CONSTRUCCIÓN DE POZOS Y CHIMENEAS EN TÚNELES ......Este método está pensado para chimeneas (dos...

Túneles. Diseño, Ejecución y Explotación. Libre Configuración. Específico E.T.S.I.M.O.

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CONSTRUCCIÓN DE POZOS Y CHIMENEAS

EN TÚNELES, MEDIANTE LA TÉCNICA DE:

RAISE BORING

Alumno: Juan Jesús Tapia España


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Índice 1. INTRODUCCIÓN: .................................................................................................. 4

2. ANTECEDENTES Y ESTADO DEL ARTE. ........................................................ 4

3. TIPOS DE RAISE BORING. ................................................................................. 6 I. Raise Boring Estándar..................................................................................... 6 II. Raise Boring Reversible.................................................................................. 6 III. Raise Boring para Huecos Ciegos ............................................................ 6

4. PREPARACIÓN DEL EMPLAZAMIENTO Y TRANSPORTE DE EQUIPOS .. 8

5. TALADRO PILOTO ............................................................................................... 9

6. EVACUACIÓN DE LOS DETRITUS .................................................................. 10

7. ESCARIADO AL DIÁMETRO FINAL ................................................................ 11

8. CABEZA DEL ESCARIADOR ............................................................................ 13 I. Plana.................................................................................................................. 13 II. Escalonada ...................................................................................................... 13 III. Abovedada ................................................................................................... 13 IV. Doble abovedada ........................................................................................ 13

9. CORTADORES .................................................................................................... 14 I. CORTADORES DE DISCOS .......................................................................... 14 II. CORTADORES DE ENTALLADURA ............................................................ 14 III. CORTADORES DE RODILLO DE INSERTOS DE CARBURO.............. 14

10. SARTA DE PERFORACIÓN Y ESTABILIZADORES .................................. 17

11. COSTES DE PERFORACIÓN CON RAISE BORING. ................................ 18

12. NUEVAS APLICACIONES INSPIRADAS EN EL SISTEMA RAISE BORING. ....................................................................................................................... 18

13. PARÁMETROS DE OPERACIÓN. ................................................................. 23 I. Velocidad de rotación. ................................................................................... 23 II. Empuje .............................................................................................................. 23 III. Par .................................................................................................................. 23


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14. PAUTAS PARA LA SELECCIÓN DEL MÉTODO DE RAISE BORING PARA LA EJECUCIÓN DE CHIMENEAS Y POZOS EN SU APLICACIÓN EN TÚNELES ..................................................................................................................... 25

RECURSOS BIBLIOGRÁFICOS EMPLEADOS EN LA REDACCIÓN DEL PRESENTE TRABAJO: .............................................................................................. 26


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1. INTRODUCCIÓN:

Raise Boring, también llamado Raise Drilling, es el sistema de ejecución

de un pozo o chimenea por medios mecánicos entre dos o más niveles. Todos

los niveles pueden ser subterráneos, ó el nivel superior estar en la superficie.

Este método se desarrollo en estados unidos durante los años 50. Para

ello se diseñó un método en el que primero se efectuaba un sondeo piloto

siguiendo después con el ensanche de la chimenea en sentido ascendente.

Utilizando un tamaño mayor de cabeza de corte se ensanchaba la

perforación en una ó varias etapas logrando al final el diámetro requerido.

Fig. 1. El proceso de Raise Boring

2. ANTECEDENTES Y ESTADO DEL ARTE.

La primera vez que se utilizó una máquina de este tipo fue en 1962 en la

mina Homer Wanseca (Michigan). Se trataba de un taladro piloto de 250 mm

de diámetro llegando al final a un diámetro de 1016 mm.


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Desde entonces se añadieron diversas innovaciones al método Raise

Boring con el fin de solucionar la necesidad de conectar perpendicularmente

galerías horizontales situadas a distintos niveles.

En un principio la potencia de estas máquinas era de 75 kW,

incrementándose después hasta 250kW y alcanzando actualmente hasta 400

kW. Las primeras máquinas hidráulicas utilizaban 2 cilindros de empuje,

actualmente, el empuje necesario lo facilitan 4 ó 6 cilindros. En un primer

momento las cabezas de corte estaban equipadas con rodillos de botones.

