utilización de técnicas de bombeo controlado en la ejecución de las

UTILIZACIÓN DE TÉCNICAS DE BOMBEO CONTROLADO EN LA EJECUCIÓN DE
LAS OBRAS DEL METRO EN L'HOSPITALET DE LLOBREGAT
ALICIA TRICAS CASTILLO, FRANCISCO DIEGUEZ LORENZO,
JOSE AURELIO FORADADA GUTIÉRREZ
FCC Construcción, S.A.
LUIS ALONSO TRAPODE, ANA JIMÉNEZ ALCAZAR
GEOMODEL
RESUMEN
En la construcción de la nueva Línea 9 del Ferrocarril metropolitano de Barcelona en el área de cruce con la nueva
Gran Vía de l’Hospitalet, el nivel freático se encuentra a cotas superficiales, siendo necesario su rebaje mediante
pozos profundos para proceder a la excavación de un túnel que discurre profundo en dos niveles de circulación. Al
efecto se han proyectado y construido 36 pozos de unos 35 metros de profundidad, para agotar una zona entre
pantallas de 400 metros de longitud y 13,5m de ancho, consiguiendo rebajar el nivel freático hasta 11 metros
manteniéndose controlados los movimientos en las zonas vecinas gracias a un sofisticado sistema de auscultación.
Los pozos se han ejecutado mediante perforación a rotopercusión de diámetro 600mm y se ha entubado mediante
una tubería de PVC de 300mm envuelta de gravilla. Se aprovecha una parte del agua extraída para el riego y
limpieza de la obra, siendo el resto enviada al punto de desagüe autorizado por la administración hidráulica. Se mide
el volumen de agua extraída mediante caudalímetros y mensualmente se efectúa una analítica completa. Completan
el sistema una red de piezómetros a fin de controlar las variaciones de nivel y decidir las actuaciones a realizar
durante la ejecución de las obras, estando prevista la finalización de la fase de bombeo una vez construida la solera
inferior del túnel.
INTRODUCCIÓN
La construcción de la obra de la línea 9 de Metro de Barcelona a su paso por la Gran Vía de
L’Hospitalet, debido a que la línea del metro se sitúa bajo el nuevo soterramiento de la actual
Gran Vía, obliga a llegar a profundidades importantes de excavación.
Este tramo comprende una zona de falso túnel de 400 m de longitud construido mediante
pantallas y con un ancho de 13.5m entre ellas. El metro discurre por dos niveles paralelos
llegando a realizar una excavación de hasta 19 m de profundidad.
Debido a la proximidad al mar y al río Llobregat toda el área de la obra tiene el nivel freático a
cotas prácticamente superficiales. En nuestro ámbito de trabajo el nivel freático se debía rebajar
hasta 11m por debajo de su cota inicial a fin de permitir la construcción de la losa
Para ello se realizó un estudio de drenaje de la excavación a partir de una campaña geológica y
de ensayos de bombeo. Se estudió cual podía ser el tipo de drenaje más eficaz para cada sector
según las características del subsuelo y de los descensos requeridos, el número y tipo de pozos a
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realizar y los caudales y tiempos estimados de bombeo para poder conseguir el rebaje del nivel
necesario y no afectar a las estructuras adyacentes a la obra.
GEOLOGÍA E HIDROGEOLOGÍA DE LA ZONA
La zona que nos ocupa se ubica en un extremo del delta del Llobregat, donde los acuíferos
superior e inferior están parcialmente separados por una estrecha capa de limos más o menos
arenosos.
La estratigrafía del terreno está compuesta por:
-
-
-
-
una primera capa de rellenos y unos limos y arcillas de unos 6 m de espesor que no
influyen en el drenaje de la excavación.
por debajo se encuentra una capa de arenas medias-gruesas.
arenas finas limosas grises que ocasionalmente incluyen depósitos de forma lenticular de
arenas medias, este nivel son los materiales predominantes en el subsuelo del trazado. Son
materiales de grano fino y baja permeabilidad pero que con el método adecuado pueden
proporcionar caudales interesantes.
bajo estas arenas finas se encuentra la cuña intermedia entre los niveles detríticos del delta.
