Planta de pretratamiento de líquidos cloacales, Buenos Aires, Argentina.
5° Congreso Mexicano de Ingeniería de Túneles y Obras Subterráneas
*Por el Ing. Jorge G. Laiun, jlaiun@srk.com.ar y el Ing. Pedro M. Fernández, pfernandez@srk.com.ar. Ambos de SRK Consulting (Argentina) y Universidad de Buenos Aires, Argentina.
INTRODUCCIÓN
El Sistema Riachuelo es una ampliación del sistema troncal de cloacas en el área metropolitana de Buenos Aires para mejora del transporte y calidad de los desagües cloacales y evitar la contaminación del Riachuelo, con impacto en 4.3 millones de personas y con capacidad de atender a futuro a unos 1.5 millones de habitantes (Figura 1). Con capacidad de tratar hasta 27 m³/s de efluentes, se compone del colector margen izquierda y baja costanera, planta de pretratamiento Riachuelo (estación elevadora de entrada, piletas de filtrado y estación elevadora de salida) y un túnel emisario para vuelco y dilución al Río de la Plata, con capacidad de filtrar sólidos gruesos, medianos y finos, grasas y arenas.
La planta de pretratamiento se ubica en la costa de Dock Sud, Buenos Aires, Argentina. La interfaz entre la Sala de Gruesos y la Estación Elevadora de Entrada constituye un límite físico contractual para los contratos del Lote 1 y Lote 2 (Figura 2), motivo por el cual las soluciones estructurales son independientes. Ambas obras son pozos circulares cuyo sostenimiento primario es un muro colado con paneles de 2.80m x 1.20m.
El diseño original contemplaba una conexión horizontal de 5.0m x 5.50m entre ambos pozos, por lo que se previó un refuerzo estructural de los paneles de muro colado aledaños a la abertura y a la ejecución de dos paneles de hormigón plástico a cada lado del pase para estabilización del suelo y control de ingreso de agua de napa. Posterior a la ejecución del muro colado de los pozos, un rediseño hidráulico elevó el área de la conexión a 10.30m x 9.95m, quedando las previsiones originales obsoletas (Figura 3).
En consecuencia, se debió replantear el procedimiento constructivo de la conexión considerando la presencia de arcillas blandas normalmente consolidadas y el debilitamiento estructural del muro colado debido a la nueva abertura.
GEOTECNIA DEL SITIO
Existen seis unidades geotécnicas de relevancia en el sitio (Fig. 3b):
• Unidad 1 – Rellenos antrópicos: arcillas de consistencia blanda con presencia de escombros y restos de basura.
• Unidad 2 – Formación Post Pampeano: depósito de suelos blandos aportados por el Río Paraná y el Río de la Plata (Sfriso, 1997). En general se distingue un primer estrato de arenas finas limosas y limos arenosos (unidad 2a) y un segundo estrato de arcillas blandas de alta plasticidad (Unidad 2b).
• Unidad 3 – Formación Pampeano: loess modificado, preconsolidado por desecación, fisurado, alta permeabilidad secundaria, cementado por carbonatos de calcio y oxido de manganeso. Se reconocen tres grados de cementación: (i) en forma de nódulos aislados en una matriz preconsolidada no cementada; (ii) en forma de matriz de cementación intermedia con algunos nódulos fuertemente cementados; (iii) lo que se conoce comúnmente como “tosca”, que tiene la misma matriz medianamente cementada e inclusiones grandes, muy resistentes, producidas por precipitación de carbonato de calcio (Nuñez y Micucci, 1986). La Fm. Pampeano fue erosionado por el Río de La Plata y por el Matanza, Riachuelo, por lo que tiene espesor muy variable cerca de estos cauces.
