ES2915834T3 - Uso de un aditivo de transformación en espuma para acondicionar el suelo en presencia de una excavación mecanizada para la construcción de un túnel - Google Patents

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Abstract

Uso de un aditivo líquido de transformación en espuma que contiene de un 5 a un 40% en peso de uno o más tensioactivos aniónicos seleccionados entre un sulfato de etoxialquilo o una sal de laurelsulfato de sodio, de un 0,01 a un 5% en peso de uno o más biopolímeros seleccionados entre goma xantana o goma guar y de un 55 a un 94,09% de agua para el acondicionamiento de un suelo excavado por una máquina tuneladora.

Description

DESCRIPCIÓN
Uso de un aditivo de transformación en espuma para acondicionar el suelo en presencia de una excavación mecanizada para la construcción de un túnel
La presente invención se refiere al uso de aditivos de transformación en espuma para acondicionar el suelo excavado con una máquina de perforación de un túnel. Dichos aditivos de uso en la invención pueden ser clasificados como fácilmente biodegradables, y se caracterizan por la prolongada vida media de la espuma generada, lo que origina un acondicionamiento del suelo de duración más prolongada y una mejor estabilidad del frentedel túnel. Los aditivos de acuerdo con la presente invención poseen una gran estabilidad incluso en presencia de salmuera.
Técnica anterior
Actualmente, los túneles pueden ser excavados mediante dos tecnologías principales:
• uso de explosivos (el procedimiento convencional);
• uso de equipamiento mecánico
El primer procedimiento conlleva la aplicación cíclica de las operaciones descritas a continuación, las cuales permiten el avance del túnel:
1) Utilizando una máquina Jumbo, se perfora una serie de agujeros en el frente del túnel y se cargan con explosivos; la disposición de los agujeros y la cantidad de explosivos se calibran para demoler la porción deseada de roca sin dañar las porciones de la misma que actúen como soportes naturales de la excavación;
2) El material excavado (llamado “escombros”) es retirado con bulldózeres y camiones;
3) La excavación es soportada por costillas e inyección de hormigón.
El procedimiento se basa en la eliminación de la porción adecuada de roca, para distribuir alrededor de la excavación las fuerzas conocidas como el “efecto arco”, que parcialmente soporte la acción de consolidación de las barras de refuerzo y del hormigón proyectado.
La segunda técnica de construcción puede dividirse en dos categorías principales: el sistema de frente parcial y el sistema de frente total (el cual implica la excavación del entero diámetro del túnel al mismo tiempo). En el primer caso, las operaciones se desarrollan de acuerdo con lo antes descrito respecto del procedimiento convencional con rozadoras y rozadoras y machacadoras de rocas (en lugar de explosivos), perfilando gradualmente la forma del túnel el cual a continuación será revestido con hormigón reforzado. En el segundo caso, el avance se lleva a cabo con una máquina compleja denominada Tuneladora (TBM), también conocida como “mole”, la cual, al tiempo que lleva a cabo la excavación, soporta e impide el hundimiento del frente, aparta la masa (por medio de un transportador sinfín y una correa transportadora), y coloca el revestimiento final del túnel, compuesto por segmentos de hormigón reforzado prefabricados. Este tipo de máquina puede excavar prácticamente cualquier tipo de material geológico, incluyendo roca compacta (TBM de roca dura), roca fracturada (TBM de escudo simple o doble), suelo poco compacto o suelto y acuíferos subterráneos (máquina de Escudo de Presión de Tierras, EPB).(Earth Pressure Balance).
Una TBM se compone de:
1) La cabeza, es decir la parte frontal en contacto directo con el frente del túnel, la cual sirve para excavar, soportar el frente, recoger y transportar la masa hasta un sistema de evacuación;
2) Un sistema para transportar de los escombros fuera del frente (por ejemplo, una correa transportadora);
3) Una cámara de excavación situada entre el cabezal cortador y el sistema de transporte de escombros en la que el material excavado es recogido; el material sale de la cámara sobre un transportador sinfín o barreno, y es colocado sobre un transportador de rodillos;
4) Un sistema de revestimiento del túnel.
El cabezal portacuchillas está equipado con diferentes herramientas y está diseñado en base a la geología que debe ser excavada. Las herramientas son, en general, de tres tipos diferentes: cortadoras, rascadoras y rafadoras.