Está constituido en la zona de la excavación por limos arenosos y limos arcillosos de
coloración grisácea. En la zona central del acuífero puede llegar a constituir una capa de
grosor de hasta 55 m pero en la zona marginal en la que se encuentra la obra tan solo forma
una capa de entre 2 y 4 m, pudiendo actuar de freno entro los dos niveles de aporte de agua.
arenas medias y gruesas con tramos de arenas finas y niveles de gravas, este nivel
constituye el acuífero inferior formado por una unidad de tamaño de grano variable pero
siempre grueso y muy permeable. Tiene un grosor variable entre 2 y 8 m.
zócalo de la zona está formado por unas arenas y limolitas amarillentas del Terciario.
A continuación se muestra un esquema de la geología que se encuentra en la zona de la línea 9
de metro de Barcelona en la zona de L’Hospitalet (Figura 1).
Figura 1. Perfil geológico
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Para determinar las características hidrogeológicas de estos materiales se llevó a cabo un ensayo
de bombeo mediante la construcción de un pozo de prueba y se ejecutaron 4 piezómetros.
El pozo de prueba se ejecutó, mediante perforación a percusión introduciendo una tubería
provisional metálica de 600mm de diámetro, en su interior se coloca una tubería de 300mm de
diámetro de PVC SBF-U en tramos de tubería ciega y de tubería ranurada en con tamaño de
abertura de 1.5 mm de espesor. En el espacio anular se coloca un filtro de gravas calibradas de
granulometría de 3-6 mm. Los tramos de tubería con rejilla se colocaron a cada lado de la capa
de limos, para captar agua de los dos acuíferos. (Figura 2).
Figura 2. Ejecución de un pozo
En el ensayo de bombeo, se siguió la evolución del nivel del agua en el pozo y en los
piezómetros cercanos. También se controló el caudal extraído.
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El ensayo permitió obtener información del pozo (pérdidas de carga, caudal de bombeo, etc.), de
las características del acuífero (transmisividad, permeabilidad, etc) así cómo la distinta afección
de los bombeos a los dos acuíferos del terreno.
Basándose en los resultados extraídos del pozo de bombeo de prueba se definió la transmisividad
y permeabilidad de los materiales que nos encontramos (Tabla 1).
Tabla 1. Características hidrogeológicas del terreno
TRANSMISIVIDAD
(m2/dia)
PERMEABILIDAD
(m/dia)
PERMEABILIDAD
(cm/s)
Arenas finas
10-25
0,5-1,0
5,8.10-4 a 1,2.10-3
Arenas finas con intercalaciones de
arenas medias
30-60
1,2-2,4
-3
-3
1,4.10 a 2,8.10
3,5
0,14
1,6.10-4
120-210
4,7-8,5
5,4-9,9.10-3
NIVEL
Limos
Arenas profundas
SIMULACIÓN DE LOS BOMBEOS
La simulación del bombeo se definió para una ejecución en obra por tramos independientes de
bombeo de 100 m separados entre sí por pantallas de cierre, tal como se explicó anteriormente.
En principio, teniendo en cuenta la granulometría del terreno existía la opción de efectuar una
parte del drenaje mediante well-points pero las experiencias en la zona demuestran que las lanzas
clavadas en las arenas finas se colmatan con mucha frecuencia y requieren un mantenimiento
continuo que alarga los plazos y inutilizan el sistema.
Por este motivo, por las dimensiones del recinto y porque hubieran sido necesarios 3-4 escalones
de lanzas, el drenaje se programó con pozos profundos.
El cálculo del drenaje se efectuó con la fórmula de Dupuit teniendo en cuenta diferentes
posiciones de los pozos en la zona de trabajo, perimetrales, etc. Se varió la ubicación y el
espaciado entre las captaciones para conseguir realizar el drenaje con el menor número de pozos
posible teniendo en cuenta, además, el tiempo necesario para conseguir situar el nivel del agua
en el interior del reciento por debajo de la cota de excavación. También se calculó la magnitud
de los caudales de agua a controlar a consecuencia de las extracciones. Finalmente, se consideró
en los cálculos la reducción del caudal de agua que entra por el fondo de la excavación por la
presencia de las pantallas.