Actualmente se emplean rodillos de discos con varias filas de corte, según el

tipo de roca y fabricante. Así, en los últimos años ha ido creciendo el número

de puntos y superficie de ataque y el par aplicado.

Con el avance técnico creció el número de países en que se empezó a

utilizar este método. La aplicación empezó en Estados Unidos extendiéndose

a continuación por Australia, Canadá, Méjico, Sudáfrica y finalmente Europa.

Ésta no queda limitada a la realización de piqueras ó chimeneas en

explotaciones mineras, sino que hoy día ha encontrado aplicación en otros

campos. Esta técnica de perforación también se ha empleado en la

realización de perforaciones piloto previas para la construcción de pozos de

grandes diámetros.

Finalmente este método también se aplica con éxito en la construcción de

pozos de ventilación, en la construcción de centrales hidráulicas y en

depósitos subterráneos.

El empleo principal del Raise Boring suele desarrollarse para una gama de

diámetros entre 2.000 y 3.000 mm y a unas profundidades de 100 a 200m;

pero de todas formas se encuentran máquinas que responden a otras

exigencias más altas.


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Uno de los pozos más grandes realizado hasta ahora por el método de

Raise Boring, es el pozo de ventilación de Rustenberg Plate Mine en

Sudáfrica, con un diámetro de 6.022 mm. Y una profundidad de 1.099 metros.

3. TIPOS DE RAISE BORING.

Existen tres variantes posibles en la perforación con Raise Boring:

I. Raise Boring Estándar

II. Raise Boring Reversible

III. Raise Boring para Huecos Ciegos

I. Raise Boring Estándar

El Raise Boring estándar consiste en perforar, (frecuentemente con

tricono), un taladro piloto en sentido descendente hasta llegar al nivel inferior,

para posteriormente acoplar una cabeza escariadora con el fin de ir ensanchando

en sentido ascendente hasta alcanzar el diámetro deseado.

Fig.2. Máquina Raise Boring (Sandvik)


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La evacuación de los detritus en esta variante se realiza por medio del

barrido con agua ó aire, mientras que los fragmentos menores caen por gravedad

al nivel inferior.

II. Raise Boring Reversible

Consiste en perforar el taladro piloto en sentido ascendente. La principal

ventaja que presenta éste método, es que no necesita barrido de aire ó agua;

pero, por el contrario, la mayor parte de los detritus que produce la perforación no

puede atravesar el espacio anular existente entre el varillaje y la pared del taladro

piloto, lo que obliga a ampliar el diámetro de éste. Otro problema radica en que

los detritus caen al nivel inferior donde se encuentran la máquina y el perforista,

de esta forma hay que protegerlos, y esta protección hace que la operación se

realice de manera intermitente.

Fig. 3. Máquina Raise Boring Reversible (Robbins)

III. Raise Boring para Huecos Ciegos

La máquina Raise Boring se coloca en un nivel inferior y va perforando hasta un

nivel superior a plena sección), sin la necesidad de perforar barrenos piloto.


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Este método está pensado para chimeneas (dos metros de diámetro ó

inferior) y poco profundas (menos de 400 m.). La máxima dificultad de este

método radica en el control de la dirección de perforación.

Fig.4. Máquina Raise Boring para huecos ciegos (Robbins).

4. PREPARACIÓN DEL EMPLAZAMIENTO Y TRANSPORTE DE EQUIPOS

Cuando se ha seleccionado el lugar de emplazamiento, hay que realizar

unas labores de ensanche en el caso de situar la máquina y el equipamiento bajo

tierra. También será necesario realizar una solera de hormigón de unos 20 cm.

de espesor que servirá para nivelar y anclar la máquina. Para el barrido con aire

será necesario instalar un compresor; si por el contrario el barrido se realiza con

agua habrá que instalar una balsa de decantación.

Una vez preparado el emplazamiento, se transportará la máquina

(mediante orugas, raíles ó ruedas) y se posicionará mediante los cilindros de

empuje con el ángulo de inclinación requerido.


