[pms-logout text="Bienvenido, {{meta_user_name}}" link_text="Salir"]
La Clave | Experiencias
Selección de tecnología slurry
Para túneles viarios submarinos de 14,04 m en el proyecto HRBT
El Proyecto de Expansión del Puente-Túnel de Hampton Roads (HRBT) incluye la construcción de dos nuevos túneles submarinos entre Norfolk y Hampton, en Virginia, Estados Unidos. Los túneles, de 2,4 km de longitud, se excavarán con tuneladora entre dos islas artificiales y discurrirán paralelos a dos túneles sumergidos existentes. Este artículo presenta las justificaciones técnicas que llevaron a seleccionar una tuneladora de 14,04 m de diámetro, con tecnología slurry del tipo densidad variable, para abordar los desafíos de este proyecto de túnel, incluidos, entre otros, un bajo recubrimiento de tierras por debajo del nivel freático, altas presiones de confinamiento y frentes mixtos, todo ello en un entorno marino sensible.
Palabras clave: Densidad variable, slurry, túnel submarino.
The Hampton Roads Bridge-Tunnel Project (HRBT) includes the construction of two new subsea tunnels between Norfolk and Hampton, in Virginia, USA. The 2.4 km long tunnels will be excavated with a TBM between two manmade islands and will run parallel to two existing immersed-tube tunnels. This document presents the technical justifications that led to the selection of a 14.04 m diameter slurry TBM, variable density type, to address the challenges of this tunnel project that include, among others, low ground cover under the water table, high confinement pressures and mixed faces, all in a sensitive marine environment.
Keywords: Variable density, slurry, underwater tunnel.
Alejandro Sanz Garrote
Ingeniero industrial y civil engineer; gGravity Engineering, Jefe del Servicio de Obras Subterráneas.
Juan Miguel Pérez Rodríguez
Ingeniero de caminos, canales y puertos; Dragados USA, HRBT Project Executive.
Javier Isa Izquierdo
Ingeniero de caminos, canales y puertos; Dragados USA, HRBT Tunnel Design Coordinator.
La autopista interestatal 64 (I-64) se extiende desde el Medio Oeste de los Estados Unidos a través de Virginia hasta el área de Hampton Roads y, actualmente, su conexión entre Hampton y Norfolk es uno de los puntos más congestionados de Virginia. Estas ciudades están separadas 5,6 km por el río James en la desembocadura de la bahía de Chesapeake.
El puente-túnel existente en la I-64 Hampton Roads (HRBT por sus siglas en inglés) entre Hampton y Norfolk consta de dos islas artificiales, separadas 2,0 km entre sí, y que sirven como salida y entrada para los dos túneles sumergidos paralelos existentes. Cada isla está conectada a la costa por viaductos. El primero de estos túneles sumergidos de dos carriles se construyó en 1957 y el segundo, en 1976.
El Proyecto HRBT consiste en el diseño y construcción de la ampliación de los túneles y puentes existentes, mediante la creación de cuatro carriles adicionales paralelos a los existentes, para lo que se han concebido dos túneles adicionales de dos carriles, de 14,04 m de diámetro.
Los nuevos túneles están siendo diseñados y construidos por Hampton Roads Connector Partners (HRCP), UTE de Dragados USA, Vinci Construction Grands Projets, Flatiron Constructors y Dodin Campenon Bernard.
Caracterización del terreno
El proyecto se encuentra ubicado en la planicie costera de Virginia, donde el río James se encuentra con la bahía de Chesapeake. La planicie costera consta de arcillas, arenas y gravas del Jurásico y Cretácico, transportadas desde los montes Apalaches y depositadas en la cuenca del océano Atlántico.
Los materiales que se espera encontrar dentro de la alineación del túnel se superponen a estos sedimentos y comprenden capas terciarias y cuaternarias más jóvenes, con alternancias de sedimentos marinos finos y gruesos. Cabe destacar una capa de terreno aluvial con lentejones de materia orgánica en las proximidades de la isla sur, de pobres propiedades mecánicas.
