Tratamento de terreno mediante injecções com tubo manguito para protecção da escavação do novo túnel de Ampliação da Linha 9 do Metropolitano de Madrid Lorenzo, Ingrid, Tecnasol-FGE, Madrid, Espanha, ilorenzo@tecnasol-fge.pt; Fonseca, José Manuel, Tecnasol-FGE, Madrid, Espanha, jmf@tecnasol-fge.pt Catalán, Javier Garcés, Tecnasol-FGE, Madrid, Espanha, jcatalan@tecnasol-fge.pt Levita, Antonio, Tecnasol-FGE, Madrid, Espanha, alevita@tecnasol-fge.pt RESUMO O presente trabalho tem como objectivo divulgar os processos executivos utilizados no tratamento por injecções, efectuado num tramo do futuro túnel da Ampliação da Linha 9 do Metropolitano de Madrid que passa sob o túnel de acesso as cocheiras del Sacedal del Metro e sob um lar da terceira idade. As injecções realizadas tiveram como primeiro objectivo preencher os vazios que pudessem existir debaixo da soleira do túnel antigo, e em segundo lugar, consolidar as areias mais ou menos lavadas existentes na zona onde se procedeu à escavação do novo túnel, que foi executado recorrendo a métodos manuais. Mediante estas injecções, pretendeu-se conferir ao terreno uma coesão adicional, permitindo assim a adopção de um coeficiente de segurança superior.
1.INTRODUÇÃO O presente trabalho tem como objectivo divulgar os processos executivos utilizados no tratamento por injecções, efectuado num tramo do futuro túnel da Ampliação da Linha 9 do Metropolitano de Madrid que passa sob o túnel de acesso as cocheiras del Sacedal del Metro e sob um lar da terceira idade. Mediante estes tratamentos pretendeu-se melhorar as características do terreno com a finalidade de evitar / minorar até limites admissíveis os efeitos dos assentamentos que este tipo de obra produz. Neste trabalho pretende-se abordar e descrever a execução destas injecções, os materiais, os tipos de caldas de injecção e a sistemática utilizada para atingir os objectivos propostos. Geologicamente os terrenos afectados pertencem a fase terciária de Madrid e toda a zona a tratar é constituída por arenas de miga tozquizas com % (peneiro 200) de finos compreendida entre 10 e 25 µm e bolsas de areia solta de distribuição errática. O nível freático permanente está situado por debaixo da cota inferior de escavação da primeira fase, mas podem existir na zona de areias soltas, águas retidas. 2. DESCRIÇÃO DOS TRABALHOS 2.1 LOCALIZAÇÃO DA ZONA A TRATAR Os fenómenos de assentamento podem produzir-se em todo o desenvolvimento da construção do novo túnel, no entanto, as zonas de existência de construções ou serviços enterrados, são aquelas onde a prudência recomenda tomar medidas adicionais, às normais medidas adoptadas neste tipo de obra. Neste caso em concreto o novo túnel a construir passa sob outro túnel de Metro que dá acesso às cocheiras Sacedal del Metro e sob um edifício que é um lar da terceira idade. Foram estas duas construções que levaram à decisão de executar um tratamento preventivo na zona interessada pela escavação do novo túnel na envolvente destas construções. O novo túnel tem umas dimensões de 8,5m X 7m e cruza obliquamente o traçado do túnel existente com uma cobertura de 3 a 5m e distando do lar de terceira idade não mais de 20m. A zona onde foi decidido fazer o tratamento esta compreendida entre o Pk 0+390 e o Pk 0+440 (50 a 55 m). As injecções executadas tiveram dois objectivos, em primeiro lugar colmatar os vazios que pudessem existir debaixo da soleira do túnel existente e em segundo lugar consolidar as areias mais ou menos limpas existentes na zona interessada pela escavação do novo túnel, pelo método manual. Mediante estas injecções pretendeu-se conferir ao terreno uma coesão adicional, permitindo assim a adopção de um coeficiente de segurança superior, evitando possíveis fenómenos de assentamentos que podiam afectar o túnel existente e os edifícios situados à superfície.
