Tratamiento de Terreno en la Construcción de Túneles con Tuneladora de Equilibrio por Presión de Tierras

 

Las máquinas tuneladoras representan la más novedosa técnica de construcción de túneles, aportando enormes ventajas respeto a los métodos tradicionales de perforación y voladura. Especialmente bajo áreas urbanas, la perforación mediante tuneladoras representa una importante reducción de ruido y riesgo de hundimientos, por esto al hablar de túneles para metro y red de alta velocidad, la ecuación se resuelve con un único valor: el empleo de máquinas tuneladoras.

Así como las características geotécnicas de los materiales que forman la traza de un nuevo túnel, unido al conocimiento físico del nivel freático al que se enfrentará el mismo, condicionan la elección de los diferentes tipos de máquinas tuneladoras tipo TBM EPB para la excavación del túnel; dichas características geofísicas también condicionarán la elección de los distintos aditivos que harán posible el avance de la TBM en todas las posibles diferentes situaciones respecto al tipo y morfología de terreno existente.
Ejemplo de Sección a escala del interior de TBM EPB
Frecuentemente, el empleo de tuneladoras tipo TBM-EPB sin su química implicada significa bajos rendimientos de producción y peligrosos incrementos del riesgo de colapso del terreno. Incluso en casos extremos, sin el apoyo de la química resulta imposible el avance de un solo milímetro.
Desde que BASF se involucró en el desarrollo de las especialidades químicas para este tipo de tuneladoras, el diseño de nuevos productos y sistemas han significado notables mejoras para esta novedosa técnica de excavación, sin el aporte de los cuales tal vez hubiera resultado imposible hablar de grandes logros y éxitos en, por ejemplo, la ampliación del Metro de Madrid o Barcelona.

Cale del proyecto de remodelación del by-pass sur de la M30 ( Madrid )

LA QUÍMICA DE LAS TBM-EPB

Dentro de toda la variedad de productos químicos que requiere la tuneladora TBM EPB para su óptimo funcionamiento, existe una clasificación en función de su zona de acción en la máquina: tratamiento de terreno, mortero de relleno (back-filling) y grasas de sellado de cola.
Todos resultan imprescindibles para el óptimo rendimiento de la máquina, sin embargo, el tratamiento de terreno mediante espumas y polímeros, por ser estos de
gran trascendencia y de laboriosa elección, se considera esencial a la hora de abordar un nuevo proyecto.

Acondicionamiento de terreno

El terreno excavado necesita ser tratado para su fácil extracción a través del tornillo sin-fín de la TBM-EPB. No tratar correctamente el terreno implica bajos rendimientos de avance, atascos en la cabeza de corte (que implican la parada de la tuneladora y operar manualmente dentro de la cámara de amasado, con el elevado riesgo que esto comporta para el personal implicado), elevados costes de mantenimiento, etc.
La formación de espuma para un correcto tratamiento conlleva el control de tres elementos básicos como son: agua, aire y por último la adición del agente espumante. Utilizaremos tres términos para controlar la formación y dosificación de espuma en el TBM:

Tasa de Expansión (Expansión rate, FER)

Tasa de Inyección o Tasa de Tratamiento (Injection rate, FIR) Concentración del agente espumante ( Cf : foam concentration )

Esquema de sistema de generación de espuma

Tasa de Expansión

Definiremos Tasa de Expansión como el volumen de espuma generado a partir de un volumen dado de solución ( agua + agente espumante ).
Los valores de la Tasa de Expansión de una espuma estarán sujetos a las distintas condiciones geológicas y físico-químicas del terreno a excavar por la TBM. El contenido de humedad del terreno será otro factor clave para la optimización de la Tasa de Expansión. Valores muy altos de humedad condicionan a la formación de una espuma seca ( valores de Tasa de Expansión altos: 14 - 20 ). Por el contrario si el terreno presenta un alto valor de sequedad o baja cohesividad, la formación de una espuma húmeda ( Tasa de Expansión : 7 - 10 ) mejorará la maleabilidad y ductibilidad del mismo.