En lo referente a los portales, ambas islas artificiales se construyeron colocando grandes capas de escollera y filtro alrededor de los perímetros de las islas para proporcionar protección contra la socavación y mantener su contorno. En una fase posterior se colocó el relleno hidráulicamente, compuesto de arenas limpias con bajo contenido de finos, hasta una elevación aproximada de 3,3 m sobre el nivel del mar.
Trazado del túnel
La isla sur dispone de una gran superficie, que fue utilizada para la construcción inicial y que actualmente no se utiliza. Esta área es lo suficientemente grande como para instalar un portal de túnel y, por lo tanto, se seleccionó para montar y operar la tuneladora, ya que permitía el acceso temprano para la construcción del túnel. La isla norte no era lo suficientemente grande para acomodar un nuevo portal de túnel y se ha requerido una expansión de la misma. En este contexto, la situación de estas estructuras artificiales existentes, junto con las condiciones del terreno, han sido clave para desarrollar la alineación del proyecto y el enfoque de construcción. La fotografías de las páginas 130 y 131 muestran las islas artificiales existentes. HRCP diseñó la alineación del nuevo túnel teniendo en cuenta las limitaciones específicas del proyecto, incluyendo, entre otras, la ubicación más probable de posibles obstrucciones para la TBM y las dificultades para trabajar en un entorno marino. Para abordar estos importantes desafíos, se desarrolló una alineación profunda que permitiese pasar por debajo de la mayoría de las obstrucciones anticipadas con la TBM. Esta alineación proporciona un túnel más largo que una alternativa más somera, pero tiene como objetivo alcanzar un recubrimiento de tierras suficiente al llegar a los bordes de las islas, de modo que permita la excavación de la TBM sin necesidad de tratamientos marinos adicionales.
Para la excavación en las áreas de baja cobertera, concretamente cuando se excava en una zona de arcillas flojas con contenido de materia orgánica dentro de la isla sur, se han diseñado diferentes tipos de modificaciones del terreno con objeto de permitir una excavación segura del túnel, proporcionando protección a la TBM y el túnel, reduciendo la necesidad presión de confinamiento de la TBM, facilitando su aplicación y proporcionando el refuerzo necesario del pilar central
entre los nuevos túneles.
Selección de la tuneladora
Las estrategias para seleccionar la tuneladora se han basado en utilizar metodologías y un enfoque de construcción que limiten los riesgos, empleando un diseño sólido y con conceptos probados, que incorpora la experiencia relevante de proyectos de túneles anteriores.
La longitud de los túneles es de aproximadamente 2408 m entre los portales. La tuneladora excavará a profundidades que varían desde aproximadamente 12 m hasta 46 m, medidos en el eje del túnel. A estas profundidades, el túnel discurrirá completamente bajo el nivel freático a través de una alternancia de suelos gruesos y cohesivos, constituyendo diferentes combinaciones de frentes mixtos. La tuneladora también tendrá que perforar diferentes secciones con tratamientos del terreno.
El tipo de TBM seleccionada debe ser capaz de manejar la heterogeneidad anticipada del terreno, incluido el terreno original y modificado, minimizando los asientos.El tipo de TBM seleccionada debe ser capaz de manejar la heterogeneidad anticipada del terreno, incluido el terreno original y modificado, minimizando los asientos.
Una tuneladora de tipo slurry o hidroescudo funciona con la cámara de amasado llena de lodo bentonítico presurizado. El lodo se presuriza mediante una burbuja de aire comprimido, ubicada dentro de la cámara secundaria, detrás de la cámara de amasado. La presión de la burbuja de aire comprimido controla la presión del lodo bentonítico, lo que equivale a controlar la presión de confinamiento aplicada por la TBM con esta burbuja. Una de las limitaciones de esta tecnología radica en que solo puede controlar densidades de terreno en cámara relativamente bajas, que puedan ser bombeadas con bombas de lodos.