Figura 1- Traçado do túnel 2.2 METODO DE INJECÇÃO ADOPTADO O sistema adoptado e aplicado baseia-se na técnica dos tubos manguito e nas injecções repetitivas e selectivas (IRS). Este sistema, permite repetir as injecções quantas vezes seja necessário, até atingir as pressões e volumes máximos preconizados para cada manguito, e seleccionar a zona ou manguito onde incidir nova reinjecção, de modo a conseguir-se a consolidação do terreno. Em simultâneo, a análise diária dos resultados durante a execução, permite aferir da evolução do tratamento e decidir sobre a necessidade de modificar, alterar ou continuar na generalidade ou em zonas determinadas com o tratamento preconizado, de modo a conseguir a finalidade desejada de melhora do terreno. O tratamento preconizado inicia-se com a perfuração, sendo necessário garantir a sustentação dos furos, para permitir a introdução dos tubos em PVC com manguitos cada 0,5m (neste caso). Colocados os tubos com os manguitos, procedeu-se à selagem exterior dos mesmos (zona anelar existente entre o tubo e o terreno), com uma calda de cimento/ bentonita (cake), que permitisse a futura injecção através dos manguitos. Esta selagem tem por finalidade evitar a saída à superfície das caldas de injecção através do espaço existente originado pela diferença de diâmetro entre o tubo manguito e o furo. A injecção, neste método é, obrigatoriamente feita com a utilização de obturadores duplos e um rigoroso controlo de pressões e caudais. A utilização dos obturadores duplos é essencial, pois permite isolar cada um dos manguitos e realizar a injecção do terreno na cota predefinida e nos locais desejados, por isto se chama selectiva. Terminada a injecção num determinado manguito e tubo, deve-se limpar com água o interior do tubo de modo a que fique livre e em condições de executar nova injecção, por isso se chama repetitiva (permite repetição de injecções num mesmo local).
Este método permite injecções num mesmo local e num mesmo manguito em tempos diferentes permitindo avaliar a eficiência do tratamento e ter sempre disponíveis os tubos para reforçar ou alterar o tratamento, função dos resultados obtidos. O tratamento baseado em injecções IRS deve sempre respeitar um procedimento escrito bem definido com critérios de pressão, caudal e quantidades a injectar em cada operação e em cada manguito. É necessário que a sua execução seja feita por operários experientes e com um rigoroso controlo e seguimento de modo a obter os melhores resultados e evitar efeitos indesejados, como levantamentos de solo ou perturbações em construções existentes. Se estamos com uma cobertura como a existente neste caso o assunto é ainda mais sério, podendo ao ser mal executado, provocar danos irreparáveis e/ou de muito difícil correcção. A instalação de uma instrumentação com um plano de leituras on-line é essencial para uma boa execução e obtenção dos resultados desejados. Todo o controlo deve ser executado por técnicos experimentados desde o fabrico de caldas e seu controlo, como pressões de injecção em cada fase, locais e sequência de injecção medição de caudais e quantidades a injectar, são determinantes para o fim em causa. É importante e muitas vezes desejável fazer um maior número de passagens em cada ponto em vez de tentar elevar pressões ou aumentar quantidades de injecção, é preferível ir consolidando em vez de consolidar, isto é, deve-se ir tratando o terreno em pequenos passos. O maciço deve ir aceitando o tratamento sem ser demasiado forçado, provocando rupturas indesejáveis e de difícil controlo. Os critérios de paragem quer por pressão quer por quantidade devem ser aferidos função da resposta dada pelo terreno e, a rigidez na aceitação de mudanças, quer de caldas, quer de produtos deve ser condenada, muitas vezes a simples mudança de um produto (como o caso em analise microcimento), ou de um traço de calda é suficiente para alterar a eficiência do tratamento. 2.3 PERFURAÇÃO METODO UTILIZADO Utilizou-se o método de perfuração destrutivo à rotopercução com trialetas e adição de água, sem necessidade de adicionar qualquer tipo de fluido de sustentação. A limpeza dos furos foi conseguida com água, sendo a furação executada com diâmetro 101mm. O comprimento e a inclinação dependiam da zona onde se localizava o furo e foram definidas de acordo com uma distribuição da malha de tratamento em função da zona a tratar. No total executaram-se 256 furos numa malha de 2 X 1,8m perfazendo um total de 2064,07 m de perfuração. Os tubos manguitos eram de PVC 60 X 50 mm de dimensões, com válvulas de manguito cada 0,5m, estando a 1ª válvula posicionada a 0,5 m da cota da soleira do túnel. Foram projectados leques de furação em várias secções de modo a conseguir em profundidade uma distribuição que materializasse a malha pretendida. Nos leques projectados foi definida uma sequência de perfuração começando-se pelas secções ímpares 1,3,5 (1ª fase), seguindo-se as pares 2,4,6 (2ªfase). Por sua vez dentro de cada secção os furos foram também agrupados em primários, os que tinham número impar, e secundários, os que tinham número par. Na furação registaram-se os seguintes parâmetros: - Localização, numero, longitude e inclinação do furo - Diâmetro de perfuração e tipo de utensílio de corte - Tipo de terreno; - - Velocidade de avanço e força de par da maquina necessária para avançar; - Perdas de água utilizada na furação ou afluência de água do terreno. - Outras observações que pudessem servir para caracterizer o terreno.
