UNA BREVE HISTORIA DEL JET GROUTING EN LOS ÚLTIMOS 50 AÑOS

La técnica de utilizar chorros de agua de alta energía se aplicó por primera vez en la minería a principios del siglo XX, principalmente para excavar mineral de hierro, oro y carbón. Esta técnica, después de haber sido ampliamente desarrollada en Rusia, fue ampliamente utilizada en países de Europa del Este como Hungría, Polonia y la antigua Checoslovaquia. Las presiones de funcionamiento en ese momento eran del orden de 1 a 10 bares, y se aumentaron a un rango de 10 a 100 bares en la década de 1960. En Japón, el concepto y principio de utilizar chorros de alta energía para combinar excavación e inyección se introdujo por primera vez a principios de los años 1960. A esto le siguió el desarrollo de la “técnica de inyección de lechada o jet grouting” que se emplea hoy en día en la construcción.

El jet grouting utiliza herramientas especializadas (varillas, monitores y boquillas) y equipos (plantas de lechada y bombas de lechada) para producir elementos de suelo-cemento (típicamente columnas circulares) bombeando mezclas de lechada muy fluidas a velocidades muy altas (800 a 900 km/h) y a altas presiones que varían entre 400 y 500 bares. El proceso comienza perforando inicialmente hasta la profundidad de tratamiento requerida, normalmente utilizando agua como fluido de perforación.

Cuando la broca ha alcanzado la profundidad requerida, el fluido se cambia de agua a la mezcla de lechada y se aumenta la presión. Luego se tapa la broca y la mezcla de lechada se dirige al monitor, una parte de la varilla de perforación compuesta por una o más boquillas pequeñas que erosionan el suelo in situ y lo mezclan con la mezcla de lechada inyectada. Durante el chorro, las varillas se retiran a una velocidad constante y con una rotación constante desde abajo hacia arriba. La velocidad y la rotación se pueden cambiar según sea necesario para adaptarse a diferentes condiciones del suelo, incluida la heterogeneidad del suelo. El resultado suele ser una columna mixta de suelo y cemento, o elemento de inyección de lechada, que puede alcanzar diámetros y características variables según el tipo de suelo, la metodología de inyección de inyección seleccionada y los parámetros utilizados para la inyección.

Tres tipos principales de inyección de lechada comúnmente utilizados incluyen:

- Monofluido: La desagregación del suelo y su mezcla con la lechada se realiza directamente mediante la mezcla de lechada, inyectada a través de una única boquilla.

- Doble Fluido: La desagregación del suelo y su mezcla con la lechada se realiza directamente por la mezcla de lechada, y también se utiliza un chorro de aire coaxial para aumentar la energía y optimizar la eficiencia del proceso.

- Triple-Fluido: La desagregación del suelo se realiza directamente mediante chorros coaxiales de agua y aire a alta presión. La mezcla del suelo disgregado con la lechada se crea mediante un chorro de mezcla de lechada a menor presión, inyectado desde una boquilla ubicada debajo de las boquillas de aire/agua.

Los parámetros a considerar en el diseño de la fase operativa del jet grouting, generalmente definidos por la experiencia del contratista, incluyen los siguientes:

- Presión de la mezcla de lechada

- Presión de aire y agua (en el caso de aplicaciones de doble y/o triple fluido)

- Diámetro y número de boquilla(s)

- Composición de la mezcla de lechada

- Velocidad de retirada de las varillas

- Velocidad de rotación de las varillas/boquilla(s)

La posibilidad de ajustar varios parámetros operativos disponibles, junto con otras técnicas opcionales como el precorte o la perforación previa, permiten que el jet grouting sea una de las técnicas de mejora de suelos más flexibles disponibles en la industria. Esta flexibilidad permite que el jet grouting haga frente a una multitud de condiciones únicas y variables del subsuelo, muchas de las cuales no son propicias para el uso de otros métodos de mejora del suelo.

Las mejoras recientes en los equipos y metodologías de inyección de lechada comúnmente empleadas en la industria incluyen:

- Bombas de mayor potencia (700 kW o más) con una capacidad de 600 a 900 litros por minuto (ℓpm). Esto permite utilizar energías más altas para mejorar las tasas de producción y/o lograr columnas de mayor diámetro o elementos inyectados por chorro más grandes.

