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Unidade 06 - NOÇÕES SOBRE ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS
TÚNEIS
6.1 - Introdução
Na abordagem, neste curso de Engenharia Civil, das noções básicas sobre as escavações subterrâneas e os elementos de Engenharia relacionados aos túneis é utilizado o texto de Nivaldo Chiossi, do livro “Geologia Aplicada à Engenharia” publicado na década de 70, que não mais se encontra disponível para comercialização.
O objetivo dos túneis é permitir uma passagem direta através de certos obstáculos, que podem ser elevações, rios, canais, áreas densamente povoadas, etc. São elementos de transporte (figura 01), com exceção daqueles usados em mineração. São exemplos (figura 02) os túneis ferroviários, rodoviários, de metrôs, de transporte de fluidos (água). No transporte de água, a finalidade pode ser tanto para a obtenção de energia, como de abastecimento de populações.
Figura 01 – Aspecto geral das ocorrências geológicas de uma das extremidade do túnel da “Alagoinha” em Belo Horizonte/MG.
Os túneis são também freqüentemente usados em barragens como obras auxiliares, através das quais as águas do rio são desviadas, a fim de permitirem a construção das estruturas da barragem no leito do rio. A barragem de Funil no Rio Paraíba, por exemplo, teve suas águas desviadas através de um túnel de 430m de comprimento e 11,5m de diâmetro, escavado em gnaisses e com capacidade para transportar 1500m^3 /seg. Outro exemplo é a barragem de Xavantes, no Rio Paranapanema, Estado de São Paulo, onde as águas foram desviadas ao longo de arenitos e basaltos através de dois túneis de 572m de comprimento e 9m de diâmetro cada um. Esses tipos de túneis são geralmente desenvolvidos em vales fechados e profundos.
Esses túneis de desvios são posteriormente aproveitados como túneis de adução, isto é, transporte das águas até a casa das máquinas.
Da mesma maneira, o primeiro passo na construção da barragem de Furnas, no Rio Grande, constituiu em desviar o leito do rio do local onde seria erguida a barragem, mediante a construção de dois túneis com cerca de 900m de comprimento por 15m de diâmetro, escavados em rocha, na margem esquerda. As rochas das regiões são representadas principalmente por siltitos. Posteriormente os túneis foram obturados mediante a construção de tampões de concreto de 22m de comprimento e 15m de diâmetro.
Figura 02 - Exemplos de Utilização de Túneis em Obras de Engenharia
Figura 05 - Exemplos de situações geológicas
Quando possível, a locação de um túnel deve ser acima do nível da água, caso contrário, deve ser esperada a entrada d’água através do teto e das paredes laterais. Em certas condições, pode ser necessária a aplicação de métodos especiais à construção, como o da couraça, ou a aplicação de rebaixamento do nível d’água, etc. A figura 06 mostra um exemplo de três locações diferentes de túneis, relativas à posição do nível d’água. A locação no3 é mais desfavorável.
Figura 06 - Exemplo de três locações de túneis, relativas à posição do nível d’água.
6.3 - Método de Escavação em Materiais Duros (Rochas)
6.3.1 - Método Tradicional
- Introdução
Para túneis escavados em rochas, a não ser nos casos daqueles extremamente curtos (cerca de 200m de comprimento), são normalmente estabelecidas, para a construção, duas ou mais frentes de escavação. Genericamente, as seguintes operações são necessárias:
a) perfuração da frente de escavação com marteletes; b) carregamento dos furos com explosivos ; c) detonação dos explosivos; d) ventilação e remoção dos detritos e da poeira; e) remoção da água de infiltração, se necessário; f) colocação do escoramento para o teto e paredes laterais, se necessário; g) colocação do revestimento , se necessário.
