Los cajones neumáticos son estructuras utilizadas en la construcción de pilares de cimentación sobre tierra, especialmente en terrenos con aguas freáticas.
Estos cajones permiten realizar excavaciones bajo el agua mediante una cámara de trabajo que se sumerge, equipada con una chimenea y una esclusa neumática para regular la presión del aire.
Su diseño facilita el avance en la excavación y proporciona un espacio seguro para los trabajadores, garantizando la efectividad del proceso constructivo.
Las operaciones fundamentales que exige la construcción de un pilar de cimentación sobre tierra por medio de un cajón neumático son las siguientes:
1) Realizada la excavación precisa al aire libre hasta el nivel piezométrico (de las aguas freáticas) por los métodos ordinarios, se procede a construir el cajón en la misma excavación. Este consta de una cámara de trabajo, una chimenea que asciende verticalmente desde el techo de la cámara hasta más arriba del nivel piezométrico y una Esclusa neumática en la extremidad superior de la chimenea. La cámara de trabajo consta de techo y paredes laterales con filos cortantes en su parte inferior para facilitar el avance del cajón. La cámara dispone de suficiente espacio para los obreros. Su suelo no es otro que la propia tierra que ha de ser excavada. La chimenea se va alargando a medida que el cajón se hunde. La esclusa neumática mantiene la presión adecuada del aire en la cámara al descender o ascender los hombres por la chimenea, al izar la tierra excavada y al depositar el hormigón para construir el cierre de fondo estanco. Las paredes laterales del cajón forman hasta arriba un encofrado continuo que impide el acceso del agua y sirve de molde externo al hormigón que se va colocando entre él y la chimenea. Este encofrado va prolongándose a medida que el cajón avanza, de forma que su extremo superior sobresalga siempre del agua.
2) La excavación continúa a cargo de los obreros que se han introducido en la cámara de trabajo por la chimenea. El material excavado se extrae a través de ésta por medio de un cubo suspendido de un cable. En los cajones grandes de pilas de puentes se emplean chimeneas separadas para hombres y materiales. El cajón se va hundiendo a medida que la excavación avanza. Cuando su filo cortante traspasa el nivel piezométrico, se inyecta aire por la chimenea para nivelar la presión del agua circundante e impedir que ésta penetre en la cámara de trabajo. El espacio comprendido entre la chimenea y las paredes se llena de hormigón, que ayuda al hundimiento y forma parte integrante del pilar terminado. Además del peso del hormigón es necesario a veces cargar lastre en la parte superior del cajón para vencer la fricción lateral y obligarle a hundirse a medida que avanza la excavación. También es preciso incrementar la presión del aire para contrarrestar el aumento de presión del agua a medida que el cajón desciende. La adición de hormigón ha de aguardar un ritmo adecuado con el avance del cajón.
3) Cuando el cajón alcanza el lecho de roca o el estrato en que haya de cimentarse el pilar, se limpia y prepara la superficie del fondo para recibir el hormigón.
4) El hormigón desciende a la cámara de trabajo por medio de cubos que funcionan a través de la esclusa neumática y la chimenea. Los obreros colocan el hormigón cuidadosamente hasta llenar con él herméticamente la cámara de trabajo para formar un cierre estanco al agua. A medida que lo van consiguiendo se retiran chimenea arriba y, una vez terminada su labor, ascienden por ella a la superficie.
5) Una vez fraguado el hormigón del cierre, se suprime la presión de aire de la chimenea, se retira la esclusa neumática y se rellena la chimenea de hormigón para completar el pilar.
En la construcción de pilas de puentes, el cajón, construido sobre gradas, es botado al agua, remolcado hasta el lugar de su empleo y sumergido hasta que toque la superficie del fondo. Entonces se procede a realizar las operaciones descritas anteriormente. Los cajones empleados en la construcción de pilas de puentes, que suelen ser de sección transversal rectangular, pueden alcanzar grandes dimensiones. El encofrado queda un poco por debajo del nivel de estiaje o de marea baja de modo que no sea visible cuando la pila queda terminada. La pila sobresale del nivel de crecida o de marea alta merced a una ataguía colocada sobre el encofrado. Una vez completado el pilar, se retira la ataguía.
Los primeros cajones neumáticos fueron de madera. El techo del utilizado en la construcción (1871) del Puente de Brooklyn (Nueva York) tenía un grosor de 6,75 m y se hizo con tablones de 30 X 30 cm. La torre de sillería descansa permanentemente sobre esta base de madera, que, por quedar sumergida, no está sujeta a descomposición. Gradualmente se ha venido imponiendo el empleo de hormigón armado para los techos de las cámaras de trabajo. Las de los cajones de gran tamaño pueden dividirse en secciones que descansan sobre la superficie expuesta del terreno y ayudan a los filos cortantes a soportar el peso del cajón, permitiendo con ello disminuir el grosor del techo. También se utilizan vigas o armaduras en las cámaras de trabajo como apoyo suplementario de los techos. Si las paredes de la cámara son de madera, terminan en chaflán hacia el exterior para formar un fino borde cortante que se calza con metal.
