Jet Grouting - Una solución a los problemas en los proyectos de túneles urbanos - Ejemplos de Europa

Jet Grouting – Una solución a los problemas en los proyectos de túneles urbanos – Ejemplos de Europa

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 55)
Goran Vukotić1, T. Kimpritis2, W. Smon2 &  P. Pandrea2
1Keller-Cimentaciones, Madrid, España
2Keller EMEA, Offenbach, Alemania

Este artículo explica distintas aplicaciones de esta tecnología, formando una parte integral de los proyectos de túneles complejos. Basado en ejemplos prácticos y reales, el marco básico para el diseño y la ejecución de jet grouting en la ejecución de túneles se describe con referencia a las normativas de ejecución Europeas EN 12716.

El jet grouting se introdujo en el mercado europeo en los años 70s del siglo XX. Su versatilidad y flexibilidad junto con sus aplicaciones, en casi todas las formaciones de suelo, lo convierte en una solución perfecta para problemas geotécnicos complejos. Es efectivo en campo abierto, así como en espacios confinados con gálibo reducido, dado que el diámetro de la columna no se corresponde con el tamaño del equipo de perforación. Las características destacadas de esta tecnología son sus rangos de profundidad de aplicación, incluso más de 70 metros de profundidad, perforaciones de diámetro relativamente pequeño, varias columnas ejecutadas en el rango de varios metros formando diferentes tipos de geometrías. En la última década las características y los avances tecnológicos de esta metodología han permitido su utilización en todos los grandes proyectos de túneles en Europa, facilitando el proceso de construcción, mejorando el nivel de seguridad y eficiencia.

Introducción

El jet grouting representa una de las técnicas más sofisticadas, que se introdujo en el campo de la ingeniería geotécnica hace más de 30 años. El jet grouting es una tecnología que permite mejorar las propiedades mecánicas y de permeabilidad de los suelos por medio de la mezcla de lechada de cemento inyectada con el suelo natural que previamente se disgrega con la energía del chorro o jet que se aplica al terreno, cuya velocidad de salida es ≥ 100 m/s.  Como resultado se logra  una mayor resistencia mecánica de la mezcla suelo-cemento, así como una menor permeabilidad gracias al agente cementante que solidifica las partículas del suelo, denominado “Soilcrete”, alcanzando una reducción del índice de vacío del terreno (Kimpritis, 2013).  

Originalmente inventado en Japón, el jet grouting se introdujo en Europa en los años 70 del siglo pasado. Su versatilidad y flexibilidad junto con su aplicabilidad en casi todas las formaciones de suelos, lo convierte en una solución perfecta para problemas geotécnicos complejos. Es efectivo en campo abierto, así como en espacios confinados con gálibo reducido, puesto que el diámetro de la columna no depende del tamaño y la potencia del equipo perforador. La característica destacada de esta tecnología es que desde una perforación relativamente pequeña pueden ejecutarse columnas con diámetros superiores a los 3,0-4,0 m y pueden componerse con ellas geometrías casi arbitrarias.

A lo largo de este largo periodo de aplicación de esta técnica, se ha conseguido una importante experiencia y se ha realizado un gran desarrollo tecnológico, ampliando horizontes y eliminando limitaciones en lo referente a sus aplicaciones. Actualmente se utiliza para profundidades superiores a 90,0 metros y diámetros de más de 4,0 metros, con un control que permite cumplir con las prescripciones técnicas y plazos de ejecución planificados.

Durante la pasada década esta tecnología con sus características singulares fue empleada en grandes proyectos de túneles por toda Europa, para facilitar el proceso de construcción y mejorar el nivel de seguridad, así como el presupuesto de los proyectos.

El presente artículo presenta proyectos en Tesalónica, Barcelona y Londres, donde el jet grouting solucionó problemas complejos en la ejecución de túneles.

Historia del jet grouting y método de clasificación

Según Essler & Yoshida (2004), la primera patente para el jet grouting se aplicó en Inglaterra en los años 50; sin embargo, su desarrollo práctico real se llevó a cabo en Japón y se aplicó por primera vez para crear un muro pantalla reductor de permeabilidad. A principios de los 70, el jet grouting surgió en Japón y a mediados de los 70 se introdujo a Europa y desde entonces se ha ido exportando en todo el mundo (Essler & Yoshida, 2004). Durante la primera década del nuevo milenio y también actualmente, permanentes mejoras y avances tecnológicos de los equipos han permitido un importante desarrollo de la técnica. Así, se lograron caudales y energías más altos, monitores y toberas optimizados, permitiendo la creación de chorros más focalizados con la implementación del uso de aire (Yoshida, 2010).

