OPG consolida y estabiliza un terraplén ferroviario en la línea Calatayud – Valencia

Adif adjudicó el proyecto de ‘Consolidación y Estabilización de Terraplén Ferroviario Entre los PP.KK 208/100 y 208/200, Línea Calatayud – Valencia. Trayecto Barracas – Masadas Blancas’ a la empresa constructora Azvi, que a su vez subcontrató a la empresa especialista Obras y Proyectos Geotécnicos, S.L. (OPG), para la realización de los trabajos de consolidación objeto de este estudio.

OPG optó por la consolidación por inyecciones de fracturación hidráulica con lechada estable de cemento a través de tubos manguito, aplicadas desde una bancada de tierra adosada lateralmente.

Las características mecánicas del tipo de circulación que transita por dicha línea, con tráfico de viajeros como de mercancías, son bien distintas, siendo estos últimos los que producen las frecuencias más bajas, y por ello, los que más afectan a la estructura de la vía, así como una defectuosa ejecución del terraplén, ocasionaban un deterioro importante en la nivelación de la vía y subsiguientemente una necesidad periódica de aportación de balasto. Al ir repitiéndose este fenómeno e ir recargando con un mayor peso la plataforma de vía empeoraban todavía más los efectos sobre la misma.

A la vista de lo anterior, se tomó la decisión de resolver la base del problema del terraplén con un método que permitiera su consolidación. Entre los métodos presentados a la Administración, se eligió como el más idóneo, la consolidación por inyecciones de fracturación hidráulica con lechada estable de cemento a través de tubos manguito (inyecciones armadas), aplicadas desde una bancada de tierra adosada lateralmente, por las siguientes razones:

1. Experiencia muy positiva de consolidación de terraplén con este mismo sistema, en el acceso sur al Viaducto sobre el Ebro en Amposta, en la línea Barcelona-Valencia con tráfico mixto de Euromed (a 200 km/h) y mercancías.
2. Creación de una estructura reticular en el terraplén sin “puntos duros” y con una capacidad portante uniforme hasta alcanzar la necesaria profundidad que asegura el apoyo del tratamiento.
3. No interrumpen el tráfico ferroviario en ningún momento ya que los trabajos se realizan desde la bancada de tierra adosada al terraplén.
4. En todo momento se controla la nivelación de la vía, pues el proceso de mejora del terreno permite asegurar que los movimientos inducidos en la vía sean en todo momento inferiores a 3 mm en 5 m.
5. Se controla en cada fase de inyección los caudales y presiones en cada uno de los manguitos, así como la viscosidad de la mezcla inyectada.
6. Finalizados los trabajos, se comprueba la eficacia del tratamiento realizado por métodos geofísicos, deduciendo el módulo de elasticidad del terreno tratado a partir de la velocidad de propagación Vs en m/s de las ondas de cortante.

A este respecto cabe señalar que, en el caso del acceso sur al Viaducto de Amposta, por tratarse de una prueba del método, integrada en el proyecto europeo ‘Supertrack’, se contrastaron las medidas de velocidades, antes y después del tratamiento, con la medida directa, con láser, de las deformaciones de los carriles bajo el tránsito ferroviario. Se apreció así no solo una concordancia excelente entre las estimaciones de módulos de deformación por ambos métodos, sino además que, en la zona de terraplén tratada, se cumplía en todo momento la condición de tránsito confortable (deformaciones de carril inferiores a 3 mm en 5 m).

Cabe mencionar que, durante la ejecución de los trabajos del tramo Barracas- Masadas Blancas y debido a la heterogeneidad del terreno en zonas muy localizadas, en el que existían huecos de gran tamaño, fue necesario hacer, una primera inyección con mortero para el relleno de los mismos y una segunda inyección con lechada de cemento-bentonita para efectuar la mejora por fracturación hidráulica del terreno.

A. Fracturación hidráulica del terreno

Esta fracturación se lleva a cabo en forma controlada, de modo que las deformaciones se escalonen. Este proceso permite el tratamiento con mezclas estables a base de cemento para suelos cuya textura impediría la impregnación incluso por mezclas químicas de baja viscosidad. La referida rotura hidráulica se produce con volúmenes de lechada aplicados a través de puntos de inyección -protegidos por manguitos de goma dispuestos en tubos de acero, con separación no superior a 0,50 metros entre puntos de inyección consecutivos de un mismo tubo. Estos puntos de inyección permiten la repetición del tratamiento cuantas veces se desee después de haber fraguado las mezclas anteriormente aplicadas, así como también la dosificación -en cada fase de inyección- del volumen y caudal empleados, lo que favorece un control muy preciso de las deformaciones inducidas en el subsuelo.

