MEJORAMIENTO DEL SUELO A TRAVÉS DE LA CONGELACIÓN

La congelación del suelo se puede lograr en una amplia gama de suelos, desde arcillas hasta cantos rodados y en rocas permeables o fisuradas. Se pueden formar paredes congeladas alrededor de estructuras u obstrucciones subterráneas. A diferencia de otros métodos de corte de agua subterránea o de soporte de excavación, una pared congelada se conecta fácilmente al lecho de roca subyacente y puede adaptarse a instalaciones subterráneas contiguas, si es necesario, para proporcionar una estructura de corte compuesta.

El principio básico detrás de la congelación del suelo es el uso de refrigeración para convertir el agua de los poros in situ en hielo mediante la circulación de salmuera de cloruro de calcio enfriada o, en algunas circunstancias, la evaporación de nitrógeno líquido. La congelación se logra a través de tubos de pequeño diámetro con extremos cerrados colocados en orificios previamente perforados. El terreno permanece intacto, eliminando las dificultades asociadas con las técnicas de desplazamiento. Para crear una ataguía de tierra congelada, o una masa de suelo congelado, los tubos de congelación de extremo cerrado se insertan en orificios perforados en un patrón consistente con la forma del área a estabilizar y el espesor requerido de la pared o masa. Un pozo congelado puede requerir tuberías de congelación a cientos de metros de profundidad.

A medida que la salmuera se mueve a través de las tuberías, se extrae calor del suelo, lo que provoca que éste se congele. La salmuera regresa a la planta de refrigeración a través de un cabezal aislado y, después de volver a enfriarse, vuelve a circular dentro del sistema cerrado. El hielo actúa como agente aglutinante, fusionando partículas de suelo o roca para aumentar la fuerza de la masa y hacerla impermeable. Una vez que se completa la estructura, se suspende la refrigeración, se sellan o retiran las tuberías y el suelo vuelve a su estado normal.

Para fines de construcción, la aplicación típica de congelación del suelo implica la creación de una estructura congelada periférica para proporcionar soporte a la excavación y control del agua subterránea para la construcción de un pozo profundo o una excavación grande. Sin embargo, esta técnica versátil también se ha utilizado con éxito para la estabilización de volúmenes masivos de suelo, la estabilización de terrenos sensibles para excavaciones planificadas y en respuesta a situaciones de emergencia de terrenos perturbados (Schmall, P. C., & Braun, 2006).

La congelación del suelo se ha utilizado para permitir la perforación de pozos en terrenos acuíferos a profundidades considerables. La técnica es ideal para condiciones de suelo mixtas que varían desde arenas y gravas altamente permeables hasta arcilla y roca fisurada, y condiciones de suelo difíciles que se encuentran comúnmente en la interfaz suelo/roca, donde la geología es generalmente la más desafiante y donde el desplazamiento o la mejora del suelo mediante otras técnicas no es práctico.

Las circunstancias bajo las cuales es necesario estabilizar volúmenes masivos de suelo para facilitar la excavación dentro del suelo congelado y estabilizado incluyen proyectos donde existe un amplio espectro de condiciones del subsuelo, el control del agua es primordial y se requiere una mínima intrusión o alteración de la estratigrafía del subsuelo. La congelación del suelo cumple todos estos requisitos.

Debido a que el congelamiento se propaga lentamente a través del suelo térmicamente, el terreno perturbado o altamente sensible se puede estabilizar sin exacerbar las condiciones predominantes. En proyectos más pequeños donde el suelo se mantiene congelado durante un período de tiempo relativamente corto, a menudo se utiliza nitrógeno líquido como agente congelante, lo que permite que la congelación se forme en días en lugar de semanas y, por lo tanto, compensa el mayor costo unitario.

El control eficaz del agua subterránea es la clave para la solución de la mayoría de las operaciones de limpieza ambiental debajo del nivel freático. Con la congelación del suelo, un área problemática, incluidos los contaminantes radiactivos, puede aislarse del régimen hidrológico circundante mediante un muro de corte continuo, prácticamente impermeable. No hay cambios en el régimen de las aguas subterráneas fuera del área confinada. Se pueden instalar muros de aislamiento congelados con una alteración insignificante de los suelos y una producción mínima o nula de desechos sólidos que requieran eliminación.

En la mayoría de los casos, el agua subterránea contaminada y las columnas de agua subterránea en movimiento pueden quedar inmovilizadas por la congelación del suelo. También se han diseñado muros congelados para dirigir el movimiento de aguas subterráneas contaminadas hacia un sistema de pozos de extracción o lejos de descargas no deseadas en cursos de agua naturales. La ausencia de una capa impermeable debajo de una zona contaminada no impide la encapsulación por congelación. Mediante tubos de congelación inclinados se puede formar una "bañera" cerrada y congelada en suelos permeables. La congelación del suelo no es invasiva; Debido a que no hay un impacto significativo a largo plazo, la congelación del suelo puede proporcionar una contención provisional para proteger el medio ambiente hasta que se puedan implementar planes de restauración permanentes y efectivos.

El equipo que construye el túnel Silvertown ha utilizado la congelación artificial del suelo para afrontar varios desafíos de ingeniería y acelerar el trabajo. El túnel Silvertown de doble perforación, de 1,4 kilómetros de longitud, llevará el tráfico rodado bajo el río Támesis, entre Silvertown al norte y la península de Greenwich al sur. Su inauguración está prevista para la primavera de 2025.

