ES2937336B2 - Sistema de perforacion con inyeccion a presion - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

SISTEMA DE PERFORACION CON INYECCION A PRESION

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es un sistema de perforación que permita detectar, y de esta manera poder evitar, los aumentos de presión durante la ejecución de la mejora de un terreno con el método del jet-grouting, o perforación con inyección a presión, y evite los problemas ocasionados por estos fenómenos en los materiales superficiales y conducciones y estructuras cercanas.

Encuentra especial aplicación en el ámbito de la industria de la maquinaria de perforación utilizada en construcción y en los procesos de mejora del terreno mediante la técnica del jetgrouting.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Y PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER

La perforación con inyección a presión, más conocida por su término anglosajón jetgrouting, consiste en la perforación de un terreno en profundidad mediante una máquina perforadora con una cabeza cortante en el extremo que va perforando el terreno para ir introduciendo un varillaje hueco. A continuación de la cabeza cortante, la máquina perforadora incorpora un monitor con unas toberas de salida en dirección perpendicular variable al eje del varillaje.

Una vez introducido el varillaje hasta una profundidad determinada, por el varillaje se introduce un fluido a presión que sale a velocidad por las toberas de salida para impactar con el suelo. Al mismo tiempo, el varillaje es sometido a una rotación, de forma que el fluido a velocidad impacta en el suelo perimetralmente consiguiendo desestructurar o desagregar el suelo o la roca poco compacta.

El fluido consiste en una lechada de cemento, que se va mezclando con el terreno que se va erosionando, sustituyéndolo, de forma que, a medida que va subiendo el varillaje se van llenando huecos y discontinuidades para formar en el terreno columnas y otros tipos de estructuras que se utilizan para reforzar una construcción determinada.

En lugar de ser un único tubo, el varillaje puede consistir en varios tubos concéntricos de forma que, por cada uno de ellos, se agregue un fluido. Así, además de una lechada de cemento, se puede inyectar también agua y aire para tener una mezcla de dos o hasta tres fluidos. Los conocidos como Jet-I, Jet-II, Jet-III y Super-Jet con todas sus variantes que no se describen detalladamente en este documento por ser suficientemente conocidos.

El jet-grouting, por tanto, se considera como una técnica de tratamiento del terreno que mejora sus propiedades resistentes y su compresibilidad, y reduciendo la permeabilidad.

El proceso básicamente consiste en expulsar chorros de lechada de cemento a través de las toberas a presion, logrando así la erosión del terreno y su íntima mezcla con el mismo. La distancia que alcanza la erosión por chorro varía en función del fluido empleado, del tipo de suelo y de la velocidad de ascenso, entre otros factores. La técnica del jet-grouting tiene múltiples aplicaciones, como pueden ser la mejora del terreno, la impermeabilización o el refuerzo de construcciones mediante la creación de columnas, siendo el fluido de perforación también variable.

Las presiones de trabajo varían, llegando en algunos casos puntuales hasta los 90 MPa. Los sistemas jet-grouting permiten inyectar lechadas de cemento en suelos de grano muy fino, en los que con otros sistemas sólo serían inyectables productos químicos o ni siquiera éstos.

Sin embargo, este proceso presenta una serie de problemas que tienen lugar como consecuencia de la posible obstrucción del canal de salida del rechazo por el espacio anular que hay entre el varillaje y el terreno. Durante la perforación y/o la formación de las columnas de jet-grouting el terreno puede colapsar y obstruir dicha salida. De ocurrir esto, no es posible la salida del material generandose una presión no liberada durante el proceso que puede derivar en los procesos que a continuación se describen.

En efecto, en el desarrollo de los trabajos de jet-grouting, cuando los materiales perforados para la ejecución de las columnas de suelo mejorado son inestables, bien por su propia naturaleza o bien como consecuencia de trabajos anteriores, como por ejemplo, debido a canalizaciones y obras subterráneas, entre otras, pueden producirse principalmente dos fenómenos.