El contacto -entre el Pampeano y el Puelche- está formado por capas intercaladas de suelos de transición, que se clasifican en general como limos de baja plasticidad (ML) no cementados, arcillas de alta plasticidad (CH) e intercalaciones de suelos granulares arenosos (Unidad 3b)
• Unidad 4 – Formación Puelchense: acuífero semiconfinado compuesto por arenas densas silíceas, pobre a bien graduadas, con tamaño medio de partícula creciente con la profundidad, sin cementación, con bajo contenido de finos y origen fluvial (Codevilla, 2011). En los lugares en los que el Pampeano fue completamente erosionado se presenta el contacto entre Postpampeano y Puelche, que puede ser franco entre arcillas muy blandas y arenas densas, o con algunos suelos de transición intercalados.
La base de la Fm. Puelche está caracterizada por niveles limo-arcillosos, con una importante participación de la fracción arenosa y gravillosa y algunas gravas.
• Unidad 5 – Formación Paranaense: arcillas verdes o verdeazuladas de alta plasticidad y bajo contenido de limo. El techo de estas arcillas es considerablemente neto, pero no es horizontal. Tiene una variación de profundidad no despreciable dada por la erosión ocurrida durante el periodo entre el fin de la ingresión marina del Paranaense y el comienzo de la posgradación continental erosiva que dio origen a la Fm. Puelches.
• Unidad 6 – Formación Olivos: sedimentos compuestos por arcilitas pardo-rojizas y limolitas algo margosas, en parte yesíferas con calcáreos nodulares y algo de vidrio volcánico y niveles arenosos preferentemente eólicos (Rimoldi 2001).
La Figura 4 muestra la estratigrafía resultante de la campaña geotécnica efectuada. En la Tabla 1 se muestran los espesores y valores adoptados de los parámetros geotécnicos del suelo para cada una de las unidades geotécnicas anteriormente mencionadas (Figura 4 y Tabla 1).
SOLUCION PROPUESTA
El pase intercepta suelos blandos normalmente consolidados impermeables de la unidad 2b y suelos competentes altamente permeables de la unidad 3, y se ubica a unos 8.50m de un acuífero de la unidad 4 con un nivel piezométrico en ~+16.0.
Las consideraciones principales analizadas para la ejecución de la conexión fueron: control de ingreso de agua en una estratigrafía heterogénea, inestabilidad local del suelo expuesto no confinado, ingreso de flujo de agua arrastrando arenas provenientes de la unidad 4, constructibilidad del pase y consecuencias económicas y programáticas de una eventual falla. Mediante una matriz multicriterio se consideraron las siguientes alternativas constructivas: abatimiento con pozos profundos en conjunto con tablestacas, paneles de hormigón plástico fundadas en la unidad 5 y jet grouting localizado en la zona de la abertura. Esta última alternativa fue la seleccionada como la más conveniente.
En la Figura 5 se muestra el prediseño del área a tratar con jet grouting y la ubicación de perforaciones horizontales de inyección eventuales en la zona de tangencia entre los muros colados. Se consideró la ejecución de 8 perforaciones horizontales de control para extracción de testigos y medición de caudal de ingreso. Se adoptaron dos criterios de diseño: extender el tratamiento unos ~5m mínimo del borde del vano (~50% de la longitud del vano) para que se desarrollen esfuerzos internos de compresión en arco y poca tracción; mantener un gradiente hidráulico parejo y no mayor a 4 en la zona de jet grouting en cada uno de los laterales del vano (4=20m/5m para los laterales, 3.88=33m/8.50m para el lado inferior, 2.0=10m/5m para el lado superior) (Figura 5).
DISEÑO DEL JET GROUTING
El diseño del jet grouting involucra la estimación del diámetro de tratamiento por columna, separación, arreglo, desvíos de posicionamiento e inclinación de las columnas, especificación de una resistencia objetivo del suelo tratado. Se contaba con experiencia previa de jet grouting bi- fluido en otro sector de la planta, por lo que se accedió a información relevante sobre desvíos constructivos y diámetros alcanzados en cada unidad geotécnica, las cuales se resumen a continuación:
• Desvío de replanteo (DR): valor medio 0.025m, valor máximo 0.05m;
• Desvío vertical (DV): valor medio 0.60%, valor
con 90% de confianza 0.85%;
• Diámetro tratado en unidad U3 (D): ~1.40m.
