Tratamiento

lnyecciones de impregnacion y de fracturacion en Londres

En Ia zona entre el portal de lanzamiento de las tuneladoras y el rio Lea, dentro del contrato C-305 de las obras de Crossrail en Londres, se disen6 un tratamiento del terrene en funci6n del espesor de arcilla de Londres y de Ia cobertera de tierras sobre Ia clave de los tuneles. El objetivo de este tratamiento era disminuir Ia perrneabilidad de Ia terraza del rio y mejorar Ia resistencia del aluvial por medio de inyecciones de impregnaci6n y de fracturaci6n, respectivamente. Este tratamiento se efectu6 con tubos manguito de PVC y de acero, a traves de los cuales se inyectaron lechadas de cementa y de silicates, en varies episodios, hasta alcanzar unos volumenes y presiones prefijades. Debido a las caracteristicas del Iugar, fue necesario instalar los tubos manguito en una combinaci6n de taladros verticales y horizontales realizados desde un pozo. Durante Ia realizaci6n de los trabajos y con el objeto de verificar que los mismos se llevaban a cabo segun las especificaciones, se realize un control de ejecuci6n. AI finalizar las inyecciones en cada area se realiz6 un control de resultados que permiti6 comprobar que el terrene tratado cumplla con los objetivos especificados de perrneabilidad y de resistencia al corte.

E I contrato C-305, dentro de las obras de Crossrail, incluye el lanzamiento de dos tuneladoras (TBMs) desde un por-tal situado en el sitio denominado Pudding Mill Lane (PML), en Ia zona llamada Bow, en el este de Londres, a poca distancia del rfo Lea y cerca del Estadio Olfmpico, en el cual se reali-zaron los deportes bajo techo, durante los Juegos Olfmpicos de 2012. En Ia Fig. 1 se aprecia una vista en planta de dicha zona, y en las Figs. 2 y 3 se observan una secci6n longi-tudinal y una secci6n transversal, respectiva-mente, con las diferentes capas que compo-nen el subsuelo del Iugar. Asimismo, en Ia Figs. 4, 5, 6 y 7 se incluyen fotos con una vis-ta general de Ia obra, una vista del portal de entrada de las TBMs, un detalle de Ia zona cercana al rfo Lea y una vista de los alrededo-res de Ia obra, respectivamente.

Palabras clave: ARCILLA, CONTROL, ESTABIU-ZACION, FRACTURACION, IMPREGNACION, INYECCION, LECHADA, TALADRO, TRATA-

MIENTO, TUBO MANGUITO, TqNEL.

Ln Gustavo ARMIJo

I [Fig. 8).- Detalle de los restos de hormig6n con armaduras de acero encontrados en el relleno superior.

------------ '

I [Fig. 9].- Detalle del cable de 400 kVy de Ia punta de los pilotes de madera en Ia margen del rio.

dos casas en los que se debe tratar el terre-no afectado por Ia excavaci6n de los mismos. Estos casas, que se esquematizan en las Figs. 10 y 11 , se describen a continuaci6n:

Tratamiento

------

I [Fig. 6].- Detalle de Ia zona del rio. I [Fig. 7].- Vista de los alrededores de Ia obra, con Estadio 0/impico. Caso 1: La cobertera es mayor que el dia-

metro del tunel, pero El espesor de arcilla de Londres

encima de Ia clave del tunel es menorde 2m.

Caso2: La cobertera es menor que el

diametro del tunel, La clave del tunel esta por en-

cima de Ia arcilla de Londres

Areas a tratar: Teniendo en cuenta lo anterior, se defi-nieron dos areas en las cuales se debra tratar el terreno:

Area A: zona entre el portal y el rio, en Ia cualla cobertera tiene un espesor media similar al diametro del tunel (D = 6,8 m) y Ia arcilla de Londres tiene un espesor alga in-ferior a los 2 m en Ia zona cercana al portal.

Area B: zona del rio

Objetivos del tratamiento: El tratamiento tiene dos objetivos

fundamentales: Que los asientos generados por Ia

excavaci6n de los tuneles no su-peren a los admisibles, los cuales corresponden a una perdida de secci6n del1 %.

Que no se produzcan colapsos del terreno.

