escavação de tuneis - metodos construtivos

8/20/2019 Escavação de Tuneis - Metodos Construtivos

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ELIESER ANTONIO ZANELATO

ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS - MÉTODOSCONSTRUTIVOS

Trabalho de Conclusão de Cursoapresentado à Universidade Anhembi Morumbi no âmbito doCurso de Engenharia Civil comênfase Ambiental.

SÃO PAULO2003


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ELIESER ANTONIO ZANELATO

ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS - MÉTODOSCONSTRUTIVOS

Trabalho de Conclusão de Cursoapresentado à Universidade Anhembi Morumbi no âmbito doCurso de Engenharia Civil comênfase Ambiental.

Orientador:

Prof. Ms José Luis Ridente

SÃO PAULO2003


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SUMÁRIO

RESUMO.......................................................................................................VI

ABSTRACT..................................................................................................VII

LISTA DE FIGURAS...................................................................................VIII

LISTA DE FOTOGRAFIAS ........................................................................... IX

1 INTRODUÇÃO........................................................................................1

2 OBJETIVOS............................................................................................2

2.1 Objetivo Geral ....................................................................................2

2.2 Objetivo Específico ...........................................................................2

3 METODOLOGIA DA PESQUISA............................................................3

4 JUSTIFICATIVA......................................................................................4

5 CONDICIONANTES GEOLÓGICOS ......................................................6

5.1 Caracterização Geomecânica dos Maciços Rochosos .................. 7

5.2 Classificações Geomecânicas dos Maciços Rochosos.................8

6 ETAPAS DO EMPREENDIMENTO ......................................................10

6.1 Investigações Prévias .....................................................................10

6.2 Estudo...............................................................................................12

6.3

Projeto ..............................................................................................12


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6.4 Dimensionamento............................................................................12

6.5 Previsão de Desempenho de Túneis em Projeto..........................15

7 EFEITO ARCO......................................................................................17

7.1 O Núcleo de Avanço como Instrumento de Pré-Contenção e de

Estabilização do Túnel...............................................................................22

8 ESCAVAÇÕES .....................................................................................29

9 MÉTODOS CONSTRUTIVOS...............................................................30

9.1 Novo Método Austríaco – NATM....................................................30

9.1.1 Avanço com Concreto Projetado com ou sem Armadura. ...37

9.1.2 Avanço com Projetado e Cambotas Metálicas.......................38

9.1.3 Avanço com Projetado, Cambotas e Tirantes........................40

9.1.4 Avanço com Chapas, Cambotas e Projetado.........................40

9.1.5

“Stand-Up-Time”.......................................................................41

9.1.6 Forma Geométrica da Seção Transversal .............................. 42

9.1.7 Sequência de Escavação.........................................................45

9.1.8 Revestimento............................................................................50

9.2 TBM – Tunnel Boring Machines .....................................................52

9.2.1 Método da Couraça com Ar Comprimido...............................57

9.2.2 Couraça com Escavação Manual ou Couraça Aberta ........... 59

9.2.3

Couraças Parcialmente Mecanizadas.....................................60

9.2.4 Couraças Totalmente Mecanizadas ........................................60

9.2.5 Revestimento............................................................................61

10 ESTUDO DE CASO - "APLICAÇÃO DO MÉTODO NATM NA OBRA

DO PROLONGAMENTO NORTE - METRÔ SP" ........................................65

10.1 Introdução........................................................................................65


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10.2 Aspectos Geológicos e Geotécnicos.............................................67

10.2.1 Aspectos Geológicos...............................................................67

10.2.2

Aspectos Geotécnicos e Água subterrânea...........................68

10.3 Execução e Parcialização da Frente ..............................................69

10.4 Considerações Finais......................................................................71

11 CONCLUSÕES .................................................................................73

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................75


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RESUMO

Este trabalho analisa, descreve e compara uma das mais ousadas ações no

terreno da Engenharia Civil: Abertura de Túneis.

Escavar aberturas no subterrâneo, por mais que sejam conhecidas as

características geológicas do terreno, sempre deparar-se-á com o

desconhecido, sendo fundamental o exercício contínuo do empirismo e a

reavaliação dos conceitos.

