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Túneles y obras subterráneas
Consolidación de arenas con geles acrílicos para la excavación del túnel de Vötting
El túnel de Vötting, de 705 m de longitud, se encuentra en la localidad bávara de Freising, en Múnich. Más concretamente, en la carretera estatal 2084, que lleva hacia Allershausen y conecta con la A9; después de unos metros, la carretera desaparece en el túnel bajo el distrito de Vötting, donde el túnel termina directamente al sur del paso subterráneo del Moosach, en el límite de Vötting. Las intervenciones de inyección en el túnel sirvieron para consolidar terrenos arenosos poco cohesivos de una forma rápida y segura con la finalidad de evitar cualquier tipo de subsidencia, hundimiento o colapso en los edificios de Freising. En este artículo explicaremos cómo se realizó la planificación, ejecución y monitoreo de forma exitosa con tan solo 8 metros de cobertera y mejorando enormemente los tiempos de ciclo del túnel
Palabras clave: Consolidación de arenas, gel acrílico, preinyección, rammed spile.
The 705 m long Vötting tunnel is located in Freising, a city in Bavaria near Munich. More specifically, on the state road 2084 leading to Allershausen and connecting to the A9 motorway. The injection interventions in the Vötting tunnel served to consolidate sandy soils with low cohesion in a quick and safe manner in order to prevent any kind of subsidence or collapse of the buildings in Freising. In this article, we explain the successful planning, execution and monitoring of this work with an overburden of only 8 meters, that improved enormously the cycle times of the tunnel.
Keywords: Sand consolidation, acrylate gel, pre-injection, rammed spile.
Miguel Cueto
Ingeniero de minas.
Senior Export Manager en TPH Bausysteme GmbH
Götz Tintelnot
Ingeniero civil.
CEO de TPH Bausysteme GmbH
Del tramo de 3560 metros de la tangente oeste de Freising, entre la Thalhauser Straße y la Staatsstraße 2350, 705 metros corresponden al túnel de Vötting. A unos 150 metros al sur de la rotonda, que se está construyendo en la intersección de la Thalhauser Straße y el Weihenstephaner Ring, la carretera se sumerge en el túnel y vuelve a la superficie al sur del Moosach.
El tramo norte del túnel, de 460 m de longitud, hasta la Giggenhauser Straße aproximadamente, se construyó con el método de minería (utilización de excavadora). La construcción del túnel por métodos mineros comenzó a principios de mayo de 2017 por el joint venture constituido por las empresas Wayss & Freytag Ingenieurbau AG München.
El túnel se inauguró oficialmente el 22 de mayo de 2017, con la arquitecta municipal de Freising, Barbara Schelle, como patrona del túnel. En la parte del túnel construida por métodos mineros, el cale del túnel fue el 18 de enero de 2018, y el revestimiento se completó el 13 de abril del mismo año.
Problemática
De los 460 metros de longitud total del túnel, 160 metros fueron excavados por debajo de un área edificada residencial. La dificultad principal fueron esos 160 metros, debido a su geología tan poco cohesiva, y a que tan solo tenía unos 8 metros de cobertera. No se podía permitir ningún tipo de asentamiento en el terreno que pudiera provocar subsidencias en los edificios residenciales o posibles colapsos de los mismos.
El nivel freático se encontraba a nivel de la solera del túnel y también era una amenaza, ya que una posible vía de agua podría potencialmente arrastrar los materiales finos del terreno y provocar derrumbes.
La geología del terreno era principalmente del Terciario y consistía en una mezcla poco cohesiva de gravas, arenas, limos y arcillas en proporción y distribución variables a lo largo del túnel. Se realizó una campaña exhaustiva de sondeos para determinar la geología del terreno, así como el nivel freático a lo largo de todo el túnel.
Se comprobó que estos terrenos eran muy poco cohesivos y se determinaron unos RMR que comprendían entre 15 y 30 de calificación geotécnica, esto quiere decir que el terreno era muy poco competente y que se preveía que podría haber problemas de estabilidad.
Propuesta de solución con inyecciones a través de rammed spiles
La solución que se propuso fue la de consolidar perfectamente los terrenos arenosos poco cohesivos del Terciario en la clave y los hastiales del túnel para evitar subsidencias y colapsos en los 160 metros por debajo de la zona edificada.
Para ello se decidió realizar inyecciones en paraguas en la excavación del túnel, con el fin de crear una concha o un escudo de terreno consolidado con geles acrílicos de TPH inyectados con unas lanzas de acero hincadas en el terreno, conocidas como rammed spiles, previos a los trabajos de avance.