- Equipos de perforación con mástiles más largos y que incorporan múltiples cabezales giratorios. Se necesitan mástiles más largos para alcanzar mayores profundidades sin necesidad de interrumpir el chorro para añadir varillas. Múltiples cabezales giratorios permiten construir elementos o paneles más grandes.

- Herramientas específicas de alta tecnología que permiten el uso de muy alta energía, lo que reduce las pérdidas por fricción y genera ahorros en consumibles.

- Software sofisticado para controlar y monitorear el proceso de jet grouting para mejorar el control de calidad.

No hace falta decir que la seguridad es muy importante en el jet grouting, considerando la alta energía utilizada en el proceso. Desde el punto de vista de la seguridad industrial, todos los equipos y utillajes deben estar certificados por constructores y fabricantes especializados para garantizar la ejecución segura de las obras. Para evitar accidentes, todo el personal (desde los diseñadores hasta los contratistas y los inspectores) debe ser consciente de los riesgos potenciales relacionados con la tecnología.

Equipos de perforación: Es bien sabido que, para una mejor producción y mejor calidad de las columnas o elementos inyectados, el chorro debe ser continuo, por lo que un mástil más largo ofrece la ventaja de producir columnas más largas sin necesidad de interrumpir el proceso al tener que detenerse y agregar varillas. En la década de 1980, los equipos de perforación equipados con cabezales giratorios huecos para inyección de lechada podían construir columnas de 12 a 15 m de largo sin necesidad de añadir varillas. Hoy en día, hay equipos de perforación disponibles para construir columnas de 30 a 35 m de largo para proyectos grandes y profundos sin agregar varillas (Figura 1). Además, para proyectos y aplicaciones especiales, se encuentran disponibles equipos de perforación con cabezales giratorios dobles o triples para crear elementos no circulares, como paneles (Figura 2).

Además de los grandes equipos de perforación, también hay equipos de perforación pequeños disponibles para realizar inyección de lechada en sótanos o áreas con espacio libre limitado, así como equipos dedicados capaces de realizar columnas subhorizontales, por ejemplo, en operaciones de construcción de túneles. Estos desarrollos de equipos han aumentado aún más la flexibilidad y las posibles aplicaciones del jet grouting.

Bombas/Plantas de lechada: A finales de los años 1970 y principios de los 1980, era una práctica común utilizar pequeñas bombas de lechada capaces de entregar 80-120 ℓpm para construir columnas o elementos relativamente pequeños (0,6-1,0 m de diámetro). Hoy en día, bombas más potentes (hasta 700 kW) pueden entregar 800-900 ℓpm a presiones de 400-500 bares, con la consiguiente posibilidad de construir diámetros mayores, del orden de 4-5 m en condiciones de suelo favorables.

Ya se encuentran disponibles plantas de lechada adecuadas para producir los grandes volúmenes de lechada que necesitan las bombas de alto volumen actuales. Ofrecen la posibilidad de aumentar las mezclas de lechada de cemento con agua, simples y comúnmente utilizadas, y agregar automáticamente varios aditivos/componentes, como bentonita, superplastificante, acelerador y retardador, según se considere necesario según las condiciones del sitio y las consideraciones operativas.

Hoy en día, todas las nuevas bombas y plantas de lechada están instaladas dentro de contenedores, lo que permite un movimiento y una configuración más fáciles y también proporciona reducción de ruido y beneficios de seguridad. Esto hace que el equipo sea más adecuado para su uso en entornos urbanos congestionados (Figura 3). Es bien sabido que el deterioro/reflujo por el exceso de tierra y la mezcla de lechada expulsada a la superficie del suelo es un resultado desafortunado del jet grouting. El deterioro/reflujo resulta de la alta energía involucrada en el proceso de mezcla y del hecho de que el volumen de mezcla generada excede el volumen de suelo desagregado que comprende una columna de inyección de lechada.