Serão relatados os principais métodos de abertura de galerias em áreasurbanas e os efeitos de uma ação artificial na estrutura natural do terreno,

que pode e deve ser, o máximo possível monitorada e que possa

transformar essas ações e deformações em novos aspectos naturais

colaboradores da estabilidade da obra.

O trabalho descreve os conceitos, a experiência e a tecnologia dos Métodos

Construtivos de Escavação de Túneis NATM e TBM, analisados no contextohistórico e as interfaces com os diversos solos e rochas, fundamentais para

o sucesso de suas aplicações.

No Estudo de Caso, são ressaltados os principais aspectos técnicos da

aplicação do Método NATM na Obra do Prolongamento Norte do Metrô de

São Paulo, relacionados às condições de escolha e soluções de projeto ao

longo do período de execução da obra.

Finalizando, são apontadas as ocorrências que implicaram na reformulação

desses conceitos de projeto que acabaram por alterar de forma constante as

soluções pré-indicadas, corroborando para a realização das condições de

aplicação do método.

Palavras-chave: Escavação de túneis


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ABSTRACT

This work analyzes, describes and compares one of the boldest actions in

the land of Civil Engineering: Opening of Tunnels.

To excavate openings in the subterranean, no matter how hard the

characteristics geologic of the land are known, will always come across with

the stranger, being basic the continuous exercise of the empiricism and the

reevaluation of the concepts.

To the main methods of opening of galleries in urban areas and the effect ofan artificial action in the natural structure of the land will be told, that can and

must be, the monitored possible maximum and that it can transform these

actions and deformations into new collaborating natural aspects of the

stability of the workmanship.

The work describes the concepts, the experience and the technology of the

Constructive Methods of Hollowing of Tunnels NATM and TBM, analyzed inthe historical context and the interfaces with diverse ground and rocks, basic

for the success of its applications.

In the Study of Case, the main aspects are salient technician of the

application of Method NATM in the Workmanship of the Prolongation North of

the Subway of São Paulo city, related to the conditions of choice and

solutions of project to the long one of the period of execution of theworkmanship.

Finishing, the occurrences are pointed that had implied in the

reformularization of these concepts of project that they had finished for

modifying of constant form the daily pay-indicated solutions, corroborating for

the accomplishment of the conditions of application of the method.

Key words: hollowing of tunnels


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LISTA DE FIGURAS

Figura 7.1 Efeito Arco - Lunardi P. ABMS,1985 ...........................................18

Figura 7.2 Intervenções de Sustentação / Contenção - Lunardi . ABMS......20

Figura 7.3 Manifestações de Instabilidade do Maciço - Lunardi, ABMS.......24

Figura 7.4 Núcleo de Avanço - Lunardi P. ABMS, 1985...............................26

Figura 7.5 Deformabilidade do Núcleo - Lunardi P. ABMS, 1985.................27

Figura 9.1 Avanço com Projetado sem Armadura - NC03/80 Metrô SP.......37

Figura 9.2 Avanço com Projetado e Cambotas - NC03/80 Metrô SP...........39

Figura 9.3 Avanço Chapas, Cambotas e Projetado - NC03/80 Metrô SP ....40

Figura 9.4 Escavação em Calota e Bancada - NC03/80 Metrô SP ..............46

Figura 9.5 Escavação com Galerias Laterais - NC03/80 Metrô SP..............48

Figura 9.6 Anel de Concreto Pré-Moldado Expansível - Revista IBRACON 64

Figura 10.1Parcialização da Frente e Seqüência de Avanço - Cruz,H.J.V...70


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LISTA DE FOTOGRAFIAS

Foto 9.1 Túnel Central Estação Trianon - Metrô SP.................................... 46

Foto 9.2 Túnel Gaú-Jaciporã, Sumaré V.Madalena - Matrô SP .................. 47

Foto 9.3 Túnel Oeste V.Madalena, Sumaré V.Madalena - Metrô SP .......... 48

Foto 9.4 Túnel Gaú-Jaciporã, Sumaré-V.Madalena - Metrô SP .................. 49

Foto 9.5 Túnel Gaú-Sumaré, Sumaré V.Madalena - Metrô SP ................... 49

Foto 9.6 Túnel Gaú-Sumaré, 1ª Fase Projetado - Metrô SP ....................... 51