- El primero consiste en el levantamiento o desplazamiento del terreno.

- El segundo consiste en la afección a obras subterráneas, servicios y estructuras cercanas al tratamiento.

Actualmente la solución a estos problemas solo pasa por la paralización del trabajo y el arreglo de los problemas causados, sin que exista ningún tipo de prevención que no sea la relacionada con la intuición o pericia de los trabajadores.

La presente invención viene a solucionar estos problemas que no estaban resueltos en el presente estado de la técnica, mediante un nuevo sistema formado por cuatro puntos principales:

a) Sistema de sensorización de hélice y dispositivo de perforación.

b) Unidad de rotación adicional para la hélice.

c) Sistema de extracción forzada de rechazo.

d) Sistema informático de control de procesos.

El conjunto de los cuatro sistemas permite una detección rápida de altas presiones en el proceso de perforación y formación de columnas de jet-grouting permitiendo actuar sobre ellas y eliminarlas.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Con el fin de alcanzar los objetivos y evitar los inconvenientes mencionados anteriormente, la presente invención describe un sistema de perforación con inyección a presión que comprende un dispositivo de perforación con inyección a presión (jet-grouting), conectado a un programa de control. El dispositivo de perforación con inyección a presión es conocido en el estado de la técnica y comprende a su vez una cabeza cortante para la erosion del terreno, un varillaje para el suministro de un fluido, un monitor con toberas de inyección para la expulsión del fluido, y una unidad de rotación para imprimir velocidad al dispositivo.

El sistema de perforación de la invención comprende además un dispositivo de control que a su vez comprende una hélice, conectada a una unidad de rotación adicional, con el objetivo de aportar velocidad a la hélice.

La hélice comprende un conducto interno por donde se introduce el dispositivo de perforación, de forma que el varillaje queda alojado en el conducto interno y, una vez superada la longitud de la hélice, la cabeza cortante y el monitor quedan en el exterior del conducto interno permitiendo continuar la perforación hasta la longitud definida.

Por su parte, la hélice comprende unos primeros sensores de presión y el dispositivo de perforación comprende un segundo sensor de presión. Los primeros sensores, junto con el segundo sensor, permiten evaluar las diferentes presiones obtenidas durante la ejecución de los trabajos.

Todo este conjunto es controlado por un sistema de registro y control que, mediante un programa de control, estudia las diferencias de presión que tengan lugar durante los trabajos y regula la rotación de la hélice, permitiendo liberar la presión y evitando fenómenos de levantamiento de terreno o desplazamiento de estructuras lateralmente, fenómenos que ocurren durante la ejecución de jet-grouting y que son muy problemáticos.

El programa de control ya es conocido y es empleado en los dispositivos de perforación con inyección a presión para el control de la velocidad de rotación y de presión y caudal del sistema de inyección de fluido.

Al comenzar a subir el rechazo de terreno producido por el corte de los chorros del monitor de jet-grouting, pueden producirse aumentos de presión que serán detectados por el segundo sensor. Dichos aumentos de presión serán interpretados por el programa de control y, al mismo tiempo, serán comparados con las lecturas de los primeros sensores ubicados en la hélice, haciendo que la hélice comience a girar con velocidad progresiva adaptada, bien a los aumentos de presión detectados por cualquiera de los sensores o a la diferencia de presiones registrada entre los primeros sensores y el segundo sensor, provocando la extracción de material a través de la hélice para reducir las subidas de presión.

De esta forma, la detección de una variación determinada de las mediciones de presión entre los primeros sensores y el segundo sensor o individualmente en cualquiera de los sensores, activa el inicio de la rotación de la hélice. Si, en cualquiera de los casos, la presión medida continua aumentando se generaría un aumento de velocidad de la unidad de rotación adicional, provocando la extracción de material por el conducto de rechazo adicional mediante la hélice y reduciendo los aumentos de presión. El desarrollo del software contempla la programación de las diferentes velocidades de rotación de la hélice según la información registrada por cada uno de los sensores.