DRENAJE EJECUTADO
Los pozos se construyeron principalmente a rotopercusión por su mayor rapidez de ejecución.
Un pequeña parte de las captaciones se efectuó a percusión. Una vez se finaliza la construcción
de cada pozo se efectúa un desarrollo con aire comprimido y bombeo para limpiar el pozo y su
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alrededor de partículas finas que podrían originar arrastres, reducir el rendimiento de los pozos,
dañar los equipos de bombeo o llegar a colmatar el pozo.
En total se construyeron 36 pozos de drenaje, de los cuales 11 han sido superficiales de unos 20
metros de profundidad llegando a la capa de limos e introduciéndose en ella 1 m y 25 pozos
profundos de entre 33 y 42 metros de profundidad que llegaron al zócalo Terciario poco
permeable (Figura 3).
Las arenas finas atravesadas, con gran cantidad de partículas finas, obligaron a un desarrollo
intensivo de los pozos de duraciones efectivas de unos 4-5 días. El desarrollo se efectuó
mediante inyección continua e intermitente de aire comprimido a diferentes profundidades de la
rejilla y se mantuvo hasta obtener niveles de arrastres de finos aceptables.
Los caudales de los pozos profundos una vez en explotación variaron de 30 a 50 m3/hora y los
pozos superficiales de 10 a 20 m3/hora.
Figura 3. Primer nivel de excavación de los pozos
SISTEMAS DE AUSCULTACIÓN
Una vez construida la red de pozos de drenaje se procedió a la ejecución de una serie de puntos
de instrumentación para determinar las afecciones tanto a las pantallas de la obra como al
exterior de la misma.
Mediante una red de piezómetros colocados a lo largo del drenaje se controlaron los descensos
externos a la obra tanto en el acuífero profundo como en el superficial. Se ejecutaron 10
piezómetros abiertos en los cuales se median los niveles freáticos diariamente.
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A continuación se muestra una gráfica del descenso del nivel freático tipo de una serie de
piezómetros (Figura 4).
EVOLUCIÓN PIEZÓMETROS PARQUE
(LADO CASTELLDEFELS)
PK 1+965 Profundo
PK 1+965 Superficial
PK 2+005 Profundo
0,0
-2,0
-4,0
Cota del nivel freático (m)
-6,0
-8,0
-10,0
-12,0
-14,0
-16,0
05/12/05
12/12/05
21/11/05
28/11/05
07/11/05
14/11/05
24/10/05
31/10/05
10/10/05
17/10/05
26/09/05
03/10/05
19/09/05
12/09/05
05/09/05
29/08/05
22/08/05
08/08/05
15/08/05
25/07/05
01/08/05
11/07/05
18/07/05
27/06/05
04/07/05
13/06/05
20/06/05
06/06/05
-18,0
Fecha
Figura 4. Gráfica de descenso de los niveles freáticos de una serie de piezómetros
Con la finalidad de detectar una posible disminución del rendimiento de los pozos se llevó a
cabo la medición diaria del nivel del agua en el interior de los pozos que no estaban en
funcionamiento. Si en algún caso se observaba una variación inesperada del nivel de agua en un
pozo, se efectuaban una serie de trabajos para controlar las posibles deficiencias del drenaje.
Para el control de arrastres de arenas en los pozos y de sus caudales de explotación se instaló un
by-pass en la tubería de impulsión del agua. Esto permitía desviar el agua que salía de cada pozo
y controlar visualmente al cantidad de arrastre de finos que contenía, en el caso de que hubiera
mucho arrastre se debería haber hecho un nuevo desarrollo del pozo.
El arrastre de arenas era un punto de control muy importante ya que puede tener como
consecuencias significativas:
-
-
Colmatación de los pozos inutilizando temporalmente el drenaje.
Destrucción del pozo, ya que el arrastre continuado y excesivo de arenas por los pozos
provoca la formación de cuevas en las paredes de la perforación que, posteriormente
originan deslizamientos internos que pueden destruir las captaciones.
Descalce de las cimentaciones. El arrastre de arenas podría llegar a provocar el descalce de
cimentaciones de edificios cercanos o de las pantallas. Para ello se debía revisar el estado
del filtro de gravas anular a nivel de superficie, rellenando inmediatamente cualquier
descenso que se observara.