Tasa de Tratamiento

Definiremos Tasa de Tratamiento, como el volumen de espuma total inyectada al frente de excavación, relacionada con el volumen de terreno excavado por avance. Los valores de tratamiento dependen de las características geológicas del terreno a excavar. Terrenos con un alto efecto sticky requieren un FIR elevado ( ≥60% ) y por el contrario terrenos con baja pegajosidad requieren menos espuma por metro cúbico de terreno excavado.

Todas las espumas tienen un tiempo de vida media, que viene caracterizado por el parámetro definido como tiempo de estabilidad media.
Dicho parámetro es el tiempo que tarda la espuma en perder la mitad del contenido líquido que posee la misma. Normalmente, ese periodo oscila entre los 5 y 30
minutos. La mezcla de la espuma con el terreno hace que ese tiempo de estabilidad sea mucho mayor, dando un tiempo abierto suficiente para el montaje del anillo de dovelas en la TBM, permitiendo mantener la cámara de amasado de una TBM EPB
llena, manteniendo el equilibrio de presión de tierras, sin que el terreno sufra ningún cambio físico-químico.

Desfloculación De las partículas gracias a la inclusión de burbujas de aire en el terreno

Concentración del agente espumante

La disolución del agente espumante en agua dependerá de la composición físico- química del terreno; los valores de concentración estarán comprendidos entre un 2
– 5%.

Esquema genérico de sistema de generación espuma para TBM EPB
El sistema de generación de espuma debe estar provisto de 2 bombas independientes para la inyección de tensoactivo y polímero simultáneamente.
El número de generadores de espuma no deberá ser inferior a 10 unidades ( dependiendo del diámetro de la TBM ). Como ejemplo, para una máquina de diámetro 9,33 metros el sistema mínimo sería el siguiente :
Nº generadores de espuma : 10 unidades
Nº de puntos de inyección de espuma a la rueda de corte : 8 puntos Nº de puntos para la junta giratoria : 8 entradas
Nº de puntos de inyección a los estatores : 4 puntos Nº de flujometros : 14
Caudal de equipo de inyección : 50 metros cúbicos / hora
Potencia eléctrica para inyección de espuma ( Kw ) : 16 Consumo de aire de cada equipo ( metros cúbicos / minuto ) : 10 Presión de aire ( bar ) : 8
Nº de bombas para aditivo : 2 ( Inyección de polímero : SI )
• La entrada de inyección de un segundo aditivo ( polímero orgánico ) debe estar conectada siempre antes de la entrada al generador de espuma ya que se dispersa más eficazmente en la espuma si se produce de esta forma y no colocando dicho punto de inyección después del generador de espuma.
• La colocación de los generadores de espuma debe estar lo más cercano al escudo, para evitar la degradación y calidad de la espuma y pérdida de presión en las líneas de conducción de espuma.
• El sistema debe tener la posibilidad de inyectar espuma al frente de excavación, cámara de amasado y tornillo sinfín.
• Todas las líneas de espuma , después de la salida del generador, deben tener la posibilidad de acoplar una manguera de salida para poder comprobar la calidad de la espuma producida
• Las líneas de salida de los generadores de espuma no deberán unirse en ningún punto hasta su salida en los inyectores, si podrán dividirse ( Por ejemplo, entrada simultánea a la cámara de amasado y al frente de excavación )
• Todas las líneas deberán contar con un caudalímetro independiente para la solución ( agua – química ) y un caudalímetro para cada línea para la comprobación del flujo de aire.
• La presión máxima recomendada para la formación de espuma en máquinas tuneladoras tipo TBM EPB esta sobre los 8 – 10 bar.
• Actualmente, en muchos casos se están acoplando de forma errónea la entrada de agua y espuma a la cámara de amasado por el mismo punto de inyección. Estos deberían estar totalmente independientes, ya que la calidad y estabilidad de la espuma disminuye drásticamente al diluirla.

