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“Conceitos de Projetos e Construção de Túneis”
Data: 29 e 30 de Outubro de 2012Local: CREA –CE
Realização: Parceiros:
Conceitos de Projetos e Construção de Túneis
PROJETOS – CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Instrutor: Prof. André Assis, PhD(UnB / ITACET)
Prof. André P. Assis, PhD (UnB / ITA)
André Assis é professor titular da Universidade de Brasília (UnB), atuando nas áreas de túneis ebarragens (com cerca 60 dissertações de mestrado e teses de doutorado já orientadas). Graduou-sepela própria UnB (1980) e obteve seu doutorado pela Universidade de Alberta, Canadá (1990). Foiprofessor visitante na Universidade de Nevada, EUA e no Instituto Federal Tecnológico de Lausanne,Suíça. Já publicou mais de 200 artigos técnicos e científicos, e de 100 relatórios de consultoria(metrôs: Brasília, Bucareste e São Paulo; trem de alta velocidade Rio / São Paulo TVA-BR; barragens:Queimado, Serra do Facão, Batalha, Simplício e Ferreira Gomes). Foi presidente do Comitê Brasileirode Túneis (CBT) e da Associação Internacional de Túneis e do Espaço Subterrâneio (ITA). No momento,é coordenador do Comitê para Educação e Formação da ITA (ITACET), consultor de diversos projetoshidrelétricos no Brasil e no exterior, e da empresa Herrenknecht, editor da revista Soils & RocksInternational e presidente eleito, gestão 2013-2014, e atual secretário geral da Associação Brasileirade Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica (ABMS).
Introdução
• Definições:
– Túneis
• Microtúneis• Microtúneis
– Galerias
– Cavernas
– Poços (Shafts)
Exemplos de Definições:Circuito Hidráulico - Serra da Mesa
Histórico
• "Eras" de Desenvolvimento da Engenharia de Túneis
– Era Antiga (3000 aC)– Era Antiga (3000 aC)
– Era da Navegação (século XVII)
– Era das Ferrovias (século XIX)
– Era Ambiental (a partir de 1960)
Era Antiga (3000 aC)
• Cavernas para habitação
• Tumbas dos faraós egípcios (2700 aC)
•Mineração
•Túnel da rainha Samírades (Babilônia)
•2000 aC, 1,5 x 1,5 m2, 1 km de comprimento sob o
Era Antiga
•2000 aC, 1,5 x 1,5 m2, 1 km de comprimento sob o Rio Eufrates
•Túneis de adução de água na Grécia
•700 aC, 1,8 x 1,8 m2, 1,5 km de comprimento
•200 dC, em Atenas (ainda em operação)
•Catacumbas dos cristãos romanos
Era da
Navegação
• Na Idade Média, uso de obras subterrâneas • Na Idade Média, uso de obras subterrâneas predominantemente para fins militares
• Uso da pólvora pela primeira vez em obras civis (1679)
• Canal de Midi, França (1681)
– Túnel Malpas (161 m de extensão)
Era das Ferrovias
• Metrô de Londres
– Túnel sob o Rio Tâmisa (1807-1843)– Túnel sob o Rio Tâmisa (1807-1843)
– Shield de Brunel
• Ferramentas pneumáticas (1857)
• Dinamite (1864)
• Ar comprimido (1869)
• Shield circular (1869)
Era das Ferrovias:Métodos Clássicos
de Túneis
• Método Alemão
• Método Austríaco
• Método Belga
• Método Inglês
• Método Italiano
• Engenharia de túneis dependente da geologia local
• Escavação e instalação de suporte em etapas (escavação seqüenciada)
Era Ambiental(a partir de 1960)
• Era Ambiental– Melhoria da qualidade de vida, com o menor – Melhoria da qualidade de vida, com o menor
impacto ambiental possível
• Era Ambiental e as Obras Subterrâneas– Uso do espaço subterrâneo para infra-estrutura e
da superfície para fins mais nobres
Era Ambiental:Tendência Urbana
Era Ambiental: Perspectivas
Projeto Stuttgart 21
• Projeto pioneiro de outros 20 da DB
• Custo € 3 bilhões• Custo € 3 bilhões
– 40% venda imobiliária
– 20% redução de custos operacionais e aumento de tráfego
– 40% fundos públicos (impacto de € 5 bilhões)
Artéria Central de Boston, EUA
Uma idéia Inovadora
Túnel Multi-Funcional em Kuala Lumpur
Figura 1 – Período SecoFigura 2 – Período IntermediárioFigura 3 – Período de Chuvas Excessivas
Rodovia Imigrantes de São Paulo ao
Porto de Santos Vista Aérea: Viaduto nos anos 70 vs Túnel em 2000
2000: Túnel Primário
Anos 70: Viaduto inicial
Demanda Atual• Túneis de Transporte
– Rodoviário, ferroviário, hidroviário, pedestre
• Túneis de Adução
– Água, esgoto, gás, cabos elétricos, telefone etc.– Água, esgoto, gás, cabos elétricos, telefone etc.