Para lograr lo anterior, los proyectis-tas especificaron que el aluvial y Ia terra-za del rio (ver Figs. 2 y 3) debfan tener, despues del tratamiento, Ia resistencia al corte no drenado (S) y el coeficiente de permeabilidad vertical (kv ) que se detallan en Ia Tabla I.

1ipos de tratamiento El tipo de tratamiento elegido ha sido:

I [Fig.10].- Caso 1: espesor insuficiente de arcllla de Londres sabre Ia clave del tune/. ...

I [Fig. 11].- Caso 2: espesor de Ia cobertera menor que el diametro del tune/. ANTES DEL TltATAMIENTO

~DEL pAJtAMttttos TltATAMIENTO

RIVER 1EitltACE ALLUVItlM ouosns

s, (kPa) . ~'71 lSI

k. (M} ......... . ......... 5-lt .. -

I [TABLA ij.- Distribuci6n de los puntas de tratamiento y mediciones . za del rio, con un contenido de finos infe-rioral15%.

lnyecciones de impregnaci6n en Ia terra-

lnyecciones de fracturaci6n en el aluvial, con un contenido de finos superior al 15%.

35

I J

\ Tratamiento

atravesar los obs-tacu\os detectados en e\ relleno, se-gun se aprecia en Ia Fig. 8. Estos ta-ladros se embo-quillaron por enci-ma del nivel freati-co para evitar el uso de preventer. Asimismo, en Ia Fig. 15 se incluye una vista del coffer-dam que se cons-truyo con tablesta-cas para 'permitir I e\ tratamiento en Ia zona del rio Lea.

[Fig.14].- Pozo hexagonal desde el que se ejecutaron los taladros sub horizontales

La medicion correspon-diente a cada una de las a-reas y subareas se resume a continuacion:

AreaA: . I [Fig.12].- VISta en planta de Ia obra con Ia disposici6n de los TAMs. Superficie a tratar: 790 m2

Distribuci6n de los puntos de tratamiento y mediciones En las Figs. 12 y 13 se incluyen, respectivamen-te, una vista en planta y una seccion longitudinal de Ia obra con Ia disposicion de los TAMs a tra-ves de los cuales se haran las inyecciones.

El tratamiento se dividio en las areas y sub areas siguientes:

Area A, entre el rio Lea y e/ portal: Sub area A 1: TAM verticales alrededor

pozo hexagonal Sub area A2: TAM horizonta\es desde

pozo hexagonal Sub area A3: TAM verticales dentro pozo

hexagonal Area 8, bajo el rio Lea: Sub area B 1: cofferdam en e\ rio Lea Sub area 82: resto del rio Lea

En Ia Fig. 14 se observa el pozo hexagonal desde el cual se ejecutaron los taladros sub ho-rizonta\es que permitieron tratar Ia mayor parte de Ia zona entre el portal y el rio sin tener que

Volumen a inyectar: 1 .185 m3 , de los cuales, aproximadamente, 1/3 co-rresponde a si\icato de sodio y 2/3 a de \e-chada de cementa.

Presiones maximas de inyeccion: - 5 bares en Ia terraza del rio - 15 bares en el aluvial

Sub-areas Ai: Sub-area A 1 :

- 77 TAM verticales y sub verticales de PVC, de 7 m de longitud

- Volumen a inyectar: 75 1/manguito y episodio

Sub-area A2: - 125 TAM sub horizontales de acero, de

longitudes comprendidas entre 4 m y 21m.

- Volumen a inyectar: 85 1/manguito y episodio.

AreaA3: - 37 TAM verticales de 5 m de longitud - Volumen a inyectar: 150 1/manguito y

episodio.

r- eotu (STEEL TAMS {PVC TAMS

1--c]r-- - !PVC lAMS ~ ~ \\ i]j ~ i . , I ~ 100 u u

---- - ---- -95

' "' 1--85

~ ~ ~ ~ ~ !i ~ ~ ~ ~ !! ~ !! ~ J!l

I [Figura 13] .- Seccion longitudinal de Ia obra con Ia disposicion de los TAMs.