El control adecuado del deterioro/reflujo en el jet grouting es esencial para evitar el hidrojacking/fractura del suelo circundante. Además, si no se gestiona adecuadamente, el deterioro/reflujo puede tener un impacto ambiental negativo en el proyecto y las estructuras circundantes, si están presentes. Hoy en día, afortunadamente, se pueden utilizar hidrociclones y/o centrífugas para tratar este desperdicio/reflujo de una manera respetuosa con el medio ambiente, especialmente cuando el jet grouting se realiza en zonas densamente pobladas. El resultado final es que el agua tratada puede descargarse legalmente al sistema de alcantarillado y los sólidos pueden potencialmente reutilizarse.

Herramientas: Las herramientas son otro componente fundamental en la industria del jet grouting. En los últimos 50 años se han logrado avances importantes gracias a la investigación y el desarrollo continuos por parte de los fabricantes en cooperación con contratistas especializados. Las varillas para inyección de simple, doble o triple chorro, giratorias, monitores (con boquilla simple, doble o múltiple, etc.) han logrado una notable mejora mecánica al reducir en gran medida las pérdidas de carga por fricción o cambios bruscos de dirección de la boquilla. flujos y optimizando la energía de chorro. Como ejemplo sencillo, la antigua esfera de acero utilizada para bloquear el flujo a través de la broca hacia las boquillas, lo que plantea posibles problemas de seguridad, ahora se sustituye por una válvula automática que se cierra una vez que aumenta la presión en el sistema. El jet grout con martillos de fondo de pozo (DTH), impensable hace apenas unas décadas, es bastante posible hoy en día como medio para hacer frente a condiciones difíciles del suelo como adoquines y cantos rodados.

Actualmente también se encuentran disponibles en el mercado alambrados capaces de medir la presión real y la verticalidad en las boquillas en tiempo real durante la operación de jet grouting. La medición durante el chorro permite conocer en tiempo real la presión dentro de las barras de perforación y permite medir las pérdidas de carga. Esto es útil para comprender la energía cinemática real de la mezcla de lechada y, por lo tanto, el diámetro esperado de la columna. Además, el conocimiento en tiempo real de la presión de fondo del pozo que sale de la tubería ayuda a reducir la posibilidad de que se acumule presión no deseada dentro del pozo.

Las herramientas son fundamentalmente importantes para la seguridad. Por ello, todos los componentes deben estar certificados para garantizar que se cumplan los estrictos requisitos de seguridad.

El control de calidad durante el tratamiento es probablemente el aspecto del jet grouting que más ha evolucionado en las últimas tres décadas, y esto se debe a los impresionantes avances que se han logrado en las industrias de hardware y software informático. Hoy en día, se considera inaceptable no utilizar el monitoreo y registro en tiempo real de los parámetros de inyección versus profundidad en un proyecto de inyección de lechada. Los principales estándares norteamericanos, europeos y mundiales para el jet grouting exigen claramente el monitoreo y registro de datos obligatorios en tiempo real.

Como resultado de la capacidad mejorada para recopilar y monitorear datos durante la construcción, el control de la verticalidad de la columna, que es fundamental en proyectos de inyección de corte o pruebas de campo, se logra fácilmente con instrumentos específicos. Estos datos se pueden registrar en tiempo real a través de alambradas. Un dispositivo GPS conectado al equipo de perforación, otra característica reciente, juega un papel fundamental en el posicionamiento automático y de precisión, especialmente en áreas grandes donde, por ejemplo, se requieren losas de fondo impermeables (Figura 4).

Con el software de inyección por inyección actual, se pueden lograr fácilmente varias geometrías de elementos de inyección por inyección, como elementos elípticos o de media luna, además de elementos circulares (Figura 5). El monitoreo en tiempo real de los parámetros de inyección se conecta fácilmente de forma inalámbrica con cualquier dispositivo móvil y, en consecuencia, es fácil de controlar. Estos desarrollos ahora permiten la aplicación de la tecnología de jet grouting en proyectos complejos y riesgosos, como lo ilustra el siguiente caso clínico.