Foto 9.7 Shield Linha Norte-Sul do Metrô de São Paulo - Metrô SP........... 53

Foto 9.8 Shield frente aberta, Linha 2 do Metrô São Paulo - Metrô SP....... 59

Foto 9.9 Shield Semi-Mecanizado - Metrô Madrid....................................... 60

Foto 9.10 Shield com Suporte Mecânico Frontal (1) - Metrô Madrid........... 61

Foto 9.11 Shield com Suporte Mecânico Frontal (2) - Metrô Madrid........... 61

Foto 9.12 Anéis Pré-Fabricados de Ferro Fundido - Metrô SP .................. 62

Foto 9.13 Anéis Pré-Fabricados de Concreto Armado - Metrô Madrid....... 62


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1 INTRODUÇÃO

Os túneis, um dos mais antigos tipos de construção exercidos pelo homem,são passagens abertas artificialmente em formação rochosas ou sob o solo

visando oferecer entre tantas o escoamento de água, o acesso de minas, a

predominar nas áreas urbanas a função de comunicação mais ágil entre o

relevo topográfico.

A técnica utilizada para perfuração subterrânea evoluiu desde a construção

do túnel sob o rio Eufrates, na longínqua Babilônia ( 2200 a.C.), mas aindapermaneceu até a década de 50 baseado nas técnicas de mineração para

exploração e, por isso, no já superado conceito de escoramento,

fundamentado nas operações de escavação seguidas, a cada passo, por

um pesado escoramento, em geral de madeira e, a curta distância, pela

execução de um revestimento de pedra de cantaria ou tijolos, concebido

para suportar todas as cargas que pudessem desenvolver-se no decorrer

das obras.

A impropriedade desses conceitos impediu, durante longo tempo, a

utilização do concreto como material de revestimento de túneis. Isto só veio

a acontecer quando surgiram os suportes metálicos, superando então o

conceito do passado e, a tornar escoramento e revestimento uma etapa

única.


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2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo Geral

Descrever os principais métodos construtivos de escavação de túneis, em

solos e rochas, transmitir conhecimentos sobre o comportamento típico dos

maciços, apresentar e discutir as soluções de engenharia civil para a

realização de obras que interferem com os maciços, notadamente obras

subterrâneas.

2.2 Objetivo Específico

Compilar as normas de execução dos principais métodos construtivos

empregando processos de escavação subterrânea denominados NATM e

Shield. Ambos utilizados em áreas urbanas já de aplicação no Brasil,especificamente na cidade de São Paulo pela Cia do Metrô.

Ressaltar a importância dos estudos geológico-geotécnicos desde as

primeiras fases de discussão da futura obra, otimizando e racionalizando os

recursos, bem como acompanhar todo processo de execução e manutenção

da construção.

Relacionar as metodologias construtivas com os condicionantes do meio

físico, definindo a metodologia de planejamento e projeto que melhor possa

assegurar as metas traçadas como diminuição e até total controle sobre os

riscos.


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3 METODOLOGIA DA PESQUISA

A base de estruturação dessa pesquisa se deu no ambiente de trabalho,dado que cotidianamente o aluno convive com os desafios técnicos dos

projetos e obras do Metrô da cidade de São Paulo, tendo acesso aos

principais agentes de decisão aos problemas de rotina, com isso, pode-se

relacionar questões e dúvidas envolvendo a teoria e a prática no

desenvolvimento de túneis.

Inicialmente, foram levantadas as informações impressas relacionadas aoassunto, desde revistas e catálogos técnicos, teses, livros, apostilas, e

normas técnicas. Essa pesquisa bibliográfica foi realizada na cidade de São

Paulo aos institutos e empresas de maior expressão e correlação ao

assunto.

Quando possível nesses locais foi realizado entrevista, previamente

estruturada, com técnicos especializados e de pleno conhecimento dastécnicas construtivas de túneis atualmente empregadas.

Foi também de fundamental importância a pesquisa via internet dado ser o

assunto de emprego mundial.


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4 JUSTIFICATIVA

Nos últimos 40 anos tem ocorrido um aumento na realização de túneis eobras subterrâneas em todo mundo.

