PRE-BÓVEDA DE JET GROUTING - MICRO-TÚNEL EN LA 9na AVENIDA, ENTRE LAS CALLES 62 Y 63 BROOKLYN, NEW YORK GUSTAVO ARMIJO PALACIO Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos GEOCISA RESUMEN: En este artículo se analiza la práctica habitual en el campo de las pre-bóvedas de jet grouting, por medio de la presentación de un ejemplo de aplicación de esta técnica al sostenimiento temporal de un micro túnel. En dicho ejemplo se destacan los aspectos más importantes del proceso constructivo y las variaciones adoptadas en ciertos casos particulares (cambios en las condiciones del terreno, desviaciones del túnel, presencia de servicios, etc.). Además, se expone la metodología de cálculo seguida, aplicando métodos simplificados para la estimación de cargas y la verificación de secciones. También se analizan los controles de ejecución y de resultados que deben ir asociados a este tipo de obras de jet grouting. 1. INTRODUCCIÓN El proceso de construcción de un nuevo colector a lo largo de la 9ª Avenida de Brooklyn – New York, entre las calles 62 y 63, se vio interrumpido por los problemas surgidos durante la excavación del micro-túnel correspondiente, por medio de la técnica del “pipe jacking” o hinca de las tuberías, de 2.6 m de diámetro, a una profundidad de 7.6 m (Figura 1). Debido al sistema de excavación previsto, sin ningún tipo de presostenimiento y a la naturaleza del terreno, en un tramo de aproximadamente 40 m de longitud, se produjeron los problemas siguientes: Asientos importantes de la superficie del terreno, originados, fundamentalmente, por pérdidas de sección considerables, debidas al flujo de los suelos (granulares casi sin cohesión)hacia la excavación, realizada con escudo abierto, con brazo excavador. Detenciones del proceso de hinca debidas a las desviaciones y deformaciones de los tubos de hormigón e incluso rotura de los mismos, originada por la presencia de bolos. terreno presentaba, en dicho lugar y por debajo del pavimento de la avenida mencionada, una alternancia de capas de suelo granular, de espesor variable, prácticamente sin finos y con tamaños desde arenas gruesas hasta bolos, con volúmenes, en algunos casos, de hasta 1 m3. Las arenas, de color marrón, tenían, en general, compacidades sueltas a medias. FIGURA 1. Pozo de hinca A causa de lo anterior se analizaron diversas alternativas de sostenimiento del terreno en el tramo conflictivo mencionado. Finalmente, de entre ellas, se eligió a la pre-bóveda de jet grouting (Figura 2), por las ventajas técnicas y económicas que ofrecía en este caso en particular. En los apartados siguientes se exponen dichas ventajas, junto con las etapas de diseño, construcción y control que fueron necesarias para la ejecución exitosa de esta obra. Figura 3 Situación de la obra El nivel freático fue detectado por debajo de la cota inferior del túnel, situada, en promedio, a 12.2 m de profundidad. 3. Elección del sistema sostenimiento del terreno 2. Características del terreno La obra estaba situada en la 9ª Avenida de Brooklyn – New York, entre las calles 62 y 63, casi sobre la desembocadura del Río Hudson en el Océano Atlántico (Figura 3). De acuerdo con el estudio geotécnico realizado, el de Debido a lo expresado en los dos apartados anteriores, la excavación del micro-túnel no podía continuar sin la aplicación de algún sistema de pre-sostenimiento del terreno. En efecto, en la mayor parte de la zona crítica mencionada comenzaron a manifestarse asientos importantes en superficie, los cuales, en caso de continuar, acabarían afectando a las construcciones próximas, compuestas, principalmente, por edificios de una o dos alturas, con muros de carga de mampostería de ladrillo, destinados a viviendas y locales comerciales o pequeñas industrias. En los Estados Unidos en general y en la zona en cuestión, en particular, uno de los sistemas de tratamiento del terreno más usado, con fines de pre-sostenimiento de túneles, son las inyecciones de silicato de sodio. Sin embargo, este sistema de inyecciones químicas resultaba inapropiado en este caso, debido a la presencia de capas de gravas prácticamente limpias, en las cuales se requerirían unos volúmenes muy grandes de la mezcla de silicato mencionada, para impregnar o rellenar totalmente los huecos del terreno, creando un prerevestimiento de un espesor mínimo alrededor del perímetro exterior del túnel proyectado. Por razones