Realizada a perfuração em cada furo procedia-se de imediato à colocação dos tubos manguitos e sua selagem, sempre que esta não afectasse ou fosse afectada pela operação de perfuração dos furos sequentes. Fig 2. Secção do túnel com as bocas dos furos na soleira 2.3 INJECÇÃO As caldas utilizadas nesta injecção foram as seguintes: Calda de selagem: Relação Água / Cimento = 1,2 % Bentonite 6 % Calda de injecção de cimento: Relação Água / Cimento = 1,0 % Bentonite 4 %
Calda de injecção de microcimento: Relação Água / Cimento = 1,2 Estabilizante 4 % Uma vez colocado o obturador no manguito a que corresponda inicia-se a injecção da calda com um caudal que oscila entre os 5 e os 25 l/min em função da zona, de tal maneira que a absorção no terreno fosse feita uniformemente sem grandes oscilações de pressões. A medida que se foi obtendo o fim da admissão de calda, as pressões foram subindo, indicando que o terreno não admitia mais calda e o tratamento estaria concluído. Fig 3 Fig 3 y 4 obturador duplo 2.3.1 SEQUÊNCIA DA INJECÇÃO Os parâmetros de pressão e volume foram definidos em função da profundidade do manguito em relação a cota da soleira do túnel e em função do número da passagem a que correspondia. De modo a conseguir-se uma zona tampão à injecção e assim conseguir executar um tratamento mais uniforme em profundidade designaram-se duas Áreas de tratamento (zonas). A área superior que se considerava mais descomprimida teria um pré-tratamento servindo assim de tampão ao tratamento da área inferior, e simultaneamente preenchendo os possíveis vazios sob o betão do túnel existente. Denominou-se Área Superior, a área compreendida entre a soleira (cota 0) e a cota -3. Dentro desta área foram também distinguidos os dois primeiros manguitos debaixo da soleira e os seguintes. Denominou-se Área Inferior, todo o terreno que estava a uma cota inferior à cota -3.
Para efeitos de definir a pressão de nega distinguimos os manguitos situados a cotas inferiores a -6. Realizou-se uma primeira passagem por todos os manguitos seguindo a seguinte sequência de trabalho: Fase I Iniciou-se pela injecção da área superior. Dentro desta área começou-se injectando os furos primários das secções impar. Seguidamente injectaram-se os furos secundários das secções impar. Terminada a injecção das secções ímpares procedeu-se a injectar as secções pares utilizando uma calda fabricada com microcimento Spinor A12 (alteração de material de injecção função da analise do ocorrido nas injecções das secções impares), seguindo a mesma sequência que foi seguida para as secções impares. Uma vez realizada a primeira passagem da área superior procedeu-se de novo à análise dos resultados e planificou-se como se iriam realizar as seguintes passagens até alcançar os valores definidos em projecto. Fase II Nesta fase procedeu-se a injecção da área inferior injectando todos os manguitos, mas começouse a injecção dos manguitos mais profundos subindo até a cota -3 que é a cota final da área inferior. A sequencia de injecção foi a mesma que a exposta na fase I. Deu-se como finalizado o tratamento quando 80 % dos manguitos alcançaram o valor de fim de injecção predefinido. 