La normativa Europea (EN 12716: 2001) sugiere la siguiente clasificación para los sistemas de jet grouting:

  • Sistema simple:

El proceso de jet grouting en el cual la desagregación y la cementación del suelo se logran con un chorro de energía alta de un solo fluido, normalmente lechada de cemento.

  • Sistema doble (aire):

El proceso de jet grouting en el cual la desagregación y la cementación del suelo se logran por un fluido de energía (normalmente lechada de cemento) ayudado por un refuerzo de aire como segundo fluido.

  • Sistema doble (agua):

El proceso de  jet grouting en el que la desagregación del suelo se logra con un chorro de agua de alta energía y su cementación se obtiene simultáneamente con un chorro de lechada aparte.

  • Sistema triple

El proceso de jet grouting en el que la desagregación del suelo se logra con un chorro de agua de alta energía ayudado por un refuerzo de aire, y su cementación se obtiene simultáneamente con un chorro de lechada aparte. (EN 12716, 2001).

Además de los sistemas mencionados, cabe destacar el sistema comúnmente denominado en España como Superjet grouting, que ha permitido construir columnas con diámetros superiores a los 5,0 m, mejorando los diámetros alcanzados y los volúmenes del terreno tratado en más de 2 a 4 veces comparado con los sistemas convencionales de jet grouting.

Aplicaciones de jet grouting en la ejecución de túneles en Europa

Algunas de las aplicaciones más desafiantes del jet grouting en proyectos de túneles se describen a continuación.

Metro de Tesalónica – Estación “Analipseos”

La construcción del Metro de Tesalónica representa una obra de referencia realizada en Europa en los últimos años. La línea principal incluye 13 modernas estaciones; 9,5 km de traza que utilizan dos túneles independientes de vía única, construidos mayormente (7,7 km) con dos máquinas tuneladoras (TBMs). La sección restante de la línea debería ser construida por el método de falso túnel (Cut and Cover). 18 trenes totalmente automáticos, operarán sin conductor con un encargado a bordo únicamente; se instalarán en los andenes puertas, que garantizan los mayores niveles de seguridad (website Attiko Metro, 2014).

La incorporación del jet grouting en el proyecto surgió durante el progreso de las TBMs y su aproximación a la Estación ‘Analipseos’ (parte este de la ciudad). De acuerdo al informe geotécnico aprobado (2010), las condiciones del suelo eran una mezcla de arcilla, arena, limo y algo de grava, con alternancias de arcilla y arena, con un rango de valores de resistencia a compresión simple no drenada qu=100 a 180 kPa. Una vista en planta de la Estación se representa en la Figura 1. La primera parte del proyecto requería la construcción de un muro de jet grouting entre los dos túneles, que se construirán posteriormente. La segunda parte, comprendía la construcción de una losa estructural de jet grouting por debajo de la losa de cimentación de hormigón armado.

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Figura 1: Vista de planta de la Estación de ‘Analipseos’ y las principales aplicaciones de jet grouting.

Muro de Jet Grouting entre los túneles de TBMs

La investigación detallada de las condiciones en la Estación de ‘Analipseos’ mostraba que para el paso seguro de las TBMs era necesaria la mejora del área entre los dos túneles de 45 m de longitud visto en planta. Esta necesidad surge puesto que la distancia entre los túneles sería de menos de 3 metros. En total 191 columnas de jet grouting fueron instaladas para formar un muro estable de jet grouting entre los túneles. Un gran reto de ejecución correspondió a una parte del proyecto con  presencia de carreteras adyacentes, que obligaron a realizar  49 columnas de jet grouting con inclinaciones en dos direcciones. (Figura 3).

Antes del comienzo de los trabajos se realizó un programa de ensayos específicos para definir los parámetros de la técnica de jet grouting (sistema jet-grouting, presión de la lechada, caudal, velocidad de elevación, rotaciones del monitor por minuto, la relación agua/cemento, el diámetro de las columnas y resistencia requerida). Las columnas con diámetros de 1,3 y 1,0 metros y con una relación agua/cemento de 1,3 se consideraron como las más eficientes y las más económicas teniendo en cuenta la geometría del tratamiento. El valor característico de resistencia fue 0,9 MPa, basándose en el método de cálculo establecido por el nuevo DIN 4093:2012-08.