36

I [Figura 15].- Cofferdam para ejecutar los taladros en Ia zona del rio Lea. Area 8: Area a tratar 880 m2 . Volumen a inyectar; 1.320 m3 , de los

cuales, aproximadamente, 1/3 corres-ponde a silicato de sodio y 2/3 a lechada de cementa.

Presiones maximas de inyeccion: - 5 bares en Ia terraza del rio - 15 bares en el aluvial

Sub-areas 8i: Sub area 81:

- 152 TAM verticales divididos en: o 81 TAM verticales de PVC, de 10m

de longitud, entre las tablestacas. Volumen a inyectar de 50 1/manguito y episodio.

o 25 TAM vertica\es de acero, de 13 m de \ongitud, a los \ados de los tune-les. Volumen a inyectar de 100 1/manguito y episodio.

o 46 TAM verticales de PVC, de 6 m de longitud, dentro del cajon. Volu-

I [Rg.16].- PerforaciOn de taladros en el interior del pozo hexagonal con Ia perforadora provista de jaula de seguridad.

I [Fig. 19].- Ejecucion de taladros verticales alrededor del pozo hexagonal. men a inyectar de 1 00 1/manguito y episodio.

Sub-area 82: - 170 TAM verticales divididos en:

o 147 TAM verticales de PVC, de 9m de longitud, entre las tab\estacas. Volumen a inyectar de 1 00 1/mangui-to y episodio.

o 28 TAM verticales de acero, de 14m de longitud, a los \ados de los tune-\es. Volumen a inyectar de 100 II manguito y episodio.

Los TAMs sub horizonta\es de acero, en Ia sub area A2, tienen por objeto reforzar el te-rreno tratado, creando un efecto /osa que se suma a Ia mejora del terreno por las inyeccio-nes. Asimismo, los TAMs verticales de acero, en las sub areas 81 y 82, ambos \ados de los tune\es, tienen por objeto funcionar como unos micropilotes sabre los que se apoya /a /osa de sue/a tratado creada sabre los tune-\es, en e\ rio Lea .

Ejecucion del tratamiento

Perforaci6n para Ia instalaci6n de los tubos manguito AI momenta de publicar este articulo se ha-bian instalado todos los TAMs del area A y los taladros vertica\es, entre tab\estacas, de Ia sub-area 81.

Tratamiento

[Fig. 17].- TAMs subhorizontales instalados desde el pozo hexagonal a traves de orificios practicados en las tablestacas.

I [Fig. 20].- TAMs instalados entre las tablestacas del cofferdam y las tablestacas en Ia margen del rio Lea.

En general , los taladros para instalar los TAMs se han perforado rotando Ia tuberia de revestimiento y limpiando con agua a presion por dentro de dicha tuberia.

En Ia Fig. 16 seve a Ia perforadora, dotada de una jaula de seguridad, preparada para ha-cer los taladros desde e\ pozo, en Ia Fig. 17 se aprecian los orificios hechos en las tablestacas para hacer los taladros sub horizontales (sub area A2) yen Ia Fig. 18 se observan los ta\a-dros vertica\es hechos en e\ fonda del pozo (sub-area A3). Asimismo, en Ia Fig. 19 apare-ce Ia perforadora ejecutando los taladros verti-cales alrededor del pozo hexagonal (sub area A 1), en Ia 20 se incluye una vista de los TAMs entre tablestacas ya instalados (sub area 81) yen las Figs. 21 y 22 se muestran, respectiva-

I [Figura 22).- Vista de los TAMs de PVC utilizados 37

[Fig. 18].- Taladros verticales perforados en el fonda del pozo hexagonal.

I [Fig. 21].- Vista de los TAMs de acero utilizados. mente, los TAMs de acero y de PVC utilizados.

La perforadora 1\evaba instalado un registra-dor de parametros de perforacion denomina-do Stagger, desarrollado por Ia Division de Oesarro//os Tecno/6gicos del Servicio Tecnico de GEOCISA. Este equipo tiene una pantal\a (Fig. 23) en Ia que e\ perforista puede ver en todo momenta los siguientes parametros de perforacion (Fig. 24):

Ve\ocidad de avance (cnn/minuto) Fuerza de empuje (kN) Par (kN.m) Ve\ocidad de rotacion (rpm)

I [Fig. 23].- Panel de control de Ia perforadora con Ia pantalla de control del registrador de parametros encima.