similares, se descartaron otras soluciones como la inyección de lechadas de cemento porque si bien las mismas podrían haber sido efectivas en las capas de grava citadas, no hubieran tenido prácticamente ningún efecto en las capas de arena intercaladas. El proceso de selección descrito condujo, finalmente, en base a la experiencia obtenida en obras anteriores, a la ejecución de una pre-bóveda de jet grouting (Figura 2), como una buena alternativa dadas las condiciones geotécnicas particulares de la obra: Capas de terreno granular, de espesor variable y con tamaños variables entre arenas y bolos. Nivel freático situado por debajo del fondo de la excavación, con lo cual la permeabilidad no era un condicionante. No existencia de niveles de suelos orgánicos o de contaminantes, que podrían dar valores muy bajos de resistencia del terreno tratado con el jet grouting o, en el segundo caso, dar problemas con el vertido del rechazo. Estas condiciones resultan adecuadas para la aplicación de dicho sistema, que debido a su grado de flexibilidad, tal y como se verá en los apartados siguientes, puede adaptarse a variaciones del profundidad. terreno con la Las condiciones anteriores sumadas a las restricciones impuestas por la cercanía a los edificios existentes (limitaciones de espacio, vibraciones, movimientos y ruido inducidos), los servicios circundantes y el ambiente urbano, inclinaron la balanza definitivamente hacia el jet grouting. 4. Diseño del jet grouting El jet grouting en su versión más sencilla, denominada sistema simple o T1 (Figura 4), consiste esencialmente en realizar una perforación de pequeño diámetro (2 a 3”), y una vez alcanzada la cota inferior del tratamiento, iniciar una inyección de lechada de cemento que conducida a través del varillaje de la perforación, a alta presión (300 a 500 bares), sale al exterior por unas toberas de pequeño diámetro (2 a 3 mm), en forma de chorros o “jets” que cortan al terreno y, fundamentalmente, lo mezclan y sustituyen, con la lechada mencionada. Como la extracción del varillaje hasta la cota superior del tratamiento comporta un movimiento de traslación y otro de rotación, los chorros de lechada se mueven según una hélice que queda definida por la relación entre las velocidades de traslación y de rotación de dicho varillaje, las cuales son programables. Además de los efectos de mezclado y sustitución citados, en menor grado, los chorros de lechada mencionados desplazan al terreno y lo hacen “apretarse” en el espacio entre columnas de jet grouting, compactándolo. Por ello, el diseño de un tratamiento con esta técnica no sólo debe contemplar el efecto resistente de cada una de las columnas creadas, sino también la mejora alcanzada en el terreno entre ellas. Precisamente por esto, en general el sistema T1 es aconsejable en los tratamientos en los que además de la resistencia estructural de las propias columnas, se busca una cierta mejora del terreno entre ellas. Definición geométrica, de una pre-bóveda o estructura tipo “arco romano”, formada por columnas de jet grouting con las características y disposición en planta y en alzado indicadas en las figuras 2 y 5, respectivamente. Estimación de las acciones sobre la pre-bóveda por medio de esquemas simplificados como los incluidos en el manual NAVFAC DM – 7.1, 1982. Cálculo de las solicitaciones en el arco por medio de un programa de barras y verificación de las secciones críticas a flexo compresión y cortante. En función de los pasos mencionados se llegó a una distribución de columnas de Jet Grouting, de 1 a 1,20 m de diámetro, según una malla cuadrada de 0,90 m de lado (ver figura 5). Estas columnas tenían una longitud variable entre 2 y 4,60 m dependiendo de su posición en el arco o bóveda (ver figura 2) FIGURA 4. Equipo de jet grouting En cambio en los otros sistemas de jet grouting llamados multifluidos o T2 (se inyecta lechada y agua o aire) y T3 (se inyecta lechada, aire y agua), cuya descripción escapa a los fines de este artículo, la acción de sustitución predomina sobre la de mezclado y de desplazamiento, utilizándose mayormente cuando se busca un efecto impermeabilizante. Teniendo en cuenta lo anterior, para el diseño inicial del jet grouting se siguieron los pasos que se resumen a continuación: Con este diseño original se comenzó la obra a partir de la zona más próxima al pozo de hinca, en donde se había detenido el