17 Oct 17

Túneles: Mezclas y tratamientos con inyecciones de consolidación o de impermeabilización

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Durante la construcción de las obras subterráneas debido a problemas de orden geotécnico, y durante la operación de las mismas debido a incompatibilidades en su entorno, es necesario hacer tratamientos desde los frentes de excavación o desde la obra misma una vez esta está excavada. Durante construcción se puede necesitar mejorar el terreno para hacer la excavación y durante operación evitar flujos importantes hacia o desde el macizo de roca.

Debido al ambiente geológico en que se formó el sistema montañoso Andino, se debe enfrentar en la región durante la construcción de obras subterráneas problemas serios de estabilidad, filtraciones, expansión y otros asociados. En esos terrenos se necesita hacer tratamientos especiales de relleno, consolidación, refuerzo, impermeabilización o drenaje. Cuando el objetivo del tratamiento es la consolidación o la impermeabilización del terreno, estas se hacen mediante inyecciones con las denominadas lechadas de cemento, o de mortero, o de cemento con bentonita; o mediante la inyección de mezclas químicas.

Durante el diseño, se definen la geometría del tratamiento y los parámetros de las inyecciones para cumplir con el objetivo propuesto, los cuales deben estar relacionados con el medio geotécnico a inyectar, desde macizos rocosos sanos hasta depósitos recientes de materiales no consolidados.

construcción de túneles

Crédito: Excavación de los túneles de Chimalpa (México). Interempresas

PARÁMETROS DE INYECCIÓN

Generalidades

Durante la excavación de las obras subterráneas se encuentran terrenos con problemas geotécnicos que las puedan amenazar en su proceso constructivo. Se debe hacer entonces un diagnóstico de la situación encontrada para definir, entre las varias alternativas, la más práctica y económica que se pueda aplicar rápidamente para seguir con la construcción.

En algunos problemas de ingeniería en obras subterráneas se aplican soluciones mediante cambios en el sistema de excavación, en tanto que en otros se complementa y a veces se modifica el método de soporte. Pero en ocasiones, y en especial cuando el problema está asociado a la presencia de agua, ya sea por el caudal, por la presión, o por el daño que causa, la alternativa que se escoge tiene como base un trabajo exhaustivo de inyecciones.

Las incógnitas que presenta el medio geotécnico ampliadas con las variables de los sistemas de inyección, hacen necesario planear detalladamente los trabajos en cada etapa, para lo cual se debe tener claro el objetivo del procedimiento que se va a aplicar. En casos específicos y una vez identificado el problema, se puede establecer si las inyecciones que se van a hacer serán para mejorar las condiciones de resistencia de la masa de roca o para modificar su conductividad hidráulica. Se define un sistema de inyecciones de consolidación para el primero de los casos, o un sistema de inyecciones de impermeabilización para el otro.

En trabajos de carácter geotécnico en ocasiones es necesario aplicar métodos combinados, y se hace trabajos simultáneos de consolidación y de impermeabilización para enfrentar un mismo problema.

Para el diseño de los tratamientos con inyecciones de consolidación o de impermeabilización se estudian y definen los parámetros del sistema material-lechada los cuales son interdependientes en sus características, para lo cual se debe tener conocimiento directo o indirecto de las características del material a tratar, y de los materiales y de las mezclas que se van a inyectar mediante técnicas de laboratorio (Cambefort, H, 1977).

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Crédito: Metro de Lima. Desarrolloperuano.Blogspot.Com

Parámetros Principales

Se reconoce que entre las variables de los trabajos de inyección hay parámetros de magnitud medibles que permiten presentar en forma simple sus características. (Rodríguez, A., 1991)