B. Consolidación del terreno por presión y estructuración

La regulación del caudal de inyección forzado por rotura del terreno permite la aplicación de presiones “estáticas” crecientes, hasta la presión última de cierre de cada manguito que se prefija en proyecto. Estas presiones producen la consolidación de los pequeños dominios de terreno (de dimensión centimétrica) comprendidos entre las lenguas de lechada. En los suelos arcillosos se puede apreciar este efecto de consolidación, dado que en perforaciones de alivio de presiones intersticiales -intermedias a las de inyección- se registra durante el tratamiento una afluencia marcada de agua, la que cesa cuando se produce el fraguado de la mezcla inyectada. El resultado de este proceso consiste en la inclusión en el terreno de un esqueleto de lenguas de cemento endurecidas (resistencia de más de 60 kg/cm2 a los 28 días en probetas de densidad igual a la inicial de la lechada, lógicamente muy superior en las inclusiones densificadas del terreno), entre las cuales se aprisiona un suelo consolidado que, si se tratara de arcilla, al consolidarla a tan sólo 5 kg/cm2 tendría -según la relación de Skempton- una cohesión aparente superior a 1 kg/cm2.

Durante la ejecución de los trabajos del tramo Barracas- Masadas Blancas y debido a la heterogeneidad del terreno en zonas localizadas fue necesario hacer, una primera inyección con mortero y una segunda inyección con lechada de cemento-bentonita para efectuar la mejora por fracturación hidráulica del terreno.

C. Armado del terreno tratado por los tubos de inyeccion

Los tubos de acero del tratamiento quedan -al final del mismo- íntimamente asociados al volumen del terreno tratado. La disposición de los tubos puede prefijarse en abanico, de modo que la máxima distancia entre tubos dentro del volumen del suelo a tratar sea siempre inferior a dos veces el radio de acción de la inyección. Este último se ha contrastado repetidamente en suelos de naturaleza muy diversa (gravas, arenas, arcillas) mediante el examen directo “in situ” (excavaciones de suelo tratado) verificándose que la distancia del eje del taladro de tratamiento al borde de la zona (en la que la distribución de lenguas de lechada es masiva) resulta siempre superior a las previsiones, pero en forma mucho más dependiente de la resistencia del terreno y de las presiones de inyección que de la textura misma -más o menos fina- del suelo; circunstancia previsible por tratarse -como ya se ha señalado- de un tratamiento de rotura y consolidación, no de impregnación del suelo.

La distribución de los taladros persigue –complementariamente— el que los bulones (que en definitiva constituyen los tubos de inyección y cuya capacidad mecánica se puede reforzar en los casos precisos por introducción final de un redondo de acero en el interior del tubo) sirvan de elementos de cosido para aquellas superficies potenciales de deslizamiento del terreno— por acción de las cargas que lo solicitan asegurando así el comportamiento mecánico necesario del suelo tratado.

D. Condiciones de aceptación en obra de las inyecciones armadas

Una vez finalizada la inyección del terreno por cada tubo manguito, el contratista lo comunica a la Dirección Facultativa y deja sin cementar interiormente el tubo de tratamiento correspondiente, con el fin de poder hacer la comprobación de que se han alcanzado las profundidades y condiciones de presión de cierre previstas, en los manguitos que dicha Dirección Facultativa decida, confrontándolas con las prefijadas en el proyecto y con las que se tengan en los partes de inyección confeccionados en obra. En éstos deben figurar la profundidad, las presiones de apertura de cada manguito, y la presión estática de cierre del proceso a nivel del mismo, así como el volumen inyectado en cada una de las fases.

• Por un lado, estas velocidades reflejan ya un suelo de compacidad más que suficiente para el objeto perseguido. Cabe recordar que en el Viaducto de Amposta en la zona más superficial tratada se obtenían velocidades Vs en torno a 400 m/s para inferiormente crecer a 500 y 600 m/s. Para estas condiciones se consiguió la rodadura confortable con un tráfico ferroviario que combinaba el Euromed a 200 km/h con trenes de mercancías. Esta situación se ha mantenido desde el verano de 2005 en que se efectuó el tratamiento.
• Por otra parte, en estas zonas más superficiales, la disposición de taladros en abanico introduce un importante efecto de bulonado o cosido del suelo tratado lo que, como se ha dicho anteriormente, potencia la mejora por encima del valor estricto de Vs.

La técnica de inyecciones armadas de fracturación hidráulica, que se ha utilizado en la obra de ‘Consolidación y Estabilización de Terraplén Ferroviario Entre los PP.KK 208/100 y 208/200, Línea Calatayud – Valencia. Trayecto Barracas – Masadas Blancas’ permite una mejora muy acusada y controlable de suelos, incluso si estos son totalmente arcillosos, sin interrumpir el tráfico ferroviario, cumpliendo además la condición de conservar la vía en situación de rodadura confortable (movimientos del carril no superiores a 3 mm en 5 m), como también se pudo demostrar en la aplicación experimental de Amposta y en la posterior, llevada a cabo por el laboratorio de Geotecnia del Cedex, en la marga arcillosa del Collado de Contreras.

Esta mejora es además realizable en paralelo con un control de deformaciones del entorno muy preciso, lo que permite la realización de este tratamiento bajo instalaciones en servicio que exijan deformaciones no superiores a 1/1000 e incluso 1/2000.

Los resultados de los ensayos de Cross-hole que se han realizado para cuantificar la mejora del terreno alcanzada, han reflejado la heterogeneidad de la composición del material del terraplén, lo que supone que el proyecto ejecutado por OPG (Obras y Proyectos Geotécnicos, S.L.) ha sido un éxito.