función del radio hidráulico, la pendiente 
de fricción (Sf) y del peso específico del fluido. 
 
 
4.1 Número de Reynolds 
 
Osborne Reynolds de la Universidad de Cambridge Inglaterra, alrededor de 1880 
y 1884, derivó una ecuación adimensional la cual planteaba una relación entre las 
fuerzas viscosas y fuerzas de presión en el flujo, lo que resultó en la siguiente 
expresión: 
 
Número de Reynolds (Re) 
 
µ
ρvd
=Re 
 
 
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En donde el número de Reynolds (Re) es función de la velocidad (v) del flujo, 
diámetro (d) de la tubería, densidad (ρ) y viscosidad (µ) del fluido. 
 
 
A partir de esta relación y mediante los resultados obtenidos en sus experimentos, 
Reynolds logró describir el comportamiento del flujo y de esta manera clasificarlo. 
Los resultados obtenidos fueron los siguientes: 
 
• Para un número de Reynolds menor a 2200, el flujo es laminar. 
• Para números de Reynolds entre 2200 y 4500, el flujo es transicional. 
• Para un número de Reynoldsmayor a 4500, el flujo es turbulento. 
 
 
Reynolds definió el flujo laminar como un tipo de flujo en el cual el movimiento de 
las partículas del fluido se produce siguiendo trayectorias regulares, separadas y 
perfectamente definidas como si se tratara de láminas o capas paralelas entre si, 
las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras, sin que exista mezcla 
macroscópica o intercambio transversal entre ellas. La ley de Newton de la 
viscosidad es la que rige el flujo laminar. (Flujo Laminar. (s.f.). Wikipedia. 
Recuperado el 4 de Enero de 2008, de http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_laminar) 
 
De la misma manera, el flujo turbulento fue definido como el movimiento de un 
fluido que se da en forma caótica, en el cual las partículas se mueven 
desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando 
pequeños remolinos no periódicos. Debido a esto, la trayectoria de una partícula 
se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la 
misma es impredecible. (Flujo Turbulento. (s.f.). Wikipedia. Recuperado el 4 de 
Enero de 2008, de http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_turbulento) 
 
 
El flujo transicional representa la transición de flujo laminar a flujo turbulento. Es 
difícil de clasificar debido al movimiento caótico de las partículas. 
 
4.2 Flujo hidráulicamente liso e hidráulicamente rugoso 
Teniendo los resultados presentados por Reynolds en mente, el siguiente paso era 
relacionar las pérdidas por fricción con el tipo de flujo. Ludwig Prandtl (1904) 
desarrolló la teoría de la capa límite, la cual indica que siempre que un fluido en 
movimiento interactúa con una pared sólida, el esfuerzo cortante que se genera 
afecta principalmente una zona de dicho flujo. Esta zona recibe el nombre de capa 
limite la cual puede ser laminar o turbulenta. (Saldarriaga, 2007) 
 
 
 
 
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FIGURA NO. 16 - SUBCAPA LAMINAR VISCOSA 
 
 
La subcapa laminar viscosa (δ’) describe una zona de flujo laminar adentro de la 
capa límite. Se denomina viscosa ya que en esta zona priman las fuerzas 
viscosas. El espesor de la subcapa laminar es mucho menor que el de la capa 
límite. La relación existente entre δ’ y el tamaño de la rugosidad de las paredes 
(ks) establece la diferencia entre los flujos hidráulicamente lisos y los 
hidráulicamente rugosos. (Saldarriaga, 2007) 
 
Flujo turbulento hidráulicamente liso, ks < δ’: la rugosidad queda cubierta por la 
subcapa laminar, por lo tanto la rugosidad no influye en el valor del factor de 
fricción (f) puesto que ningún punto de la pared queda afectado por las 
turbulencias que producirían las rugosidades internas, comportándose la tubería 
como un material liso. 
 
 
 
FIGURA NO. 17 - FLUJO TURBULENTO HIDRÁULICAMENTE LISO 
 
 
 
Flujo turbulento hidráulicamente rugoso, ks > δ’: el espesor de la capa límite es 
menor que la rugosidad, las irregularidades internas de la tubería rebasan la 
subcapa laminar, produciendo una alta turbulencia. En este caso las fuerzas 
inerciales son predominantes las fuerzas viscosas no lo son, por lo que el factor 
de fricción pasa a ser función de la rugosidad relativa ks/d y no de Re. 
 
