PROCEDIMIENTO PARA LA CONSOLIDACION DE FRENTES DE EXCAVACION POR MEDIO DE UN MIEMBRO EXTENSIBLE EN TENSION.

Elemento de refuerzo para consolidación de suelo, apto para ser insertado dentro de agujeros hechos en el suelo caracterizado por comprender:

un cuerpo del miembro de refuerzo en tensión (2, 101) de forma sustancialmente cilíndrica;

una funda extensible (5, 102) de forma sustancialmente tubular situada alrededor de al menos parte de la superficie lateral de dicho cuerpo del miembro en tensión y fijada al mismo por sus extremos libres para crear una junta con dicha superficie lateral;

un conducto (4, 104) para transportar lechada inyectable entre la superficie lateral de dicho cuerpo del miembro en tensión y dicha funda,

siendo capaz dicha funda, cuando se expande, de crear, con la superficie lateral de dicho miembro en tensión, un espacio intermedio (16), siendo dicha junta capaz de retener la lechada dentro de dicho espacio intermedio incluso cuando se expande la funda

Procedimiento para la consolidación de frentes de excavación por medio de un miembro extensible en tensión.

La presente invención se refiere, en general, al sector de la construcción, más específicamente al procedimiento para instalación de un miembro en tensión innovador para la consolidación de frentes de excavación.

A lo largo de los años la excavación de túneles ha sufrido evoluciones considerables, posibilitadas principalmente por el uso de equipo moderno y nuevos materiales que, en conjunto, han permitido realmente realizar grandes obras de ingeniería civil que eran imposibles en el pasado. Un área donde se han concentrado los esfuerzos de investigación es indudablemente el campo de la excavación en suelos con baja cohesión sometidos al peligro de corrimientos de tierras tanto durante como después de la ejecución de las obras, para hacer la excavación segura y rápida.

En las grandes obras de ingeniería civil que requieren la excavación de túneles o movimientos de tierras a gran escala, se ha convertido en una práctica común consolidar el frente de excavación para prevenir el corrimiento de tierras, especialmente en presencia de formaciones arcillosas que hacen precaria la estabilidad del frente de excavación, ya que la extracción de suelo introduce localmente una reducción drástica de la capacidad del suelo de resistir los mayores esfuerzos causados por las obras de excavación.

Merece la pena mencionar que hasta hace pocos años, el problema de la estabilidad del frente de excavación dentro de un túnel únicamente fue abordado para garantizar una acción de retención temporal dentro de la cavidad y sobre el propio frente, para disminuir las dificultades de la excavación y renunciar, después de la excavación, a la oportunidad de cooperar en la estática de la obra a corto y largo plazo. Con este propósito, las obras operaciones realizadas estaban limitadas típicamente a una pequeña área periférica del frente de excavación.

Con la llegada de nuevos materiales sintéticos de alta resistencia, que eran fáciles de demoler durante las operaciones de excavación, se hizo posible abordar el problema de la estabilidad en una dimensión más amplia, extendiendo la acción de consolidación más allá de las dimensiones físicas de la excavación y, por consiguiente, permanente y eficaz a largo plazo.

El procedimiento provocó una revolución en el sector ya que permite que la masa de suelo delante y aguas arriba del frente de excavación adquiera las propiedades mecánicas necesarias para soportar los mayores esfuerzos causados por la excavación, haciendo innecesarias las operaciones para retención mecánica aguas abajo del túnel y permitiendo también la cooperación en la resistencia estática de la obra de ingeniería civil durante toda su vida.

La consolidación tiene lugar típicamente insertando una serie de elementos de refuerzo dispuestos estratégicamente sobre el frente de excavación a lo largo de un área periférica respecto al recorrido del túnel. Cada elemento de refuerzo está constituido sustancialmente por un barreno profundo de diámetro adecuado y de una longitud preseleccionada dentro del cual los "miembros de tensión", constituidos típicamente por varillas de refuerzo, son insertados en el centro del barreno; el agujero es rellenado luego con lechadas de cemento especiales inyectadas a alta presión. Combinando las elevadas capacidades de refuerzo de los refuerzos de fibra de vidrio con la posibilidad de realizar inyecciones a alta presión, se pueden obtener sorprendentes acciones de refuerzo extendidas a amplias áreas periféricas al túnel.