Impregnación del terreno para su correcto tratamiento
- Agentes espumantes y polímeros (MEYCO SLF® / RHEOSOIL®):
Mediante el sistema generador de espuma de la TBM-EPB, se genera espuma in situ a partir del agente espumante con la adición de agua y aire. Los puntos de inyección de la espuma pueden ser directamente al frente de excavación, en el interior de la cámara de amasado o en el tornillo sin-fín, dependiendo de las peculiaridades del terreno, las características de la TBM-EPB y de las propiedades de la espuma confeccionada (estabilidad, poder desestructurante, etc.).
La espuma resulta imprescindible para reducir la pegajosidad del terreno excavado y evitar así la formación de grandes bloques en la cámara de amasado, reducir la fricción del terreno y facilitar la descarga a través del tornillo sin-fín. El empleo de espumas aporta un grado de plasticidad al terreno tratado esencial para mantener el equilibrio de presión entre la cámara de amasado y el frente, reduciendo el riesgo de colapso frontal, aportando regularidad en el ciclo de perforación-extracción y en consecuencia aumentando los rendimientos de producción y reduciendo el par de rotación de la cabeza de corte.
El tipo de agente espumante y las propiedades de la espuma generada caracterizada por los parámetros tasa de expansión (FER) y tasa de tratamiento (FIR) dependen del tipo de terreno (grado de humedad, granulometría, presencia o no de arcillas, etc.) y debe determinarse mediante rigurosos y precisos ensayos y pruebas previas. Factores como la sensibilidad iónica, la capacidad espumante y dispersante y la sensibilidad al agua son claves para la correcta selección del agente espumante a emplear.

Desfloculación de la racilla gracias al poder químico de los agentes desestructurantes

Actualmente, BASF ha desarrollado un nueva familia de polímeros (RHEOSOIL® 143/127) en formato espuma que engloba las necesidades químicas de un tensoactivo estable y la utilización de polímeros desestructurantes para el tratamiento químico de materiales con alto efecto de pegajosidad y permeabilidad. Para terrenos cohesivos y con un alto contenido en finos, ya no es necesaria la
utilización de dos productos, con la gama de polímeros RHEOSOIL® se podrá acondicionar el terreno mediante la adición de un polímero único.
Los nuevos polímeros orgánicos de la gama Rheosoil® generan una espuma estable capaz de optimizar la deformación plástica de los terrenos con elevado índice de pegajosidad, proporcionando una mayor efectividad química en la desestructuración biomecánica de los terrenos yesíferos y arcillosos.

La química de los polímeros de la gama RHEOSOIL® evita la formación de bloques compactos permitiendo la correcta entrada de material a la cámara de amasado

Este nuevo concepto de aditivos para tratamiento de terreno se desarrollo para el proyecto de la remodelación del BY-PASS sur de la circunvalación de la M-30 en Madrid, dos túneles gemelos, ambos excavados en su totalidad mediante el empleo del biopolímero en formato espuma Rheosoil 143.
- Polímeros (MEYCO SLF P1 / P4 y MEYCO SLF P2):
Cuando la presencia de agua en el terreno es elevada o, de forma antagónica, cuando el terreno presenta poca cohesión, la actividad de las espumas es insuficiente para un óptimo rendimiento. Ante estos casos, debe recurrirse al empleo de esta gama de productos que actúan como complemento de las espumas.
Los polímeros se inyectan por los mismos puntos que las espumas. En la mayoría de ocasiones, entran conjuntamente con las espumas, aunque también pueden
dosificarse solos.
En presencia de un elevado contenido de agua libre presente en el terreno de excavación y una deficiencia de finos acusada en el mismo ( ≤10% ) es necesario dosificar el polímero MEYCO SLF P2 para transformar la masa líquida en un cuerpo plástico, que permita ser transportado como un sólido moldeable y así ser descargado sin problemas por el sin-fín y a través de la cinta transportadora. Contrariamente, en terrenos faltos de cohesión interna, debe aplicarse el polímero MEYCO FIX SLF P1 / P4 para dar estabilidad a la masa. El efecto proporcionado por este segundo polímero es similar a un “pegado” de las partículas, de tal forma que la masa suelta adquiera cohesión y mediante la actividad de las espumas pueda ser transformada a un sólido moldeable de suficiente plasticidad. Su actividad química radica en la floculación de las partículas finas guardando el agua dentro de la matriz del escombro generando así un lodo plástico, cohesivo y con un nulo efecto de pegajosidad.

