MEMORIA DESCRIPTIVA DEL PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO DE LA UNIDAD DE PRETRATAMIENTO Y DEL CARCAMO DE AGUA PLUVIAL DEL PROYECTO EJECUTIVO DE LA ESTACION DE BOMBEO No. 1-38 PARA EL SISTEMA DE ALCANTARILLADO SANITARIO, ZONA ESTE, MATAMOROS, TAMAULIPAS. SINOPSIS. Se presenta un procedimiento constructivo que ha sido empleado en la construcción de lumbreras de diámetro hasta los 16 metros y profundidad hasta los 30 metros, en suelos de muy baja resistencia al esfuerzo cortante, como el suelo del lugar en donde se construirán la unidad de pretratamiento y el cárcamo de agua pluvial del Proyecto Ejecutivo de la Estación de Bombeo No. 1-38 para el Sistema de Alcantarillado Sanitario, Zona Este, Matamoros, Tamaulipas. Se realizará sumergiendo los anillos prefabricados en la excavación circular estabilizada con suspensiones bentoníticas. Después de la colocación del primer anillo se colará la losa de fondo con tubos Tremie y se colocarán los anillos superiores. Posteriormente se rellenará el espacio anular alrededor de los anillos, se retirarán los lodos del interior de la excavación y se construirán la losa de base y muros estructurales (revestimiento). Este procedimiento implicará un significativo aumento de la rapidez de la construcción y en la seguridad, así como en la reducción de costos. 1. INTRODUCCION. Durante la construcción de lumbreras de Drenaje Profundo y de las Plantas de Bombeo de la Dirección General de Construcción y Operación Hidráulica del Departamento del Distrito Federal, se presentaron problemas relacionados con la estabilidad de fondo de las excavaciones, sedimentación del suelo producto de caídos de las paredes de la excavación en el fondo, estabilidad rotacional y escape de lodos de las excavaciones durante las primeras etapas de sumersión de lumbreras “Flotadas” que se utilizan ampliamente en la zona de “Lago” del Valle de México. Para superar los problemas mencionados se implementará un procedimiento de construcción de lumbreras similar a la construcción de túneles en suelos blandos, donde primero se construirá el revestimiento primario o provisional (Figura 6) y posteriormente el definitivo (Figura 7). El revestimiento primario, en el caso de la lumbrera con anillos, tendrá el propósito principal de estabilizar las paredes circulares y el fondo de la excavación, así como evitar asentamientos de la superficie del suelo en las áreas colindantes para disminuir las afectaciones a las instalaciones y estructuras vecinas. Hasta el año de 1994 se construyeron con éxito 23 lumbreras con anillos. Las dimensiones de las lumbreras construidas se indican en la tabla No. 1.

Tabla 1. Lista de las lumbreras construidas con anillos prefabricados. LUMBRERA

AÑO

PROF. (m)

EL HUESO 1 EL HUESO 2 EL HUESO 3 RIACHUELO SERPENTINO 1 RIACHUELO SERPENTINO 2 SAN BUENAVENTURA 1 SAN BUENAVENTURA 2 SAN BUENAVENTURA 3 LUMBRERA 3-A RENOVACION 1 RENOVACION 2 SAN LORENZO 1 SAN LORENZO 2 CAPTACION LUMBRERA 1 CAPTACION LUMBRERA 3 CAPTACION TAXQUEÑA CAPTACION LUMBRERA 4 CAPTACION LUMBRERA 5 CAPTACION SANTA ANA CAPTACION COLECTOR PLUTARCO LUMBRERA 5ª, INTERCEPTOR ORIENTE LUMBRERA 6, INTERCEPTOR ORIENTE LUMBRERA 7, INTERCEPTOR ORIENTE

1988 1988 1988 1990 1990 1991 1991 1991 1991 1992 1992 1994 1994 1994 1994 1994 1994 1994 1994 1994 1994 1994 1994

14 14 14 18 18 16 11 11 20 15 15 15 15 15 20 22 25 28 29 30 30 30 30

DIAMETRO (m) 6 6 6 11 11 max. 16 12 6 9 12 12 12 12 6 6 6 6 6 6 6 12 12 12

2. PREMISAS DE ANALISIS Y DISEÑO. El procedimiento constructivo se relacionará con las condiciones geotécnicas del sitio del proyecto y con la tradición de los procedimientos constructivos similares en la zona. Los materiales de construcción, también, serán usuales y disponibles en el mercado local. Las bases de diseño podrán resumirse con las siguientes cuatro condiciones y soluciones básicas. 1

Se evitarán los riesgos de pérdida de vida de estabilidad del sistema en cualquier instante de la construcción y durante la vida útil de la estructura. Durante la excavación, la estabilidad se asegurará con la restitución de suelo natural con las suspensiones bentoníticas y con la geometría circular de la excavación. Durante la construcción del revestimiento definitivo, el colapso del fondo y de las paredes cilíndricas de la excavación se evitarán con el revestimiento primario (figura 1ª) que consistirá en la losa de fondo colada con los tubos tremie y anillos prefabricados.