escudo. Debido a que se trataba de una actuación de emergencia, se decidió empezar la obra sin la ejecución del área de prueba correspondiente, con la condición de realizar una verificación in situ, durante el primer avance del escudo, al reiniciar la hinca, como mínimo una semana después de la instalación de las primeras filas de columnas (Ver apartado 6) Figura 5. Distribución columnas de Jet Grouting No se ejecutaron en un mismo turno de trabajo, columnas adyacentes. En zonas con restricciones de gálibo y en las más cercanas a las casas, se trabajó con una perforadora eléctrica, pequeña (Figura 6), mientras que en las demás áreas se trabajó con una perforadora grande (Figura 7) dotada de una prolongación en su pluma para evitar el tener que agregar o quitar barras durante las fases de perforación e inyección, respectivamente. Además, para no cortar el tráfico vehicular, los trabajos se realizaron siempre ocupando uno sólo de los dos carriles que tiene la 9ª Avenida en ese sector. Por ese mismo motivo se aisló cada sector con pequeñas “presas” para contener la mezcla lechada / suelo o rechazo que salía por la boca de los taladros durante la fase de inyección. En las zonas con servicios, antes de perforar, se hicieron catas de verificación y se inspeccionaron las cámaras y pozos de acceso cercanos. 5. Proceso constructivo En general, en esta obra se siguió el procedimiento habitual para la ejecución de jet grouting T1 o mono-fluido, con los parámetros que se indican en la tabla 1. PARÁMETRO Relación cementoagua en peso Cantidad de cemento (kg/ml de columna) Caudal de inyección (l/min) Presión de inyección (kg/cm2) Velocidad de rotación de la tubería mientras asciende e inyecta (r.p.m.) Tiempo de ascensión de la tubería (seg/4 cm) Apertura de toberas Separación mínima de columnas durante la ejecución(m) Tiempo mínimo para realizar una columna junto a otra ya ejecutada (hs) Velocidad de salida de los “jets” de lechada (m/sg) RANGO DE VARIACIÓN VALORES MÁS USUALES 0,7-2 1 150-450 200-350 80-150 100-120 50-800 350-450 6-20 8-10 4-12 6-8 1,5-5 2 --- 1,5 --- 24 --- 200-300 Sin embargo, debido a las características particulares de la misma, se tomaron las precauciones que se detallan a continuación: La perforación se efectuó con tubería del menor diámetro posible (60 mm), para facilitar la ejecución en las capas con gravas gruesas y bolos. Además, se utilizaron lodos bentoníticos para estabilizar las paredes de los taladros y evitar problemas durante la extracción del varillaje por el denominado “efecto collar”. Después de la ejecución de las primeras cinco filas de columnas de jet grouting y con el objeto de poder acompasar el ritmo de ejecución del tratamiento del terreno con el de hinca de los tubos, se decidió cambiar el diseño original (Figura 5) por el diseño alternativo 1, que aparece en la Figura 8. Básicamente, el cambio introducido consistió en considerar el “efecto de arqueo de los suelos” en sentido longitudinal, espaciando las columnas en dicho sentido, de manera que entre ellas y, por lo tanto, entre los arcos que ellas formaban en el sentido transversal, quedara un espacio o banda de suelo compactado (ver el segundo párrafo del apartado anterior) de ancho inferior a un diámetro de columna. No obstante, en función de las observaciones que se iban efectuando durante la propia excavación del túnel, se decidió reforzar el tratamiento en algunos sectores, con columnas de jet grouting adicionales, por los motivos siguientes: Falta de continuidad en los arcos transversales por desviaciones durante la perforación o por el “efecto sombra” producido por la presencia de bolos de gran tamaño. Ejecución de taladros inclinados o desplazamiento de los mismos debido a la presencia de servicios. FIGURA 7. Detalle ejecución con perforadora grande Este refuerzo dio lugar al diseño alternativo 2 cuyo detalle aparece en la Figura 9. En dicha figura se observa también que debido a la mayor concentración de bolos detectada y al estado tenso deformacional de las zonas adyacentes a los pozos de acceso, se decidió volver al diseño original en el tramo final, es decir, en la zona del pozo de salida. Finalmente, se introdujo un refuerzo lateral consistente en una fila extra de columnas de jet grouting, en un sector en donde debido a la desviación del escudo, algunas de las columnas laterales tuvieron que ser cortadas total o parcialmente. Esta