• Cavernas
– Água, petróleo, estacionamento, enchentes etc.
• Poços
– Acessos, cabos, adução, petróleo etc.
Grandes Projetos Atuais:Túneis de Transporte
• Túnel Metroviário: 37,9 km no Metrô de Moscou, Rússia
• Túnel Ferroviário (Seikan): 53,9 km no Japão • Túnel Ferroviário (Seikan): 53,9 km no Japão (100 m abaixo do fundo do mar)
• Túnel Rodoviário (Laerthal): 20,5 km na Noruega
• Túnel Hidroviário (Rove): 7,1 km no canal de Marselha, França
Grandes Projetos Atuais:
Adução e Armazenamento
• Adução de Água: 82,9 km nos rios Orange e Fish, África do Sul
• Esgoto: 211 km em Chicago,
• Caverna: 1 milhão de m3 (caverna Henriksdal) para armazenamento de resíduos em Estocolmo, Suécia
• Poços: 3500 m de profundidade, mina de ouro, África do Sul
• Esgoto: 211 km em Chicago, EUA
Requisitos
para o Uso do
Espaço
Subterrâneo
• Arquitetura• Arquitetura
• Psicologia
• Iluminação
• Acabamento
• Sinalização
• Treinamento
Princípios de Comportamento de Túneis
• Legado Passado (Era das Ferrovias)
– Uso da pólvora pela primeira vez em obras civis (1679)
– Shield de Brunel (1843)– Shield de Brunel (1843)
– Ferramentas pneumáticas (1857)
– Dinamite (1864)
– Ar comprimido (1869)
– Shield circular (1869)
– Parcialização de Escavação
– TBM para rocha (1936)
Comparação (Túnel Arlberg):Era das Ferrovias x Era Ambiental
• 1880-1884
• Ferroviário
• L = 10.5 km
• 1974-1978
• Rodoviário
• L = 13,8 km
Comparação (Túnel Arlberg):Era das Ferrovias x Era Ambiental
• L = 10.5 km
• 2,6 km/ano
• AE = 95 m2
• AU = 50 m2
• AS = 45 m2
• 310 mortos e 877 feridos
• 3,5 km/ano
• AE = 95 m2
• AU = 80 m2
• AS = 15 m2
• 19 mortos
Suporte
Segurança
Avanço?
• Melhor Entendimento do Comportamento
– Controle de recalques e deslocamentos
– Avaliação de danos induzidos
• Avanços Tecnológicos
Avanços da Engenharia de Túneis
• Avanços Tecnológicos
– Obras mais seguras, baratas e construídas em menor tempo
• Nova Geração de TBMs (face pressurizada)
– Uso em locais antes considerados inapropriados
– Mecanização do processo construtivo
Princípios do Comportamento de Túneis
• Maciço Circundante
• Sistema de suporte
InteraçãoMaciço-Suporte ����Anel de Suporte do Maciço Reforçado• Sistema de suporte
• Monitoração
Maciço Reforçado
Método Observacional
Maciço Circundante
• Princípio 1– O maciço constitui o principal elemento estrutural do
túnel
• Princípio 1.1– Minimizar danos ao maciço ou até mesmo aumentar
sua capacidade de carga
• Princípio 1.2– Mobilizar a capacidade de suporte do maciço,
mobilizando o efeito de arco (permitir deformação)
Maciço Circundante
• Princípio 1.3
– Prevenir deformações excessivas para evitar afrouxamento do maciço
psps
u
po
u
Sistema de Suporte
Sistema de Suporte
• Princípio 2– Seleção de um sistema de suporte ótimo, incluindo
tipo, procedimento de instalação, tempo de instalação, rigidez e carga limite
• Princípio 2.1– Para ser mobilizado, o anel do suporte deve estar
fechado
• Princípio 2.2– Para ser mobilizado, o sistema de suporte deve estar
em contato com o maciço
Sistema de Suporte
• Princípio 2.3
– O sistema de suporte deve trabalhar como um anel de paredes finas, maximizando esforços normais e minimizando cortantes.minimizando cortantes.