O túnel começa com a necessidade de superar um obstáculo natural,

geralmente maciço montanhoso. Mas além das montanhas existem outras

barreiras que podem ser vencidas mediante túneis, como os cursos d’água

fluviais e marinhos, e nas zonas urbanas densamente edificadas.

Entre os usos mais freqüentes podem enumerar-se os túneis para diferentes

meios de transporte como a construção de vias rápidas que cruzam áreas de

montanha e redes de ferrovias urbanas e trens rápidos (metrôs); para obras

hidráulicas como abastecimento de água e saneamento; passagem de

pedestres; comunicação e dutos de ventilação; armazenamento, adução,

geração, transmissão de energia e redes de distribuição; galerias de

serviços e o desenvolvimento do espaço subterrâneo industrial e urbano emcidades cada vez mais congestionadas.

Atualmente, os túneis respondem por mais de 90% do volume de

escavações subterrâneas civis em todo mundo. Nas últimas décadas, os

túneis totalizaram de 500 a 1000 Km perfurados por ano, correspondentes a

20.000 a 40.000 m³ de volume escavado (ABGE, 1998).

O espaço subterrâneo tem tido cada vez mais importância nas obras civis,

devido a vários fatores como menor custo e rapidez dos métodos executivos;

maior segurança devido a métodos mais adequados de reforço e tratamento

de maciços; métodos de análises mais precisos e com modelos mais

representativos. No caso de áreas urbanas, acrescente-se também o custo

mais elevado do espaço superficial e o seu congestionamento já atingido

com outras obras.


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Estas realizações tem sido possíveis uma vez exigido o desenvolvimento da

mecânica de solos e rochas, e da geologia aplicada a engenharia, utilizando

também diversas técnicas originalmente desenvolvidas para a engenharia deminas, em uma conjunção simbiótica de engenheiros civis, de minas e

geólogos.

Em definitivo, trata-se de um tipo de obra elaborada por uma equipe

pluridisciplinar de profissionais que contribuirá a melhorar a engenharia do

espaço subterrâneo.


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5 CONDICIONANTES GEOLÓGICOS

O Manual de Túneles y Obras Subterrâneas (1997), descreve que asescavações subterrâneas construídas para qualquer uso civil tem como

condição principal manter sua forma e propriedade ao longo do tempo. Nos

projetos de túneis podem aparecer diferentes tipos de problemas, desde os

de tipo mecânico que aparecem quando se atravessam, por exemplo, rochas

muito fraturadas, que podem ocorrer desplacamentos do maciço; até

problemas do tipo químico, que se apresentam em zonas com rochas

capazes de reagir quimicamente com o cimento do concreto, provocandoperda de resistência mecânica.

Os estudos geológicos servem para definir os maciços de solos e rochas

que se vão atravessar e as peculiaridades lito-estratigráficas e

hidrogeológicas relacionadas com a estabilidade mecânica. Estes estudos

devem detectar, quando possível, as zonas menos fraturadas e alteradas, e,

portanto mais adequadas para escavar os túneis. Todas estas investigaçõestem como objetivo conhecer melhor as características geológico-

geotécnicas das formações rochosas, com a finalidade de dispor de dados

básicos para projetos dos túneis; a seleção de métodos construtivos e

dimensionamento do revestimento, podendo antecipar e evitar os problemas

que poderão aparecer.

Entre os aspectos mais importantes de informações necessárias sobre a

geologia e geotecnia estão:

• Descrição geológica detalhada dos materiais do local;

• Situação e orientação de descontinuidade, juntas, falhas e planos de

estratificação das rochas;

• Tensões nos maciços rochosos;

• Propriedades geomecânicas dos materiais; e

• Nível do lençol freático e previsão de volumes de água de infiltração.


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Qualquer atuação tem que estar encaminhada com reconhecimento

completo e objetivo dos maciços em que atravessará a escavação,

avaliando as técnicas construtivas empregadas e os métodos aplicados notratamento e sustentação dos maciços.

5.1 Caracterização Geomecânica dos Maciços Rochosos

Segundo Fernandez, 1997, uma obra subterrânea supõe-se, normalmente,

um ponto singular no que se refere a sua investigação geológica egeotécnica.

Sua investigação somente pode ser abordada mediante: interpretação de

dados de superfície, medidas indiretas e medidas pontuais.