Los rammed spiles son tubos de acero extensibles que disponen de puertos de descarga laterales y que tienen una punta cónica y ciega en su extremo para facilitar el hincado de la lanza en el terreno. Existen tubos de extensión adaptados con o sin puertos de descarga. Este método de introducción de la lanza en el terreno no requiere de ningún fluido de perforación, sino tan solo de hincado por percusión simple. La profundidad máxima de inserción depende de las condiciones del terreno, del tipo de acero y del grosor de las paredes del rammed spile. Se pueden alcanzar profundidades de hincado de más de 15 m.
El material de inyección fluye hacia el terreno a través de todos los puertos de descarga, empapando directamente el terreno, ya que el diámetro del cono de punta no diferencia mucho del diámetro de la barra, es decir, el espacio anular es mínimo en comparación con métodos de perforación a rotopercusión, como pueden ser por ejemplo los pernos autoperforantes. Para la inyección por la boca del rammed spile se utilizan obturadores mecánicos de inyección con un manguito de conexión.
En este caso se decidió utilizar unos rammed spiles de diámetro exterior de 51 mm y de diámetro interior de 42 mm, de 4 metros de longitud, de los cuales los dos metros centrales iban microperforados para que saliera la resina en ese tramo y empapara el terreno a consolidar.
Elección del material inyectable idóneo para consolidar el terreno
Debido a que la geología consistía en una mezcla poco cohesiva de gravas, arenas, limos y arcillas en proporción y distribución variables a lo largo del túnel, implicaba que la permeabilidad del terreno variaba de K=10-3 a K=10-5 m/s, lo que significaba que se trataba de suelos poco permeables. Estas permeabilidades imposibilitan las inyecciones cementosas, debido a que se trata de suspensiones de partículas que son más grandes que los propios intersticios de la porosidad del suelo.
Es por ello por lo que se ha contemplado la utilización de geles de acrilato; son agentes de inyección de baja viscosidad que comprenden derivados de ácidos acrílico y metacrilato, así como aminas y sales. El gel de acrilato aplicado para el túnel de Vötting corresponde a la llamada 5.ª generación. Estos geles no están basados en vidrio acuoso ni contienen acrilamidas. Son duraderos, altamente flexibles y neutros para las aguas subterráneas y poseen la aprobación general de las autoridades de supervisión de la construcción desde el año 2008 con respecto a su compatibilidad con el medio ambiente. Esto significa que el gel de acrilato no libera sustancias nocivas para el medio ambiente, ya sea en estado líquido o sólido. Los componentes básicos y los catalizadores en el caso de estos materiales forman en su mayoría un compuesto descrito como un componente A activado. Después de mezclar con un componente B activado que consiste en agua e iniciador en una base de volumen 1:1, está disponible una solución con una viscosidad similar al agua.
Dependiendo del tipo de producto, la viscosidad fluctúa entre 3 y 12 mPa, de modo que también se pueden rellenar fisuras y cavidades extremadamente pequeñas.
Pueden ajustarse tiempos de reacción de unos segundos hasta 60 minutos, también dependiendo del tipo de producto. La reacción que forma una masa de gel elástica similar a la de un caucho tiene lugar más bien bruscamente después de la fase líquida.
Esencialmente es posible reemplazar el agua en la solución por una dispersión polimérica. Esto conduce a un ligero aumento de la viscosidad, pero al mismo tiempo mejora la adherencia con los materiales circundantes y minimiza el comportamiento de contracción de la masa de gel reaccionada.
Sin embargo, la contracción no se produce cuando se instala en el suelo o la roca en contraste con un ambiente atmosférico, porque no se puede secar en estas circunstancias.
Otro factor importante que se tuvo en cuenta para la elección del gel acrílico más idóneo como material inyectable era el contenido en aguas subterráneas y de los posibles flujos previstos. Debido a que el nivel freático se encontraba aproximadamente a nivel de la solera del túnel, no se preveían grandes flujos de agua a la hora de excavar, por lo que el material a excavar iba a estar mayoritariamente en condiciones secas. En estas condiciones, los geles acrílicos trabajan bastante bien.
En el hipotético caso de que se previesen grandes flujos de agua, los geles acrílicos no tienen capacidad de bloquear el agua en movimiento, entonces se hubiesen tenido en cuenta poliuretanos de tipo estructural, que son más adecuados para estas condiciones, porque tienen la capacidad de consolidar el terreno además de sellar vías de agua, incluso de grandes flujos y presión.