Este caso ilustra cómo los avances tecnológicos, incluido el control de parámetros en tiempo real, la gestión de desechos/reflujo y la instrumentación, pueden permitir la aplicación del jet grouting en condiciones muy difíciles y riesgosas. Una presa de 64 años en Columbia Británica necesitaba protección adicional en su terraplén como mejora sísmica. La compañía eléctrica requirió que se construyera una barrera de control de corte de filtración con inyección de respaldo para llevar a cabo la mejora propuesta. El principal desafío fue aplicar esta técnica de alta energía y al mismo tiempo evitar el agotamiento del embalse (el embalse también sirve como fuente de suministro de agua para una ciudad río abajo) y minimizar el riesgo de hidrojacking o fractura, que podría causar daños perjudiciales y desestabilización de la presa.

Se utilizó un enfoque de participación temprana del contratista (ECI), en el que el Propietario y el Contratista analizaron y definieron conjuntamente los procedimientos para mitigar estos riesgos, incluyendo:

- Medidas para evitar (o reducir drásticamente) el riesgo de hidrojacking/fractura

- Disposiciones de gestión de desechos para evitar impactos ambientales negativos al embalse

- Medidas para mantener una mezcla de lechada consistente, que consideró el requisito del Propietario de utilizar una mezcla plástica rica en bentonita

Para verificar la idoneidad de estos procedimientos, se realizó una prueba de campo preliminar en un lugar seguro lejos de la presa que tenga condiciones de suelo similares a las del sitio de trabajo real (es decir, arena sobre una capa de limo y luego un lecho de roca). La metodología propuesta, la cual fue verificada mediante la prueba de campo, consistió en:

- Perforar previamente cada orificio de lechada mediante perforación sónica y luego instalar un tubo de PVC de sacrificio incrustado a una profundidad de 1 m en el lecho de roca. Durante la perforación en el terraplén de la presa no se permitió aire ni agua.

- Construcción de una sola hilera de columnas jet grouting de 20 a 25 m de profundidad, mediante un sistema de jet grouting monofluido (airless). El proceso de inyección de lechada se llevó a cabo desde el interior del tubo de sacrificio, que fue destruido en el proceso. Durante la inyección, el espacio anular libre entre las varillas de chorro y el tubo de PVC encima de la boquilla asegura que los desechos/reflujo puedan subir libremente a la superficie sin colapsar el material sobre el chorro.

- Un diámetro de columna objetivo de 1,4 a 1,6 m.

- Control estricto de la verticalidad de las columnas de jet grouting con un instrumento específico diseñado para jet grouting.

- Uso de una mezcla de lechada de agua/cemento que incluía bentonita prehidratada para aumentar la plasticidad y disminuir la permeabilidad. Se llevó a cabo un control estricto de las características reológicas básicas de la mezcla de lechada en un laboratorio de obra para garantizar su consistencia. Se recogieron muestras del desperdicio/reflujo para futuras pruebas de laboratorio.

- Monitorización continua y registro en tiempo real de todos los parámetros del jet grouting y lectura de un piezómetro previamente instalado cerca de las columnas. Esto permitió detener el chorro en caso de que se detectaran anomalías (Figura 6).

- Manejo adecuado del reflujo y escombros para evitar la contaminación del reservorio, utilizando una zanja que se excavó paralela a la hilera de columnas y utilizando bombas y camiones aspiradores para su transporte a una zona de escombros.

Tras la conclusión exitosa de la prueba de campo, los trabajos reales se completaron según lo previsto y se verificaron con sondas sónicas. El uso del control en tiempo real, que se añadió después del inicio del jet grouting, permitió la ejecución exitosa de este difícil y arriesgado proyecto.

Un área de mejora necesaria con respecto a la tecnología de inyección por chorro es la capacidad de controlar el diámetro de la columna in situ. Se han realizado numerosos estudios y pruebas y se han propuesto sistemas mediante calibradores mecánicos o hidráulicos, medición de las temperaturas durante el tiempo de curado del material tratado suelo-cemento, monitoreo de vibraciones, tomografía sísmica, aplicación de tecnología cross/holes, software teórico, etc. Aunque cada uno de estos métodos puede dar una indicación del diámetro de la columna en profundidad, ningún método ha sido aceptado universalmente, en parte porque a menudo son desarrollados por contratistas (y por lo tanto son propietarios) y no por agencias independientes. Este será definitivamente el desafío de los próximos años, ¡pero esperemos que se resuelva antes de los próximos 50 años!