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La Clave | Experiencias
Importancia de la correcta ejecución de la solución adoptada para la entrada o salida de la EPB en el pozo
Durante la recepción de una de las cuatro TBM que llegan al testero de un pozo, se produce un fallo en el dispositivo de sellado instalado en la pantalla. Este fallo, acompañado de una deficiente ejecución del correspondiente bloque de tratamiento previsto en proyecto, se traduce en una importante entrada de agua y suelo en el pozo. El incidente obliga al cierre de algunos carriles de una arteria principal de la ciudad de Tel Aviv (Israel), a la vez que a la suspensión de los trabajos de recepción y extracción de la tuneladora hasta haber investigado, establecido el alcance de la afectación y asegurado las operaciones restantes.
Palabras clave: EPB, anillo de sellado, bloque de tratamiento, inyecciones.
During the break-out of one of the four TBMs that reached the headwall of a chamber, a failure arose in the sealing device installed in the diaphragm wall. This failure together with a poor execution of the corresponding treatment block foreseen in the design, resulted into a significant flow of water and soil into the shaft. The incident forced to close some lanes of a main avenue in the city of Tel Aviv (Israel), also to disrupt the recovery operations of the tunnel boring machine until the magnitude of the damage been investigated and the remaining retrieval operations guaranteed.
Keywords: EPB, sealing ring, treatment block, grouting.
Nicola Della Valle
Ingeniero de minas. Tunnelconsult Engineering S.L.
Pablo Fernández Coto
Ingeniero industrial. Tunnelconsult Engineering S.L.
Patricio García de Haro
Ingeniero geólogo y civil. Tunnelconsult Engineering S.L.
La Red Line de Tel Aviv (Israel) consta de diferentes ejes. Una serie de cámaras distribuidas por toda la línea permiten la continuidad de los ejes. La línea tiene una configuración de doble túnel paralelo de vía única. Los túneles tienen un diámetro interior de 6,50 m y se han excavado con varias EPB. El diámetro de excavación es de 7,2 m.
Al testero este de una de dichas cámaras, de planta trapezoidal y dos niveles, llegan cuatro ejes (túneles), superpuestos dos a dos. Por el lado opuesto de la cámara continúan dos túneles solamente, también superpuestos. Esta cámara se sitúa en una zona del núcleo urbano, de intenso tráfico.
La cámara tiene unas dimensiones de 91 m de largo, 25 m de ancho en el lado mayor y una profundidad de 21 m. La cámara está construida al abrigo de muros pantalla de hormigón armado de 120 cm de grosor y 52,5 m de profundidad, en un terreno formado principalmente por arenas sueltas, de finas a medias y con presencia de nivel freático. La superficie del terreno se sitúa aprox. a la cota +17,40 m. El nivel freático se sitúa a cota +2,30 m aprox., esto es, 6 m por encima de la clave de los túneles del nivel inferior, cuyo eje se sitúa a la cota –7,46 m.
Dada su proximidad, en el lado este, entre los túneles se construye una pantalla de 18,60 m de longitud y 35,40 m de profundidad, formada por 17 pilotes de hormigón armado, cuasitangentes, para separar los túneles dos a dos y evitar posibles influencias mutuas durante su construcción.
En la imagen de la derecha se puede observar que los dos túneles del lado izquierdo de la fotografía (tanto el del nivel superior como el del nivel inferior) ya se encuentran ejecutados. El incidente que describe este artículo se produjo durante la entrada de la tuneladora del nivel inferior derecho, donde ya estaba montada la cuna de recepción. Posteriormente al desmontaje de esta tuneladora y extracción a la superficie, se produciría la llegada de la tuneladora del nivel superior derecho.
Entrada y salida de los pozos
Cuando una tuneladora se aproxima a un pozo, se requiere un control especial de la presión de frente. Debido a la escasa o nula presión aplicada al aproximarse a la pantalla, el riesgo de inestabilidad del frente, al romperla para atravesarla, variará según la naturaleza del suelo y la posición del nivel freático. Los problemas que pueden derivarse de esta situación son de muy variada tipología. Las soluciones técnicas para garantizar una llegada o lanzamiento seguro de la TBM también son múltiples. El objetivo de todas ellas es garantizar la estabilidad en el frente de la máquina y evitar la entrada de agua y suelo en el pozo o estructura en cuestión.
Por lo tanto, los dos objetivos principales son consolidación e impermeabilización, por lo que muchas de las técnicas empleadas comparten elementos con otros trabajos geotécnicos. Las mejoras del terreno y la creación de barreras mecánicas es lo más habitual.