• Princípio 2.4
– O aumento de capacidade do suporte deve ser feito por reforço (cambotas, tirantes) do que por aumento de inércia da seção transversal.
ps
u
ps
ps
Sistema de Suporte
ps
psFS max
=
u
po
u
po
Instrumentação Ativa
• Princípio 3
– Instrumentação de túneis piloto e dá estrutura principal, em termos de deslocamentos, carga e tensões
• Princípio 3.1
– Avaliar o tempo de auto-sustentação
• Princípio 3.2
– Selecionar e calibrar o método de escavação, tipo de suporte e tempo de instalação
Instrumentação Ativa
• Princípio 3.3
– Dimensionar a estrutura final do túnel
4 m6 m
H - 2 m
(H - 2 m) / 2
H
M1
E1
M2M4 M3 M5
final do túnel
– Monitorar seu comportamento
– Avaliar sua segurança
H
E2P1
P2
P4
P6
P3
P7
P5
Geologia Local
Ensaios (Lab. e Campo)
Experiência do Projetista
Investigações
Modelo Geomecânico
Método de Escavação e Sistema de Suporte
Modelo Estrutural e Modelo Estrutural e Previsões de Projeto
Ok?
Sim
NãoElementos de
ProjetoProjeto Verificado
Experiência do Construtor
Construção e
Gerenciamento
Elementos deConstrução
Projeto Verificado
Monitoração
Ok?
Sim
Não
Processo Validado
4 m6 m
H - 2 m
(H - 2 m) / 2
H
M1
E1
E2P1
M2M4 M3 M5
P2
P4
P6
P3
P7
P5
Tensões "In-Situ"* Tensão geostática * Coeficiente ko
Tensões Induzidas * Geometria da abertura
Curva de Reação
do Maciço
* Deformabilidade * Resistênciado Maciço * Resistência
Curva de Confinamento
do Suporte
* Deformabilidade
* Resistência* Área transversal e inércia
Interação
Maciço-Suporte* Tempo de instalação do suporte
Métodos Construtivos de
Túneis
"Cut-and-Cover"(Vala Recoberta)
Convencional
Túneis Submerso
MétodosTuneleiros
Mini-Túneis
Tuneladoras
Escavação Sequencial
Túneis Submerso
Métodos de Escavação Sequencial
Tuneladoras
Métodos Convencionais x Tuneladoras
�� Flexibilidade geométricaFlexibilidade geométrica
�� Flexibilidade geológicaFlexibilidade geológica
�� Menores danos ao Menores danos ao
maciçomaciço
�� Qualidade melhor e mais Qualidade melhor e mais
regular (processo regular (processo �� Flexibilidade geológicaFlexibilidade geológica
�� Flexibilidade políticaFlexibilidade política
�� Custos menores para Custos menores para
túneis curtos e onde túneis curtos e onde
mãomão--dede--obra for barataobra for barata
regular (processo regular (processo
industrial)industrial)
�� Menor carga imposta aos Menor carga imposta aos
trabalhadorestrabalhadores
�� Segurança maiorSegurança maior
�� Cronograma e custos Cronograma e custos
mais garantidosmais garantidos
Impermeabilização
de Túneis
Suporte Definitivo
ou Revestimento
Dimensionamento de Revestimentos
• Diagramas de Interação M-N
• Cálculo de Tensões
A
N
I
yM+=
.σ
Desafios da Engenharia de Túneis
• Segurança durante a Construção
– Investigações Geológico-Geotécnicas
– Tensões In-Situ (Naturais)
– Comportamento de Maciços (Solos Estruturados – Comportamento de Maciços (Solos Estruturados e Maciços Rochosos)
– Simulação Numérica (Geometria, Sequência Construtiva e Interferências)
– Gerenciamento de Riscos
• Segurança durante a Operação (Fogo)
• Custos e Financiamento