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5. TALADRO PILOTO

El taladro piloto, se realiza con un diámetro que es función del diámetro del

varillaje y del escariado, (Tabla 1):

Tabla 1. Relación entre el diámetro del varillaje y el del tricono

Ø Varillaje (mm) 171 203 254 286 327 352

Ø Tricono (mm.) 189 229-250 279 311 349 381

Es muy importante que el taladro se desvíe lo menos posible, (se aceptan

desviaciones del 1%). Entre los factores que pueden influir en esta desviación,

destacan:

Inclinación del taladro: A medida que aumenta la inclinación se produce

una mayor desviación del taladro, sobre todo si éste es largo.

Empuje aplicado: Un empuje excesivo sobre la sarta de perforación

favorece las desviaciones. Hay que tener en cuenta que a partir de una

cierta profundidad el peso de la sarta puede superar el empuje necesario,

así la máquina en lugar de empujar, deberá compensar el peso excesivo

de la sarta.

Buzamiento de la formación: Si el taladro es vertical y los estratos buzan

menos de 45º, el tricono avanza menos en la zona más dura del barreno,

produciéndose desviaciones. Por el contrario si los estratos buzan más de

45º, el barreno avanzará paralelamente al plano de estratificación.

Dureza de la formación: Al igual que con el factor anterior, la mayor

dificultad para perforar la roca dura, produce desviaciones hacia la

formación más blanda.


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Diseño de la sarta de perforación: La utilización de barras de mayor

diámetro rigidiza la sarta e incrementa el efecto péndulo que mantiene la

dirección del sondeo. Hay que reseñar que la holgura entre la sarta y el

taladro afecta de una forma considerable a la desviación del sondeo.

La desviación influye de tal manera que cada pozo ó chimenea realizada

por el método de Raise Boring, corresponde a la medida de verticalidad en

que se realizó la perforación del sondeo piloto.

Fig. 4. Realización del sondeo piloto (Sandvik)

6. EVACUACIÓN DE LOS DETRITUS

Para evacuar los detritus del fondo del taladro, se utiliza aire ó agua; el

flujo por cualquiera de estos fluidos, es un flujo turbulento, cuya capacidad de

sustentación de las partículas de los detritus se basa en la turbulencia y

remolinos que se producen más que en la resistencia originada por la viscosidad

del fluido.


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Esta capacidad de sustentación depende de:

Forma, tamaño y densidad de los detritus

Densidad del fluido

Velocidad relativa del fluido respecto a los detritus en suspensión

De todos estos factores, es el último parámetro sobre el que más

fácilmente se puede actuar para asegurar la evacuación correcta de los detritus.

Así, para la velocidad de circulación adecuada, el caudal del fluido necesario, (Q),

dependerá de la sección anular entre el taladro y la varilla, (S):

S

QV

En el caso de que el fluido sea agua, la velocidad de circulación suele

estar comprendida entre 30-60 m/min; en cambio si el fluido es aire, la

velocidad requerida será de 900-1800 m/min.

Cuando se utiliza agua, la refrigeración de los cojinetes es mejor que si se

utilizara aire, pero con el inconveniente de que el agua puede llegar a oxidar

los elementos de perforación.

7. ESCARIADO AL DIÁMETRO FINAL

La operación de escariado comienza cuando se ha realizado el taladro

piloto; antes hay que realizar unas operaciones previas:

I. Perfilar la superficie de emboquille de la cabeza de escariador para

evitar desviaciones y flexiones del tren de varillaje.

II. Retirar los estabilizadores, excepto uno, del extremo de la sarta antes

de colocar la cabeza del escariador; de esta forma aumentara el par

disponible para hacer girar la cabeza de corte.


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Una vez terminada esta operación, se iniciará el escariado con cuidado,

evitando al máximo que las irregularidades de la superficie de emboquille puedan

torcer la cabeza de corte y flexar el varillaje. Las roscas de las varillas deben

engranarse a medida que éstas se van retirando.

Fig.5 Detalles de las los escariadores


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Una vez terminada la operación, se procede a sujetar la cabeza al techo

mediante vigas y cables para retirar la máquina.

