Uso de espumas para el acondicionamiento del suelo en excavaciones con EPB TBMs. Enfoque medioambiental

Las tuneladoras reducen las molestias en la zona de excavación, lo que las hace ideales para su uso en zonas muy urbanizadas. También producen una pared de túnel lisa que reduce el coste del revestimiento final. El tiempo total de excavación de túneles largos se reduce considerablemente con las TBMs en comparación con los métodos de excavación convencionales.

En las últimas décadas se ha introducido una gran diversidad de TBMs, entre las que se incluyen principalmente las Slurry TBM y las Earth Pressure Balance (EPB) para terrenos blandos, los Grippers (codales) para roca dura y las Single Shield TBM (de escudo simple o escudo abierto) para la excavación de túneles a través de roca y otros terrenos estables no acuíferos. Todas ellas permiten una excavación rápida sin necesidad de alterar la superficie.

Sika ofrece una amplia gama de productos diseñados específicamente para su uso con diversas tuneladoras, a lo largo de todo el proceso de excavación y construcción de túneles.

En la excavación de terrenos blandos, y especialmente utilizando tuneladoras EPB, se requiere la inyección de espumas en el frente del túnel para modificar, de manera significativa, las características del terreno blando, incluyendo su plasticidad, textura y permeabilidad. El acondicionamiento del terreno facilita y acelera el trabajo y el avance de la tuneladora.

Los agentes espumantes, que se utilizan para producir las espumas, se basan en tensioactivos, combinados con agentes dispersantes, para estabilizar el suelo excavado en el frente de la máquina. En las tuneladoras EPB, la mezcla de tierra con espumas genera una contrapresión durante la excavación. El acondicionamiento del suelo con espumas también ayuda a reducir la fricción y el desgaste de las piezas de acero de la máquina - incluidas las herramientas de corte -, a reducir el par de torsión de la rueda de corte, a reducir la obstrucción y a mejorar el flujo del suelo excavado.

Los agentes espumantes de la gama Sika Stabilizer TBM son espumas líquidas acondicionadoras que han sido formuladas para ser utilizadas con máquinas EPB para modificar las propiedades del suelo excavado.

La selección del mejor tipo y cantidad de agente espumante para el acondicionamiento del suelo depende de la geología específica. De hecho, la selección correcta puede ser un factor importante para el éxito de la excavación del túnel con TBM.

Los ensayos iniciales de laboratorio basados en muestras del suelo a excavar pueden orientar para indicar el tipo de agente espumante más adecuado a emplear en cada caso y definir una dosificación adecuada del mismo.

Para llevar a cabo el análisis básico para el acondicionamiento del suelo con espumas, deben definirse parámetros tales como el Factor de Expansión de Espuma (FER), Factor de Inyección de Espuma (FIR), Factor de Inyección de Agua (WIR) y Concentración (c) deben ser definidos:

• c (%): Concentración del agente espumante en el agua.
• Factor de Expansión de Espuma (FER): Para definir la cantidad de espuma generada a partir de una solución. Representa la proporción de aire y líquido en la espuma y se define como un ratio.
• Factor de inyección de espuma o tasa de tratamiento (FIR): Cantidad de espuma inyectada en proporción al suelo excavado. Depende de las condiciones del suelo.
• Factor de Inyección de Agua (WIR): Cantidad de agua inyectada en proporción al suelo excavado. Depende de las condiciones del suelo.

No siendo el ámbito principal de este artículo y considerando publicaciones alternativas y más detalladas centradas en el proceso exacto para realizar el acondicionamiento del suelo con agentes espumantes, nos limitaremos a destacar los pasos principales en un análisis de laboratorio tradicional:

• Producción de la espuma con el agente espumante más adecuado a una correcta dosificación, comprobando la calidad de la espuma y analizando su comportamiento en el transcurso del tiempo.

• Inyección de diferentes cantidades de aire a la solución espumante para definir la posible expansión.