2

Se minimizarán los hundimientos de la superficie de suelo en las zonas vecinas, durante la excavación, la colocación del revestimiento provisional y durante el servicio u operación de la lumbrera.

La similitud de pesos volumétricos de las suspensiones bentoníticas y del suelo natural mantendrán los cambios de esfuerzos en la masa de suelo en los alrededores de la lumbrera en niveles muy bajos durante la excavación. En los instantes del retiro de lodos del interior de la lumbrera, después de la terminación del revestimiento primario y el relleno perimetral (figura 7), las expansiones del suelo debidas al retiro de cargas se compensará con los incrementos de esfuerzos efectivos causados por la filtraciones de agua hacia el interior de la excavación a través del material de relleno de mortero en el espacio anular, así como por las juntas horizontales entre los anillos sobrepuestos (figura 7). 3

Se posibilitará el control de calidad y de materiales a lo largo de la construcción. Prácticamente todos los elementos estructurales que constituirán la lumbrera, con excepción de la losa de fondo colada con los tubos Tremie, se fabricarán al aire libre donde será posible el acceso para detección de errores, realización de pruebas de calidad y las intervenciones en caso de corrección, reparación o restitución de elementos cuya calidad sea deficiente.

4

Se evitará la sedimentación de sólidos gruesos (con el tamaño de grano mayor de 0.075 mm) suspendidos en el fluido de estabilización de la excavación (suspensiones bentoníticas) y del material de suelo natural desprendido de las paredes verticales de la excavación en el intervalo de tiempo entre la finalización de la excavación o última limpieza y la construcción de la losa de fondo primaria. Esto se solucionará de la siguiente manera: después de la terminación de la excavación y de la última pieza de excavación se colocará el primer anillo y se procederá inmediatamente con el colado de la losa de fondo primaria. De esta manera la sedimentación de materiales al fondo de la excavación ocurrirá solo durante la colocación del primer anillo.

3. SECUENCIA DE LA CONSTRUCCION. La solución se podrá visualizar siguiendo la secuencia del procedimiento constructivo:

1

La construcción del brocal para estabilizar el borde de la excavación y permitir el acceso de la maquinaria pesada (Figura 1).

Figura 1

2

El proceso de la excavación con la restitución de volúmen de suelo excavado con las suspensiones bentoníticas (Figura 2). Figura 2

3

La colocación del Anillo No. 1 en el fondo de la excavación. El anillo No. 1 dispondrá de cuatro trabes horizontales en sentido radial que se intersectarán en el eje vertical del anillo, las cuales serán a base de vigas de acero laminado A-36 de sección IPR de 8” x 26.6 kg/m. Adicionalmente, en la parte exterior del anillo se conectarán cuatro vigas- guías verticales que se fijarán en el brocal de la excavación (Figura 3).

Figura 3

Las cuatro trabes radiales, en el interior del anillo, servirán de liga estructural entre la losa de fondo colada con los tubos Tremie y el revestimiento primario de la lumbrera (anillos). Estos elementos asegurarán la transmisión de las subpresiones hidráulicas y del suelo por debajo de la losa de fondo a los muros cilíndricos, relleno perimetral y finalmente el subsuelo. 4

Colado de la losa de fondo primaria mediante tubos Tremie. Las cuatro vigasguía que se fijarán en el brocal, se utilizarán para mantener el anillo No. 1 suspendido en la posición unos 30 centímetros por arriba del fondo de la excavación antes y durante del proceso de colado con los tubos Tremie y fraguado de la losa de fondo primaria (Figura 4). La holgura de 30 cm será importante para permitir el flujo de concreto al espacio anular entre el anillo No. 1 y la pared cilíndrica de la excavación.

Figura 4

Posteriormente, después de la adquisición de resistencia del concreto de la losa de fondo primaria, las cuatro vigas-guías verticales se utilizarán como guía durante la sumersión y el posicionamiento final de los anillos superiores. 5

Los anillos superiores se sumergirán en la excavación después del fraguado de la losa de fondo primaria (Figura 5). Estos anillos estarán provistos de cuatro pares de orejas verticales en su parte exterior (detalle 1). Los anillos se sumergirán cuidando que entre cada par de orejas se encuentre una viga-guía vertical. Después se alineará el descenso y la posición final de cada anillo (Figura 5).

Figura 5

Detalle 1

Los anillos serán de concreto de una resistencia a la compresión simple f’c = 200 kg/cm2, de un espesor de 15 cm, reforzado con una sola parrilla en la superficie neutral, a base de varilla corrugada del No. 4 (1/2 pulgada de diámetro) a cada

30 centímetros en ambas direcciones y fibras de Nylon, de una altura de 3.00 metros. Las fibras de Nylon 6.12 de longitud de 0.05 m y diámetro de 2x10-5 m, dosificado de acuerdo con la relación de 1 kg de fibras por 1 m3 de concreto, se utilizarán como refuerzo secundario. El refuerzo secundario aumentará la resistencia del concreto a la tensión, impacto, fatiga y distribuirá el agrietamiento del concreto.