Durante la ejecución del proyecto se llevó a cabo un detallado y extenso programa de control de calidad para asegurar el paso de las TBMs. El diámetro de las columnas de jet grouting se confirmó utilizando el método térmico (Meinhard et. al. 2010), y en una fase posterior se implementó con perforación de sondeos a rotación (5 sondeos con recuperación de testigo a través del cuerpo del jet grouting). En relación a la resistencia, el valor característico se comprobó examinando muestras frescas (material de jet grouting del interior de la columna) y con testigos.

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Figura 2: Muro de jet grouting entre los túneles de TBMs

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Figura 3: Perforaciones inclinadas en dos direcciones entre las líneas de servicio

Losa Estructural de Jet Grouting

Para la optimización del diseño de la Estación de ‘Analipseos’ y el tiempo requerido para su construcción (fase de excavación) se optó por la construcción de una losa estructural de jet grouting (2,5m de espesor) por debajo del nivel de cimentación (figura 4). Esta solución pretendía eliminar las deformaciones de los muros pantalla y de los edificios colindantes durante la fase de excavación. Aproximadamente 3.200 columnas de jet grouting se realizaron para el conjunto del área. Después de la ejecución del campo de prueba, se realizó una optimización del diseño donde se permitió que un cierto porcentaje de la losa estructural presentase inclusiones de suelo, dado que no existía una función de sellado o tapón de fondo. Todos los trabajos de jet grouting se ejecutaron antes del paso de las TBMs.

Se diseñó una malla rectangular de 1,0m x 1,0m de columnas de jet grouting con diámetros de 1,3 metros, con una relación de agua cemento de 0,9 y el valor característico de resistencia de 3,5 MPa, basadandose en la DIN 4093:2012-08.

Durante la ejecución de este Proyecto (Figura 5) se aplicó un amplio programa de control de calidad. El diámetro de los elementos de jet grouting se confirmó utilizando el método térmico (Meinhard et. al. 2010) cada 10m vista en planta. En relación a la resistencia, el valor característico se verificó con sondeos con extracción de testigo y mediante extracción de muestras frescas de material de jet grouting. Puesto que las muestras frescas se obtuvieron inmediatamente después de la construcción de las columnas de jet grouting, hubo oportunidad de comprobar los valores de resistencia a compresión del cuerpo del jet grouting en fases tempranas, por ejemplo a 7 días después de la realización de columnas.

Además, la desviación de la perforación se midió en cada columna para comprobar por un lado la posición real de los elementos de jet grouting en el nivel base de la losa de jet grouting y por otro ver la necesidad de ejecución de columnas adicionales si fuese necesario.

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Figura 4: Losa de jet grouting, secc. transversal

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Figura 5: Ejecución de jet grouting

Aplicación de jet grouting en el túnel de tren de alta velocidad de Sants-Sagrera, Barcelona

El túnel urbano de doble vía de Sants-Sagrera representó uno de los hitos en el desarrollo de la línea de alta velocidad entre la  frontera Francesa-Barcelona-Madrid. Tiene una sección de 85 m2 y una longitud de 5,1 km, conectando la estación de  Barcelona Sants y la Terminal de la Sagrera.

Este túnel urbano de una longitud de 5,6 km, de doble vía, con una sección de 85 m2 y 10,4 m de diámetro, unirá las estaciones de Barcelona Sants con la estación de La Sagrera, atravesando la ciudad de Barcelona, desde el barrio de Sants (distrito de Sants-Montjuïc), pasando por debajo de la calle de Provença, la avenida Diagonal y la calle Mallorca, hasta llegar al barrio de la Sagrera (distrito de Sant Andreu).

La excavación fue principalmente realizada con una TBM a una profundidad de hasta 40m, perforando  arcillas, arenas y gravas, con un nivel freático alto en la mayor parte del trazado de la vía férrea.

Durante la construcción de este túnel se llevaron a cabo acciones de ingeniería civil muy complejas, para garantizar la preservación de los edificios colindantes que formaban parte en muchos casos de la herencia cultural y arquitectónica de Barcelona, incluyendo la Catedral de la Sagrada Familia y la Torre del Fang, que data del siglo XIV.