• Comparación de diferentes cantidades de espuma en la cantidad de suelo definida para identificar los cambios después del acondicionamiento.

Teniendo en cuenta el aspecto visual de la muestra de suelo acondicionado, la identificación de la posible pegajosidad del suelo a las superficies de acero, definir el flujo en determinadas condiciones o identificar un posible exceso de agua en el suelo acondicionado, dará como resultado una idea básica del producto más recomendable y del acondicionamiento más adecuado. Parámetros tales como c, FER, FIR y WIR se definirán y discutirán con las empresas constructoras antes de aplicarlos en una prueba de campo con la TBM.

Este análisis del acondicionamiento del suelo mencionado seguidamente puede variar ligeramente en función de los distintos proveedores de productos químicos o de los requisitos de determinadas empresas de construcción. Pueden incluirse consideraciones técnicas aún más detalladas para muestras de suelo más complejas.

Todas las consideraciones anteriores se centran en el rendimiento técnico del agente espumante durante el acondicionamiento del suelo, pero tienden a olvidar las consideraciones medioambientales. Un análisis más avanzado debería considerar tanto los aspectos técnicos como los medioambientales.

Puesto que las TBM excavan cada vez secciones más largas, con geologías probablemente más complejas y variadas, el acondicionamiento, la eliminación o la reutilización del material excavado adquieren cada día más importancia, incluso en las fases de planificación de los proyectos de túneles.

Por ello, cada vez son más importantes los análisis de acondicionamiento del terreno o del material a excavar, incluyendo el impacto medioambiental del material excavado por las EPB-TBM que constituye una clave para la selección del agente espumante más adecuado.

Teniendo en cuenta que los agentes espumantes están formados por mezclas acuosas de diferentes compuestos, básicamente solventes (>50%), tensioactivos aniónicos (5-40%) y compuestos minoritarios (<5%), el impacto medioambiental de los agentes espumantes debe incluir los siguientes análisis: Características químicas, Biodegradabilidad y Ecotoxicidad. La idea principal es identificar el impacto de los agentes espumantes tras el acondicionamiento del suelo en la mortalidad o inhibición del crecimiento en organismos determinados.

La biodegradabilidad de un material puede definirse brevemente como el proceso en el que los compuestos orgánicos (tensioactivos principalmente) se reducen a moléculas más simples gracias a una serie de microorganismos. La biodegradabilidad puede verse influida por las características del agente espumante, su dosificación y factores externos tales como las condiciones ambientales en las que puede producirse el proceso de biodegradabilidad.

La biodegradabilidad la llevan a cabo microorganismos (bacterias aerobias que utilizan el oxígeno para 'oxidar o biodegradar' los compuestos orgánicos existentes en el suelo) presentes en el aire, el suelo y el agua.

Muchos de los agentes espumantes utilizados de manera tradicional durante la excavación con TBM pueden identificarse como 'biodegradables', pero la velocidad del proceso de degradación variará en función de diferentes factores:

• Valor del pH (se recomienda 6,0 para los microorganismos aerobios).
• Concentración del agente espumante.
• Temperatura, humedad y cantidad de oxígeno.
• Tipo de microorganismo disponible en el medio ambiente.
• Tipo de suelo a acondicionar.
• Componentes externos (tales como contaminantes o sustancias tóxicas presentes en el suelo).

Para evaluar la biodegradabilidad, es necesario tener en cuenta los siguientes parámetros:

• Demanda bioquímica de oxígeno (DBO): cantidad de oxígeno necesaria para la estabilización biológica de los compuestos orgánicos. La concentración de oxígeno se mide mediante manómetros situados en los tapones de las botellas en las que se diluye la solución de muestra.
• Demanda química de oxígeno (DQO): oxígeno necesario para la oxidación química de los compuestos orgánicos. La medida se debe realizar con un espectrofotómetro UV-Vis.
• Carbono orgánico total (COT): contenido de carbono orgánico en un medio. La medida de este parámetro se realiza con un analizador de COT.