25101113 Casing: 1ing; 15:02:27 Angle M: 19 Tool: TRIALETA ing: 15:2":16 BoNhol: 10A Diameter (mm): 120 1: MAOUINA Equipment: CMV600 Depth (m): 9,16

I [Fig. 24].- Salida del registrador de parametros correspondiente a un taladro vertical alrededor del pozo.

A partir de los parametros anteriores, se calculo Ia energfa especffica de perforaci6n , en funcion de Ia cual se podia tener una idea del tipo de terreno atravesado.

Ademas de lo anterior, al terminar cada ta-ladro se hizo un control de desviacion, introdu-ciendo Ia sonda denominada HOAD-1 (Fig. 25-a), desarrollada tam bien por Ia Division de Desarrollos Tecnol6gicos del Servicio Tecnico de GEOCISA. Este equipo permite medir Ia posicion de los taladros segun las direcciones X (en el plano horizontal) e Y (en el plano verti-cal) mediante Ia determinacion del desplaza-miento relativo entre dos puntas separados

a-

PVC HOUSING ROD

I

8-a PROBE ELECTRONICS

X- YPROBE b

Tratamiento

I [Figura 26] .- Contenedor con planta de inyecci6n.

1.0 m (Fig 25-b). Tiene una pantalla (Fig. 25-c) en Ia que el perforista puede ver Ia desvia-cion del taladro en horizontal y en vertical (Fig. 25-d).

La desviacion medida en los taladros se mantuvo por debajo de un 1 % en horizontal y en vertical.

lnyeccion de los tubos manguito La inyeccion se realizo utilizando un doble

obturador conectado a una manguera a traves de Ia cual le llegaba Ia mezcla a in-yectar desde un contenedor provisto de 2 bombas (Fig. 26-a) , con cuatro lineas, una mezcladora y un tanque agitador (Fig. 26-b).

Este contenedor contaba con un sistema automatico de dosificacion de las mezclas y de programacion de los parametros de inyeccion (presion, cau-dal y volumen), en funcion de los tala-dros y manguitos a inyectar (Rg. 27),

preparado por Ia Divi-sion de Desarrollos Tec-nol6gicos del Servicio Tecnico de Geocisa.

En general , se reali-zaron 3 6 4 episodios o pasadas de inyeccion, siendo las dos prime-ras con lechada de ce-menta y Ia tercera o cuarto con silicatos. Las dosificaciones em-pleadas fueron:

lnyocci6n de se/lado: Agual cementa/ ben-

tonita (en peso): w/c: 1.5/1 bentonita: 3 %

lnyecci6n a traves de manguitos:

Agual cementa/ ben-ton ita (en peso):

w/c: 1/ 1

1nnun HhUU.It

.,, .... . u ti 1'H t4Ut tt f4tl ..... ,

Silicato (en volumen): 50% agua; 45% silicato; y 5% reactivo .

Las lechadas fueron sometidas a ensayos realizados en obra, como los que aparecen en Ia Fig. 28, para determinar su densidad, su viscosidad y su exudaci6n, y a ensayos de la-boratorio para determinar su resistencia a compresi6n simple.

Los criterios de cese de inyecci6n emplea-dos se resumen a continuaci6n:

..

.. .... ,, "

.. .. ..

.. .. .. . . ..

.. .. .. ..

.. .. .. ..

.. tt ra .. "

.. . " ..

" .. ..

.. ILll .. .. .. . ..

.. Ull .. .. .. .. .. .. ..

[Fig. 25] .- Equipo de contra de desviaci6n de taladros HDAD-1. bentonita: 2 % I [Rg. Z7].- Vtsta de las pantallas del sistema automatico de programaciOn de las inyecciones.