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Figura 6: Localización y diferentes fases de construcción del pozo “Padilla” de salida de emergencia y de ventilación de túneles (Sants-La Sagrera LAV, Barcelona)

La construcción del tramo de la L.A.V. Sants-La Sagrera (Barcelona) requería la construcción de varios pozos de ventilación y salidas de emergencias, que también serían aprovechables para tareas de mantenimiento de la tuneladora. La construcción de los pozos se realizó mediante la excavación de recintos apantallados circulares, de profundidades en algunos casos superiores a los 60,00 m, ejecutados mediante el sistema de hidrofresa, minimizando el impacto sobre el terreno.

Durante la ejecución del pozo “Padilla”, formado por 26 paneles realizados mediante hidrofresa, se detectó que la permeabilidad del suelo por debajo de los paneles ejecutados era más alta que el valor estimado en el proyecto, basado en los ensayos in-situ correspondientes al informe geotécnico.

Con el objeto de solventar los problemas que se indican a continuación, se propone realizar el tratamiento del terreno mediante jet grouting:

  • Permitir el drenaje del recinto y trabajar en condiciones prácticamente secas.
  • Reducir al mínimo el bombeo por debajo del pie de pantallas, evitando las posibles afecciones a los edificios y servicios colindantes.
  • Aumentar los factores de seguridad de la estabilidad hidráulica de la excavación.

Se analizaron diversas alternativas técnicas teniendo en cuenta los diferentes condicionantes, entre los cuales destacaban los siguientes:

  • La seguridad como máxima prioridad, tanto durante la ejecución de los trabajos como posteriormente debido a los efectos de los trabajos realizados.
  • Las restricciones y particularidades de trabajar en el centro urbano de una gran ciudad.
  • Integración obra nueva con obra ya ejecutada (pantalla circular de hormigón armado), como uniones de distintos materiales y tratamiento puntuales.
  • Las características y las profundidades del terreno a tratar; la cota inferior de la pantalla estaba a 46,00 m desde la superficie y el estrato del terreno que a efectos prácticos se consideraba impermeable a más de 60,00 m (arcillas margosas de consistencia dura).
  • Plazo de ejecución.

Según lo indicado anteriormente, la excavación del pozo en la calle Padilla debía realizarse con aplicación de algún sistema de tratamiento del terreno, que funcionara como un  elemento reductor de permeabilidad o barrera hidráulica por debajo del pie de pantalla, de 46,00 m de profundidad, aumentando, de esta manera, la estabilidad hidráulica de la excavación, reduciendo los caudales de bombeo y evitando los posibles asientos en los edificios y servicios colindantes. Además se pretendía realizar la excavación en condiciones secas con la mayor seguridad posible. Según los estudios realizados y para cumplir con los objetivos mencionados, los caudales de bombeo después del tratamiento tenían que ser inferiores a 30 l/seg.

De acuerdo con las distintas campañas de caracterización realizadas en las proximidades de la zona del tratamiento, se consideraron las siguientes unidades o niveles geotécnicos:

  • Nivel I: Rellenos antrópicos superficiales, formados predominantemente por limos de color marrón, de consistencia media, con espesor de entre 1,00 y 3,00 m.
  • Nivel II: Arcillas de color marrón con intercalaciones de grava, muy carbonatadas con abundantes nódulos dispersos de orden centimétrico, de consistencia dura (golpeo representativo de NSPT superior a 25). Su espesor es de 6,00 a 9,00 m
  • Nivel III: Arenas medias limosas, compactas a muy compactas (NSPT = 30-Rechazo), con porcentaje de material fino de hasta 35%, de color ocre.
  • Nivel IV: Arcillas margosas de color ocre/verdosas, con algo de arena, de consistencia firme a dura.
  • Nivel V: Arcillas margosas de color gris, de consistencia dura, a efectos de conductividad hidráulica considerado como impermeable.

El nivel freático se detectó a partir de 10,00 m de profundidad, aproximadamente.

Considerando tanto los objetivos de la mejora como las restricciones impuestas por la cercanía de los edificios existentes y el ámbito urbano en general, los primeros análisis de alternativas demostraron, que el sistema de Superjet grouting representaba la solución más viable y adecuada, tanto por su capacidad para tratar volúmenes del terreno natural muy superiores a cualquier otra técnica o tipo de jet grouting, como por la integración con la pantalla ya ejecutada.

El jet grouting, propuesto y ejecutado por Keller, se compuso de anillos perimetrales de columnas de 1,5 metros de diámetro. La longitud de perforación total desde la plataforma de trabajo era de 62,0 metros; las columnas se formaron desde el nivel -40,0 hasta los -62,0 metros, con  2,0 metros de empotramiento en el suelo impermeable cohesivo. Debemos mencionar que este proyecto representa la aplicación exitosa del jet grouting a profundidades extremadamente altas. En total, se construyeron 126 columnas de jet grouting (60 columnas en el anillo interior y  66 columnas en el anillo exterior).