El tiempo que necesitan las bacterias para aclimatarse al medio y el tiempo necesario para iniciar la oxidación de las fuentes de carbono se denomina biodegradabilidad y varía con la presencia de compuestos tóxicos y más complicados.

La DBO se utiliza para analizar la biodegradabilidad en el tiempo. El cambio de la dosificación empleada puede modificar la función de los microorganismos responsables de la biodegradación, dando lugar a un tiempo de biodegradabilidad diferente.

Teniendo en cuenta las directrices OCDE-301 (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico) una sola sustancia química puede clasificarse como 'fácilmente biodegradable' si la DBO/COD0 es mayor o igual a 0,6 transcurridos 28 días.

Puesto que los agentes espumantes utilizados durante la excavación con TBM son muy solubles en agua y pueden considerarse productos que terminarán tras su uso/eliminación en un medio acuoso, los organismos objetivo de los ensayos de ecotoxicidad deben pertenecer también a un medio acuoso.

Uno de los ensayos más reconocidos a nivel internacional para el cribado de la toxicidad de las sustancias químicas y para el control de la toxicidad de los efluentes y de las aguas contaminadas es la prueba de toxicidad aguda con crustáceos dafnias (realizada con daphnia magna).

Para el ensayo de ecotoxicidad, las muestras se diluyen al 0,5% y al 0,1% de concentración del producto químico y se utilizan como solución de referencia para las pruebas con diferentes diluciones. El objetivo es hallar la EC50, es decir, la concentración de la muestra a la que muere o se inmoviliza el 50% de la población total de daphnia magna. A igual concentración de dos productos químicos, cuanto mayor sea el valor de EC50, menor será la toxicidad del producto.

A modo de comparación general, los siguientes gráficos muestran las curvas de biodegradabilidad y ecotoxicidad de algunos productos del mercado*:

Basándonos en los análisis de las curvas, podemos llegar a la conclusión de que:

• Un estudio medioambiental debe constar de dos partes relacionadas: la biodegradabilidad y la ecotoxicológica.
• Los valores más elevados de COT y DQO pueden ser un primer indicativo del perfil de biodegradabilidad y ecotoxicidad.
• Considerando diferentes productos analizados, actualmente conocemos que la respuesta ecotoxicológica puede no estar directamente correlacionada con la biodegradabilidad.
• Un cambio en la dosificación puede modificar la función de los microorganismos responsables de la biodegradabilidad, dando lugar a un tiempo de biodegradabilidad diferente.
• Cuando se compara el mismo agente espumógeno bajo diferentes dosificaciones, la concentración inicial tiene una influencia notable en el proceso de biodegradabilidad: si la concentración aumenta, es posible tener una mayor tasa de biodegradabilidad. Mientras que, en algunos casos, el aumento de la concentración puede provocar un fenómeno de inhibición causado por excesos de carbono orgánico.
• Las pruebas ambientales con el material en el emplazamiento real en obra y durante la excavación pueden proporcionar información más precisa sobre el impacto de los productos químicos.

Nuestra sociedad tiene cada vez más en cuenta el impacto medioambiental de las obras civiles y la eliminación o reutilización de los recursos.

No sólo el tipo y la cantidad del agente espumante, sino también el suelo (sus características físico-químicas) y las condiciones ambientales deben tenerse en cuenta en un análisis adecuado de eliminación/reutilización del suelo.

Para satisfacer las crecientes expectativas medioambientales específicas e intentar reducir el impacto ecológico del material acondicionado y excavado por las TBM tras su eliminación, Sika está promocionando una gama alternativa de agentes espumantes de la familia Sika Stabilizer TBM con formulaciones más sostenibles. Teniendo en cuenta la geología del túnel y las condiciones de la obra, el uso de estos productos puede reflejar un impacto medioambiental más positivo de los agentes espumantes.