 
 
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FIGURA NO. 18 - FLUJO TURBULENTO HIDRÁULICAMENTE RUGOSO 
 
El espesor de la subcapa laminar viscosa puede ser calculado mediante la 
siguiente ecuación: 
 
*
6.11
'
v
υ
δ = 
En donde: 
 
ortevelocidadcv
cinematicaviscocidad
⇒
⇒
*
υ
 
 
La velocidad de corte mide la magnitud relativa del esfuerzo cortante en la 
superficie sólido-fluido (Saldarriaga, 2007), puede ser calculada por medio de la 
siguiente expresión: 
ρ
τ ov =* 
 
En donde la velocidad de corte es igual a la raíz cuadrada de la relación entre el 
esfuerzo cortante en la pared (anteriormente descrito) de la tubería y la densidad 
del fluido. 
4.3 Factor de fricción (f) 
La ecuación de Darcy – Weisbach es la ecuación de resistencia fluida más general 
para el caso de tuberías circulares fluyendo a presión, la cual es el resultado de 
aplicar las leyes físicas del movimiento de Newton. Fue establecida por Henry 
Darcy (1803 – 1858), utilizando experimentos de flujo en tuberías (Saldarriaga, 
2007). 
 
Dichos experimentos contaron con el uso de tuberías de diferentes materiales 
como el vidrio, hierro, plomo, latón, hierro fundido y hierro recubierto con bitumen. 
Los diámetros variaron desde 0.0122 hasta 0.5m. La longitud de las tuberías 
utilizadas osciló alrededor de los 100m, excepto para las tuberías de vidrio y 
plomo las cuales tenían una longitud aproximada de 50m. La rugosidad superficial 
en el interior de las tuberías también fue variada (material nuevo o usado). Se 
midió la caída en las alturas piezometricas mediante piezómetros y se utilizaron 
tanques aforados para medir el caudal que transitaba por la tubería. 
 
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Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng 28 
 
 
Junto con los resultados obtenidos de los experimentos de Darcy, Julius Weisbach 
(1806 – 1871), desarrolló una ecuación que explicaba las pérdidas por fricción 
como función del fluido, la velocidad, el diámetro y el tipo de material de la tubería. 
 
g
v
d
l
fh f
2
2
= 
En donde: 
 
hf: energía por unidad de peso perdida por fricción 
f: factor de fricción de Darcy 
l: longitud del tramo de la tubería en el cual se pierde hf 
d: diámetro de la tubería 
v: velocidad media 
 
Esta ecuación únicamente predice las pérdidas debidas a la fricción fluida sobre la 
pared de la tubería y a los efectos de la viscosidad del fluido, y no incluye las 
pérdidas menores en entradas, codos, y otros accesorios. (Saldarriaga, 2007). 
 
 
4.4 Trabajo de Johann Nikuradse y Lewis Moody 
 
En 1933, después de que se publicara la famosa ecuación de Darcy – Weisbach, 
el ingeniero alemán Johann Nikuradse realizó una serie de experimentos que 
pretendían encontrar la relación entre el factor de fricción (f) y la rugosidad relativa 
(ks/d). Para sus experimentos utilizó tuberías de diferentes diámetros en las cuales 
había pegado en su interior arenas de una granulometría uniforme y conocida. 
Como resultado del experimento graficó el factor de fricción encontrado vs. los 
valores del número de Reynolds. 
 
 
Encontró que para un número de Reynolds menor a 2000, el factor de fricción 
variaba linealmente con respecto al número de Reynolds; esto corroboraba lo ya 
encontrado por Weisbach el cual sostenía que para flujo laminar, la expresión para 
el factor de fricción era: 
 
Re
64
=f 
 
 
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Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng 29FIGURA NO. 19 - DIAGRAMA NIKURADSE 
 
Para flujo turbulento el comportamiento del factor de fricción es complejo; cerca de 
números de Reynolds de 2000 todas las curvas coinciden formando una curva 
lisa, una vez que el flujo se separa de esta curva, el factor de fricción (f) empieza a 
ser una función de Re y ks/d. A medida que el número de Reynolds va 
aumentando, las curvas pasan a ser rectas lo cual indica que el factor de fricción 
deja de ser una función de Re y pasa a ser solamente una función de ks/d. 
 
En 1944, el ingeniero norteamericano, Lewis F. Moody, realizó pruebas similares a 
las de Nikuradse; sin embargo este utilizó tuberías reales con rugosidades reales. 
De esto se deriva el diagrama de Moody, el cual es útil para calcular el factor de 
fricción de una tubería con base en el número de Reynolds y la rugosidad relativa. 
 
 
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FIGURA NO. 20 - DIAGRAMA MOODY 
 
 
 
 
4.5 Trabajo de Colebrook – White 
 
Basándose en los trabajos de Prandtl, von Kármán, Nikuradse y Moody, los 
científicos ingleses Colebrook y White desarrollaron la expresión matemática para 
el diagrama de Moody y de esta manera lograron describir el flujo transicional en 
tuberías.El primer paso fue definir el espesor de la subcapa laminar viscosa con 
relación a la rugosidad de la tubería, sus hallazgos terminaron en: 
 
Para flujo turbulento hidráulicamente liso, el tamaño de la rugosidad es menor al 
30% del espesor de la subcapa laminar viscosa; 
 