De las soluciones basadas en barreras mecánicas, el anillo de sellado probablemente sea la preferida hoy en día. Este dispositivo permite limitar la entrada de agua a través del espacio anular existente entre máquina y terreno durante el paso de las pantallas del pozo. Existiendo diversos diseños de anillos, para adaptarse a las condiciones geotécnicas concretas, en este caso se adoptó el llamado anillo simplificado, que consiste en una junta de goma ensamblada en un anillo metálico que, a su vez, va instalado sobre la estructura de hormigón. Este conjunto permite realizar un sellado contra el propio escudo de la tuneladora. En muchas ocasiones, el anillo de sellado se suele emplear combinado con otras técnicas; este es el caso del artículo, como se explica en párrafos sucesivos.
Otra opción, especialmente empleada para la entrada en el pozo, aunque se puede usar también para salir, es el empleo de sarcófagos. Consiste en la instalación de una estructura que alojará el escudo y que se encuentra sellada en toda su longitud. Generalmente se construyen de acero para poder ser reutilizados en múltiples operaciones e incluso proyectos diferentes. Este método también ha sido empleado en la entrada a algún pozo del proyecto.
Los métodos de mejora del terreno de las zonas de llegada y salida de los pozos son variados. En general, todos ellos están destinados a la consecución de una masa de suelo sólida, compacta y consolidada. El más común probablemente sea el jet grouting. Una forma similar de conseguir un bloque adecuado es mediante la técnica de sustitución con columnas secantes (plásticas o de mortero). En otras ocasiones las técnicas se combinan, como en el proyecto de la L3 de Sofia (Bulgaria), donde se usaron conjuntamente inyecciones de impregnación con soil nailing a base de barras de fibra de vidrio.
La congelación también forma parte de los métodos de mejora que son empleados. Aunque se trata esta de una técnica que ya tiene una considerable antigüedad, su grado de aceptación y empleo no es el mismo en todas partes. Mientras que en Europa son pocas las experiencias de su uso como mejora de terreno en entrada/salida de tuneladoras (algo más para la construcción de galerías de evacuación entre túneles), en Asia tiene una mayor difusión; Shanghai es, por ejemplo, uno de los sitios donde ha sido ampliamente utilizada en el lanzamiento y recepción de TBM.
Cuando se trata de una entrada al pozo, también se puede recurrir a la inundación del interior del mismo hasta una altura por encima de la posición del nivel freático. El equilibrio hidrostático generado evita un gradiente hidráulico en el terreno, reduciendo el riesgo de rotura. Esta técnica es empleada donde otras no son posibles, por ejemplo, debido a ocupación superficial, afectación a servicios existentes, tráfico, etc., y generalmente en pozos de pequeño tamaño. Esta técnica también ha sido utilizada en el proyecto que nos ocupa; como vemos, el tamaño de esta línea de metro ha dado lugar a un abanico grande de soluciones técnicas y métodos constructivos.
Solución de proyecto
En el caso particular de este artículo, la solución que diseñamos para la entrada de la EPB al pozo consistía en un bloque de jet grouting de dimensiones 12,50 × 12,50 × 11,50 m (ancho × largo × alto) en el extradós de los módulos de pantalla, combinado con un anillo de sellado de tipo simple, es decir, con una única junta elastomérica, aunque se pueden instalar más. En este mismo proyecto también se han empleado juntas dobles en algunas ocasiones.
El bloque estaba diseñado a base de columnas de jet-2, de diámetro teórico 1,2 m y malla con separación entre ejes de 0,6 m. Junto a la pantalla se había dispuesto una fila formada por 10 columnas de jet, a realizar con limitador de rotación. La cara superior del bloque de jet se situaba a la cota –1,60, es decir, solo se usaba bloque para la entrada de la máquina encargada de excavar el eje inferior; la máquina que llegaba por arriba se encontraba, salvo el metro inferior, por encima del nivel freático, por lo que la entrada de agua podía ser controlada directamente con la única instalación de un anillo simple. La cota inferior del bloque de jet grouting era la –13,50.
Durante la ejecución del bloque de jet se tuvo conocimiento de la existencia de un muro de hormigón en masa de 1 metro de espesor, trasdosado a la pantalla, teóricamente desde la cota +3,50 a la –14,00 y en una longitud de 7,5 m casi coincidente con la huella del túnel. Este muro había sido construido por el contratista adjudicatario de los pozos (que era distinto del contratista de los túneles), y lo cierto es que no se tenía un conocimiento preciso de las condiciones y dimensiones reales del mismo. Tampoco se conoce el propósito de su construcción ni si su intención era “reforzar” la zona del soft-eye o incluso substituir un posible bloque de tratamiento del terreno en la llegada de la TBM.