En la TBM, el avance puede tener lugar con la cámara de excavación constante y completamente llena de material excavado adecuadamente acondicionado, para garantizar la distribución homogénea, uniforme, de la presión del suelo sobre el frente del túnel e impedir caídas de presión entre un ataque y el siguiente. En algunos casos, dependiendo de las condiciones geológicas e hidráulicas, es posible avanzar con la cámara de excavación vacía o parcialmente vacía. En las EPB - TBM es una práctica habitual aplicar un agente de acondicionamiento sobre el suelo o la roca excavada, en diferentes porciones de la TBM: frente del túnel, cámara de excavación y transportador sinfín.
Entre los agentes estabilizadores conocidos se encuentran la bentonita y suspensiones de polímero. Estos pueden provocar problemas en algunos suelos, porque aumentan considerablemente el contenido de agua del suelo, produciendo sistemas muy líquidos que son difíciles de extraer. Además algunos suelos (por ejemplo arcillas) pueden resultar pegajosas difíciles de retirar hasta el punto de atascar el cabezal portacuchillas, con una pérdida sustancial de eficiencia.
En los últimos avances de esta tecnología, se han propuesto espumas de polímero. Presentan la gran ventaja de que reducen en gran medida la entrada de agua en el suelo. La formulación del agente espumante estándar comprende un agente espumante y un agente estabilizador.
De esta manera, en funcionamiento, la espuma es directamente inyectada dentro del cabezal portacuchillas en la zona interfacial de la excavación.
El documento EP 1027528 divulga un procedimiento de perforación en el que la composición del material acuoso inyectado dentro del frente del túnel consiste en óxido de polietileno con un peso molecular comprendido entre 2 y 8 millones y un tensioactivo aniónico que contiene sulfato.
El documento EP 0070074 describe un aditivo de transformación en espuma compuesto por un tensioactivo alquilpolisacárido y un sulfato o sulfonato y / o carboxilato cotensioactivo.
El documento US 5851960 divulga un procedimiento de excavación que utiliza un fluido perforante compuesto por una arcilla rehidratada, agua y un tensioactivo espumante.
El documento US 6172010 divulga un aditivo acuoso de transformación en espuma compuesto por un tensioactivo y un polímero caracterizado por unas cargas opuestas, para obtener una espuma estable.
El documento US 6802673 describe un aditivo acuoso de transformación en espuma compuesto por un tensioactivo aniónico y un condensado de p - naftaleno de sulfonato de formaldehído.
El documento US 4442018 divulga una composición de un aditivo para la producción de una espuma estable en fase acuosa compuesto por un polímero de ácido acrílico, un alcohol de C12 -C 14 y C16, un alcohol de C4 y C5, laurisulfato de sodio o sulfonato de alfaolefina, y agua.
El documento CN 104 450 289 divulga unas composiciones de fluido perforante que incluye goma xantana y tensioactivos aniónicos para su uso en la perforación de pozos petrolíferos, gas natural o agua, un uso diferente del acondicionamiento excavado por una máquina tuneladora.
El documento JP 2014092018 también divulga unas composiciones fluídícas que comprenden un tensioactivo y goma xantana para su uso en pozos petrolíferos, de gas natural o agua.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere al uso de un aditivo de transformación en espuma diseñado para ser añadido en porcentajes del 0,1 al 4% en peso a una solución acuosa, capaz de generar una espuma destinada a ser inyectada en el frente del túnel. Dicha espuma se utiliza sobre el frente para ablandar el suelo y permitir una extracción más rápida, y en la cámara de acondicionamiento para mantener la estabilidad del frente del túnel.
La gran estabilidad de la espuma generada, expresada como vida media, permite que se mantenga durante más tiempo el acondicionamiento dentro de la cámara de excavación.
El aditivo para su uso de acuerdo con la invención, bajo la forma de una solución acuosa clasificable como fácilmente biodegradable, comprende al menos un tensoactivo seleccionado entre un sulfato alquilo etoxi o lauriléter sulfato de sodio en porcentajes que oscilan entre un 5 y un 40% en peso, y al menos un biopolímero seleccionado entre goma xantana y goma guar en porcentajes que oscilan entre un 0,01 y un 5% en peso, agua entre un 55% y un 94,09% en peso. Un alquil etoxi sulfato de sodio con una cadena de alquilo de C10 -C14 y un número de etoxilación de entre 1 y 9 es especialmente preferente como tensoactivo aniónico.