  • Volumen de la inyección por etapa. Este volumen depende de la relación volumétrica. Se refiere al volumen de la mezcla por etapa o a la relación entre el volumen de mezcla a inyectar y el volumen del medio a tratar, definidos por la porosidad y la relación de vacíos del medio. Varía también con la geometría del tratamiento en función del espaciamiento entre las perforaciones y la longitud de cada etapa de inyección.
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  • Mezclas de inyección o lechadas. Las proporciones y tipos de lechada para cada uno de los objetivos se determinan en función de la apertura y de la persistencia de las fisuras de la masa de roca; o del diámetro efectivo, la granulometría y la relación de vacíos del depósito de suelo o del material rocoso muy triturado por tratar.
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  • Presión de inyección. La presión de inyección se determina para una presión de rechazo o hasta alcanzar una cantidad de mezcla tal que permita el objetivo de consolidación por compactación hidráulica progresiva del medio, o el de la impermeabilización máxima y más económica posible del mismo. No se debe dejar de lado la complicada relación que hay entre la presión y el flujo semiviscoso de una mezcla de inyección.
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  • Caudal de inyección. El caudal de inyección es un parámetro fundamental, y se recomienda que esté entre 0.2 m3/h y 3.0 m3/h, sin superar este valor. Los caudales pueden estar en valores intermedios que dependen del tiempo de fraguado de las mezclas inyectadas y del medio a tratar.
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  • Tiempo de inyección. Es un parámetro ignorado a menudo en la literatura técnica, y se define por la relación entre el volumen de inyección y el caudal promedio. Permite verificar la duración de inyección de una etapa y por tanto debe ser compatible con el tiempo de fraguado de la mezcla.

MEZCLAS PARA INYECCIÓN

Generalidades

Las mezclas para inyección denominadas lechadas de inyección o simplemente lechadas, están influidas por múltiples variables debido a las características de los materiales que las componen, lo que hace difícil entender su comportamiento. El cemento es el componente básico que posee sus propias reacciones químicas, las cuales se combinan con la interacción físico-química de los materiales que se adicionan a las lechadas. (Nagataki, S., et al, 1982). Los aditivos naturales son materiales muy finos que tienen el comportamiento del grupo de las arcillas y actúan a su vez con los aditivos químicos lo que hace más complicado el proceso de reacción.

El efecto de los procesos internos de las lechadas ayuda a comprender el por qué de la selección de las diferentes mezclas en cada uno de los casos prácticos. Pero el conocimiento de sus propiedades mecánicas que reflejan la influencia combinada de todas las interacciones físico-químicas, son las que permiten definir las mezclas que se utilizan en cada caso. Se puede entonces seleccionar la lechada con las características apropiadas para obtener los beneficios de la consolidación o de la impermeabilización de un terreno con determinado problema geotécnico.

En general la selección de la lechada se hace en función de las características granulométricas del material no consolidado o de la distribución de las fisuras de la masa de roca a inyectar. El análisis de esas características permite tener una apreciación del coeficiente de permeabilidad y tal vez de la porosidad del terreno lo que contribuye a la selección de los aditivos para mejorar las mezclas básicas.

Clases de Mezclas

En términos amplios las mezclas que se usan en los trabajos de inyección se pueden clasificar en dos categorías:

  • Líquidos verdaderos. Son fluidos del tipo newtoniano; son aquellos que se deslizan bajo la influencia de un esfuerzo cortante muy bajo, y cuya tasa de deformación es proporcional a ese esfuerzo cortante. Son conocidos como fluidos normales y para efecto de las inyecciones su penetrabilidad depende de la viscosidad. Los más usados son el gel de silicato y las resinas.
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  • Suspensiones. Son fluidos binghanian o plásticos, del tipo no-newtoniano; son aquellos que se deforman permanentemente bajo un esfuerzo mínimo llamado de fluencia. Son conocidos como fluidos atípicos; para efecto de las inyecciones tienen tixotropía y comportamiento reológico, y trabajan bajo leyes de flujo complejas. Las suspensiones más comunes son las lechadas simples a base de cemento, y las que tienen bentonita con algunas adiciones inertes como la arena fina. Su penetrabilidad depende de la finura de las partículas que la constituyen y su comportamiento está controlado por la exudación de las mezclas.

 

Nota aclaratoria de responsabilidad: Las observaciones contenidas en este documento son de carácter informativo y deben ser aplicadas y/o evaluadas por el constructor o usuario solamente en caso de considerarlas pertinentes. Por lo tanto, estas observaciones no comprometen a Argos, a sus filiales o a sus subordinados.


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