'305.0 δ≤sk 
 
Para flujo turbulento hidráulicamente rugoso, el tamaño de la rugosidad debe ser 
superior a 6 veces el espesor de la subcapa laminar viscosa; 
 
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Variación del c oeficiente de rugosidad Ks en tuberías ins taladas por el método de Pipe Jac ki ng 31 
 
 
'10.6 δ≥sk 
 
Es claro entonces que el espesor de la subcapa laminar viscosa en el flujo 
transicional debe estar entre los límites del espesor para flujo hidráulicamente liso 
e hidráulicamente rugoso; 
 
'10.6'305.0 δδ << sk 
 
Este resultado los llevó a razonar en torno a que si la transición debía ser un 
cambio gradual entre las condiciones lisas y rugosas, la ecuación necesaria para 
definir el factor de fricción en la zona de transición debería ser una combinación de 
las ecuaciones para flujo hidráulicamente liso y rugoso. (Saldarriaga, 2007). 
Teniendo esto en mente, y siguiendo las ecuaciones de: Prandtl y von Kármán 
(flujo hidráulicamente liso, tubería hipotética con rugosidad absoluta igual a cero); 
51.2
Re
log2
1
10
f
f
= 
 
Y la ecuación de Nikuradse (flujo hidráulicamente rugoso, rugosidades exageradas 
a comparación de las rugosidades reales); 
 
sk
d
f
7.3
log2
1
10= 
 
Se dedujo que la ecuación para modelar todo tipo de flujo turbulento en cualquier 
tubería, debía tener como limites las dos ecuaciones anteriores, como resulta 
obvio, combinando las dos ecuaciones se tiene que: 
 








+−=
fd
k
f
s
Re
51.2
7.3
log2
1
10 
 
La anterior expresión es la forma matemática del diagrama de Moody y es la que 
se utilizará junto con el diagrama, para el cálculo del coeficiente de rugosidad ks. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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5 Modelo Físico 
 
El modelo físico representa la base de este proyecto. Fue realizado en el 
recientemente inaugurado laboratorio de hidráulica de la Universidad de los Andes 
con la colaboración (suministro de materiales) de PAVCO y bajo el nombre y guía 
del Centro de Investigación en Acueductos y Alcantarillados de la Universidad de 
los Andes (CIACUA). La construcción del modelo físico presentó un gran desafío 
debido a la innovación del modelo en si y a la inexistencia de materiales 
adecuados para la construcción. 
 
La idea principal se basaba en adaptar dos tuberías de PVC de diámetro de 6” a 
las instalaciones del laboratorio en las cuales un extremo da al tanque que 
suministra el agua y el otro da al vertedero. La tubería número 1 fue designada 
como la tubería que presenta cambios de pendientes y la tubería número 2 es la 
tubería teórica que se encuentra totalmente horizontal y recta. A cada tubería se le 
mide la caída de presión (hf) por medio de piezómetros y a partir de este valor se 
encuentra la rugosidad ks para cada tubería. El diagrama presentado a 
continuación ilustra lo anteriormente dicho, se resalta que el diagrama no está a 
escala y las variaciones de pendiente para la tubería 1 fueron exageradas. 
 
 
 
 
FIGURA NO. 21 - ESQUEMA GENERAL MONTAJE 
 
 
 
 
 
 
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La siguiente figura ilustra las dos tuberías ya instaladas, se puede apreciar la vista 
hacia el vertedero y hacia el tanque. 
 
 
FIGURA NO. 22 - VISTA PANORAMICA MONTAJE 
 
 
 
 
En la siguiente figura se ve la tubería número 2 (tubería con variaciones de 
pendiente) que es de aproximadamente 12 metros de longitud, con segmentos 
de 50 a 100 cm., con variaciones de pendiente entre cada tramo. También se ve la 
tubería número 1 la cual es totalmente horizontal del mismo diámetro y material 
que los segmentos usados para construir la otra (la cual simula la tubería teórica). 
 
 
FIGURA NO. 23 - VISTA GENERAL MONTAJE 
 
 
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Además de eso, se adaptaron piezómetros en cada extremo de las dos tuberías 
así como un tablero milimetrado en el cual se pudiera medir la diferencia 
piezométrica. En las siguientes figuras se puede apreciar una vista panorámica del 
laboratorio así como del montaje y su ubicación espacial. 
 
 
FIGURA NO. 24 - VISTA HACIA EL TANQUE 
 
La anterior figura muestra una vista de las dos tuberías hacia el extremo del 
tanque, se pueden ver los acoples a cada bocatoma así como una parte del primer 
del segmento de la tubería dos. 
La figura mostrada continuación muestra la vista de las dos tuberías hacia el 
vertedero, se ven las mangueras de los piezómetros ya instalados y se pueden 
apreciar los cambios de pendiente de la tubería 2. 
 
 
FIGURA NO. 25 - VISTA HACIA EL VERTEDERO 
 
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método de Pip