Congelamiento artificial del suelo para la remediación de una cámara de acceso a un túnel

*Por G. Lancellotta, V. Pastore, G. Tonoli, del Studio Geotécnico Italiano s.r.l, Milán, Italia.
L.G. de Mello, de Vecttor Projetos S / C LTDA; Prof. Escuela Politécnica USP, Brasil. J. Sopko, Director Ground Freezing, Moretrench American Corporation, Estados Unidos.
G. G. Gomes, de CNO, Odebrecht, Brasil. y R. Aradas, de Halcrow Group Ltd, Argentina.

(Para ver las figuras haga click aquí)

 Sistema de abastecimiento en Buenos Aires, Argentina

El siguiente trabajo fue presentado en la 19° Conferencia Geotécnica del Sudeste Asiático y la 2° Conferencia AGSSEA realizada en Kuala Lumpur del 31 de mayo al 3 de junio de 2016.

La técnica de congelamiento artificial del suelo (AGF) es una metodología de mejora del suelo bien probada, utilizada en todo el mundo para permitir construcción de pozos, túneles y muchas otras estructuras civiles en subsuelo o condiciones ambientales difíciles. Este fue el caso encontrado
durante el trabajo de recuperación para rescatar la cámara de acceso 3 (parte del proyecto Sistema de Potabilización Área Norte), y para gestionar con un riesgo mínimo y permitir la implementación del trabajo posterior. El congelamiento artificial del suelo era la opción técnicamente preferida.
Este documento describe cómo AGF por el método indirecto (método de salmuera) se implementó con éxito, y los datos de monitoreo se utilizaron para verificar y controlar la evolución y la eficacia del proceso.

1. INTRODUCCIÓN
El proyecto Sistema de Potabilización Área Norte en Buenos Aires, Argentina, comprendió, entre sus varias obras, la construcción de un túnel de agua para proveer agua potable para 2.5 millones de residentes en el norte de la provincia de Buenos Aires. El túnel se desarrolló a lo largo de 15 km con un diámetro de 3,6 m. El proyecto incluyó cinco cámaras de acceso y ocho pozos de ventilación. Durante la excavación de la cámara de acceso 3, ocurrió una entrada de agua subterránea a través de la pared periférica de los muros colados, y / o a través del sello inferior de inyección de lechada en el sobrecorte de la excavación del túnel. Luego de diversos intentos de reparación, no se pudo revertir la situación. Por lo tanto, la cámara quedó lleno de hormigón pobre por encima de la corona del túnel para permitir el paso de la tunelera (TBM), mientras que el resto de la cámara permaneció inundada. La metodología de congelamiento del suelo artificial fue la técnica preferida para el trabajo de recuperación de la cámara de accceso 3 con riesgo mínimo. Esta técnica permitió que las obras posteriores fueran implementadas (es decir, el vaciado de la cámara, la instalación del revestimiento de hormigón final y la construcción de las obras de terminación), manejando las dificultades técnicas asociadas. Una situación geométrica bastante difícil y única. No se permitió ejecutar perforaciones en el revestimiento del túnel, lo que forzó la necesidad de ejecutar una serie de tubos de congelamiento inclinados, mediante largas tuberías para tratar el suelo inmediatamente debajo del invertido del túnel. Asimismo, para evitar posibles daños y acelerar el proceso de congelamiento se colocó un sistema de tuberías de adicionales dentro del revestimiento del túnel.
Aguas del Paraná comisionó a la empresa Moretrench para diseñar y construir el sistema de congelamiento del suelo, y a SGI S.R.L., para validar (mediante diseño independiente) el proyecto de la congelamiento del suelo del proyecto.
La técnica demostró ser un método exitoso para este proyecto, permitiendo que las tareas de remediación y construcción posterior se realicen en condiciones seguras.

2. PERFIL DEL SUELO Y ASPECTOS GEOTÉCNICOS
El perfil local del suelo puede describirse como compuesto por cinco horizontes estratigráficos, en función de su comportamiento esperado (ver Figura 1). El horizonte I, desde el nivel 0 hasta aproximadamente el nivel -6 m, está compuesto por un limo arenoso de baja consistencia y permeabilidad (k) de 1 x 10-6 m/s. El horizonte II, desde el nivel -6 m a aproximadamente el nivel -16 m, está compuesto por una arcilla blanda de alta plasticidad con una permeabilidad esperada en el orden de 1×10-9 a 5×10-9 m/s. El horizonte III se desarrolla desde aproximadamente el nivel -16 hasta aproximadamente el nivel -26 m, y consiste en arena firmel e imo con capas intermedias menores de arena limosa de media a densa, con una permeabilidad esperada del orden de 1×10-8 a 5×10-8 m/s. El horizonte IV, que va desde aproximadamente el nivel -26 hasta aproximadamente el nivel -45 m, está compuesto por las arenas densas de la formación Puelche. Esta última formación representa el mayor acuífero y la permeabilidad esperada se ha estimado en el orden de 1×10-3 m/s. Finalmente, por debajo del manto de arenas Puelche está el horizonte V, una arcilla dura de consistencia dura de la formación Paraná.
La superficie freática se detectó a 1 m de profundidad del nivel del terreno natural.
Como ya se mencionó en la introducción, el principal desafío del proyecto consistía en congelar el terreno alrededor de la entrada/salida del túnel, que fue excavado dentro de los horizontes II y III. En particular, el congelamiento del suelo se realizó del Horizonte I al Horizonte IV, con los tubos de congelamiento penetrando en la capa de arcilla (Horizonte V) para proporcionar una barrera al agua subterránea en el estrato de mayor competencia.