8. CABEZA DEL ESCARIADOR

Una selección correcta de la cabeza del escariador es imprescindible para

un buen rendimiento de la máquina. Las configuraciones más típicas de la

cabeza de corte, son:

I. Plana

II. Escalonada

III. Abovedada

IV. Doble abovedada

I. El perfil plano: está equipado con un menor número de cortadores que

las demás configuraciones. Éste perfil resulta más fácil de desplazar bajo

tierra. El perfil

II. El perfil escalonado: proporciona una ventaja esencial, y es que el

diámetro del hueco puede variarse mediante la adición ó eliminación de

escalones, pero tiene el inconveniente en calibres de corte demasiado

grandes.

III. Los perfiles abovedados: proporcionan una buena estabilidad en el

hueco y un perfil redondo. Sin embargo, se tarda más tiempo en perforar

con estos que con los planos.


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9. CORTADORES

La estructura de corte varía según el tipo de roca y su resistencia a

compresión simple;

EN ROCAS BLANDAS, (50-150 Mpa): menor número de filas de

cortadores, con un mayor espaciamiento entre ellas, para incrementar la

velocidad de penetración.

EN ROCAS MEDIAS, (150-250 Mpa): Mayor número de filas de

cortadores, con un menor espaciamiento entre ellas.

EN ROCAS DURAS, (250-400 Mpa): Máximo número de filas de

cortadores, con mínimo espaciamiento entre ellas, con insertos más

largos y apuntados para reducir el desgaste.

Los tres tipos principales de cortadores en la perforación de pozos y

chimeneas mediante Raise Boring, son:

I. CORTADORES DE DISCOS

II. CORTADORES DE ENTALLADURA

III. CORTADORES DE RODILLO DE INSERTOS DE CARBURO

I.CORTADORES DE DISCOS:

El disco cortador es capaz de cortar una amplia gama de rocas, variando

desde una resistencia a compresión simple de 7 a 300 Mpa; esto es posible

cambiando el ángulo del filo del disco. Un disco cortador utiliza un alto empuje y

un área pequeña de contacto de corte con la roca, lo que favorece una

penetración profunda y una producción con alto porcentaje de grandes trozos de

roca.


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El punto límite de utilización del disco cortador está en una roca cuya resistencia

a compresión simple a lo largo de toda la chimenea sea de 225 a 275 Mpa.

II.CORTADORES DE ENTALLADURA:

El cortador de entalladura es un tipo de disco, pero con varias estructuras

de corte montadas en una sola serie de cojinetes. El cortador de entalladura se

utiliza principalmente para rocas blandas; un cortador de entalladura no es tan

económico como un disco cortador, ya que no puede cortar una roca tan dura

como puede un disco cortador.

III.CORTADORES DE RODILLO DE INSERTOS DE CARBURO

Este cortador utiliza insertos de carburo de tungsteno, y se utiliza en

formaciones rocosas muy duras. Los cortadores se suministran en distintos

tamaños, formas y espaciamiento entre insertos. Los cortadores de rodillo de


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insertos de carburo, producen un porcentaje alto de finos que pueden originar

problemas en la evacuación de los detritus.

TABLA PARA LA SELECCIÓN DE CORTADORES

TIPOS

DE

CORTADOR

CLASIFICACIÓN DE LA ROCA A COMPRESIÓN SIMPLE

BLANDA

0-150 Mpa

MEDIA

150-250 Mpa

DURA

250-400 Mpa

Discos 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400

Entalladuras 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400

Rodillos 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400

Leyenda:

Rango de uso óptimo

Rango de uso bueno

Rango de uso inadecuado

Rango de uso malo

Rango fuera de uso


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10. SARTA DE PERFORACIÓN Y ESTABILIZADORES

Cada máquina Raise Boring se diseña en conjunto con una configuración

propia de la sarta de perforación. La sarta de perforación se diseña para

transmitir el máximo par y empuje sin que se produzcan fallos. Aunque estos

fallos sean inusuales, y casi siempre atribuidos a fallos de fabricación, alguno de

ellos se deben en su mayor parte al momento de flexión aplicados a los

componentes de la sarta; así, si la relación entre el diámetro de la cabeza y el

tamaño de la sarta aumenta, los momentos de flexión llegan a ser mayores y la

frecuencia de fallos aumenta.