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Figura 7: Vista de planta y sección típica del pozo ‘Padilla’

Durante la ejecución del proyecto se llevaron a cabo procedimientos de control de calidad muy detallados para asegurar los objetivos previamente establecidos. Teniendo en cuenta la profundidad de las columnas de jet grouting, se prestó especial importancia a los solapes adecuados y a la geometría continua de la barrera; se midió la desviación de perforación de cada columna para verificar la posición exacta de los elementos de jet grouting. Un control muy estricto y continuo de las posibles deformaciones del muro pantalla y los edificios circundantes se llevó también a cabo; todos los resultados obtenidos estuvieron dentro de los límites establecidos.

Como control final, y más importante, después de la ejecución y consolidación del jet grouting se llevó a cabo un ensayo de bombeo para verificar y medir el nivel real de permeabilidad de la estructura en conjunto, formada por el muro pantalla de hidrofresa y los elementos de jet grouting. Los resultados de estos ensayos in-situ a gran escala fueron totalmente satisfactorios tal y como puede observarse en la Figura 9, que demuestra que el proceso de excavación y conexión de la TBM se llevó a cabo en condiciones totalmente secas.

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Figura 9: Fotos del proceso de excavación y conexión de la TBM al pozo ‘Padilla’

Modernización de la Estación de Victoria, Londres

En sus orígenes la Estación de Metro de Victoria en Londres data de comienzos de la época Victoriana. Actualmente esta estación es uno de los ejes más importantes de la red de metro londinense con más de 80 millones de pasajeros al año. Considerando la cantidad de pasajeros y el permanente aumento de los mismos, se hacía necesaria la ampliación de esta estación, que está desarrollándose desde el año 2012, suponiendo además la construcción de varios túneles nuevos de pasajeros, dos grandes vestíbulos de taquillas, así como accesos a las plataformas.

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Figura 10: Resumen de los nuevos túneles de pasajeros y vestíbulos de taquillas a construir

Las condiciones del suelo pueden describirse como relleno antrópico sobre una capa de limo (sin continuidad), seguido por gravas arenosas y arenas cuaternarias sobre la arcilla de Londres. Las capas cuaternarias forman un acuífero mientras la arcilla se consideraba como impermeable. Las nuevas estructuras tenían su parte superior en los estratos cuaternarios, y la parte baja en la arcilla de Londres. La ejecución de los túneles y las excavaciones fueron proyectadas con excavadoras desde el nivel del metro para minimizar la interferencia con el vecindario. Para ello se requirió una cubierta de suelo mejorado y con permeabilidad reducida en el acuífero cuaternario con conexión impermeable a la arcilla de Londres.

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Figura 11: Sección principal de las estructuras del metro a construirse.

La cubierta se realizó con más de 2.200 columnas de jet grouting ejecutadas durante un periodo de 2,5 años. Las especificaciones para la resistencia a compresión simple se establecieron en un rango de 1 a 10 MPa para garantizar suficiente resistencia por un lado y por otro no obstaculizar las excavaciones. Una condición imprescindible en particular para esta obra fueron los servicios  subterráneos existentes que constituían auténticos “bienes intangibles” en el sentido de que no estaba permitido tocarlos, ni mucho menos alterarlos o reubicarlos aunque fuese temporalmente. Esto requirió un enfoque complejo en el diseño e implementación de columnas, así como una continua monitorización y control de calidad in situ para obtener información exacta y fiable sobre la localización y la forma de todas las columnas instaladas “as-built”:

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Figura 12: Servicios en el espacio de trabajo y planos 3D as-built de las columnas instaladas

La ejecución de túneles confirmó el adecuado cuerpo del terreno mejorado mediante jet grouting instalado, de muy buena homogeneidad y ningún defecto significativo.

Conclusiones

El jet grouting es una técnica muy eficiente y efectiva para solucionar problemas geotécnicos complejos en la ejecución de túneles (urbanos). Décadas de experiencia en esta técnica permiten su diseño y ejecución con un alto nivel, proporcionando un considerable y probado nivel de calidad y seguridad. También hay espacio para la mejora y un mayor desarrollo, que, de hecho, constantemente está tenido lugar.

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