La cuestión es que la existencia de este muro imposibilitó la ejecución de las dos primeras filas de columnas de jet más próximas tras la pantalla; se recomendó sustituirlas, al menos, por otras inclinadas, para que esta zona de cale no quedara sin tratar, pero la operación no se llevó a cabo por limitaciones en los plazos de obra.
Por otra parte, antes de ejecutar el bloque de jet grouting, también se había desarrollado un socavón en el trasdós de la pantalla, en la vertical de los túneles 5 y 6, de unos 16 m2 de superficie y profundidad 3 m, por causas desconocidas. El agujero fue rellenado con material antes de iniciar el tratamiento.
Por tanto, la situación en la cámara antes del incidente era la siguiente: túneles de los ejes 6 y 5 (superpuestos) acabados, bloque de jet grouting ejecutado, pero no estrictamente según diseño, y anillo de sellado simple instalado en la cara expuesta de la cámara de llegada.
Antes de la llegada de la TBM a las proximidades de la pantalla se realizaron desde superficie cuatro sondeos verticales para extracción de testigos y verificación de las condiciones del bloque de jet grouting, cuya calidad no había podido contrastarse durante su ejecución. Adicionalmente, desde el interior de la cámara se perforaron tres sondeos horizontales en la huella de llegada de la tuneladora, atravesando tanto la pantalla como el muro trasdosado de hormigón en masa, hasta penetrar en el bloque de jet. Durante la ejecución de estos sondeos no se detectó presencia de arenas, pero sí entrada de agua (3, 5 y 20 l/min, respectivamente), lo que daba idea de la situación de la junta entre ambos elementos (pantalla y muro de hormigón en masa) y con el bloque de jet. Todas las perforaciones se sellaron con cemento antes de la llegada de la EPB. A la vista de los resultados, se realizaron seis nuevas perforaciones distribuidas alrededor del anillo de sellado.
Descripción del incidente
El 4 de julio de 2019, durante el cruce de la pantalla por la tuneladora, y antes de instalar el anillo de dovelas número R274, se produce un importante ingreso de agua y arena en la cámara a través del dispositivo de sellado y en la base de la EPB. El caudal de ingreso fue estimado por el contratista en unos 40 m3/h. A la entrada de la máquina, en algunos sectores la junta elastomérica quedó plegada sobre sí misma, lo que, unido al alojamiento en esos pliegues de escombros cortados del muro-pantalla, impedía el contacto de la junta de goma con el escudo de la tuneladora y, por tanto, dejaba abierta una vía de conexión desde el terreno hacia el pozo. Se realizaron taladros de 1 m de profundidad a través de los anillos ya instalados (R270 a R279), en los que no se observó presencia de arena ni una gran cantidad de agua; el bloque de jet grouting sí que fue identificado.
Se detienen las operaciones de cruce de la máquina a través del muro-pantalla y el contratista procede a realizar inyecciones de urgencia, unas a base de cemento y otras con espumas de poliuretano, tanto desde el interior del túnel como alrededor del anillo de sellado, desde el pozo. Más de 16 m3 de lechada de cemento y 3035 kg de PU son inyectados en esta primera acción que se reveló totalmente ineficaz para detener el flujo en la cámara, por lo que se consideró que la entrada de agua debía de estar relacionada con los límites y contacto del muro de hormigón en masa trasdosado a la pantalla.
Al día siguiente, se completa el montaje del anillo R281 y el escudo de la máquina alcanza la junta entre el muro de hormigón en masa y la pantalla. En este momento, el ingreso de agua, arrastrando arena, es estimado entre 150 y 200 m3 /h y se activa la subcontratación de un bombeo de alta capacidad de emergencia para el pozo. Se realizan nuevos taladros de inspección y se verifica una discontinuidad entre muro y pantalla, en coincidencia con la zona inferior derecha del anillo R279.
Medidas y soluciones adoptadas
El mismo día 5 de julio se inicia una nueva serie de inyecciones de PU, pero esta vez en la zona del contacto muro-pantalla y desde el interior del anillo R279. Mientras el achique continúa dentro de la cámara, en paralelo se hacen inyecciones de consolidación en el extradós de los anillos a base de cemento con geles de silicato. Además, los últimos diez anillos instalados son conectados entre ellos mediante bridas fabricadas a base de perfiles de acero UPN 120; las instaladas en dirección circunferencial fueron combadas en taller para adaptarse a la curvatura del túnel. Se intensifica la auscultación, incluyendo los otros dos túneles ya concluidos del testero. A la vista del volumen de material arrastrado, se procede a realizar diversos perfiles GPR para detección de posibles cavidades alrededor de la cámara y el túnel. En este punto, el vial ya había sido cortado hasta determinar el alcance exacto del incidente y evitar cualquier riesgo para vehículos y peatones. La vía afectada se encuentra junto a la intersección de dos de las principales carreteras de Tel Aviv, en las que los embotellamientos son habituales varias
veces al día. La presión de las autoridades para resolver el problema y restituir el tráfico lo antes posible entra en juego.