As operações (a, b, c, d) se referem ao avanço do túnel. Exemplos de avanços:
rocha arenito diâmetro: 9m n^0 de furos na frente: 80 furos com 6m de profundidade processo: 6m/dia/2 turmas
Exemplo de tempo necessário para diversas operações (ordem de grandeza):
Atividade Horas perfurações carregamento explosão limpeza
6 1 — 9 Total 16 horas
- Métodos de Avanço
Túneis desenvolvidos em rochas podem apresentar diferentes métodos de avanço, sendo os mais comuns:
- Escavação Total Nesse caso toda a frente é perfurada e dinamitada. Túneis pequenos, cerca de 3m de diâmetro, são assim escavados, embora os de maiores diâmetros também o possam ser.
- Escavação por Galeria Frontal e Bancada Esse método envolve o avanço da parte superior do túnel, sempre adiante da parte inferior (figura 07). Se a rocha é suficientemente firme para permitir que o teto permaneça sem escoramento, o avanço da parte superior é de um turno de trabalho com relação à inferior.
Figura 07 – Ilustração da escavação por galeria frontal e bancada
- Escavação com Galerias Em túneis bastante largos, pode ser vantajoso desenvolver um túnel menor, chamado galeria (figura 08), antes da escavação total da frente. De acordo com sua posição, a galeria é chamada de:
Figura 08 – Ilustração da escavação auxílio de galerias
A figura 10 exemplifica outros padrões de perfuração.
Figura 10 – Outros padrões de perfuração de túnel em rocha, com uso de explosivos.
- A determinação da secção do túnel
A sua seleção é influenciada por vários fatores, dependendo do objetivo do túnel:
_1. gabarito dos veículos;
- tipo, resistência, conteúdo de água e pressões do solo;
- o método de escavação;
- o material e a resistência do revestimento do túnel;
- a necessidade de usar 1 ou 2 sentidos de circulação._
A figura 11 apresenta algumas das secções de túneis mais comuns.
Figura 11 – Ilustração de algumas secções geométricas comuns de túneis.
- Ventilação
A ventilação dos túneis é necessária por várias razões:
a) fornecimento de ar puro para os trabalhadores; b) remoção de gases produzidos pelos explosivos; c) remoção da poeira causada pela perfuração, explosão e outras operações.
O volume de ar requerido para ventilar um túnel depende do número de operários, da freqüência de explosões, etc. Cada trabalhador necessita cerca de 200 a 500 pés cúbicos/minuto. Quando o conteúdo de oxigênio cai abaixo de 20% (o natural é 21%), certo mal-estar acomete os operários. Com menos de 17% de oxigênio, pode ocorrer desmaio.
6. 3. 2 - Método Mecânico
O conceito de perfurar túneis mecanicamente é antigo. As vantagens do método , quando comparadas com as dos métodos convencionais (tradicional), são evidentes, vejamos:
- s egurança – abertura de paredes arredondadas (figura 12), que são mais resistentes (capacidade de sustentação). O perigo da queda de blocos é menor, e usualmente o suporte é pequeno e desnecessário.
- ”overbreak” - em túneis que exijam revestimento, a economia de concreto será grande, uma vez que não existirá “overbreak” causado pelas explosões.
- menor número de trabalhadores – sempre menor, comparados com os métodos convencionais de escavação.
- _avanço rápido.
- danos de explosões_ - o método mecânico elimina essa perspectiva, não causando danos a propriedades em áreas densamente habitadas ou no próprio material encaixante do túnel
Figura 12 – Aspecto comparativo entre as seções escavadas pelo convencional (uso de explosivos) e o método mecânico (corte por equipamento).
Algumas desvantagens desse método são:
O alto investimento inicial requerido pelo equipamento, o que elimina sua aplicação em túneis curtos. O sistema de ventilação necessita ser mais largo e/ou mais complexo para proporcionar o controle da poeira do calor. Deve ser efetuado cuidadoso controle na direção e no “grade” do túnel, para evitar possíveis desvios, de difícil correção. A aplicação do método é também mais comum em materiais em materiais relativamente moles, usualmente com a resistência à compressão menor do que 17 000 a 20 000 psi.
Apesar de os equipamentos terem sido primeiramente designados para rochas de baixa a
média dureza, em torno de 1962 foram feitos testes com rochas extremamente duras como granito,
basalto, gnaisse, etc. Um dos ensaios de abertura de túnel em folhelho, com resistência à
compressão de 16 000 psi, produziu rendimento de 210 metros/semana (comissão Hidrelétrica da
Tasmânia).
