RESUMEN: En este artículo se analiza la práctica habitual

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.