Os primeiros dados procedem de afloramentos que na maior parte dos

casos se apresentam descontínuos, recobertos por solos, depósitos edáficosou quaternários. Este fato impõe à investigação a necessidade de

recompor a estrutura do maciço rochoso mediante técnicas de cartografia

geológica, que se baseiam em numerosas disciplinas geológicas.

As medidas indiretas, basicamente devido a técnicas geofísicas, são de

grande ajuda, porém não se pode esquecer que se tratam de medidas de

parâmetros físicos, ao longo do subsolo, que requerem um grande esforço

rigoroso de interpretação e, posteriormente, de tratamento dos dados

obtidos.

Pelo que se refere a caracterização mecânica de um maciço rochoso, a

quantificação dos parâmetros resistentes as deformações, que governam o

comportamento tenso-deformacional de qualquer escavação, é um dos

principais problemas que se propõe a mecânica das rochas. Sem dúvida um

maciço rochoso é meio heterogêneo e descontínuo cujas propriedades


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resistentes as deformações não podem ser medidas diretamente no

laboratório, existindo uma diferença muito apreciável entre os valores que se

obtém nos ensaios de laboratório e os que se obtém mediante medidas insitu, que afetam no ensaio, a um volume de solo / rocha maior.

Por tudo isso, no reconhecimento geológico de um túnel ou escavação

subterrânea sempre existirá um certo grau de incerteza que deve ser

minimizado de acordo com a fase de estudo do projeto e das características

da obra.

Portanto, o engenheiro projetista deve conhecer as limitações intrínsecas a

qualquer estudo geológico e geotécnico, assim como ser capaz de

interpretar a linguagem geológico-geotécnica.

As incertezas do solo devem ser determinadas com a apropriada

flexibilidade e sensibilidade para obter projetos construtivos que evitem

conseqüências economicamente vultuosas devido as surpresas geológicas.

5.2 Classificações Geomecânicas dos Maciços Rochosos

Classificações geomecânicas são sistemas desenvolvidos com base em

determinadas características de maciços rochosos previamente

selecionados, de modo à definir diferentes classes de maciço com a

finalidade fundamental de subsidiar decisões de engenharia. Elas são

elaboradas pela disposição hierárquica das características do maciço,

organizadas individualmente em categorias. Tal concepção conduz à

caracterização semi-quantitativa de um maciço rochoso, implicando na

previsão de suas aptidões e seu comportamento geomecânico, em face de

uma utilização específica de engenharia. A previsão do comportamento de

maciços rochosos em escavações constitui o principal objetivo das

classificações geomecânicas (Serra, 1998).


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A classificação geomecânica, aplicada genericamente durante as etapas de

estudo e projeto, posteriormente corrigida e detalhada durante a obra,

qualifica o maciço recém-escavado, nas frentes de escavação, para permitiro dimensionamento empírico e explícito de seu suporte estrutural.

Estimar a auto-sustentação dos maciços, os sistemas de suporte

adequados, além da geometria das seções de escavação e da seqüência de

desmonte constituem os maiores benefícios do emprego da classificação

geomecânica. Funções mais elementares, porém de extrema importância,

são as representadas pela minimização da subjetividade nas descrições“maciço muito competente” ou “bastante fragmentado” ou “moderadamente

decomposto” e outras que não necessariamente traduzem o quadro real

compreendido pelos técnicos envolvidos numa mesma obra, mesmo porque

cada um pode ter uma percepção diferente dos seus significados (Serra Jr,

1998).

As classificações construtivas regem os critérios de medição e pagamento

dos serviços a serem executados e fazem parte dos termos contratuais.

Podem ser desenvolvidas especificamente para a obra em questão ou se

apoiar em métodos de uso universal. Durante as escavações, a obra é

mapeada e setorizada, em função das classes de maciço encontradas e os

tipos de suporte e ou reforço aplicados, tanto para garantir a segurança

executiva, como para atender as condições operacionais.


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6 ETAPAS DO EMPREENDIMENTO

6.1 Investigações Prévias

O conhecimento adequado dos maciços nos quais se escavará e construirá

um túnel é fundamental para que as previsões de comportamento, o

dimensionamento dos tratamentos e do revestimento final, e a definição da

metodologia executiva a ser empregada sejam discutidas em tempo hábil, e

as decisões a elas relacionadas sejam implementadas sem que passam aser responsabilizadas por desvios nos custos e no cronograma da obra

(Mello, 2003).