Para un patrón de columnas de jetgrouting a tresbolillo se requiere una relación entre la separación S y diámetro de la columna D menor a 0.87 (Giuseppe Modoni et al.) para que haya superposición de las columnas. Si a separación S se le resta el desvío vertical medio DV a la profundidad H (~30m) de las tres columnas alejándose entre ellas, y el desvío de replanteo medio DR, tenemos en la ecuación 1 la expresión de la separación de diseño para las columnas.
𝑆 = 0.87𝐷 − 𝐷𝑉 ∙ 𝐻 ∙ √3 − 𝐷𝑅 = ~0.88𝑚 (1)
En la Figura 6 se indica en planta la posición inicialmente propuesta de las columnas a tresbolillo en la zona a tratar entre los pozos, a confirmar mediante un campo de prueba.
Las resistencias de diseño adoptadas para el jet grouting (confianza >95%.) se indican en la Tabla 2, según recomendaciones de la Japan Jet Grouting Association basadas en análisis estadístico de resultados experimentales de resistencia a compresión simple no confinada.
MODELO DE ANÁLISIS
Se ejecutó un modelo numérico tridimensional con el software Plaxis 3D. Se modelaron todas las etapas constructivas, se determinaron las solicitaciones y presiones sobre la estructura de conexión y se determinó la seguridad del procedimiento constructivo en cada una de las etapas.
Se utilizó Hardening Soil Model Small como modelo constitutivo y se efectuó el análisis condiciones drenadas. La Figura 7 muestra la malla utilizada, conformada por 602972 nodos y 420091 elementos de 10 nodos con un tamaño promedio de 3.1m.
Procedimiento constructivo
La Figura 8 muestra las etapas correspondientes al procedimiento constructivo modelado. A saber,
• Fase inicial: cálculo del peso propio de cada material,
tensiones efectivas iniciales y presión de poros inicial debida al nivel freático.
• Activación de sobrecarga superficial;
• Ejecución de muros colados y excavación interior (en seco) de la Fosa de Gruesos.
• Ejecución (en seco) de la losa de fondo de la Fosa de
Gruesos.
• Ejecución de muros colados y excavación interior (en seco) de la Estación Elevadora de Entrada.
• Ejecución (en seco) de la losa de fondo de la Estación
Elevadora de Entrada.
• Ejecución del revestimiento secundario.
• Ejecución de columnas de Jet Grouting.
• Demolición de muro colado y excavación del vano entre pozos.
Materiales
Todos los materiales asociados a los elementos que conforman la estructura del pozo han sido modelados con un comportamiento elástico lineal. Tanto el muro colado, como la losa de fondo, han sido modelados con elementos de placa y el revestimiento secundario, con elementos volumétricos.
Respecto al Jet Grouting, este ha sido modelado como un continuo con elementos volumétricos y un comportamiento tipo Mohr Coulomb con las siguientes propiedades: módulo de elasticidad: 4.5 GPa; coeficiente de Poisson: 0.20; cohesión efectiva: 300 kPa; ángulo de fricción: 0 deg; resistencia a la tracción: 0kPa.
Interfases
La contracción por secado del revestimiento secundario de los pozos circulares produce una disminución de las presiones de contacto contra el muro colado, pudiendo eventualmente llegar a una situación de despegue. Por tal motivo, conservadoramente se minimiza la fricción en la interfase a un valor mínimo. En la zona alrededor de la abertura se colocan pernos de corte de acero para conexión de ambas estructuras y recalzar al muro colado. En resumen, se adoptó coeficientes de reducción de interfases de Rinter=1 y Rinter=0.10 alrededor de la abertura y por fuera de esta respectivamente (Figura 9).