Primeras inyecciones de validación en el túnel
Las primeras pruebas en el túnel de Vötting se realizaron en agosto de 2017. Se escogieron dos tipos de gel de acrilato distintos para realizar las pruebas in situ mediante inyecciones de paraguas mediante rammed spiles, y para ver cuál de los dos geles funcionaba mejor:
- RUBBERTITE, un gel de inyección que es especialmente notable por su extrema baja viscosidad de mezcla, casi equivalente a la viscosidad del agua, que está aprobado por la normativa de protección de aguas subterráneas. En estado sólido tiene una buena resistencia química frente a ácidos, bases, muchos disolventes y combustibles, etc., debido a su base material de alta calidad, y presenta un alto grado de estabilidad a largo plazo.
- VARIOTITE, un gel de inyección de baja viscosidad cuya principal propiedad es su muy elevada flexibilidad, con un tiempo de reacción variable entre 15 segundos y 4 minutos.
Los dos tipos de geles acrílicos pueden aplicarse a una amplia gama de suelos arenosos y limosos finos y cuyas propiedades pueden optimizarse individualmente a los respectivos parámetros de inyectabilidad y de tiempo de fraguado in situ.
Para estas pruebas se colocaron diez rammed spiles en el frente del túnel, pero a nivel de solera, cinco se inyectaron con RUBBERTITE y los otros cinco se inyectaron con VARIOTITE.
A pesar de que el RUBBERTITE tiene unas características mecánicas excelentes, en las pruebas in situ se determinó que el mejor comportamiento para la consolidación era el de VARIOTITE, por los siguientes motivos principales:
- El intervalo de tiempos de reacción más rápidos que el VARIOTITE puede ofrecer resultaban ser más adecuados que los del RUBBERTITE, los cuales son más lentos.
- Se vio que ambos geles acrílicos, al trabajar en conjunto con el acero del rammed spile, hacían un “armado” perfecto del sistema de consolidación en este tipo de terrenos. Así se comprobó a la hora de excavar el terreno, ambas resinas soportaron perfectamente las embestidas de la pala excavadora.
- A igualdad de resultados, también se consideró la parte económica para la decisión final, porque el costo unitario del VARIOTITE es inferior al del RUBBERTITE.
Implementación de la solución de consolidación en el túnel
Después de determinar que el gel acrílico VARIOTITE era el producto más apropiado para la consolidación del terreno, se procedió a realizar las primeras inyecciones de consolidaciones en paraguas, incluyéndolas en el ciclo de excavación del túnel de Vötting.
La realización del paraguas de preinyección para consolidación consistía en la inserción en el terreno mediante un jumbo de unos 40-42 rammed spiles de diámetro exterior de 51 mm y de 4 metros de longitud; en la zona de la corona estaban espaciados entre sí unos 20 cm, mientras que en las zonas de los hastiales se distanciaban hasta 50 cm.
Una vez instalados todos los rammed spiles con el jumbo, se procedía a inyectar todas y cada una de dichas lanzas hincables de inyección con el gel acrílico VARIOTITE. El caudal, el volumen y la presión de la mezcla inyectada, durante cada etapa de inyección y en todas las lanzas, se registraron automática y digitalmente.
La caracterización de las mezclas en estado líquido del gel acrílico comprendía la densidad, la viscosidad y el tiempo de fraguado o gelificación. En cuanto a las mezclas del gel acrílico en estado sólido con el terreno, sus características mecánicas fueron obtenidas por el contratista.
Durante y después de la inyección, el contratista realizó inspecciones visuales y mediciones de convergencia en secciones del túnel para detectar posibles deformaciones del revestimiento.
El entorno hidrogeológico y las entradas de agua en los túneles también fueron controlados por el contratista, midiendo el nivel de agua subterránea del subsuelo circundante con piezómetros instalados en los pozos a una distancia adecuada de los puntos de inyección para evitar que las mediciones se vieran afectadas por la inyección. Además, se midieron las variaciones de las tasas de afluencia de agua mediante medidores en canales abiertos o conductos cerrados en diversas secciones del túnel.
Los tiempos de reacción del gel acrílico fueron ajustados entre 3 y 5 minutos, para que diese tiempo suficiente a empapar y penetrar lo suficiente el gel en el terreno. Los caudales promedios de inyección fueron de 5 l/min, con una presión de inyección de 2 bar; nunca se apreció ningún incremento de presión importante a la hora de inyectar, por lo que el criterio fundamental de parada era el volumen inyectado máximo, que se determinó en 20 litros por cada rammed spile.
El consumo por cada inyección de paraguas completo en toda la sección era, por lo tanto, de unos 800 litros, pero, teniendo en cuenta que el VARIOTITE se mezcla en una relación 1:1 con agua, podemos decir que el rendimiento medio por cada inyección era de unos 350-400 kg por cada paraguas.