Este sistema también podría hacerse funcionar de manera manual en cualquier momento del proceso para facilitar simplemente la evacuación del rechazo sin que implique aumentos de presión.

Así, el programa de control está configurado para imprimir una velocidad determinada a la unidad de rotación adicional en función de la diferencia de presiones detectada entre el primer sensor de presión y el segundo sensor de presión o en cualquiera de ellos de manera individual, siendo estos parámetros configurables por un usuario.

Para facilitar la salida de material hacia el conducto de rechazo adicional, el dispositivo de control podría contar con un conducto externo destinado a guiar el material extraído por la hélice.

En cuanto al segundo sensor de presión, puede estar ubicados en el monitor o en el conducto interno del varillaje.

Además, el sistema de perforación puede comprender un conducto de rechazo conectado al canal de salida para la extracción localizada de material de rechazo y también un conducto de rechazo adicional conectado al conducto externo para extracción de material de rechazo mediante la hélice.

De esta forma, el sistema de perforación de la invención comprende tres puntos novedosos:

1. Una unidad de rotación adicional en la perforadora convencional de jet-grouting para perforar con una hélice que se describe a continuación. Esta novedad implica un cambio en las torres convencionales de perforación que incluye esta unidad de rotación adicional en la parte inferior de la torre, desplazando las mordazas de manejo del varillaje de jet-grouting por encima de ella para poder realizar los trabajos finales de ejecuccion de columnas de jet-grouting.

2. Una hélice, con un conducto interno por el que se realizan los trabajos posteriores de perforación y generación de columnas de jet-grouting; dicha hélice esta conectada a la unidad de rotación adicional y al programa de control, o software, que gestiona la rotación de la misma con los cambios registrados de presión que se produzcan en el desarrollo de los trabajos. En dicha hélice están ubicados unos primeros sensores de presión. Una vez realizada la perforación con la hélice a la profundidad de trabajo definida, dichos primeros sensores de presión registrarán la presión en ese punto.

3. Un segundo sensor de presión, preferentemente ubicado en el dispositivo de perforacion. Una vez realizada la instalación de la hélice, se procede a la perforación por el interior de la misma hasta alcanzar la profundidad de generación de columnas definida en el proyecto de trabajo y se comienza con la generación de columnas de jet-grouting. El segundo sensor de presión tiene la función de comprobar las presiones de trabajo en la zona de generación de la columna de jet-grouting. Preferiblemente está ubicado en el monitor o en el tubo interno de la hélice.

En definitiva, el sistema incorpora una hélice con un dispositivo de registro de presión más otro en el monitor y una unidad de rotación adicional para activar la rotación/perforación/extracción de material resurgente, todo ello controlado por un programa/software de control y gestión de las diferentes partes, de forma que se detectan situaciones de sobrepresiones en el terreno y puede actuarse sobre el sistema para evitar problemas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Para completar la descripción de la invención y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización de la misma, se acompaña un conjunto de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado las siguientes figuras:

- La figura 1 representa una vista lateral del dispositivo de control de la invención. - La figura 2 representa una vista en sección del dispositivo de control representado en la figura 1.

- La figura 3 representa una vista en sección del sistema de perforación de la invención formado por el dispositivo de control de la figura 1 acoplado a un dispositivo de perforación con inyección a presión.