La inserción de estos refuerzos aguas arriba del frente de excavación hace menos traumática la modificación del estado de tensión del suelo, compensando el debilitamiento causado por la excavación gracias a la acción mecánica de tracción de los miembros de tensión que ejercen una acción de retención eficaz sobre el suelo, gracias a la adherencia a las varillas-cementación-suelo de la fibra de vidrio que es ejercida sustancialmente a través del intercambio de fuerzas tangenciales paralelas a la dirección longitudinal de las fibras de vidrio que reaccionan ofreciendo altas resistencias a la tracción.

Las excavaciones pueden llevarse a cabo así en suelo "consolidado" capaz de absorber los esfuerzos causados por la apertura de la cavidad sin necesidad de recursos particulares para extracción parcial de los refuerzos, que son destruidos por medios mecánicos de excavación habituales sólo en el área de excavación, permaneciendo en cambio en su sitio por toda la longitud restante.

De este modo, el suelo consolidado sigue siendo capaz de cooperar activamente en la estática de la cavidad, reduciendo así la parte de carga y permitiendo realizar obras de excavación con mayor velocidad y seguridad.

Se entiende así cómo la consolidación de los frentes de excavación representa una fase de crucial importancia en los modernos procedimientos de excavación, que además representa una parte significativa del coste.

No por casualidad, la tecnología de construcción moderna ha evolucionado rápidamente con respecto a los materiales y tecnologías de consolidación y aún sigue activa en la búsqueda de materiales que sean cada vez más fuertes, prácticos de instalar, más seguros y también cada vez más fáciles de demoler y reciclar para minimizar la contaminación atmosférica.

Entre las técnicas conocidas más populares, destaca el uso de miembros de tensión de fibra de vidrio; estos se insertan dentro de agujeros profundos taladrados en el terreno y luego se rellenan con lechadas de cemento inyectadas adecuadas. Los miembros de tensión normalmente están constituidos por uno o más perfiles de fibra de vidrio mantenidos paralelos con y distanciados estratégicamente unos de otros de manera que puedan cooperar en tensión y ofrecer simultáneamente un buen agarre con la lechada inyectada. Uno de los más ampliamente usados es la forma de estrella o triángulo donde se disponen tres barras con una sección rectangular para formar un triángulo equilátero o una estrella de tres lados, o la más común sección tubular.

Es importante señalar que el suelo puede adherirse al miembro en tensión de fibra de vidrio o de material compuesto hasta el punto que, por fricción, el suelo puede transmitir esfuerzo cortante a la lechada que, a su vez, lo transmite a los perfiles de fibra de vidrio y, por lo tanto, dichos perfiles puede ejercer, de hecho, una fuerza de retención eficaz hasta el punto que, con un miembro de doble paso suelo-lechada y lechada-miembro en tensión, se establece un buen nivel de fricción en ambos pasos.

Se especifica que, mientras por una parte es relativamente fácil producir elementos de refuerzo con magnífica resistencia a la tracción axial, en cambio es difícil, y a menudo limitador, asegurar un agarre bueno y uniforme por fricción entre la lechada y el suelo que a menudo está muy por debajo del límite de tensión del miembro en tensión. A pesar del hecho de que se usan lechadas de cemento expansivas de alta calidad, debe recordarse que el suelo tiene compacidad irregular y la operación para obstruir el agujero es un tanto problemática. Por consiguiente, la presión mecánica que la lechada intercambia con el suelo varía crónicamente dentro del agujero y la tendencia de las fuerzas de fricción que pueden ejercerse (y por lo tanto agarrar en el refuerzo) es inconstante, haciendo necesario introducir coeficientes de seguridad grandes y costosos para compensar la incierta uniformidad de la presión ejercida tanto entre la lechada como el suelo y entre la lechada y el miembro en tensión.