A figura 13 mostra a seqüência construtiva de um túnel de seção quadrada, executado a partir de escavação a céu aberto, sendo as paredes laterais do tipo “paredes diafragmas”.
Figura 13 – Ilustração da seqüência construtiva de túnel executado a partir de escavação a céu aberto, através de concretagem de paredes diafragmas (Chiossi, 1979).
6. 4. 2 - Método da Couraça – “shields”
O método de construção de túneis com couraça, que é uma variante do método mineiro, é um dos mais modernos. Foi utilizado pela primeira vez no começo deste século por Brunel, para um túnel rodoviário sob o Rio Tamisa, em Londres. Na Alemanha, foi empregado há aproximadamente sessenta anos, para construir um túnel sob o Rio Elba, em Hamburgo.
O método de construção com couraça é o que traz menores problemas, tanto para o tráfego superficial como para a remoção de interferências. Ele é aplicável em quase todos os tipos de solo, nos moles como nos muito rígidos, acima ou abaixo do lençol freático. Ele se adapta muito bem às mais variadas condições. Para um funcionamento seguro, é necessária a existência de uma altura mínima de terra acima do túnel. De resto, sua profundidade só é limitada quando se trabalha com ar comprimido, abaixo do lençol freático. Mesmo trechos em declive ou em curvas, quando necessários para estradas ou metrôs, não apresentam problemas.
Acompanhando-se o desenvolvimento dos últimos dez anos, é possível notar uma evolução nítida a partir da couraça que inicialmente era manual, passando por uma semi-mecanizada até a totalmente mecanizada (figura 14). Essa evolução se deve primeiramente ao aumento do custo da mão-de-obra. Em segundo lugar, com couraças mecanizadas, obtém-se um aumento na velocidade de avanço, com conseqüente diminuição de custo. Finalmente, influi a falta de operários especializados para trabalho sob ar comprimido e pelos perigos que existem nesse tipo de trabalho.
Atualmente existem três tipos de couraças:
- couraça manual;
- couraça semi-mecanizada, onde ferramentas, geralmente hidráulicas, são acionadas individualmente por trabalhadores;
- couraça totalmente mecanizada.
Figura 14 – Exemplo de equipamento (mecânico – “tatuzão”) utilizado na perfuração de túneis
Os recalques esperados na superfície do terreno são de grande importância na consideração da construção dos túneis e do tipo de couraça a usar, especialmente nos centros das grandes cidades. Geralmente não é possível evitar recalques. Contudo, eles são muito menores na construção com couraça do que no método mineiro clássico. A dimensão dos recalques pode ser mantida bastante pequena, dentro de limites que não causem danos. Para isso, é preciso conhecer em que locais aparecem e quais as suas causas. Há recalques tanto quando a couraça permanece parada como quando está em movimento. As possíveis causas estão resumidas a seguir:
_- Alívio da tensão no solo, na frente de trabalho, devido a um insuficiente escoramento;
- Escavação excessiva na frente de trabalho;
- Deformação da couraça, por exemplo, sob o peso do solo (o que geralmente só acontece no início da escavação) ou por danos causados por obstáculos existentes no solo;
- Compactação do solo no avanço da couraça pela resistência ao avanço e por forças de cisalhamento na sua parede;
- Compactação de solos não coesivos, devido ao efeito de vibração do avanço da couraça ou de máquinas instaladas nas vizinhanças;
- Acomodação do solo no vão livre atrás da couraça;
- Desmoronamento do solo, devido à injeção insuficiente de argamassa atrás dos anéis ou utilização da argamassa inadequada;
- Deformação dos anéis sob a carga do solo;
- Quando há rebaixamento parcial ou total do lençol freático, isso pode provocar recalques, que, contudo, não são decorrentes do emprego da couraça._
c. Couraças mecânicas Nas couraças mecanizadas conhecidas, o solo é escavado, na frente de trabalho, por placas fresadoras rotativas, sendo levantado mecanicamente e conduzido por correias transportadoras ou vagonetes. Todas as instalações auxiliares são instaladas na couraça ou em um "reboque". A colocação dos segmentos dos anéis e a injeção de argamassa são feitas como nos outros tipos de couraça. Deve-se distinguir couraças com a frente de trabalho escorada ou não, isto é, se a escavação e feita por um disco fechado ou aberto (figuras 17).