modificación dio lugar al diseño alternativo 3, reflejado en la Figura 10. En total se realizaron 209 perforaciones, con una longitud media inyectada (columnas de jet grouting) de 3.6 m y una longitud media estéril (sin inyectar) de 7.6 m. Figura 6. Detalle ejecución con perforadora pequeña FIGURA 8. Diseño alternativo 1 FIGURA 9. Diseño alternativo 2 fueron prácticamente inapreciables. Debido a esto no se produjeron daños en la calle, los servicios y los edificios adyacentes, cuyo ritmo de funcionamiento normal no fue alterado. FIGURA 10. Diseño alternativo 3 6. Control de resultados ejecución y de El control del proceso de ejecución se hizo rellenando un parte para cada una de las columnas, con los datos de situación de las mismas, número de identificación, fecha de ejecución, horario de comienzo y finalización de las fases de perforación y de inyección, longitud total perforada, características del terreno observadas durante la perforación, parámetros principales de la inyección (presión en la bomba, dosificación, densidad y volumen de la lechada, número y diámetro de las toberas), longitud total inyectada y volumen, composición y densidad del rechazo. Además, se hizo un control de movimientos que incluyó las siguientes medidas: Realización de un inventario de daños existentes en los edificios vecinos, antes del comienzo del tratamiento. Instalación de puntos para el control de movimientos verticales y horizontales, los cuales se refirieron a puntos fijos suficientemente alejados de la zona de influencia de la excavación. Este control de movimientos fue efectuado de manera local, durante la ejecución de cada una de las columnas, en los puntos cercanos a ellas y de manera general, en toda la zona de influencia de la obra, por topógrafos certificados e independientes, con una frecuencia media de una medición cada dos días. Los movimientos registrados Con el propósito de verificar que se cumplían las hipótesis de proyecto en cuanto a las características geométricas y mecánicas de las columnas de jet grouting, en varias secciones, se dejaron, aproximadamente, 1 m más largas las columnas centrales, para verificar su diámetro y extraer muestras para ensayarlas a compresión simple. Los resultados de estas mediciones y ensayos llevaron a concluir que se verificaban las hipótesis de cálculo en cuanto a las características geométricas y mecánicas, ya que los diámetros medidos estuvieron entre 1 y 1.10 m y las resistencias a compresión simple por encima de 50 kg/cm2, a 7 días. Finalmente, en cuanto al control de costos de la obra conviene destacar que, en promedio, se ejecutaron (perforación e inyección) unos 10 a 12 columnas por turno de 10 horas. Debido a la eficacia de la pre-bóveda de jet grouting, el micro-túnel pudo hacerse en ese tramo con velocidades de hinca entre un 30 y 50% superiores a las previstas en el proyecto. 7. Conclusiones En obras de túneles en ambiente urbano, muy próximas a edificios existentes, en espacios relativamente reducidos y con multitud de servicios, en las que, además, el terreno esté compuesto por arenas con gravas y porcentajes variables de bolos, las pre-bóvedas de jet grouting se presentan como una alternativa de presostenimiento relativamente fácil de ejecutar, flexible y económica. A partir de la disposición en planta clásica para este tipo de tratamientos del terreno, según una malla cuadrada o triangular de columnas secantes de jet grouting, se puede optimizar el diseño y plantear diferentes alternativas en función de las condiciones particulares de cada sector de la obra. En este sentido, resultan fundamentales los controles in situ, desde el propio escudo de la micro-tuneladora, de las características de las columnas de jet grouting, para verificar que se cumplan las hipótesis de proyecto e introducir modificaciones en caso de ser necesario. De este modo, una vez definidos los parámetros del tratamiento para cada tramo de la obra, por medio de un adecuado control de ejecución de las columnas de jet grouting y de los movimientos que puedan originarse a causa de ellas, se puede asegurar la eficacia del tratamiento. 8. Referencias bibliográficas Armijo G. (2001). Design and Execution Internal Reports about the 9th Avenue Jet-Grouting MicroTunnel Stabilization, prepared for Geocisa US, Rockaway, NJ. Department of the Navy (1982). Soil Mechanics. Design Manual 7.1. Alexandria, VA.