2.3.2 Critérios de fim de injecção A injecção de cada passagem terminou quando se atingiu os critérios dos quadros abaixo indicados: A injecção de cada passagem prossegue até se atingir algum dos criterios seguintes: Quando se atinge o volume máximo definido por passagem de injecção. Quando se atinge a pressão máxima e o caudal de injecção inferior a 5 l/min, durante pelo menos três minutos. Quando se produz alguma incidência importante Quadro 1 - valores de pressão limite FASE I PRESSÃO DE FIM MANGUITOS 1 E 2 Área SUPER.(até à cota PASSAGEM -1 m) FASE 2 MANGUITOS 3,4 E 5 Área SUPER.(até à cota - 3 m) FASE II RESTO MANGUITOS 1 E 2 Área INFER.(por baixo da cota -6) PRIMEIRA 2 bar 5 bar 8-12 bar SEGUNDA E SEGUINTES 2bar 8 bar 10-15 bar
Quadro 2 - valores de volume máximo admitido VOLUME MAXIMO FASE I a MANGUITOS 1 E 2 PASSAGEM Área SUPER.(até a cota - 1 m) PRIMEIRA SEGUNDA TERCEIRA FASE 2 a MANGUITOS 3,4 E 5 Área SUPER.(até a cota - 3 m) FASE II RESTO MANGUITOS 1 E 2 Área INFER.(por baixo da cota -6m) 100 l 100 l 100 l 100 l 50 l 50 l 50 l 30 l 30 l Para além do controlo das pressões e caudais referidos, efectuaram-se ainda os seguintes controlos: - Dosagem das caldas e densidade - Viscosidade Marsh - Decantação - Tempo de endurecimento da calda 3. RESULTADOS OBTIDOS As injecções fizeram-se entre o Pk 0 + 390 e o Pk 0 + 440 e distribuíram-se em 25 secções transversais (leques) ao eixo do túnel existente, desde onde se efectuaram os furos que formam as referidas secções. Esta distribuição obedeceu a critérios de geometria de modo a obter uma distribuição equitativa de pontos de tratamento em profundidade e assim tentar cobrir com maior eficácia toda a zona interessada pelo novo túnel. A zona de tratamento foi definida considerando, a partir do ponto de intercepção do hasteal com a soleira do novo túnel a construir, um ângulo de 45º com a vertical para cada um dos lados. Toda a área incluída dentro da zona referida devia ser coberta pelo tratamento tentando que a equidistância entre pontos de tratamento fosse o mais uniforme possível. O tratamento, que numa primeira abordagem se pensou fazer por cotas, isto é injectar em primeiro lugar as cotas mais profundas em cada furo, em seguida as imediatamente acima e assim sucessivamente, acabou por ser executado de um modo diferente. Optou-se como já referido, pelo tratamento da zona superior até 3m de profundidade e em seguida a zona inferior, por cotas evidentemente, e partindo das cotas mais baixas para as mais altas em cada furo ( de baixo para cima em cada zona de tratamento - injecção ascendente por zonas), mas por furo. 3.1 Furação No quadro seguinte estão indicados o número de secções, número de furos por secção e quantidades de furação executada:
Quadro 3 Quantidades de furação/secção SECÇÃO Nº FUROS Quant. Fur. Por secção (ml) 1 8 112,36 2 8 98,74 3 9 107,08 4 10 91,02 5 9 104,54 6 10 84,56 7 10 87,21 8 11 72,47 9 11 82,79 10 11 78,35 11 11 78,34 12 11 76,06 13 11 74,76 14 11 82,85 15 12 83,97 16 11 67,4 17 11 74,51 18 11 72,47 19 10 68,69 20 11 79,6 21 10 73,39 22 10 73 23 10 76,94 24 9 75,48 25 9 76,42 TOTAL 256 2064,07 3.2 Injecção Para controlo dos movimentos, tanto do túnel existente como dos edifícios existentes à superfície dispusemos de um sistema de instrumentação montado e controlado pela empresa construtora. Na obtenção dos resultados contamos com o sistema de recolha automático de dados tipo Vopi instalado no sistema de injecção para além de manómetros de alta precisão e caudalímetros auxiliares e verificadores para o caso de algum problema no sistema automático.