El problema no se limita sólo a la superficie de contacto entre el suelo y la lechada, sino que también implica la superficie de contacto entre la lechada y la fibra de vidrio, ya que el coeficiente de rozamiento es bajo y la forma de las superficies exteriores de los perfiles normalmente es lisa puesto que el producto es sustancialmente un producto estirado y, por lo tanto, la capacidad de retención eficaz del miembro en tensión es crítica.

Indudablemente, el uso de lechadas de cemento especiales que se expanden durante el fraguado incrementando la fuerza de presión tanto contra los perfiles como contra el suelo mejora los resultados, pero los incrementos son modestos, se incrementan los costes de la operación y en cualquier caso esto no palia el riesgo de distribución irregular de las presiones mecánicas, junto con la dificultad objetiva de realizar una inyección perfecta de la lechada,...

1. Elemento de refuerzo para consolidación de suelo, apto para ser insertado dentro de agujeros hechos en el suelo caracterizado por comprender:

2. Elemento de refuerzo según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho conducto está provisto en dicho cuerpo del miembro en tensión.

3. Elemento de refuerzo según la reivindicación 2, caracterizado porque dicho conducto está constituido por un agujero que pasa longitudinalmente a través de toda la longitud del miembro en tensión y cerrado por un extremo.

4. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la superficie exterior de dicho cuerpo del miembro en tensión tiene una pluralidad de ranuras longitudinales (3).

5. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho cuerpo del miembro en tensión tiene un tubo, que tiene un corte longitudinal (103), adaptado para recibir una porción (III) de dicha funda.

6. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicho cuerpo del miembro en tensión está hecho de fibra de vidrio o fibra de carbono, o una combinación de las mismas.

7. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicho cuerpo del miembro en tensión está hecho de acero.

8. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicho cuerpo del miembro en tensión está hecho de PVC reforzado.

9. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicho cuerpo del miembro en tensión es un tubo que comprende una red de acero.

10. Elemento de refuerzo según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho cuerpo del miembro en tensión tiene una pluralidad de agujeros radiales (6) en su superficie lateral, en una posición opuesta al corte longitudinal, agujeros aptos para permitir el paso de lechada.

11. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha funda está hecha de material sustancialmente inelástico y sus dimensiones radiales exceden las del cuerpo del miembro en tensión, para permitir la formación de un espacio intermedio entre la funda y el cuerpo del miembro en tensión.

12. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque dicha funda está hecha de material elástico, y es capaz de expandirse más allá de las dimensiones radiales de dicho cuerpo del miembro en tensión.

13. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha funda comprende una tela no tejida.

14. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha funda está hecha de tela de capas múltiples, de las mismas al menos una capa con elevada resistencia mecánica y una capa impermeable.

15. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicho conducto es un tubo, hecho opcionalmente de material plástico, insertado en una posición central dentro del cuerpo del miembro en tensión.

16. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicho conducto es un tubo que tiene una pluralidad de salidas, cada una equipada con válvulas de retención adecuadas para mantener la presión de la lechada inyectada en el espacio entre dicha funda y dicho miembro en tensión durante el periodo de tiempo necesario para que la lechada pase de estado líquido a estado sólido.

17. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicho cuerpo del miembro en tensión comprende una pluralidad de varillas individuales, preferentemente, aunque no necesariamente hechas de fibra de vidrio y/o fibra de carbono pultrusionada, conectadas unas a otras por medios de conexión adecuados y dispuestas estratégicamente alrededor de dicho conducto.

18. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la superficie exterior de la funda y/o el miembro en tensión muestran rugosidad superficial.

19. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha funda extensible está cubierta con una película de material, preferentemente plástico, para protegerla durante la fase de transporte e instalación.

20. Elemento de refuerzo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha funda extensible está cubierta con un revestimiento de material plástico o metálico, apto para mejorar la adherencia entre la funda expandida y el suelo.

21. Procedimiento para la consolidación de suelos, caracterizado por comprender las siguientes etapas:

solidificación de la lechada inyectada.