~ "2

~ 5

Tratamiento

1.7 AI uvial Terraza I ----1 0 ln')'tCd6n a tra...&s de Wlwlas ~

1.6 ~ lnyecci6n de setlado I VI PresiOn % suelo VI PresiOn % sualo mangulto manguito (I) (bar} tratado (I} (bar} tratado

1.5 1 episodio 72 6,6 8,2% 72 3,2 9,7% (cemento) 2' episodio 59 10,4 6,8% 66 6,0 9,5% (cemento) 3'eplsodlo 88 12,4 9,9% 64 4,9 7,7% (silicato)

1.2 4' episodio 22 13,4 3,8% 4 5,2 0,9% (slllcato} 1.1 Total 241 28,7% 206 27,8%

- -

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 I [TABLA 11].- Parametros del tmtamiento (Sub area A1).

Muestra No

30.0

~.0

20.0

15.0

10.0

5.0

a) descritas en los apartados previos: Registro de parametres

de perforacion (Fig. 25) Control automatico de

los parametres de inyec-cion (Figs. 26 y 27)

Ensayos de mezclas in situ (Fig. 28)

1 3 5 7 9 n a g n ~ ~ n ~ v ~ M ~ Muestra No

35 37

b)

Ademas de lo anterior, se realizo un seguimiento del tratamiento por media del programa denominado SAl (Sistema de Ausculta-ci6n lntegrada), desarrolla-do par GEOCISA, al cual se puede acceder via Web, para consultar todos los datos vinculados con Ia instalacion de los tubas manguito (Fig. 29) o con Ia ejecucion de las inyeccio-nes (Figs. 30 y 31) .

lnyecd6n trMs eM vilvula

...

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

Tambien se llevo a cabo un control de movimientos en Ia zona tratada (Figs. 32 y 33) para verificar que no se superaran los umbrales de alarrna que aparecen en Ia Tabla Ill.

t.t.JestraNo C)

I [Fig. 28].- Resultados de los ensayos de densidad (a), de viscosidad (b) y exudaci6n c). Volumen maximo de inyeccion: 70

litroslvalvula/episodio. Presion maxima de inyeccion:

o Aluvial: 15 bares o Terraza del rio: 5 bares

Relaci6n de volumen = Volumen de mez-cla I Volumen de terreno o Aluvial: 15-20% o Terraza del rio: 20-25%

A modo de ejemplo, en Ia Tabla II se inclu-ye un resumen de los parametres del trata-miento correspondientes a Ia sub area A 1.

Control de ejecuci6n El control de ejecucion tuvo par objetivo verifi-car que el tratamiento se hacia segun .lo espe-cificado e incluyo las sigu1entes act1v1dades

Control de Resultados El control de resultados se baso en los

siguientes trabajos: Analisis de los registros de admision

de mezcla y de presion en cada epi-sodio, los cuales perrnitieron compro-bar que se alcanzaron las relaciones de volumenes especificadas para Ia terraza del rio y las presiones de cierre indicadas para el aluvial.

Ensayos de penetraci6n dinamica y estatica, para verificar que Ia resisten-cia a com presion simple era superior al minima especificado (300 kPa).

Taladros a destroza con registro de parametres, en las zonas tratadas,

39

I [Fig. 29].- Pantalla del programa SA/ con datos sabre Ia instalaci6n de los tubas manguito en Ia sub area A2.

-Hiiii!fi!!!l!HHflf '!H'!li

Ill UiliiUli U i l !IU -iiiiiilllliii!l!i!ii.i'ill

Ull llillll illllllllll

-

I [Fig. 30].- Pantalla del programa SA/ con los volumenes de inyecci6n en Ia sub area A1 . I ... I I ... I 0 I ... I I . ... I I . -

I

1----_-..,_-,._-_ ~ --~-t ... .. ::. ~ -

... -

. -.. !. -. -... -. ~-.!!.._-

-i I iiHHI!'! H\H' ii" I !ill!!!

I U 1111!. Utili -li I iifi i i! li 'i l il! I II. it U

II lllttl lilt

-

I [Fig. 31].- Pantal/a del programa SA/ con las presiones de inyeccion en Ia sub area A1.

Movimiento vertical , mm

Pre-verde 17

Verde 30

Am bar 38

Rojo 47

I [TABLA Ill].- Umbrales de alarma para el cable de 400 kll. para mostrar el aumento significativo de Ia energia especifica de perforacion a causa del tratamiento con inyecciones.

Ensayos Lefranc, en los taladros anterio-res, para verificar que el coeficiente de permeabilidad de Ia terraza del rio era in-ferior al maximo especificado (5x1 U6 m/s).