3. PLAN DE TRABAJO Y DISEÑO DEL SISTEMA DE CONGELAMIENTO
El concepto básico de congelamiento artificial del suelo es que el suelo y el agua alojada en los poros se congela para crear una masa de suelo congelado con una mayor resistencia a la compresión y de excelente «impermeabilidad». El control del agua subterránea es esencial para permitir la construcción en seco de obras subterráneas; en ese sentido, el AGF crea una pared sólida de hielo alrededor de la estructura que proporciona un corte a la afluencia de agua subterránea.
El método implica la extracción del calor del suelo, hasta que su temperatura caiga por debajo del punto de congelamiento del agua subterránea, para luego mantener el nivel de temperatura alcanzado. El suelo se enfría haciendo circular un fluido refrigerante por las tuberías congeladas regularmente espaciadas colocadas en el suelo. Hay dos metodologías de congelamiento disponibles: el método indirecto (o método de salmuera) y el método directo (con nitrógeno líquido). El método indirecto fue la metodología adoptada para esta obra.
El método de salmuera es un proceso cerrado que requiere el uso de una gran planta de refrigeración primaria, conectada a un sistema refrigerante secundario. Este consiste en una bomba de salmuera, que está continuamente circulando a través de un distribuidor múltiple en la superficie del suelo y tuberías de refrigeración instaladas en el suelo (ver Figura 2). El exterior
y los tubos internos que forman los tubos de congelamiento se hacen de acero y polietileno respectivamente. La salmuera es en general una solución de cloruro de calcio.
La planta de congelamiento enfría la solución de cloruro, típicamente a temperaturas de -25 a -35 ° C, y se bombea al circuito cerrado. La salmuera más cálida que regresa de las tuberías de congelamiento a través del sistema colector de superficie aislada se vuelve a enfriar y recircula en el circuito cerrado.
El objetivo del diseño de este proyecto era proporcionar una estructura cilíndrica de suelo congelado de aproximadamente 2 m de espesor alrededor de la cámara. Para lograr el objetivo mencionado anteriormente, el diseño preveía la disposición de 68 tuberías de refrigeración, a una distancia de la pared de muro colado de aproximadamente 3 m, y un sistema de anillos de enfriamiento de contacto instalados unidos al revestimiento existente del túnel de dovelas. Este sistema adicional mantuvo bajas temperaturas en el revestimiento de hormigón para facilitar el sellado de la interfaz entre el suelo congelado y el revestimiento del túnel.
Los tubos de congelamiento se colocan alrededor del perímetro de la cámara distanciados aproximadamente 1.0 m en el centro. Las tuberías forman un anillo de vertical, con una longitud que varía de entre 17 m (en los sectores de break in/out de la cámara) a 55 m, y tuberías inclinadas para lograr el congelamiento del suelo debajo del túnel invertido en el área de entrada y salida de la cámara (break in/out, ver Figura 3).
El proceso de diseño incluyó la evaluación del tiempo requerido para lograr el espesor de pared de suelo congelado deseado, y requirió establecer un punto de referencia para verificar los datos de monitoreo durante el proceso de congelamiento (de manera de poder capturar posibles anomalías que ocurren durante el proceso).
Para lograr este objetivo, el diseño térmico se realizó con el soporte del software TEMP / W, desarrollado por Geo-Slope International Ltd, Canadá. En particular, el modelo consideró las tuberías de congelamiento con una transferencia de calor por convección, características del refrigerante (salmuera) y caudal de refrigerante para calcular la eliminación de calor real
de cada tubo de congelamiento. El calor eliminado es una función de la temperatura del suelo, temperatura de salmuera, caudal de salmuera y geometría de tubería.
No se analizó el levantamiento de fondo o cualquier cambio volumétrico del suelo por congelamiento, dado que la modelación tenía solamente como objetivo evaluar procesos de conducción de calor.
La adecuación del diseño se verificó a través de un extenso análisis térmico 2D que investiga el impacto de factores múltiples en los resultados de AGF, incluyendo el diseño del layout de tuberías requeridas para el proceso, eventuales desvíos de la geometría diseñada, separación de tuberías, propiedades térmicas del suelo, contenido de humedad del suelo, temperatura inicial del suelo y
temperatura de salmuera. En este caso en particular, el punto de partida de la formación de la pared de suelo congelada se rige por el comportamiento del limo arenoso, Horizonte III, y el layout de las tuberías de congelamiento alrededor de las zonas de break in/out. Estas dos condiciones dictaron el diseño térmico.
Una vez que se obtuvo el layout conforme a obra de las tuberías de congelamiento, se realizaron análisis numéricos para verificar los tiempos y requisitos para lograr el espesor deseado de la pared congelada basado en las hipótesis previamente adoptadas.
Las entradas del modelo son: la geometría del tubo de congelamiento; el flujo de calor, condición límite de las tuberías (en este caso, una temperatura constante de -25 ° C para la salmuera); la temperatura del suelo (variando entre 12 y 18 ° C). Las condiciones de contorno del modelo
suponen una temperatura constante igual a la temperatura del suelo antes del proceso de congelamiento.
La Figura 4 muestra líneas de igual temperatura y el avance del frente de congelamiento transcurridos 55 días desde el comienzo de la congelamiento del suelo en dos planos diferentes, correspondientes a 1 m por sobre la corona y en el eje del túnel respectivamente.
Las tuberías de congelamiento se diseñaron para penetrar en la capa de arcilla ubicada aproximadamente 46-48 m por debajo del terreno natural, para proporcionar un corte en el flujo del agua subterránea en el manto de mayor competencia acuífera. Las tuberías de congelamiento individuales se instalaron usando métodos ordinarios de perforación rotativa.
Durante la operación de perforación, la profundidad del horizonte de arcilla era determinado mediante la detección cuidadosa de los siguientes puntos: cortes de suelo en la circulación de lodo, velocidad de rotación de perforación, acción de la bomba de lodo y
circulación de lodo de perforación (flujo reducido). Finalmente, todas las tuberías de acero se sometieron a la presión de prueba y se monitorearon con un inclinómetro para verificar su inclinación conforme a obra.