A continuación se facilita un listado de las referencias empleadas en las figuras:

1. Cabeza cortante.

2. Monitor.

3. Toberas de inyección.

4. Varillaje.

5. Conducto de rechazo.

6. Unidad de rotación.

7. Hélice.

8. Conducto interno.

9. Conducto externo.

10. Conducto de rechazo adicional.

11. Unidad de rotación adicional.

12. Primer sensor de presión.

13. Segundo sensor de presión.

14. Canal de salida.

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema de perforación con inyección a presión que, además del dispositivo de perforación conocido (jet-grouting), con su correspondiente programa de control, comprende un dispositivo extra de perforación, o dispositivo de control, que a su vez comprende una hélice (7) con unos primeros sensores (12), y una unidad de rotación adicional (11) conectada a la hélice (7), todos ellos conectados al programa de control. Además, el sistema de perforación también comprende al menos un segundo sensor de presión, que también está conectado al programa de control, ubicado en el dispositivo de perforación, según se describirá más adelante.

El dispositivo de perforación con inyección a presión es del estado de la técnica y comprende un varillaje (4) de una longitud determinada en función de la profundidad máxima a la que se quiere trabajar. El varillaje (4) está formado por uno o varios tubos huecos por donde se introduce el fluido a presión, mientras que en el extremo incorpora un monitor (2) con al menos un par de toberas de inyección (3) orientadas perpendicularmente al eje longitudinal del varillaje (4) para la salida de fluido. El monitor (2) está acoplado a una cabeza cortante (1) encargada de ir perforando el terreno. La cabeza cortante (1) está accionada por una unidad de rotación (6) encargada de transmitirle un movimiento de rotación. La cabeza cortante 1) tiene un diámetro mayor que el del varillaje (4), con lo que al ir perforando el terreno deja un hueco alrededor del varillaje por el que sale al exterior el material de rechazo, sin necesidad de que exista ningún tipo de conducción.

Como puede verse en la figura 1, el dispositivo de control consiste básicamente en una hélice (7) longitudinal destinada a crear un orificio del tamaño del conducto externo (9) que define el diámetro de la hélice (7) en el terreno en el que se va a crear la perforación. Esta hélice (7) está conectada a una unidad de rotación adicional (11), encargada de su activación a una velocidad que puede ser seleccionada según las necesidades. El conducto externo (9) se ubica en la zona más próxima a la superficie del terreno y hace de guía del material extraído por la hélice (7) para dirigirlo hacia un conducto de rechazo adicional (10) que es opcional. La hélice (7) además, incorpora primeros sensores (12) cuya función se analizará más adelante.

En la figura 2 se representa una sección del dispositivo de control, donde se puede apreciar que la hélice (7) incorpora un conducto interno (8) destinado a acoger al dispositivo de perforación con inyección a presión.

Las unidades de rotación (6, 11) y los conductos de rechazo (5, 10) tanto del dispositivo de perforación como del dispositivo de control son independientes. Esto es primordial según se indicará a continuación a la hora de ver el funcionamiento de la invención.

En la figura 3 se representa el conjunto ya acoplado del dispositivo de perforación con inyección a presión y el dispositivo de control, donde la cabeza cortante (1) se ha introducido por el conducto interno (8) de la hélice (7) hasta asomar por el otro extremo junto con las toberas de inyección (3) ubicadas en el monitor (2), de forma que el fluido a presión impacte directamente en el terreno. El monitor (2) incorpora un segundo sensor (13). Con esta configuración, la holgura existente entre el varillaje (4) y la pared interna del conducto interno (8) define un canal de salida (14) por el que circula el material de rechazo, que está conectado a un conducto de rechazo (5) destinado a la gestión de dicho rechazo para su posterior envío a vertedero. De esta forma la gestión del material de rechazo queda controlada.

A continuación se describe cómo se realiza el proceso de perforación.

Se comienza la perforación con la hélice (7) hasta una profundidad determinada. Esta perforación se puede realizar con tramos de hélice (7) hasta alcanzar la profundidad necesaria. Dependiendo del terreno, la hélice (7) puede contar con una punta de perforación que se puede extraer una vez alcanzada la profundidad objetivo y volver a introducir la hélice (7) o incluso acompañar la hélice (7) junto con el varillaje (4) del dispositivo de perforacion jet-grouting, incluida la cabeza cortante (1) y el monitor (2) con el segundo sensor (13), para facilitar la perforación del material encontrado.