La formación de cadenas gracias a la actividad del polímero retiene el agua libre en la matriz del escombro

La actuación más relevante empleando polímeros la encontramos durante la construcción del colector de Avilés, donde la TBM avanzaba en sedimento marino (terreno sin cohesión y con alta cantidad de agua, donde la cabeza de corte soportaba presiones del orden de 2,5 bar). Aquí el empleo de MEYCO SLF P1 y sobre todo la dosificación de MEYCO SLF P2 resultaron totalmente imprescindibles para permitir el avance de la tuneladora.
El polímero MEYCO SLF P4 es un agente acondicionador diseñado para lubrificar y disminuir el rozamiento del terreno en la excavación de túneles con TBM-EPB, y evitar así atascos en el tornillo sin-fin y facilitar el desescombro de material. Especialmente recomendado para ser empleado en los casos de terrenos arcillosos que presentan una elevada cantidad de agua. De esta forma, trabaja como modulador de viscosidad del escombro generado durante la excavación.

Extracción del material sin tratamiento Terreno una vez tratado con polímeros
- Agentes desestructurantes de arcillas (RHEOSOIL 211 / 214):
Ante la presencia masiva de arcillas pesadas en el terreno, las espumas carecen de suficiente capacidad de penetración para desempeñar su función. En consecuencia, la elevada presión y temperatura de la cabeza de corte y cámara de amasado acelera la floculación e incluso endurecimiento de estas arcillas, que bloquean la cabeza de corte y obligan a la intervención manual para su mantenimiento, con los costes que esta actividad implica.
Así pues, si el contenido de arcillas es elevado se precisa de la labor de un agente desestructurante que actúa rompiendo los flóculos de arcillas y evitando la formación de grandes bolos compactos que bloquearían la cámara de amasado. Con el empleo de agentes desestructurantes, la pegajosidad de las arcillas sobre las superficies metálicas se ve sustancialmente reducida, facilitando el desescombro sin la necesidad de incrementar el contenido de agua dosificado en la cámara de amasado.
El agente desestructurante RHEOSOIL 211 / 214 ha significado sin duda alguna el producto estrella en la obra de ampliación del Metro de Madrid y Barcelona,
permitiendo alcanzar sorprendentes rendimientos de producción a pesar de la
presencia de arcillas pesadas, que en un principio dificultaban enormemente los trabajos de excavación.
- Productos auxiliares:
En determinadas zonas del subsuelo de Madrid, la presencia de yesos hidráulicamente activos era abundante, lo suficiente para que, con la temperatura generada en la cabeza de corte y cámara de amasado de la TBM-EPB, se produjera el endurecimiento de los mismos y en consecuencia el inevitable bloqueo del tornillo sinfín.
Este problema se solventó empleando el agente inhibidor de la hidratación de yesos RHEOSOIL 250, con resultados satisfactorios.