faca que gira em um sentido em escoramento
faca que gira alternadamente nos dois sentidos com placas de escoramento
Figura 17 – Exemplo de avanço da perfuração com couraças totalmente mecanizada
6. 4. 3 - O Novo Método Austríaco de Túneis “ NEW AUSTRIAN TUNNELING METHOD”(NATM)
Sobre este método (NATM) é utilizado como referência principal o trabalho de H. Wagner – Chamber of Mines of South África, com tradução de Rogério, P. R. G..
Introdução A introdução dos chumbadores aplicada contra a face da rocha imediatamente após o fogo e o uso do concreto projetado como método de escoramento e proteção superficial pode ser considerado como os dois mais importantes progressos na prática de execução de túneis.
Novos métodos de execução de túneis baseados nesses meios de escoramento do túnel foram desenvolvidos nas últimas décadas. Entre eles, o N.A.T.M. tem se tornado cada vez mais importante, especialmente no campo de execução de túneis em rocha mole e em solo.
A principal característica no NATM é o uso de uma camada delgada de chumbadores que é aplicada à uma superfície da rocha adjacente. Tão cedo seja possível após aplicado, esse revestimento em concreto projetado aberto é fechado no fundo por meio de um “ïnvert” (arco
invertido). Se necessário, um revestimento permanente pode ser instalado uma vez atingido o equilíbrio.
A partir da primeira aplicação desse método de execução de túneis nos anos 60 um grande número de projetos de túneis foi completado com sucesso sob condições geológicas variáveis, rápidas taxas de avanço, redução de custos e aumento de segurança. Contudo, o conhecimento amplo desse atraente método de execução de túneis é ainda limitado, e seus princípios básicos são freqüentemente mal compreendidos.
Princípios Quando uma cavidade é aberta pelo avanço do túnel, o estado de tensões na massa rochosa é perturbado e elevados esforços são induzidos na vizinhança da cavidade. Conseqüentemente, diferenças de tensões podem surgir as quais freqüentemente excedem a resistência da massa rochosa adjacente. Os danos à rocha são mais ainda acentuados pelo desmonte a fogo, e como resultado disso a rocha tende a fraturar na vizinhança da abertura. A rocha fraturada pode suportar somente cargas limitadas portanto a região de tensões elevadas induzidas sai as superfície do túnel e se desloca para a massa rochosa adentro.
A principal vantagem do NATM é que permite que o escoramento seja, aplicado à rocha imediatamente atrás da face em avanço. Esse escoramento aumenta notavelmente a resistência dessa rocha, enfraquecida potencialmente pelo alívio de tensão e pelo desmonte a fogo como as experiências de Jaeger mostraram. Ainda mais, o escoramento promove uma vedação imediata que evita a deterioração da rocha pela ação do tempo. Assim, quando a face do túnel avança mais, e a rocha fica exposta às tensões induzidas totais, a resistência da mesma é muito maior que teria caso outras formas de escoramento fossem instaladas mais tarde, ou que recebessem as cargas um tanto tarde, se utilizadas.
Túneis próximos da superfície, isto é, com pouca cobertura, requerem um revestimento mais rígido do que túneis à grande profundidade, isto é, com grande cobertura.
Enquanto que na execução de túneis em rocha dura, a massa de rocha deforma mais ou menos elasticamente desde que esforços não excedam a resistência da mesma, a execução de túneis em rocha mole a deformação inicial da massa rochosa geralmente causa o fraturamento, causando deterioração das propriedades mecânicas da massa de rocha adjacente e gera a perigosa pressão afrouxada.