Una vez acoplado el dispositivo de perforación al dispositivo de control, y estando el conjunto conectado a una máquina perforadora en posición de comenzar la extracción de terreno, se realizan los primeros controles de presión en los primeros sensores (12) ubicados en la hélice (7).

Se comienza la perforación por el interior de la hélice (7) con el dispositivo de perforación de jet-grouting. Al alcanzar la cabeza cortante (1) la profundidad de trabajo, se activa la inyección a presión, con lo que el fluido sale por las toberas de inyección (3) hacia el exterior para mezclarse con el material del terreno hasta una distancia determinada, función de la dureza del terreno y la velocidad de salida del fluido, que determinará el diámetro de la columna a formar. El fluido típicamente es lechada de cemento, aunque pueden utilizarse varios fluidos.

La profundidad que alcanza la hélice (7) no tiene por qué ser la misma que la de la cabeza cortante (1), pudiendo ser inferior.

Al mismo tiempo que comienza la inyección a presión, comienza la ascensión del varillaje (4) de jet-grouting con los parámetros marcados por el programa de control del jet-grouting, controlando velocidad de rotación, escalones de ascenso, presión y caudal de acuerdo con el sistema convencional de jet-grouting. El monitor (2) va subiendo para ir generando la columna en altura al ir mezclándose la lechada de cemento inyectada con el material que va erosionando del terreno. A medida que el monitor (2) va subiendo, se realizan las comprobaciones de presión con el segundo sensor (13), instalado en el monitor (2), para su análisis según se describe más adelante.

La hélice (7) comienza la ascensión a la vez que el varillaje (4) de jet-grouting con el fin de evitar que la lechada de cemento impacte sobre ella y pueda quedar inutilizada.

La velocidad de inyección no suele variarse, con lo que el diámetro de la columna formada irá variando en función de la dureza del terreno.

Al mismo tiempo, parte del material que se va erosionando se dirige por el canal de salida (14) existente como diferencia entre los diámetros del varillaje (4) y del conducto interno (8) de la hélice (7) donde se ubica.

Sin embargo, en ocasiones el tamaño del canal de salida (14) es demasiado pequeño para absorber la cantidad de material que se debe extraer, por lo que no se da una salida ordenada del material y se tapona el canal de salida (14), creándose aumentos de presión que provocan el levantamiento y desplazamiento del terreno, de la misma forma que pueden provocar afecciones a estructuras y servicios próximos.

El sistema de la invención evita este problema mediante la detección de diferencias de presión en la perforación realizada mediante el segundo sensor de presión (13) ubicado en el monitor (2) y los primeros sensores de presión (12), ubicados en la hélice (7) cada cierto número de pasos. El segundo sensor de presión (13) puede estar ubicados en el monitor (2) o en el canal interior del varillaje. De esta forma, la variación de la presión medida por los primeros sensores (12) con respecto al segundo sensor (13) o en cualquiera de ellos de manera independiente, significa que existe una sobrepresión en el terreno. Esto implica que debe liberarse presión, para lo cual debe aumentarse la velocidad de la unidad de rotación adicional (11) para extraer material por mediación de la hélice (7) por el conducto de rechazo adicional (10) y evitar así los problemas de levantamiento del terreno y afección a servicios y estructuras próximas.

Para controlar de forma adecuada estas mediciones, los primeros y segundo sensores (12, 13) están conectados, junto con la unidad de rotación adicional (11), al programa de control de forma que, en función de la diferencia de presión detectada entre los primeros y segundos sensores (12, 13) o en cualquiera de ellos de manera independiente, se imprimirá una velocidad de rotación determinada a la unidad de rotación adicional (11), variando el caudal de material extraído mediante la hélice (7). El sistema también es posible ser accionado manualmente en caso de necesidad.