Para tanto se pressupõe que o maciço no qual se construirá determinado

túnel é bastante conhecido na fase de projeto, e que dados coletados

durante o início dos serviços da obra, com a execução de novas sondagens,

instalação de instrumentação ou furos táticos de avanço do próprio túnel, seencaixarão no modelo e compartimentação geomecânica pré-estabelecidos,

detalhando-o sem gerar a necessidade de revê-lo. Uma das premissas para

a validação do Método Observacional, segundo Nicholson (1999), é a de que

não se pode utilizar tal sistemática de projeto/construção de um túnel caso

não esteja disponível uma investigação de campo intensa e de alta

qualidade.

Segundo Murakami, 1969, o projeto baseia-se em toda e qualquer

informação que se possa conseguir e avaliam-se os dados com todas as

possíveis diferenças entre as hipóteses e a realidade. Através desta análise

selecionam-se algumas variáveis que devem ser coletadas em campo, com

isso, gradualmente completam-se as lacunas das informações que faltavam

e reavaliam-se as hipótese iniciais.


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Um grande número de artigos técnicos discute as técnicas de investigação

disponíveis localmente para bem caracterizar e classificar um maciço de solo

ou rocha (ABGE, 1998), com seus detalhes, problemas, soluçõesparticularizadas. Outra série de artigos (Mello, 1998; Maffei, 1995) discute

que as investigações de campo não podem ser realizadas burocraticamente,

devendo ser coordenadas por pessoal experiente em problemas práticos de

túneis, para poder otimizar o programa, durante o próprio andamento das

investigações, delineando regiões com necessidade de detalhamento

diferenciado.

Em situações de contexto geológico sedimentar pré-adensado, como é o

caso da bacia Terciária de São Paulo (Mello, 2003), a validade generalizada

do raciocínio básico de homogeneidade tem sido sistematicamente usada.

Mas, em alguns casos, principalmente nas proximidades a córregos, erosões

em fortes declives, com suas posteriores re-deposições e novas erosões,

podem ter gerado grande variação de características destes sedimentos pré-

adensados, até com a aparição de superfícies polidas de cisalhamentos

antigos.

Outro detalhe importante a ser considerado quando do planejamento de

campanha de investigações em meio urbano é o que diz respeito ao fato que

muitos locais podem ter sido objetos de serviços de terraplanagem anterior,

terraplanagem esta sempre feita em aterros de ponta, nunca compactados,

ou até de lançamento de material de entulhos ou “bota-foras” de maiores

alturas. O mapeamento criterioso destes locais, potencialmente com

espessuras variáveis de material simplesmente lançado, é fundamental para

que o projeto possa contemplar situações extremas, nas quais parte do

material de cobertura da abóbada do túnel deve ser considerada somente

como carregamento (Mello, 2003).

A perfuração de sondagens permite a avaliação dos graus de faturamento e

de alteração da rocha do maciço, além dos tipos de rocha presentes. Uma


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das dificuldades é restituir a orientação das fraturas, cuja análise é

fundamental para se estudar a eventual formação de cunhas instáveis

durante a escavação.

6.2 Estudo

Durante a etapa de estudos, normalmente subdivididas em projeto

convencional, anteprojeto e projeto básico, são analisadas várias

alternativas de soluções de engenharia para o traçado, seção corrente,emboques, reforço estrutural, etc. Diversos aspectos das alternativas de

projeto são condicionados por fatores de ordem geológica e geomorfológica:

seus prós e contras são avaliados, técnica e economicamente, até culminar

com a eleição da melhor solução.(Francis, 1998).

6.3 Projeto

Qualquer escavação subterrânea constitui, do ponto de vista da estrutura,

um sistema hiperestático complexo, cujo material de construção constitui o

próprio maciço. Qualquer maciço escavado, do ponto de vista geológico,

constitui um sistema natural descontínuo, desigualmente intemperizado,

assinalado por heterogeneidades e anisotropias variáveis.