Con las nuevas inyecciones localizadas, el flujo de agua se reduce a unos 60-70 m3/h, y pasa a ser sin carga de partículas sólidas. El día 6 se realizan desde el interior del pozo 3 nuevos taladros de 1,70 m de longitud para hacer más inyecciones que tienen también como objetivo el relleno con poliuretano de la zona de contacto entre muro y pantalla. En esta nueva fase, un total 100,5 m3 de lechada de cemento con geles de silicato son inyectados desde el interior del túnel (además de 412 kg de PU desde el anillo R279, que son lavados con el flujo) hasta controlar el agua.
Dado que el georadar no resulta totalmente concluyente debido a la gran cantidad de servicios soterrados, las zonas en las que este muestra anomalías que pueden asociarse a posibles pérdidas importantes de suelo o desarrollo de huecos son objeto de investigación complementaria mediante sondeos y ensayos de penetración (SPT y CPT). Los sondeos, además, se extienden a todo el alrededor del pozo no investigado con GPR.
La tuneladora que sufrió el incidente iba a ser desmontada y extraída a la superficie, pues este eje en particular quedaba finalizado con este último cale. Por tanto, estaba previsto estacionar una grúa de 600 t en la superficie y en la vertical del propio túnel ejecutado. Debido al incidente, y aunque la tuneladora ya estaba completamente dentro del pozo sobre la cuna, la dirección facultativa del proyecto no autorizó la colocación de la gran grúa y el inicio del desmontaje hasta que se verificase la situación geotécnica de la zona afectada. La presión por finalizar este desmontaje era mucha porque era una tarea necesariamente previa a la llegada de la tuneladora que se estaba ya aproximando por el eje situado por encima en la vertical.
Comparando los resultados de los sondeos de investigación con la información de los sondeos de proyecto, se observó una reducción en el número SPT de entre 15 y 20 golpes para los mismos materiales y a la misma profundidad entre puntos de investigación próximos. Los CPT no pudieron ser contrastados por no disponer de equivalentes en fase de proyecto; no obstante, correlacionaron bastante bien en algunos casos con los SPT. En otros sondeos nuevos, un poco más distantes de la zona de traza del túnel involucrada, no se observaron variaciones en el golpeo respecto a la información de proyecto.
A partir de todo ello, y con la vía de agua ya controlada, antes de que la totalidad del escudo acabe de atravesar la pantalla, se establece la ejecución de nuevas inyecciones desde el interior de la cámara. Cerca de 128,7 m3 de lechada y 608 kg de PU adicionales son utilizados. La zona de la base de los anillos R276 a R279 también es objeto de un tratamiento complementario mediante inyecciones de impregnación con microcemento de Mapei (66,4 m3 de lechada).
Después de finalizar todas las inyecciones y verificar a través de nuevos taladros la correcta ejecución de las mismas en el trasdós de las dovelas, y la no afluencia de agua, la máquina acabó de entrar en el pozo el día 15 de julio. El volumen de escombro tras el incidente (declarado por el contratista) ascendió a 92 m3, incluyendo la porción de muro-pantalla cortada, por lo que el volumen de arena perdida puede situarse entre 25 y 30 m3.
Posteriormente se realizaron diversas pruebas de carga con camiones de obra cargados con 10 t por eje, aparcándolos y circulando por el vial a distintas velocidades (hasta 50 km/h). Tras estos ensayos se realizó un nuevo levantamiento topográfico de comprobación del vial. El vial fue devuelto a la circulación el 2 de agosto.
Finalmente hubo que diseñar toda una serie de medidas de mejora y protección para poder recibir a la cuarta tuneladora, la que faltaba por llegar en el eje superpuesto al del incidente.
Conclusión
En función de las condiciones del emplazamiento, la salida o la llegada de la TBM al pozo de recepción puede ser una operación delicada que requiera de especiales medidas. Diferentes soluciones estructurales o geotécnicas pueden usarse tanto en el interior como en el exterior del pozo para realizar un cruce seguro a través de la pantalla. Los métodos más habituales son los tratamientos del terreno o la instalación de anillos de sellado en los muros pantalla, aunque hay otros.
Se ha descrito un caso en el que incluso la combinación de anillo de sellado con bloque de jet grouting de mejora del terreno no fue suficiente para garantizar una entrada en el pozo sin incidentes. Las causas y consecuencias del fallo por ejecución indebida de las medidas inicialmente previstas, así como las soluciones adoptadas, también han sido expuestas sucintamente a lo largo del artículo.