Por un lado, el programa de control está configurado para controlar la unidad de rotación (6) en cuanto a velocidad de rotación y escalones de ascenso, y el sistema de inyección de fluido en cuanto a presión y caudal de acuerdo con el sistema convencional de jet-grouting. Por otro lado, el programa de control también está configurado para activar la unidad de rotación adicional (11) una vez alcanzada una determinada diferencia entre los primeros y los segundos sensores (12, 13) o en cualquiera de ellos de manera independiente. Además, también está configurado para imprimir una velocidad determinada a la unidad de rotación adicional (11) en función de la diferencia de presiones detectada en cualquiera de los casos.

De esta forma, con el sistema de la invención es posible detectar con antelación suficiente el comienzo de problemas debido al aumento de presión consecuencia de la rápida salida de la resurgencia de material resultado de la generación de las columnas de jet-grouting, a la vez que se elimina dicha sobrepresión y los atascos correspondientes mediante la apertura del conducto de rechazo adicional (10) como nueva vía para la salida de material a través de la hélice (7).

Por último, hay que tener en cuenta que la presente invención no debe verse limitada a la forma de realización aquí descrita. Otras configuraciones pueden ser realizadas por los expertos en la materia a la vista de la presente descripción. En consecuencia, el ámbito de la invención queda definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. - Sistema de perforación con inyección a presión que comprende un dispositivo de perforación con inyección a presión, conectado a un programa de control, que a su vez comprende una cabeza cortante (1), un monitor (2) con toberas de inyección (3), un varillaje (4) y una unidad de rotación (6), estando el sistema caracterizado por que comprende:

- un dispositivo de control que comprende una hélice (7), con un conducto interno (8), conectada a una unidad de rotación adicional (11),

- al menos un primer sensor de presión (12) ubicado en la hélice (7), y

- un segundo sensor de presión (13) ubicado en el dispositivo de perforación, donde:

- el varillaje (4) del dispositivo de perforación está alojado en el conducto interno (8), - la cabeza cortante (1) y el monitor (2) quedan en el exterior del conducto interno (8), y

-e l programa de control está conectado a los primeros sensores (12), al segundo sensor (13) y a la unidad de rotación adicional (11),

de forma que una variación determinada de las mediciones de los primeros sensores, (12), del segundo sensor (13) o de la diferencia entre los primeros sensores, (12) y el segundo sensor (13) de forma independiente, activa un aumento de velocidad de la unidad de rotación adicional (11), provocando la extracción de material mediante la hélice (7) y reduciendo la diferencia de presiones.

2. - Sistema de perforación con inyección a presión, según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un conducto de rechazo (5) conectado al canal de salida (14) para la extracción de material de rechazo.

3. - Sistema de perforación con inyección a presión, según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que comprende un conducto de rechazo adicional (10) conectado al conducto externo (9) para extracción de material de rechazo mediante la hélice (7).

4. - Sistema de perforación con inyección a presión, según la reivindicación 1, caracterizado por que el programa de control está configurado para imprimir una velocidad determinada a la unidad de rotación adicional (11) en función de la diferencia de presiones detectada en los primeros sensores de presión (12), en el segundo sensor de presión (13) o entre los primeros sensores de presión (12) y el segundo sensor de presión (13).

5. - Sistema de perforación con inyección a presión, según la reivindicación 3, caracterizado por que el dispositivo de control comprende un conducto externo (9) destinado a guiar el material extraído por la hélice (7) hacia el conducto de rechazo adicional (10).

6. - Sistema de perforación con inyección a presión, según la reivindicación 1, caracterizado por que el segundo sensor de presión (13) está ubicado en el monitor (2).

7. - Sistema de perforación con inyección a presión, según la reivindicación 1, caracterizado por que el segundo sensor de presión (13) está ubicado en el conducto interno (8).