El aditivo de transformación en espuma utilizado en la invención es clasificable como fácilmente biodegradable de acuerdo con las directrices OECD 301.
El aditivo de transformación en espuma utilizado en la invención se caracteriza por una alta estabilidad, incluso en presencia de salmuera.
El aditivo de transformación en espuma puede también contener otros compuestos utilizados para tratar problemas específicos tales como taponamientos debidos a suelos arcillosos, para impedir el elevado consumo de los cortadores acoplados al cabezal portacuchillas, o para reducir la cantidad de sales solubles en el agua presente en el suelo de la excavación.
El aditivo es, de modo preferente, añadido en porcentajes que oscilan entre un 0,1 a un 4,0% en peso, al agua bombeada dentro de un generador de espuma.
Las características y ventajas del uso del aditivo de acuerdo con la invención se describen más concretamente en los ejemplos abajo incluidos. Los porcentajes de los ingredientes se expresan en peso.
Ejemplo 1
Los aditivos de transformación en espuma presentan las siguientes composiciones:
Tabla 1: composición de muestras
Figure imgf000004_0001
Se evaluó la espuma generada por una solución acuosa preparada añadiendo un 2% en peso de aditivo de transformación en espuma a 5000 g de agua. La estabilidad se expresa como la vida media, la cual indica el tiempo requerido para que el peso de la espuma se reduzca a la mitad. La prueba se lleva a cabo evaluando el tiempo durante el cual el agua que alcanza la mitad del peso / volumen de la espuma es liberada en un cilindro de 250 ml.
La espuma se forma mediante un generador que transporta el flujo de líquido en un flujo de aire constante hasta un mezclador de bola de vidrio.
Tabla 2: vida media
Figure imgf000004_0002
Las figuras relacionadas en la Tabla 2 indican que la estabilidad de la espuma aumenta cuando se incrementa la dosis de biopolímero. La degradación biológica se desprende de la muestra 4 de acuerdo con la clasificación OECD 301 del producto como fácilmente biodegradable con un valor de un 84% después de 28 dias.
Ejemplo 2
Los aditivos de transformación en espuma presentan las composiciones relacionadas en la Tabla 1.
El agregado utilizado para evaluar la estabilidad del acondicionamiento es un cuarzo estándar con una curva de distribución de tamaño de partículas bien definida (0,06 a 0,25 mm).
La espuma utilizada para acondicionar la matriz se genera mediante una mezcla mecánica a 2000 rpm empezando a partir de una solución acuosa preparada con 65 g de agua y 0,65 g de aditivo de transformación en espuma.
La evaluación implica la adición de las espumas generadas con los aditivos de transformación en espuma relacionados en la Tabla 1 a tres 1000 g muestras de cuarzo estándar y homogeneizando la mezcla en un mezclador Hobart durante 3 minutos a velocidad estándar. El acondicionamiento de la matriz se expresa como el valor de viscosidad, medido con un viscómetro Brookfield DV-I Prime, utilizando un motor spindle D y una velocidad de 5 rpm. La viscosidad de la matriz acondicionada es evaluada en tiempos de 0 y 60 minutos después de la mezcla. Una diferencia menor de los valores obtenidos después de 60 minutos en comparación con la cifra inicial sugiere un mejor acondicionamiento de la espuma utilizada.
Los resultados se relacionan en la Tabla 3.
Tabla 3: viscosidad del cuarzo acondicionado
Figure imgf000005_0002
La prueba llevada a cabo con únicamente la adición de agua produjo una matriz sin cohesión; la medición de la viscosidad no fue significativa.
Los datos relacionados en la Tabla 3 indican una mejora de la estabilidad del acondicionamiento del suelo cuando se utilizaron espumas con vidas medias prolongadas.
Ejemplo 3
Los aditivos de transformación en espuma, presentan las siguientes composiciones:
Tabla 4: composición de muestras
Figure imgf000005_0001
Se evaluó la estabilidad de la espuma generada por una solución acuosa preparada añadiendo un 2% en peso de aditivo de transformación en espuma a 5000 g de agua. La estabilidad se expresa como la vida media, la cual indica el tiempo requerido para que el peso de la espuma se reduzca a la mitad. La prueba se llevó a cabo evaluando el tiempo en el que el agua que asciende a la mitad del peso / volumen de la espuma fue liberada en un cilindro de 250 ml.