Respecto a la interfase entre las columnas de Jet Grouting y las inyecciones secundarias, debido a que puede haber residuos de lodos bentónicos al momento de ejecución de los muros colados, se adoptó un coeficiente de reducción de interfase Rinter=0.30 (Figura 10), compatible con la adherencia indicada en la Tabla 2 (f/c=0.30, siendo f: bond strength y c: cohesive strength).
Resultados
Sostenimiento primario – Muros Colados
La Figura 11 muestra los esfuerzos normales en la pantalla de muros colados al ejecutar el pase de conexión. Los esfuerzos normales circunferenciales máximos de compresión originados en la parte superior del vano son del orden de los 9 MN/m y las tracciones verticales máximas en el lateral del vano del orden de 2.5 MN/m, la cual es equilibrada por la armadura vertical del muro colado.
Revestimiento secundario
La Figura 12 muestra la concentración de tensiones en la zona de la abertura del revestimiento secundario de hormigón armado de 0.70m de espesor de la Estación Elevadora de Entrada al ejecutar el pase de conexión. Las tensiones máximas son del orden de los 3MPa en compresión y 2.5MPa en tracción.
Jet Grounting
La Figura 13 a,b muestra las tensiones principales obtenidas en la masa de jet grouting. Se puede observar que la tensión principal máxima es 0.19 MPa y la mínima es 1.8 MPa.
La Figura 13c muestra los puntos plásticos al momento de ejecutar el pase de conexión. Se observa puntos de falla por Mohr Coulomb (en rojo) en la zona de las esquinas compatible con una concentración de tensiones de compresión, y puntos de falla por tracción (en azul) compatible con el desvío de tensiones de compresión que llegan al vano. Por fuera de la zona de falla por tracción, se mantiene un sector adecuado de jet grouting en régimen elástico, lo que se traduce en una masa de suelo-cemento sin fisurar que mantiene su permeabilidad y resistencia intacta.
Seguridad
Se determinó el factor de seguridad por el método phi-c reduction únicamente para el volumen de suelo de jet grouting. La Figura 14 muestra el modo de falla obtenido, en donde ocurre un levantamiento del suelo-cemento por efecto de la presión hidráulica del acuífero Puelchense (Unidad 4), siendo el factor de seguridad mayor a 3.0.
EJECUCIÓN DEL JET GROUTING
Equipamiento
El sistema empleado para la ejecución del jet grouting es un equipo perforador SM 525 Soilmec (Figura 15a) sobre orugas empleando barras de perforación/inyección de 114mm de diámetro con 2 conductos coaxiales, monitor de tratamiento TREVIJET T1/S bi-fluido lechada de cemento – aire (Figura 15b), bomba de inyección 7T-500J (Figura 16a), planta elaboradora de lechada IM-20 (Figura 16b), equipo de registro de parámetros y control Jean Lutz LT-3.
Campo de prueba
El campo de prueba se divide en dos etapas. En la primera se realizaron 5 columnas de tratamiento, CP01 a CP05, de unos 37m de profundidad con los parámetros de operación indicados en la Tabla 3. Se realizó extracción de testigos NQ 47.6mm a 0.65m/0.70m del eje de la columna de tratamiento, cuyos resultados se describen a continuación:
• CP01: recuperación ~53%, tramos sin cementar.
• CP02: sin recuperación de testigo.
• CP03: recuperación ~62%, tramos sin cementar.
• CP04: recuperación ~63%, tramos sin cementar.
• CP05: recuperación ~64%, testigos cementados con roturas mecánicas debido a las vibraciones y maniobras de extracción (Figura 17 y Tabla 3).
Seleccionados los parámetros de operación CP5 para la ejecución de las columnas, se avanzó con la segunda etapa del campo de prueba consistente en ejecutar dos columnas adicionales a tresbolillo de la CP5 a una distancia de 0.94m entre centros. El testigo extraído en la zona de solape de las tres columnas tubo una recuperación del 100% con excelente grado de cementación y homogeneidad (Figura 18), con una conductibilidad hidráulica (ASTM D5084 – método C) de 5.3×10-8 m/s y 2.1×10-7m/s a 17.50m y 18.87m de profundidad respectivamente, una resistencia a compresión simple (ASTM D2938, D2166) de 1.79MPa con deformación axial en falla de 0.55% a una profundidad de 16.18m (Figura 19).