Actualmente se combinan de muchas maneras el acero, hormigón y la madera para construir las diversas partes de los cajones. Mientras los de puentes son de madera, acero y hormigón, los de edificios son generalmente cilindros de chapa de acero u hormigón con un diámetro exterior que oscila desde 1,2-1,5 m a 3,5 m. La tierra del fondo de la cámara puede ser excavada por cualquier procedimiento conveniente: pico y pala o perforadoras neumáticas. Si la tierra fuera muy fluida, puede extraerse hasta la superficie por medio de un tubo neumático; el aire de la cámara de trabajo proporcionará la presión necesaria.
Los edificios altos cuentan a menudo con vanos pisos por debajo del nivel piezomètrico. Para impedir el acceso del agua a los basamentos se disponen sobre el lecho de roca uno junto a otro, en torno a la construcción, cajones neumáticos rectangulares. Mediante el empleo de juntas estancas entre los cajones adyacentes, así como entre sus bases y el lecho de roca, se conseguirá una ataguía neumática continua en torno a todo el basamento. El suelo interno de la ataguía se excava por procedimientos normales. Para evitar que la ataguía se incline hacia la parte excavada antes de levantar el armazón del edificio, se procede a sujetarla con riostras provisionales. Aunque en general las ataguías son elementos provisionales, la descrita entrará a formar parte permanente del edificio.
El método del cajón neumático ha sido muy utilizado en la construcción de los cimientos de los rascacielos neoyorquinos erigidos sobre suelos acuosos de grano fino que cubren el lecho de roca hasta profundidades de 30 o más metros por debajo del nivel piezométrico. A veces se empieza un pilar por el sistema del cajón de bordes cortantes y se termina por el del cajón neumático para aprovechar las ventajas de ambos.
Las del cajón neumático sobre el de bordes cortantes son las siguientes: permite inspeccionar y preparar cuidadosamente el asiento del pilar; facilita un hundimiento más preciso; ofrece mayor oportunidad de eliminar obstáculos, como grandes piedras y leños hundidos; hace que el hormigón de la cámara de trabajo resulte de mejor calidad por haber sido depositado en contacto con el aire en lugar de serlo bajo el agua; en fin, y ello resulta especialmente interesante en cajones para edificios, evita generalmente, que el suelo penetre en su interior alrededor del filo cortante y provoque reasentamientos del terreno con el consiguiente quebranto de las estructuras adyacentes.
Como inconvenientes del cajón neumático señalaremos lo elevado de su costo y, sobre todo, el hecho de que no pueda alcanzar profundidades superiores a los 30 o 35 m por debajo del nivel piezométrico. A mayores profundidades debería utilizarse tal presión de aire, que los trabajadores se verían expuestos a la Enfermedad de descompresión, llamada aeremia o también «mal de cajón». La presión máxima a que han de trabajar los hombres no debe exceder, según la mayoría de las ordenanzas de la construcción, de 3,5 kg/cm2, lo que supone ya más del triple de la presión atmosférica. Dicha presión se alcanza a unos 35 m bajo el nivel del agua y a tal profundidad será preciso emplear una presión de aire equivalente para impedir que el agua invada la cámara de trabajo. La profundidad máxima alcanzada por un cajón neumático ha sido de 38 m, conseguidos, sin embargo, sin sobrepasar de 35 kg/cm2 la presión de aire.
El cajón neumático es de origen relativamente reciente. Aunque hasta 1830 no patentó Thomas Cochrane el empleo de aire comprimido en la construcción de pilares y túneles, el principio básico se había utilizado antes de 1800 en la campana de buzo. La primera aplicación práctica de la campana de buzo data de 1778, en que el ingeniero inglés John Smeaton, utilizó una para la reparación de una pila de puente. Véase Buceo y campana de buzo.
El uso de cajones neumáticos en cimientos de edificios no se generalizó hasta que no se hubo perfeccionado la construcción de armazones con cargas concentradas sobre columnas que podían descansar sobre pilares. El primer cajón neumático para tareas de cimentación fue instalado por William Sooy Smith en 1893, bajo el Manhattan Life Building en la parte baja de Nueva York. Véase Aeropatía; Aguas freáticas; Ataguía; Buceo y campana de buzo; Esclusa neumática; Cimiento; Pilotes y martinetes; Puente.