No quadro seguinte apresentamos um resumo dos resultados obtidos na fase I Quadro 4 Resultados Fase I AREA SUPERIOR SECÇÕES IMPARES SECÇÕES PARES TIPO DE MISTURA A:C = 1;4% bentonita A:Mc = 1,2; 4% aditivo Nº DE MANCHETE 655 625 FINALIZADOS POR VOLUME 15 32 VOLUME INJECTADO 5595 l 15088 l Os litros injectados de microcimento, como se pode ver na tabela anterior, é três vezes superior ao volume injectado de cimento, mas a percentagem de manguitos fechados por critério de volume foi inferior a 20 % do total dos manguitos. No quadro seguinte apresentamos um resumo dos resultados obtidos na Fase II Quadro 5 Resultados Fase II AREA INFERIOR SECÇÕES IMPARES SECÇÕES PARES TIPO DE MISTURA A:C = 1;4% bentonita A:Mc = 1,2; 4% aditivo Nº DE MANCHETE 1234 1111 FINALIZADOS POR VOLUME 3 213 VOLUME INJECTADO 7801 l 42273 l VOLUME INJECTADO POR ML DE FURO 12,65 l/ml 76,20 l / ml São de ressalvar os seguintes dados: O terreno existente não absorve misturas de cimento normal com as pressões estabelecidas para o tratamento (grau de finura do cimento insuficiente para penetrar no terreno areias tosquizas na quantidade desejável) Sim, absorve misturas de microcimento, já que o volume médio injectado por ml de furo é 6 vezes superior ao injectado com misturas de cimento. O nº de manguitos fechados pelo critério de máximo volume é da ordem dos 20% do total de manguitos injectados, ( na sua maioria fechados por pressão o pretendido de acordo com procedimento)
Fig 5 Planta da zona de tratamento com a localização dos furos 4. RESUMO E CONCLUSÕES Tecnasol SAU realizou para o consórcio Sacyr Ferrovial os trabalhos de tratamento do terreno onde se escavou, por método manual, um tramo do novo túnel da Ampliação da Línea 9 del Metro de Madrid. O tratamento desenhou-se com base em umas injecções do terreno realizadas com dois tipos de caldas e produtos, e diferenciando duas áreas a tratar com o propósito de não danificar o túnel existente de acesso as cocheiras del Saucedal. Para executar este tratamento foi necessário utilizar pressões elevadas, assim definiu-se uma área superior de terreno a tratar que se localizava entre a cota da soleira do túnel existente (cota 0 ) e a cota -3, onde as pressões estavam limitadas, e uma área inferior que se localizava desde a cota -3 até ao final da zona a tratar onde as pressões se incrementavam com o fim de garantir uma consolidação adequada do terreno, que permitisse a escavação do novo túnel com a segurança desejada. No procedimento de trabalho, revisto e aprovado pela assistência técnica do Metro de Madrid, estabeleceram-se os critérios de fim de injecção por manguito, dando-se distintos limites, em função da cota e do nº de passagem a que se referia. Estes parâmetros estão referidos no ponto anterior de esta memória.
Uma vez realizada a injecção na área superior observou-se que os manguitos fechados por critério de limite de volume representam um número inferior aos 20 % da totalidade, pelo que se decidiu não realizar uma segunda passagem e continuar com a injecção na zona inferior. Foi feita a injecção nas secções ímpares com caldas de cimento e seguidamente fez-se a injecção das secções pares com caldas de microcimento. Observou-se que o aumento da admissão de esta última calda (microcimento) é muito significativa, foi 6 vezes superior a admissão com caldas de cimento. A penetrabilidade de cimento nestas formações é na realidade baixa o que permite concluir que a decisão de utilizar o microcimento foi a mais correcta. O número de manguitos que foram fechados pelo critério de volume máximo é elevado pelo que se decidiu realizar uma segunda injecção, começando-se com o tratamento da 8 últimas secções situadas concretamente nas zonas onde a admissão, principalmente de microcimento, foi mais elevada. Observou-se que a admissão da segunda passagem foi praticamente nula à pressão estipulada, o que levou ao incremento de pressão de fecho estabelecida no procedimento, com resultado idêntico, dando-se assim por terminada a injecção. Concluiu-se portanto que foi plenamente conseguido o objectivo proposto pelo método de tratamento, servindo esta segunda passagem como uma comprovação do trabalho realizado. Fig 6. Escavação do novo Túnel onde se pode verificar a eficiência do Tratamento