Secuencia constructiva
En paralelo con la ejecución del tratamiento según los parámetros del CP5, se avanzó con la construcción de los revestimientos interiores a cada uno de los pozos junto con los marcos de refuerzo estructural alrededor de la zona de la abertura (Figura 20 y Figura 21).
Terminada la ejecución del jet grouting, se procedió a realizar perforaciones horizontales en el perímetro de la abertura (Figura 22) para verificar que el caudal de agua de ingreso se encuentre dentro de lo especificado y para control de la calidad del suelo-cemento. Los testigos extraídos se presentaban cementados, compactos y no friables, con fracturas concoideas producto de la extracción, siendo la interfase con el hormigón continua sin signos de debilidad evidente (Figura 23).
En el 80% de los casos, el goteo de agua emergente de las perforaciones producía manchas de humedad, mientras que en el 20% restante el goteo era mínimo y llegaba hasta el piso. Se concluyó el éxito del tratamiento y que no se justificaba realizar inyecciones de consolidación. Se procedió con el corte de la abertura empleando hilo diamantado formando bloques de hormigón de peso variable de entre 50 kN a 16 kN en sentido ascendente a fin de dejar caer los bloques en caída libre sobre un colchón de arena de 1.0m de espesor, manteniendo constante la fuerza de impacto.
Finalizada el corte de la abertura (Figura 24), el jet grouting expuesto presentaba manchas de humedad en la zona de contacto con el muro de hormigón, las que no generaron inconvenientes al momento de ejecutar la estructura de conexión entre ambos pozos (Figura 25).
CONCLUSIONES
Se presentó el caso de una obra de infraestructura urbana en donde dos pozos tangentes profundos existentes ejecutados con la técnica de muros colados debían ser conectados en profundidad bajo condicionantes muy adversos. Se describe todo el proceso solución, lo que abarca la identificación de la problemática, la selección de la solución más conveniente empleando jet grouting, el diseño y la construcción. El mejoramiento de suelo por jet grouting, a pesar de ser un tratamiento costoso, presentaba ventajas en cuanto a ser una solución técnica inobjetable así como garantizar el programa de obra y minimizar el riesgo de fallas.
Los autores del presente trabajo agradecen a la UTE Fisia Italimpianti – Acciona por la confianza y apoyo brindado en el trabajo aquí desarrollado.
REFERENCIAS, SÍMBOLOS Y UNIDADES
-Sfriso, A. (1997). Formación Postpampeano: Predicción de su comportamiento mecánico. In III Conferencia Latinoamericana de Ingenieros geotécnicos jóvenes, Caracas, A1-A10.
-Nunez, E., & Micucci, C. A. (1986). Proc 5th
International Congress International Association of Engineering Geology, Buenos Aires, 20-25 October, 1986 VI, P383-394 Publ Rotterdam AA Balkema, 1986. Engineering Geology, 6.
-Codevilla, M., & Sfriso, A. (2011). Actualización de la información geotécnica de los suelos de la Ciudad de Buenos Aires. XIV PCSMGE (Toronto, Canadá), paper, 988.
-Rimoldi, H. V. (2001). Carta geológico-geotécnica de la
Ciudad de Buenos Aires.
-Giuseppe Modoni et al. (2016) Design of Jet Grouted Excavation Bottom Plugs.
-M.P. Moseley & K. Kirsch. Ground Improvement. 2nd
edition.
-D2938-95R02 Test Method for Unconfined Compressive Strength of Intact Rock Core Specimens.
-D2166 Standard Test Method for Unconfined
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-D5084-03 Hydraulic Conductivity of Saturated Porous Materials Using a Flexible Wall Permeameter.