La tuneladora (TBM) de 1.800 toneladas del proyecto completó su primer recorrido en febrero cuando penetró en la cámara de rotación de Greenwich (GE, junio de 2023). Luego, la máquina se giró 180° en piezas sobre “patines de nitrógeno” para poder hacer un túnel de regreso a Silvertown. Los principales trabajos de construcción del túnel finalizaron antes de lo previsto a finales de julio debido a la rápida rotación de la tuneladora.

Riverlinx Construction Joint Venture (CJV) está construyendo el túnel para Transport for London (TfL) y el vehículo de propósito especial Riverlinx. Riverlinx CJV está formada por tres contratistas de ingeniería civil: Bam Nuttall, Ferrovial Construction y SK Ecoplant.

Riverlinx CJV ha utilizado la congelación del suelo para construir varios pasajes transversales entre los orificios gemelos. La técnica rara vez se ha utilizado en el Reino Unido. Esto se debe en parte a su elevado precio, que ha llevado a algunos a apodarlo el Rolls-Royce del tratamiento del suelo. Sin embargo, en el proyecto del túnel Silvertown se ha utilizado como una forma eficaz de superar los desafíos asociados con la alta presión del agua subterránea.

El túnel tiene siete pasajes transversales para proporcionar rutas de emergencia y corredores de servicios públicos. Están numerados del uno al siete desde el extremo sur del túnel. Las opciones de tratamiento del terreno para permitir la excavación del paso transversal se eligieron en función de su ubicación. Riverlinx CJV eligió la congelación del suelo para los pasajes transversales cuatro, cinco y seis, ya que están debajo del río y muy por debajo del nivel freático, por lo que no se podían deshidratar de la superficie. También se optó por la congelación del suelo para el paso transversal tres, ya que se encuentra bajo una zona pública y tampoco se puede evacuar el agua de la superficie.

El contratista optó por deshidratar el terreno alrededor de los cruces dos (debajo de un estacionamiento en Greenwich) y siete (bajo tierra cerca de las oficinas de Riverlinx en Silvertown). Esto se debió a que pudo instalar pozos desde la superficie y dentro del túnel para poder realizar el tratamiento del suelo.

Mientras tanto, el tratamiento del terreno para el paso transversal uno, que se encuentra junto a la cámara de rotación de la tuneladora en Greenwich, se llevó a cabo antes de la perforación del túnel. Riverlinx inyectó lechada en el suelo alrededor del paso transversal uno para fortalecer el suelo.

Para llevar a cabo los trabajos de perforación, Züblin utilizó una plataforma de pequeño diámetro para perforar a través del revestimiento de hormigón del túnel y en el suelo detrás de la pared del túnel antes de instalar tuberías de congelación de acero de 102 mm de diámetro. Estos tubos se instalan en forma circular en la sección de la pared donde se excavará el paso transversal. Luego se les realiza una prueba de presión.

Se instala un tubo de plástico en cada tubo de acero. Esto alimenta un agente de solución salina a -35°C hasta el extremo de la tubería y regresa a través del espacio entre la tubería de acero y la tubería de plástico. Este sistema de enfriamiento de circuito cerrado elimina el calor del suelo. El sistema de refrigeración hace que la temperatura del suelo que rodea las tuberías baje gradualmente y las partículas de agua del suelo comiencen a congelarse.

El bloque de hielo se acumula en forma de rosquilla, dejando una pequeña área de suelo no congelada a lo largo del centro de la sección transversal del pasaje transversal. A medida que el cilindro de hielo alcanza un diámetro total de entre 12 y 13 m, aumenta la presión del agua subterránea residual atrapada dentro de la envoltura congelada. Luego se utilizan tuberías de drenaje instaladas como parte de los trabajos de perforación iniciales para liberar esta presión.

En cada uno de los pasajes transversales de congelación del suelo, Züblin utilizó 26 tubos de congelación, dos tubos de drenaje, tres tubos de temperatura para medir la temperatura en el pasaje transversal y sensores dentro de los tubos y en el extremo de la broca para monitorear la temperatura del suelo. Se necesitan alrededor de 55 días antes de que el suelo alrededor de un sitio de paso transversal esté lo suficientemente congelado y contenga agua local, las densas capas de arena se estabilicen y pueda comenzar la excavación.

Para ahorrar tiempo en el programa, Züblin comenzó a perforar los primeros pasos transversales mientras todavía se perforaba el túnel en dirección norte. Mientras Züblin llevaba a cabo la perforación, el equipo de carreteras de Riverlinx CJV estaba completando los rellenos de hormigón, incluida la instalación de drenaje y conductos a lo largo del túnel de 1,2 km de largo en dirección sur.

Riverlinx exploró el potencial para realizar los trabajos de perforación antes de La tuneladora pasó por el túnel en dirección norte para ahorrar tiempo adicional, esta opción se descartó porque si se instalaba primero el sistema de congelación, existía un alto riesgo de que la tuneladora dañara las tuberías de congelación.

Otra actividad que permitió al equipo adelantarse al programa fue cavar el pasaje transversal siete antes de que la tuneladora se dirigiera hacia el norte. Riverlinx aprovechó la deshidratación temprana del terreno alrededor del paso transversal siete como una oportunidad para completar la excavación antes de que la tuneladora pasará por el túnel en dirección norte, explica Barrett.

El pasaje transversal se excavó en la alineación teórica del túnel en dirección norte y luego se formó un tapón de concreto blando para que la tuneladora lo perforara más tarde. Una vez finalizada la excavación del paso transversal, se procedió a instalar la impermeabilización y el revestimiento secundario en el tramo del paso transversal formado, además del tramo que se había rellenado con hormigón blando.