Para prevenir los fallos, habrá que tomar una serie de precauciones:

I. Inspeccionar periódicamente las zonas críticas para observar las

posibles grietas por fatiga.

II. Un estabilizador largo junto con un vástago largo puede prevenir

el problema anterior.

III. Verificar que el punto de emboquille del escariador sea

aproximadamente de la misma forma que el escariador.

IV. Comprobar que los estabilizadores no estén gastados

V. Realizar una minuciosa inspección y mantenimiento de la sarta de

perforación después de aproximadamente 2.500 horas de trabajo

del escariador.


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11. COSTES DE PERFORACIÓN CON RAISE BORING.

El coste de la perforación con Raise Boring, se puede desglosar en función

de los porcentajes de los distintos componentes del coste total del proyecto:

COSTES DE PERFORACIÓN CON RAISE BORING

COMPONENTE

PORCENTAJE DEL

COSTE TOTAL

DEL PROYECTO

Movilización 2-10

Preparación del lugar 5-20

Planificación subterránea 2-8

Producción

Coste del sondeo piloto

Coste de la cabeza escariadora

Coste de mano de obra

Abastecimiento/ mantenimiento

2-8

20-70

5-10

5-10

12. NUEVAS APLICACIONES INSPIRADAS EN EL SISTEMA RAISE BORING.

I. Horizontal Boring, (ángulo bajo):

Ésta técnica nace como competencia a la convencional de perforación y

voladura y a la máquina tuneladora, (Tunnel Boring Machine. TBM.).

Se trata de un Raise Boring convencional con unas pequeñas modificaciones en

la máquina y en la cabeza escariadora. Primero se perfora el taladro piloto,

teniendo especialmente en cuenta la precisión por medio de un sistema de

control de la dirección. El giro de los cortadores puede adecuarse dependiendo

del tipo de proyecto. La cabeza escariadora se diseña de manera especial para

facilitar la evacuación de los detritus cuando ésta gira.


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Fig. 6. Máquina Horizontal Boring, (Sandvik)

II. Down Boring:

Se usa con un pre-perforador del taladro piloto para perforación ciega de

chimeneas. El pre-perforador del taladro piloto también, en circunstancias

especiales, se utiliza para evacuar los detritus pero en la mayoría de las

aplicaciones se suele usar la circulación inversa; agua, aire ó sistema en vacío.

Se necesita una plataforma de dimensiones reducidas enfrente del escariador

para el pre-perforador del taladro piloto y los estabilizadores fijos montados sobre

la sarta para la estabilización. El número de estabilizadores de la sarta de

perforación, se determina en función de la longitud y la inclinación del barreno.

Fig. 7. Moquino Down Boring (Sandvik).


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III. Raise Boring de perfil bajo:

Estos modelos están diseñados para lugares en que sea difícil el acceso

tanto por problemas de altura como de transporte, así la máquina se puede

desmontar en piezas para facilitar el movimiento por zonas estrechas. Estas

máquinas emplean un sistema de conducción compensado con motores de eje

hueco, cambio telescópico y cilindros de alimentación telescópicos. El problema

de estas máquinas radica en la necesidad de un mayor espacio en el plano

lateral.

Fig. 8. Máquina Raise Boring de perfil bajo (Robbins).

IV. Down Reamer

Es básicamente un Raise Boring convencional, excepto que en lugar de la

sarta de perforación, lleva unos pesos en forma de roscas para facilitar el empuje

necesario en la perforación y para permitir que suba la máquina. El componente

que hace diferente a este modelo es la estructura en forma de araña que soporta

ocho torres con cinco extensiones. Debajo de la estructura de araña y encima de

la cabeza cortante se sitúan los estabilizadores. El Down Reamer está diseñado


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de tal forma que el cambio de los cortadores puede efectuarse en el interior del

hueco, permitiendo perforar el pozo sin necesidad de subir los cortadores para su

cambio.