Las tuneladoras de tipo slurry estándar están equipadas con una machacadora de mandíbulas, situada detrás de la compuerta del mamparo, que permiten romper la roca hasta un tamaño adecuado antes de entrar en las tuberías de transporte, permitiendo así bombear el escombro fuera del túnel.
La alineación profunda de HRBT necesitará altas presiones de operación de TBM de hasta 6 bar. También requerirá la excavación en áreas con bajo recubrimiento y en una amplia gama de suelo, requiriendo adicionalmente una rápida adaptación a cambios repentinos en las condiciones del terreno, mientras se mantiene la presión de confinamiento dentro de límites aceptables.
Con estos condicionantes HRCP seleccionó una tuneladora del tipo densidad variable (VD por sus siglas en inglés) como la tecnología de tuneladora más apropiada para hacer frente a los requisitos del proyecto. La VD TBM es una variación de la tecnología slurry, que incorpora algunos elementos de los escudos de presión de tierras (EPB): combina un tornillo sin fin para extraer el material excavado de la cámara con líneas de lodo para acondicionar y extraer el terreno excavado, incorporando la burbuja de aire comprimido en la cámara secundaria para permitir una regulación suave y precisa de la presión de operación.
El escombro se acondiciona con lodo bentonítico, que asiste en el soporte del frente de excavación, infiltrándose en su capa superficial y creando el denominado filter cake, donde se reduce la permeabilidad en esta interfaz. El suelo excavado se diluirá y mezclará con el lodo bentonítico dentro de la cámara de amasado de la TBM y se bombea a presión fuera de la cámara de excavación presurizada a través del tornillo sin fin. El tornillo sin fin conduce el material excavado hasta un contenedor presurizado llamado slurrifier box, equipado con una machacadora de mandíbulas ubicada después de la compuerta del tornillo sin fin. Una rejilla justo detrás de la machacadora evita que grandes bloques entren en las tuberías de transporte del material excavado. La configuración de la machacadora y la rejilla en el slurrifier box es similar a la configuración empleadas de las tuneladoras de slurry estándar, empleando así un sistema probado en una ubicación diferente.
El tornillo sin fin en esta configuración actuará como un dispositivo de transporte de escombro, en lugar de actuar como un dispositivo de disipación de presión, como en las tuneladoras EPB. El tornillo está equipado con una compuerta de cierre, y una ventaja importante de esta configuración es que permite acceder a la machacadora en condiciones atmosféricas para su mantenimiento y reparación. En comparación con una tuneladora tipo EPB, el tornillo sin fin puede ser más corto en esta opción.
Esta configuración de la VD permite operar con una densidad de material elevada dentro de la cámara de amasado. En las tuneladoras slurry estándar, la densidad máxima para los circuitos de lodo es de alrededor de 1,3 t/m3 y, para tener algún margen operativo, la densidad de la cámara normalmente se opera a una densidad máxima de alrededor de 1,2-1,25 t/m3. En el caso de una TBM VD, la densidad en cámara no está limitada por las bombas de lodos, ya que la mezcla se extrae mediante el tornillo sin fin y se puede diluir con lodo de la línea de suministro en el slurrifier box. De este modo se pueden conseguir densidades operativas en el rango de 1,5 t/m3 en la cámara de la TBM o incluso superiores.
Esta posibilidad de aumentar la densidad del lodo en cámara tiene beneficios operativos para el proyecto HRBT, ya que permite obtener una mayor presión de confinamiento, al tiempo que se mantiene la misma presión máxima en clave de la cámara de amasado, lo que puede contribuir a mitigar tanto los asientos como las pérdidas de lodo en las zonas de bajo recubrimiento, donde el riesgo de generar un blow out es más alto. Este es un beneficio importante debido al limitado recubrimiento de terreno y las altas presiones de confinamiento de la tuneladora requeridas. Un esquema conceptual de este fenómeno se ilustra en la figura de abajo, donde el triángulo rayado a la derecha representa la presión de confinamiento adicional que se puede lograr empleando un material con mayor densidad, manteniendo la misma presión de confinamiento máxima en la clave de la tuneladora.
