Project Description
Técnica de construcción destinada a consolidar y sellar provisionalmente un suelo (o una roca fracturada)
Soletanche Bachy utiliza la mayoría de las veces el principio de congelación para realizar ramificaciones o galerías bajo la capa, contener una contaminación, realizar pozos verticales a través de acuíferos o impermeabilizar las aberturas en las obras.
¿Cuál es el principio de la congelación de los suelos?
El principio de la congelación de los suelos consiste en la transformación del agua intersticial del suelo en hielo y, de este modo, garantizar una unión estanca y resistente entre las partículas del terreno.
La congelación del suelo resulta de la transferencia de calorías del terreno a un líquido a baja temperatura (líquido caloportador o refrigerante) que circula por las perforaciones (llamadas también tubos congeladores o sondas de congelación) instaladas en el suelo: el agua en contacto con el congelador se transforma en hielo y forma una envoltura de terreno congelado en torno a él que, al espesarse con el tiempo, permite lograr la continuidad con los tubos congeladores colindantes.
Las ventajas de esta técnica
La diferencia entre la congelación y las demás técnicas de contención o de tratamiento de los suelos más convencionales es:
El carácter provisional del tratamiento: generalmente no se produce una modificación permanente del subsuelo ni de la hidrología natural
La estanqueidad conseguida es completa, lo que elimina los problemas de bombeo-tratamiento de las aguas y el posible agotamiento de agua exterior
No es necesario inyectar ningún producto químico en el terreno, lo que permite preservar el medio ambiente
Los ámbitos de aplicación
La congelación puede aplicarse a todos los terrenos acuíferos. En caso de que exista una importante circulación de agua subterránea (natural o no), puede que sea necesaria una inyección previa o una densificación de los tubos congeladores.
La técnica de la congelación es la más utilizada para la excavación de túneles, de pozos (mineros u otros), de galerías y ramificaciones cuando no pueden emplearse los métodos convencionales (bombeo, inyección, jet grouting, Deep Soil Mixing, etc.) debido a la naturaleza del terreno, la profundidad, la accesibilidad en la superficie, la presencia de redes, etc.
También pueden contemplarse otras aplicaciones más inusuales, como el confinamiento de zonas contaminadas (Fukushima).
Los métodos de congelación
Para la congelación de los suelos se utilizan dos métodos, el método de circuito abierto y el método de circuito cerrado. Pueden utilizarse ambos métodos, uno después del otro (abierto y después cerrado).
El método histórico desde 1862 de la congelación en circuito cerrado con salmuera ha demostrado su utilidad en las minas y, posteriormente, en las obras públicas. La llegada del nitrógeno líquido, transportable a unas temperaturas comprendidas entre -196ºC y -60ºC, permite congelar el suelo muy rápidamente según el principio del circuito abierto.
Método 1 : El método de circuito abierto (con expansión directa)
El líquido caloportador o refrigerante es el nitrógeno líquido. El nitrógeno líquido es entregado en la obra por camiones especiales y es almacenado en cisternas/cubas especiales.
El nitrógeno es introducido en el circuito a través de una válvula (cuya apertura es generalmente regulada automáticamente en función de la temperatura de salida) en forma líquida a la temperatura criogénica de -196ºC. Al circular por los tubos congeladores, el nitrógeno entrará en ebullición y cambiará de fase líquida a fase gaseosa. En el caso del nitrógeno, 1 litro de líquido se convierte en 691 litros de gas (a 15ºC de presión atmosférica). En nuestra congelación, el nitrógeno es calentado para después liberarse en la atmósfera en forma gaseosa a una temperatura comprendida generalmente entre -60ºC y -90ºC. La liberación tiene lugar a través de una “chimenea”. Cerca del 65 % del frío es aportado por el cambio de fase a -196ºC. El resto procede del calentamiento del nitrógeno en forma gaseosa.
La congelación con nitrógeno líquido se utiliza sobre todo en condiciones de emergencia (rapidez del enfriamiento) o cuando se alcanzan los límites de la congelación con salmuera. Sin embargo, es costoso y debe ser realizado con gran cuidado por expertos, ya que existe un alto riesgo de asfixia en caso de fuga. Por este motivo, durante las fases de inyección de nitrógeno en el circuito, es preferible evitar cualquier actividad en las proximidades de la obra.
Método 2 : El método en circuito cerrado o bidireccional
El líquido caloportador es una salmuera (mezcla de agua y sales), generalmente cloruro cálcico (CaCl2), cuya temperatura es reducida entre -25ºC y -40ºC. A estas temperaturas, la salmuera se mantiene líquida siempre que su concentración de sales esté rigurosamente ajustada (punto eutéctico).
Por consiguiente, en este método de circuito cerrado, es necesario enfriar la salmuera antes de enviarla a los tubos congeladores. La salmuera circula primero por un depósito de transferencia de calorías del sistema refrigerador. Este depósito está equipado con un filtro que elimina las impurezas. La salmuera, durante su puesta en circulación, se calienta al contacto con el terreno (y en los conductos), aunque solo unos grados.
Esto constituye el primer bucle cerrado del circuito.
El sistema refrigerante a temperatura muy baja enfría el depósito de transferencia. Este sistema utiliza el principio de Rankine (al igual que un refrigerador) para comprimir y después liberar un refrigerante (R507 en el esquema de abajo), pero que a veces puede ser sustituido por CO2 cuando el amoniaco tiende a desaparecer. Esto constituye el segundo bucle cerrado del circuito.
Las calorías del sistema refrigerante deben ser también dispersadas, generalmente con el uso de un intercambiador fluido-aire (al igual que en la climatización) pero también puede utilizarse un intercambiador fluido-agua por razones de espacio o de ruido.
Generalmente, es preferible la congelación con salmuera a la congelación con nitrógeno por razones evidentes de costes y de seguridad.
El método mixto
Este método combina ambos métodos: método en circuito abierto (Nitrógeno) y método en circuito cerrado (Salmuera).
El enfriamiento se efectúa en circuito abierto con nitrógeno líquido por motivos de rapidez. El mantenimiento se realiza en circuito cerrado con salmuera por razones de costes.
Las implicaciones:
- Los materiales se adaptan a las temperaturas criogénicas del nitrógeno líquido
- Los diámetros de los tubos congeladores son más importantes porque se adaptan a la salmuera (no obstante, puede contemplarse cambiar el diámetro del tubo interior para pasar del nitrógeno líquido a la salmuera).
Económicamente, este método se enmarca entre los dos anteriores. Resulta interesante en determinadas circunstancias:
- Urgencia de la puesta en marcha de una congelación (interés del nitrógeno líquido) que perdure en el tiempo (interés de la salmuera).
- Velocidad de circulación de las aguas subterráneas superior al límite admisible por la congelación con salmuera, La puesta en marcha de una congelación con nitrógeno líquido permite desarrollar el macizo de hielo y cortar la circulación de agua. La salmuera toma a continuación el relevo para mantener el macizo de hielo. Esta solución es válida en la circulación de agua periférica al macizo de hielo si no hay una fuente progresiva del macizo de hielo por unas aportaciones excesivamente importantes de calorías.
- La fase de enfriamiento emplea el nitrógeno ya que genera un menor aumento del volumen. Este punto debe ser validado por estudios concretos.
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