Los anillos tendrán forma circular para que la reacción a los empujes del suelo en el anillo sea de fuerza axial exclusivamente. De hecho los momentos de flexión y torsión, y fuerzas cortantes, en la estructura del anillo, ocurrirán durante las maniobras de traslado desde el sitio de colado hasta la excavación. Podrá decirse que el peso de los anillos bajará sustancialmente después de la sumersión en lodos.

6

Después de la colocación de todos los anillos, se rellenará el espacio anular entre anillos y las paredes de la excavación (Figura 6) con el mortero, para asegurar la continuidad entre el suelo y la estructura de la lumbrera. Figura 6

7

Cuando el concreto de la losa de fondo primaria y el relleno de mortero del espacio anular adquiera la resistencia de diseño, empezará el retiro de lodos del interior de la lumbrera (Figura 6).

8

Después del retiro de lodos del interior de la lumbrera, se realizará la limpieza de las superficies de los anillos de concreto expuestas al aire libre y se procederá con la construcción del revestimiento definitivo que consistirá en la losa de fondo y el muro cilindrico (figura 8), debiendo demoler y retirar el brocal de concreto reforzado construido previamente a nivel de terreno natural, así como el anillo de concreto superior previamente montado. Posteriormente se realizará la excavación del subsuelo a una profundidad de 2.15mts. conservando un talud de 30 grados con respecto a la vertical. Por último, se realizará el colado de la etapa 5. Figura 7

El colado del muro cilíndrico de la lumbrera se podrá realizar con cimbra deslizante. Después del colado del tramo superior del muro cilíndrico de la lumbrera, podrá decirse que la construcción ha terminado. 4. CONCLUSIONES. Las obras de 21 lumbreras se terminaron con éxito. Dos lumbreras tuvieron problemas de estabilidad de anillos prefabricados durante el colado perimetral del mortero, y hubo un exceso de colado en la losa de fondo primaria. Los problemas mencionados se corrigieron y puede decirse que todas las lumbreras hasta la fecha se realizaron con éxito. Durante la construcción de las lumbreras se observó que los contratistas de la obra no requieren de gran experiencia: será un factor muy importante para la difusión del procedimiento constructivo.

La parte más delicada de la secuencia del procedimiento constructivo serán las maniobras de transporte de los anillos desde el sitio de la fabricación hasta la excavación, así como los colados con el tubo Tremie de la losa de fondo primaria y el relleno perimetral. Durante el colado del espacio perimetral será importante que se mantengan uniformes en todo el perímetro los niveles del mortero que ejercerán presiones hidrostáticas sobre el revestimiento primario a base de anillos. Para la losa de fondo primaria será conveniente colarla a través de varios tubos Tremie simultáneamente para lograr niveles uniformes de superficie de concreto y evitar su contaminación. Como parámetro de comparación se tomó el procedimiento de lumbreras “flotadas”. Pueden indicarse las ventajas y desventajas. Las ventajas más importantes serán: 1

La reducción del costo será del orden de 10 % a 30 %.

2

Se logrará una reducción significativa de probabilidad de sedimentación de los materiales de suelo en el fondo de la excavación, lo que es problema común en la construcción de lumbreras “flotadas”.

3

Se eliminará el problema de inestabilidad rotacional, que existe en las lumbreras “flotadas” durante las primeras dos o tres etapas de la sumersión.

4

La disminución repentina de niveles de lodos en la excavación no representará un evento que pueda seriamente afectar la estabilidad del sistema, ya que no existirán cuerpos flotantes.

5

La reducción del tiempo de construcción podrá ser del orden de 30 %.

La desventaja más importante del procedimiento constructivo será la necesaria disponibilidad de relativamente grandes superficies en la obra para la construcción de los anillos, lo que no será posible en todos los casos y podrá ser motivo de la eliminación del procedimiento constructivo. Se requerirá segmentar los anillos en dovelas y posteriormente montarlos en el brocal de la excavación, antes de la sumersión, con el propósito de reducir el espacio necesario para su fabricación. Esto implicará un mayor grado de sofisticación de la obra, con todas sus consecuencias como son por ejemplo: implementación de dispositivos retractables para soporte de los anillos en el brocal. Como puede notarse, esta modificación será necesaria en obras con áreas reducidas, no obstante, todas las demás ventajas del método permanecerán.

REFERENCIA. S. T. Zemva Zeming, S. A. De C. V. Páginas 982 a 990 del volúmen No. 2 de las memorias del X Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, Guadalajara, Jalisco. México, Octubre 29 – Noviembre 03, 1995.