En resumen, la utilización de estos productos permiten reducir la permeabilidad e incrementar el sellado en la cabeza de corte de la T.B.M. Dotan al terreno de propiedades de deformación plástica lo cual permite una mayor estabilidad del frente y una presión constante y controlada. Reducen la fricción y la abrasividad en la cabeza de corte y en el tornillo sin fin con lo que se reduce el par y el consumo energético, permitiendo la extracción del terreno con mayor facilidad. Son productos ecológicos y no precisan de la separación ni el reciclado de la bentonita, con lo que económicamente puede suponer este último punto.

Es esencial para un correcto funcionamiento del modo de trabajo en EPB, que la cámara de amasado este completamente llena con terreno tratado para poder de esta forma aplicar correctamente la contrapresión debida.
La cámara de amasado únicamente la podremos llevar llena mediante un uso correcto de los agentes definidos para el tratamiento de terreno.


En referencia a la biodegradabilidad de los productos químicos utilizados para el tratamiento de terreno de máquinas tuneladoras tipo TBM EPB, y más concretamente los ensayos de riesgo llevados a cabo para la gama completa de los aditivos MEYCO® SLF con el fin de aprender más acerca del riesgo potencial para los hombres y su medioambiente, el cual podría ocurrir y tenerse en cuenta debido a la aplicación de los mismos; les adjuntamos las siguientes conclusiones en base a la recomendación apropiada de la medida del manejo de dichos productos y por lo tanto para minimizar su potencial efecto sobre los humanos y el medioambiente ( vegetación, organismos acuáticos, etc ).
En un posible impacto medioambiental que se pueda producir debido al uso de un producto químico, la propia química del mismo debe tener la capacidad de realizar dicho efecto tóxico y poder alcanzar una concentración ambiental suficiente para causarlo. El riesgo originado por un producto tóxico tanto para los hombres como para el medioambiente viene determinado por:
1) La cantidad penetrada y acumulada en el medioambiente
2) La toxicidad de su química para el medioambiente (ej.: toxicidad hacia organismos acuáticos) y la raza humana.
3) Las propiedades Físicas y Químicas del producto, que determinan su
distribución en el medioambiente (ej.: lixiviación en las aguas subterráneas) y su bioacumulación.
4) Procesos de eliminación, como degradación e inmovilización que determinan
la persistencia de su química en el medioambiente.
Los compuestos orgánicos pueden ser degradados bien sea por organismos existentes en la naturaleza ( biodegradación ), o bien por procesos no bióticos como la hidrólisis de un compuesto orgánico en presencia de agua o por fotólisis bajo la influencia de la luz.
Si el estudio de la valoración del riesgo indica que los niveles, en los que pueden estar presentes en cada apartado del medioambiente, son mucho más bajos que el
nivel al cual podrían ocasionar efectos adversos ( índice de riesgo<1 ), la química estará considerada únicamente de bajo riesgo para el medioambiente. Un nivel de
índice de riesgo mayor que la unidad indica la necesidad de tomar precauciones en el manejo de estos productos así como su limitación de uso.
La conclusión de estos estudios es la siguiente :

1. No hay riesgos esperados para los trabajadores en el túnel debido al uso de productos MEYCO® SLF, suponiendo en el peor de los casos una concentración en el aire 1000 veces superior que al nivel límite máximo permitido, durante una posible exposición en el trabajo.

2. No hay riesgos esperados para las aguas superficiales por emisiones procedentes de las bombas de agua de la tuneladora o por fugas de agua de la
misma, con tal de que esta sea drenada en el sistema de alcantarillado
municipal para su posterior tratamiento.
3. La infiltración potencial de ingredientes en las aguas subterráneas durante el proceso de aplicación no debería causar un riesgo relevante para la salud humana o el medioambiente ( vegetación u organismos acuáticos ), siempre que se respeten las dosificaciones recomendadas.
Los productos RHEOSOIL y MEYCO SLF cumplen suficientemente los requisitos de biodegradabilidad y eco-toxicidad para poder ser empleados, siempre dentro de las condiciones de uso previstas, en la construcción de túneles con tuneladoras TBM-EPB como agentes de tratamiento de terreno.