La informacion obtenida con este control permitio concluir que el terreno tratado cumplia con los requisitos de resistencia al corte no drenada (aluvial con Su > 150 kPa) y de per-meabilidad (terraza del rio con k < 5x1 o6 m/s) fijados en el proyecto.

Resumen y conclusiones En Ia zona entre el portal de lanzamiento de las tuneladoras y el rio Lea, dentro del contrato C-305 de las obras de Crossrail, en Londres, se diseno un tratamiento del terreno en funcion del espesor de arcilla de Londres y de Ia co-bertera de tierras sobre Ia clave de los tuneles.

El objetivo de este tratamiento era disminuir Ia permeabilidad de Ia terraza del rio y mejorar Ia resistencia del aluvial por medio de inyeccio-nes de impregnacion y de fracturacion, res-pectivamente.

Este tratamiento se efectuo con tubos manguito de PVC y de acero, a traves de los cuales se inyectaron lechadas de cemento y de silicatos, en varios episodios, hasta alcan-zar unos volumenes y presiones prefijados.

Debido a las caracteristicas del Iugar, fue necesario instalar los tubos manguito en una combinacion de taladros verticales y horizon-tales desde pozo, para poder lograr tratar le terreno adecuadamente.

Tratamiento

I [Figura 32].-Controlde movimientos enelarea tratada. I

l 0 ! i >

-~~ 0 -

LEVELLING POINTS (SUBHORIZONTAL DRILLHOLES)

I

~ ;;: , - ::::::= _-..., _ -~--1 .6 ~ -!!~ I

0~2113

--LP15170 -- LP15171 LP15173 .....,._ lP15174 -- LP15175 -- LP15176 - LP15177 - LP15178 LP15181 LP15182 LP15183

a) LP15185 - LP15185 - LP15187 --+ LP15188

Durante Ia realiza-cion de los trabajos y con el objeto de veri-ficar que los mismos se llevaban a cabo segun las especifica-ciones, se realizo un control de ejecucion que incluyo los si-guientes trabajos: It

S.Ctlon1

--3011tv12 31/Hl/12 0111\112 02/1111

-- OS/11112 _... 0611111~ -+- 07111112- 0011111

::::::1-

Registro de pa-

rametros de -5:.-: 1----+-4---- LP151 -+-_;:.:::..___j_--l--+---l---1-----J.--1--~""-i-:-:-

0 c 1 4 Oi$laneeto~heetpilll(n'l) 10 13 15 b) 18 perforacion.

Control de las desviaciones de los taladros.

Control auto-matico de los parametros de inyeccion.

Ensayos de mezclas in situ y en laboratorio.

Control de mo- I [Figura 33].- Resultados del control de movimientos: a- Durante Ia y perforaci6n de los taladros sub horizontales (Sub area A2); b- En vimientos comparacion con los umbra-les de alarma.

funci6n de Ia distancia a/ pozo hexagonal (Sub area A1) y c- En funci6n de los episodios de inyecci6n (Sub area A1)

Utilizacion del programa de seguimiento, SAl.

AI finalizar las inyecciones en cada area se realizo un control de resultados que incluyo:

Analisis de los registros de admision de mezcla y de presion en cada episodio.

Ensayos de penetracion dinamica y estatica. Taladros con registro de parametros de

perforacion, en las zonas tratadas Ensayos Lefranc en los taladros anteriores.

Los datos obtenidos con este control per-mitieron concluir que el terreno tratado cumplia con los requisitos de resistencia al corte no drenada (aluvial con Su > 150 kPa) y de per-meabilidad (terraza del rio con k < 5x1 o6 m/s) establecidos en el diseno.

Los registros de los citados ensayos, que no estan disponibles para el autor del presente ar-

40

ticulo, podrian ser de gran utilidad para com-probar Ia posible validez del metoda propues-to, incluso para avanzar en su calibracion.

En definitiva, es posible que el ensayo pre-siometrico nos este mostrando que Ia resisten-cia a! corte sin drenaje de las arcillas pre-conso-lidadas es muy superior a los valores habitual-mente considerados, en consonancia con su naturaleza y su historia de tensiones efectivas.

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