Una vez que se habían terminado todas las inyecciones, se procedía a la excavación de la sección; esto se podía realizar de forma inmediata, debido a que la curación completa del gel acrílico es inferior a media hora.
Dicha excavación no se realizaba de forma simultánea en toda la sección del túnel, sino que se realizaba por fases en cuatro secciones: en primer lugar, la sección de la clave del túnel (entre las 11:00 y las 13:00); después, la zona de la corona-hastial derecho (entre las 13:00 y las 14:30); a continuación, la zona de la corona-hastial izquierdo (entre las 9:30 y las 11:00); y, ya por último, toda la zona de destroza de una sola vez.
Cada fase por sección mencionada consistía en la extracción de terreno con la pala excavadora de dos metros de avance y, una vez finalizada, se realizaba la inmediata aplicación de hormigón proyectado en el área excavada para reforzar estructuralmente el terreno consolidado con el gel acrílico y los rammed spiles. Una vez que la gunita endurecía, se pasaba a la siguiente área y así hasta que se terminaba toda la sección del túnel.
Entonces se volvía a repetir el ciclo de nuevo, perforación de todos los rammed spiles, inyección con gel acrílico de los mismos y excavación sectorizada con proyección de hormigón en cada fase.
Conclusiones
Entonces, el trabajo de consolidación que hacía la concha de suelo mezclado con el gel acrílico y los rammed spiles era más importante a la hora de la propia excavación con la máquina en la corona del túnel, porque es precisamente cuando se descomprime el terreno y, por lo tanto, es cuando mayor riesgo hay de desprendimientos que puedan alcanzar a los edificios de la localidad de Freising, los cuales estaban tan solo a 8 metros de la clave del túnel.
Se formó un área solidificada alrededor de las lanzas, que era estable y no mostraba acreción. El gel de inyección también ha funcionado bien en fracciones de tierra con altos niveles de finos y altamente cohesivos, que serían imposibles de inyectar con mezclas de cemento. Este sistema de seguridad previo al avance se utilizó en toda la longitud del túnel y en todos los diferentes tipos de terreno encontrados.
Enumeramos a continuación algunos beneficios del uso de lanzas de inyección en comparación con el sistema clásico de tubería de preavance:
- Diámetros menores (51 mm frente a 139 mm).
- Equipos de menores dimensiones de construcción.
- Mayor seguridad en el trabajo.
- Menor personal involucrado.
- No se elimina el material durante la inserción a presión de la lanza y, por lo tanto, no se produce una distensión en el frente de excavación.
- Prácticamente no hay sobreexcavación (“diente de sierra” extremadamente reducido).
- Compactación del suelo durante la inserción de las lanzas.
- Amplio espectro de tipos de suelos finos y mixtos ricos en arena y sílice inyectables con geles acrílicos.
- Rápidos tiempos de reacción/menores presiones de inyección.
La utilización de los geles acrílicos en este túnel nos ha dado unas posibilidades de planificación anticipada para la excavación, a la vez que una disminución de los tiempos de inactividad y sobre todo una optimización de los tiempos de excavación y avance, obteniendo un alto rendimiento del ciclo del túnel.
También gracias a la gran durabilidad de los geles acrílicos, se puede ofrecer una garantía de durabilidad y estabilidad a lo largo del tiempo de las construcciones tratadas.
- Equipos de construcción reducidos tanto en costes y dimensiones.
- Estabilización geológica permanente.
Referencias
1
EN 12715: Ejecución de obras geotécnicas especiales (ingeniería civil) – inyecciones. Versión alemana EN 12715: 2000.
2
Schuchman, H; Happel, M.: Pruebas de presión de agua en el agujero libre de WD – WAP – Trineo-enKutzner, C.: Injektionen im Baugrund. Ferdinand Enke Verlag Stuttgart, 1991.
3
Asociación de Investigación para STUVA subterráneos instalaciones de transporte. V:. Valva ABI – Ab-densa de edificios por inyección. IRB Verlag, 2.ª edición, octubre de 2007.
4
TPH Bausysteme GmbH: hoja Datos técnicos de RUBBERTITE y de VARIOTITE.
5
MFPA Leipzig GmbH: Comportamiento del Gel Acrílico VARIOTITE después de 10 años de retraso agua y la externalización en el suelo. Informe de Investigación P5.1 / 09-003-1 t.
8
Catálogo de TPH PSGi Geo-Inyección Estabilizadora con Polímeros.