Os princípios básicos do NATM podem ser melhor ilustrados comparando-se a mecânica das rochas de túneis, escorados com esse método e com os antigos. Ao passo que todos os métodos mais antigos de escoramento temporário, sem exceção causam vazios e o afrouxamento através da plastificação de diversos elementos da estrutura de escoramento, uma camada delgada de concreto projetado, as vezes, junto de um adequado sistema de chumbador de rocha, aplicando à superfície da rocha imediatamente após a detonação, evita o afrouxamento e reduz de um certo modo a descompressão da massa de rocha adjacente.
Conclusão O mais notável aspecto do concreto projetado como um apoio resistente à pressão afrouxante e à deterioração das propriedades mecânicas da rocha fraturada reside na sua íntima interação com a rocha circunvizinha. Uma camada de concreto projetado aplicada logo imediatamente após a abertura da face da rocha atua como uma superfície de proteção que transforma a rocha de pequena resistência num sólido estável.
Figura 19 - Locação do trevo
- Gabarito do Túnel: - Altura do Gabarito - 5,50m.
- Largura do Gabarito.- 9,00m. O Gabarito está montado em forma de elipse (figura 20).
Figura 20 - Desenho da Geometria da Seção
- Os furos de Enfilagem: Parte superior do Túnel onde começa a enfilagem: 5.50 (altura do gabarito) + 1, (camada de solo) + 0,20 (espessura) = 7,20m. À jusante, foram feitos 33 furos de enfilagem (figura 21) com injeção de nata de cimento no traço de 1 saco de cimento para a mesma quantidade de água em peso, cada um com 16cm de profundidade. Os tubos são de aço scheldule 80 - D = 3”. À montante, foi iniciado o processo de enfilagem, montando dois gabaritos (figura 22) distantes de 1m um do outro, sendo um gabarito mais alto 6cm que o outro, para serem realizados 33 furos, com 16m de profundidade, totalizando 32m de enfilagens (figura 23). Total de enfilagens = 33 × 32 = 1056m. Detalhes: φ - ângulo de inclinação para a colocação dos tubos de enfilagem.
Figura 21 - Desenho das enfilagens tubulares
Obs: O eixo do Túnel foi demarcado e aprumado no início da boca do túnel. À jusante, com o gabarito foram acertadas as laterais para a colocação das primeiras telas de amarração.
Na figura 24 é apresentado o desenho da armação do túnel e na figura 25 uma foto Escavação do revestimento da escavação do teto na execução À montante, o terreno foi preparado para início do processo de enfilagem. Do pavimento até o começo dos furos foi deixado uma rampa, para dar estabilidade ao talude.
- Estudos Geoténicos: Avaliação objetiva da superfície do pavimento, de acordo com a PRO-08/78. As superfícies foram espaçadas de tal forma que, obtinham 3 estações por segmento homogêneo com a quantidade mínima de 3 estações por quilômetro, alternadas em relação ao eixo da pista.
Figura 24 - Desenho das armaduras da estrutura do túnel
Figura 25 – Escoramento do revestimento de teto, seqüenciada ao avanço da escavação do túnel 6.5 – Análise de Caso de Insucesso Recente
O caso do acidente ocorrido na Linha 4, junto à Estação de Pinheiros Metro de São Paulo - Janeiro/
É apresentado neste sub-item do nosso curso de “NOÇÕES SOBRE ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS – TÚNEIS” uma abordagem sobre o recente acidente ocorrido na Linha 4 - Estação de Pinheiros do Metro de São Paulo, que teve grande repercussão na mídia brasileira. Cabe ressaltar se tratar de fato de relevância da Geotecnia nacional, ocorrido muito recentemente, não dispondo ainda de dados suficientes para uma análise mais completa dos fatos que levaram tal insucesso. Não obstante, este “caso de obra” é introduzido nestas notas (em 30/01/2007) com o objetivo de ressaltar alguns pontos para discussão técnica em sala de aula, não só no que se refere ao assunto de “escavações subterrâneas” mas também uma série de outros discutidos ao longo da disciplina “Tópicos de Geotecnia e Obras de Terra”.
Registro no ponto do acidente, antes do ocorrido
Registro no ponto do acidente, após o ocorrido, em 12/Janeiro/