Se instaló una válvula de regulación del caudal en la salida del pozo para poder controlar
manualmente los descensos del nivel freático. Con esto y pese a tener bombas colocadas de hasta
60 m3/h se podían vigilar los caudales y no deprimir más el nivel de lo estrictamente necesario.
Otro método de control de las afecciones del rebaje del nivel freático fue la colocación de
diversas secciones de hitos de nivelación entre la zona de la obra en la que se deprimió el nivel
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freático y un pabellón adyacente de la Fira de Barcelona, con las que se comprobaba la cubeta de
asientos provocada por el rebaje del agua en la zona. Con estas secciones se controlaban los
movimientos en superficie a diferentes distancias respecto el eje del bombeo hasta el interior del
edificio (Figura 5).
EVOLUCIÓN ASIENTOS EN EL TIEMPO DESDE INICIO DE BOMBEO
5,0
Asiento (mm)
-5,0
-10,0
ZONA EDIFICIO FIRA
ZONA DE REBAJE DE NIVE
DE AGUA
0,0
20/01/2006
29/07/2005
15/06/2005
13/04/2005
05/04/2005
01/04/2005
23/03/2005
14/01/2005
-15,0
26/11/2004
28/10/2004
-20,0
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
-25,0
Distancia al Eje (m )
Figura 5. Gráfica de la evolución en el tiempo de los asiento en superficie
Otros puntos de Auscultación que se instalaron a lo largo de los 400 m de rebaje de nivel freático
fueron inclinómetros en terreno y en el interior de pantallas para comprobar posibles
movimientos debidos a cambios del nivel freático en el trasdós e intradós de las pantallas. Se
colocaron un total de tres inclinómetros de pantallas y dos en el terreno. Estos inclinómetros se
median dos veces a la semana y sólo se apreciaron leves movimientos durante los periodos de
mayor bombeo.
Además de puntos de auscultación se llevó a cabo un control de la variación química en el tipo
de agua según avanzaba el descenso del nivel freático. Mensualmente se recogían muestras de
diversos piezómetros y de algunos pozos para controlar las posibles afecciones en las
características químicas del agua (Figura 6).
Figura 6. Gráfica de evolución de análisis químico del agua de un piezómetro a los largo del bombeo
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Los análisis realizados eran determinación del pH, de la conductividad (µS/cm), contenido en
cloruros (Cl), sulfatos (SO4), bicarbonatos (HCO3), nitratos y nitritos, determinación de la
cantidad de sodio, magnesio, calcio, potasio, amonio, hierro, manganeso y T.O.C. (total
compuestos orgánicos).
El agua obtenida de los pozos era canalizada mediante un sistema de drenaje a los colectores de
la zona (Figura 7).
En cada uno de los desagües se instaló un caudalímetro para controlar diariamente el volumen
total de agua extraída con el cual también se controlaba si se producían aumentos de caudal no
observados con ningún otro método de auscultación.
Además se realizaba la decantación de las aguas antes del vertido de las mismas al colector.
Teniendo en cuenta que el agua de los pozos podía llevar un arrastre de arenas se ejecutó un
pozo en el que el agua se depositaba antes de su canalización definitiva al colector. En este pozo
se había instalado un sistema de bombeo por el cual se recogía parte de esta agua que se
reutilizaba para regar toda la zona de obras.
FINALIZACIÓN DEL BOMBEO
El drenaje de la obra se dió por concluido una vez se hubo ejecutado la solera definitiva de la
obra y sellado todas las juntas y posibles vías de entrada.
Para el sellado de los pozos se siguió las prescripciones técnicas del ACA (Agencia Catalana del
Aigua) que obliga a cerrar todos los pozos mediante el hormigonado de los mismos.
Figura 7. Vista del drenaje en el segundo nivel de excavación
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CONCLUSIONES
Para el éxito en la aplicación del sistema de bombeo controlado ha sido preciso un trabajo de
diseño dirigido por técnicos con experiencia en la hidrología particular de la zona y que
participen también en el seguimiento de los pozos en fase de construcción, así como un sistema
de auscultación que permita monitorizar el comportamiento del acuífero y proporcione datos
para la toma de decisiones.
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