4. PROCESO DE CONGELAMIENTO DE TIERRA Y MONITOREO
El proceso de congelamiento es una técnica altamente especializada que requiere un sistema de monitoreo continuo y cuidadosamente diseñado para comprobar la evolución del proceso.
Por lo tanto, se implementó un sistema automatizado de adquisición de datos para medir la temperatura del suelo, los niveles de agua subterránea y la temperatura de la salmuera.
El sistema utilizado para medir la temperatura del suelo estaba compuesto de cadenas termométricas, donde cada cadena tenía una serie de sensores espaciados cada 3,8 m.
Los parámetros de congelamiento registrados se procesaron e interpretaron para seguir el proceso durante su desarrollo. En especial:
-Se observó la temperatura del suelo en función del tiempo para cada sensor de la cadena. Por ejemplo, la Figura 4 muestra la evolución típica de la temperatura del suelo detectada por el
termostato TM22.
-La temperatura del suelo también se observó en función de la distancia entre el sensor y el tubo de congelamiento más cercano. Las Figuras 5 y 6 muestran los diferentes desarrollos para el congelamiento del suelo en limo y arena, respectivamente. Se observa que la formación y velocidad de desarrollo del cuerpo congelado es estrictamente dependiente de la distancia desde las tuberías de congelamiento y del tipo de material.
Los datos de monitoreo muestran que el cierre de la pared congelada (con el espesor de diseño requerido) ocurrió 54 días (8 semanas) desde el inicio del congelamiento. Los análisis realizados en la etapa de diseño resultaron en conformidad con este resultado.
Para verificar la continuidad de la formación del muro congelado y su consistencia con el diseño, se usaron los piezómetros exteriores a la cámara para monitorear la reducción de los niveles de agua subterránea mediante pruebas de bombeo en intervalos de 1m. Los datos registrados confirmaron que no había flujo de agua subterránea hasta el interior del pozo, indicando que el muro de tierra congelado proporcionó el corte requerido aislando el interior del eje.

5. OBSERVACIONES FINALES
Es bien sabido que, cuando se trata de mejorar el terreno con distintas técnicas, el congelamiento del suelo representa una solución bastante única para suelos y condiciones ambientales difíciles.
Asimismo, esta técnica no puede considerarse como una técnica rutinaria, dado que requiere experiencia adquirida en bastante variedad de proyectos para juzgar su factibilidad en el caso bajo
consideración.
Además de esta experiencia, es de suma importancia contar con un sistema de monitoreo diseñado adecuadamente, ya que permite obtener parámetros de diagnóstico que pueden ayudar a evaluar, en tiempo real, el desarrollo del proceso de congelamiento y detectar desvíos inesperados, como siempre se alude en un método observacional.
Por todas las razones mencionadas anteriormente, siempre es importante en la ingeniería práctica disponer de una buena colección casos de estudio bien documentados; en ese sentido, el objetivo de este artículo es contribuir en dicha dirección, mostrando cómo la técnica fue exitosa para resolver una condición difícil y atípica durante la excavación de una importante cámara soterrada.

6. AGRADECIMIENTOS
El logro de los resultados presentados se pudo plasmar a través del trabajo en equipo que involucró a las siguientes empresas: Aguas del Paraná (propietario), Odebrecht (contratista general), Halcrow (proyectista estructural), Moretrench (contratista y diseñador de congelamiento de suelos),
Fundaciones Especiales (subcontratista de perforación), Prof. O. Vardé y el Prof. de Mello (consultor geotécnico), SGI S.R.L. (expertos en congelamiento de suelos para la validación del proyecto).