Fig. 9. Máquina Down Reamer (Robbins)


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V. Borpark

Es un tipo de máquina Raise Boring utilizada para la realización de

chimeneas ciegas. La perforación se realiza desde un nivel inferior en el que

también se encuentra el control de la máquina. Se trata de una maquina similar a

una mini TBM, capaz de perforar verticalmente hasta con un ángulo de 30º.

Como la perforación se realiza en sentido ascendente, la máquina está

expuesta a la caída de detritus por la propia gravedad, de ahí que lleve unos

pequeños transportadores que evacuan los detritus hacia lugares más

adecuados.

Para prevenir las desviaciones, la máquina lleva un sistema de láser que

controla la dirección de la máquina. El Borpark se transporta mediante orugas ó

mediante un transportador especial de avance lento.

Fig. 10. Máquina Borpark.


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13. PARÁMETROS DE OPERACIÓN.

I. Velocidad de rotación.

II. Empuje

III. Par

I. Velocidad de rotación

Está limitada por la velocidad de los cortadores periféricos, y teniendo en

cuenta que la velocidad máxima de rotación recomendada para la cabeza

de escariado varía en función inversa al diámetro, entonces:

DWm

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Donde:

Wm= Velocidad máxima de rotación (r/min).

D= Diámetro de la cabeza de corte (m).

II. Empuje:

El empuje debe ser tan alto como la resistencia del varillaje y la capacidad de la

máquina permitan. El empuje total se calcula restando de la capacidad de tiro de

la máquina, el peso del tren de varillaje y el de la propia cabeza.

Un empuje elevado implica una alta velocidad de perforación y larga vida de los

cortadores; sin embargo, en rocas fracturadas hay que tener cuidado para evitar

esfuerzos excesivos en los cortadores y varillaje.

III. Par

El par necesario para hacer girar la cabeza del escariado puede estimarse

mediante las siguientes fórmulas empíricas:


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Si el avance por revolución es menor a 1 mm/r:

2

DEfCM

Si el avance por revolución es mayor a 1 mm/r:

2

DEfCPM

Donde:

M= Par (kN/m)

C= Factor de resistencia a la rodadura del cortador (0,05-0,06)

f= factor de fricción de la cabeza de escariado, (0,67)

P= Avance (mm/r)

E= Empuje total (kN)

D= diámetro de la cabeza (m)

Hay que indicar que un incremento del rendimiento por aplicación de un

mayor par no es posible, ya que los acoplamientos de las barrenas deben

soportar un alto par de empuje con un reducido par de desenroscado; ello

conduciría, especialmente en perforaciones profundas, a un desacople de las

conexiones durante la operación de perforación.


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14. PAUTAS PARA LA SELECCIÓN DEL MÉTODO DE RAISE BORING PARA

LA EJECUCIÓN DE CHIMENEAS Y POZOS EN SU APLICACIÓN EN

TÚNELES

La perforación con Raise boring se recomienda en casos donde:

Las condiciones del lugar sean estables, (ej. roca de calidad y ausencia de

grandes corrientes internas de agua.

El acceso esté disponible para la organización del trabajo y la eliminación

de lodo bajo tierra.

La estructura geológica permita la perforación piloto con las tolerancias

requeridas por el diseño del pozo.

Las necesidades de diseño, (diámetros, profundidad, etc.), sean

compatibles con las exigencias del equipamiento.

Según las condiciones, la perforación con Raise Boring puede ofrecer un

coste menor que los otros métodos de construcción de pozos.


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RECURSOS BIBLIOGRÁFICOS EMPLEADOS EN LA REDACCIÓN DEL

PRESENTE TRABAJO:

Manual de túneles y obras subterráneas. López Jimeno Carlos. Entorno gráfico.

Año 2000.

http://www.sandvik.com/

http://www.miningandconstruction.sandvik.com/

http://www.britishtunnelling.org.uk/

http://www.tunnel.no/
http://www.sandvik.com/http://www.miningandconstruction.sandvik.com/http://www.britishtunnelling.org.uk/http://www.tunnel.no/

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