Con las tuneladoras VD, la densidad del material en la cámara de amasado y la calidad del lodo inyectado se adaptan a las condiciones del terreno. Por otra parte, una vez que el terreno llega al slurrifier box, se puede diluir si es necesario para disminuir su densidad y permitir el transporte hidráulico al portal. Los circuitos de presión de confinamiento frontal de la TBM y los circuitos de transporte de escombro están desacoplados, como se muestra esquemáticamente en la página siguiente.
El material excavado en la tuneladora VD se bombea desde el slurrifier box a una planta de tratamiento de lodos (STP por sus siglas en inglés) ubicada en la superficie del portal en la isla sur, donde se trata el lodo y los finos se recirculan a la tuneladora. La planta eliminará los sólidos excavados de la mezcla y generará o regenerará el lodo bentonítico para bombear a la TBM. La planta es capaz de adaptar las propiedades reológicas de la mezcla a los requisitos específicos del terreno en cada ubicación a lo largo de la alineación.
Adicionalmente, la fluidez y la consistencia blanda del material de excavación en la cámara de amasado de la VD, junto con el gran diámetro de la máquina, facilitan la implementación de una cabeza de corte hueca y accesible en condiciones atmosféricas en este proyecto. De este modo, la cabeza de corte accesible prevista reducirá significativamente las intervenciones hiperbáricas necesarias para revisar y reemplazar las herramientas de corte, algo que resultaría muy complejo a las altas presiones esperadas en el proyecto.
Construcción del túnel
La tuneladora instalará un anillo de dovelas como revestimiento definitivo, de 12,65 m de diámetro interno y 457,2 mm de espesor, reforzado con fibra metálica en combinación con armadura convencional, equipado con una única junta EPDM. El espacio anular entre el suelo excavado y el revestimiento de dovelas se rellenará con una inyección bicomponente, inyectada automáticamente por el escudo de cola durante el avance.
Se utilizará una única tuneladora tipo VD para excavar los dos túneles. La tuneladora se transportará a la isla sur por barco y camiones, donde será montada. Excavará el primer túnel hasta la isla norte, donde se realizará un cambio de sentido. Una vez que se complete la maniobra de giro, la tuneladora iniciará la excavación del segundo túnel desde la isla norte, manteniendo los circuitos de lodos a través del túnel previamente excavado, conectando así la tuneladora con la planta de lodos ubicada en la isla sur. Igualmente se mantendrá la logística principal en la isla sur, minimizando las interferencias con los trabajos de ampliación de la isla norte.
Conclusiones
Los nuevos túneles de HRBT son un componente importante del proyecto de expansión HRBT, donde se ha empleado un enfoque de “seguridad en el diseño” para reducir el perfil de riesgo del proyecto, identificando y mitigando los riesgos más importantes en las primeras etapas del proyecto y durante todo su ciclo de vida. El diseño de la alineación del túnel constituye una de las principales medidas de mitigación de riesgos de este proyecto; se ha desarrollado y diseñado una alineación profunda del túnel en un esfuerzo por pasar por debajo de las obstrucciones previstas, permitiendo llegar a la excavación bajo el mar con recubrimiento de tierras suficiente para permitir la operación presurizada de la TBM.
Adicionalmente, la selección y el diseño de la tuneladora del tipo densidad variable se considera otra medida de mitigación clave para los principales riesgos identificados.
Referencias
1
Gross, M. et all. 2021. TBM and Logistics for Constructing Twin Tunnels between Artificial Islands in Hampton Roads. In Proceedings of 2021 Rapid Excavation and Tunneling Conference. Englewood, CO: SME.
2
Sanz, A. et all. 2021. Selection and design factors for a variable-density TBM at the I-64 Hampton Roads Bridge-Tunnel Expansion project (HRBT). In Proceedings of 2021 Rapid Excavation and Tunneling Conference. Englewood, CO: SME. of Urban Designers and Environmental planners”, New York, 1971.