La espuma se formó mediante un generador que utilizó un flujo de aire constante.
Tabla 5: vida media
Figure imgf000005_0003
Las figuras relacionadas en la Tabla 5 indican que la estabilidad de la espuma aumenta cuando la dosis de biopolímero se incrementa.
Ejemplo 4
Los aditivos de transformación en espuma presentan las siguientes composiciones:
Tabla 6: composición de muestras
Figure imgf000006_0001
Se evaluó la estabilidad de la espuma generada por una solución acuosa preparada añadiendo un 2% en peso de aditivo de transformación en espuma a 5000 g de agua. La estabilidad se expresa como la vida media, la cual indica el tiempo requerido para que la espuma se reduzca a la mitad. La prueba se lleva a cabo evaluando el tiempo en el que el agua que alcanza la mitad del peso / volumen de la espuma es liberada en un cilindro de 250 ml.
La espuma se forma mediante un generador que transporta el flujo de líquido a un líquido flujo de aire dentro de un mezclador de bola de vidrio.
Tabla 7: vida media
Figure imgf000006_0003
Las figuras relacionadas en la Tabla 7 indican que la estabilidad de la espuma aumenta cuando la dosis de biopolímero del aditivo se incrementa.
Ejemplo 5
Los aditivos de transformación en espuma presentan las siguientes composiciones:
Tabla 8: composición de muestras
Figure imgf000006_0002
Se evaluó la estabilidad de la espuma generada por una solución acuosa preparada añadiendo un 2% en peso de aditivo de transformación en espuma da 5000 g de salmuera. La salmuera utilizada se caracteriza por una concentración de cloruro sódico de un 2%. La estabilidad se expresa como la vida media, la cual indica el tiempo requerido para que el peso de la espuma se reduzca a la mitad. La prueba se lleva a cabo evaluando el tiempo en el que el agua que asciende a la mitad del peso / volumen de la espuma es liberada en un cilindro de 250 ml.
La espuma se forma mediante un generador que transporta el flujo de líquido en un flujo de aire constante dentro de un mezclador de bola de vidrio.
Tabla 9: vida media
Figure imgf000007_0002
Las figuras relacionadas en la Tabla 9 indican que la estabilidad de la espuma generada por una solución de salmuera aumenta cuando la cantidad de biopolímero del aditivo se incrementa.
Ejemplo 6
Los aditivos de transformación en espuma presentan las siguientes composiciones:
Tabla 10: composición de muestras
Figure imgf000007_0001
Se evaluó la estabilidad de la espuma generada por una solución acuosa preparada añadiendo un 2% en peso de aditivo de transformación en espuma a 5000 g de salmuera. La estabilidad se expresa como la vida media, la cual indica el tiempo requerido para que el peso de la espuma se reduzca a la mitad. La prueba se lleva a cabo evaluando el tiempo en el que el agua que asciende a la mitad del peso / volumen de la espuma es liberada en un cilindro de 250 ml.
La espuma se forma mediante un generador que transporta el flujo de líquido en un flujo de aire de constante dentro de un mezclador de bola de vidrio.
Tabla 11: vida media
Figure imgf000007_0003
Las figuras relacionadas en la Tabla 11 muestran una espuma estable cuando un sulfato de alquiléter caracterizado por un número de etoxilación 7 es utilizado como un tensioactivo.

Claims (2)

REIVINDICACIONES
1. - Uso de un aditivo líquido de transformación en espuma que contiene de un 5 a un 40% en peso de uno o más tensioactivos aniónicos seleccionados entre un sulfato de etoxialquilo o una sal de laurelsulfato de sodio, de un 0,01 a un 5% en peso de uno o más biopolímeros seleccionados entre goma xantana o goma guar y de un 55 a un 94,09% de agua para el acondicionamiento de un suelo excavado por una máquina tuneladora.
2. - Uso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el aditivo es añadido, en porcentajes que oscilan entre un 0,1 y un 4% en peso, al agua bombeada dentro de un generador de espuma.
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