6.4 Dimensionamento

As propriedades e feições singulares do maciço, antes das escavações, são

analisadas, como em qualquer projeto de engenharia, com o auxílio de

investigações e ensaios


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Inúmeros autores tem discutido que o desenvolvimento de projetos de

túneis baseia-se em equilíbrio entre a experiência das equipes, e cálculos,

dentre os quais predominam as simulações numéricas (Mello, 2003).

Estas simulações numéricas são importantes para o dimensionamento

estrutural do revestimento de um túnel e para antecipar seu comportamento

durante a construção, permitindo a realização de análises de sensibilidade

em relação aos principais parâmetros intervenientes/condicionantes. São

necessários para o planejamento e controle do processo construtivo de um

túnel, e para avaliação de eventuais impactos em terceiros (Negro, 1999),assim como para a proposição prévia de diferentes alternativas de projeto

para os distintos cenários possíveis de serem encontrados.

Deve-se reconhecer que uma parcela importante das definições relativas ao

projeto de um túnel, dos tratamentos necessários para aumentar o auto-

suporte do maciço que será escavado, permitindo sua escavação com maior

segurança, é definida com base na experiência das equipes envolvidas.

Para que essa experiência fosse melhor compartilhada seria muito útil que

os trabalhos técnicos fossem mais abrangentes; de Mello V. (1998a) ressalta

que praticamente nenhum relato técnico publica:

• as bases de cálculo pelas quais tenham sido comparados os

comportamentos previsíveis com e sem um(vários) reforço(s)

preconizado(s);

• as eventuais alternativas para solução do mesmo problema;

• a comparação admitida dos custos (relativos) e benefícios das condições

com e sem o reforço definido.

Conforme Mello, 2003, a dificuldade de quantificação dos riscos de cada

alternativa postulável existe, mas não deveria impedir a realização de

estudos enfocando as 3 etapas acima colocadas.


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Em contrapartida, o desenvolvimento de técnicas para tratamento do maciço

a ser escavado foi bastante acelerado, com a disponibilidade de um grande

leque de produtos e métodos executivos, cuja quantificação projetualdeterminística ainda não tem reconhecimento amplo, mas tem contribuição

conceitual indiscutivelmente reconhecida.

O uso de simulações numéricas, através de programas que utilizam a

técnica de modelagem de meio contínuo (Método dos Elementos Finitos,

Método das Diferenças Finitas, Método dos Elementos de Fronteira, etc.),

tem sido cada vez mais comum no meio técnico, tendo como objetivo odimensionamento de revestimentos e a previsão de deslocamentos, seja no

maciço, seja do próprio revestimento.

A aplicação de formulações analíticas e ou empíricas, antes da ampla

utilização de computadores, a única forma de cálculo disponível para o

projeto de túneis, seja para o dimensionamento do revestimento, seja para a

previsão de deslocamentos, é cada vez mais rara e, às vezes, até

considerada obsoleta. Exceção a esta regra tem sido as análises de

estabilidade das frentes de escavação, nas quais muitas vezes se

empregam soluções do tipo limite inferior, conforme Negro (1994), ou

Método de Equilíbrio Limite.

Dentro desta tendência, uma quantidade elevada de programas, modelos

reológicos e técnicas de modelagem vem sendo desenvolvidos. Mair &

Taylor (1997) apresentam uma série destas técnicas, tendo sempre como

pano de fundo o fato de não ser viável utilizar modelos tridimensionais,

restringindo as simulações a modelos bidimensionais, que tem como

inconvenientes não permitirem simular de forma realista a fase mais crítica

da construção de um túnel: a escavação, instalação do revestimento e as

primeiras horas de interação entre o maciço e o revestimento, servindo-se

de artifício de simulação.


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Obviamente a capacidade de previsão do comportamento futuro de uma

obra em sua fase de projeto é fundamental. Negro (1999) discute este

importante aspecto, partindo da discussão dos processos de simulaçãonumérica utilizados, e levantando comparações entre os deslocamentos

verticais, os deslocamentos horizontais e os carregamentos no revestimento

de túneis previstos em projeto e os valores obtidos no campo por

monitoração.

Outra importante observação relativa à capacidade de previsão de

deformações e suas conseqüências no comportamento de estruturaspróximas ao alinhamento de túneis diz respeito ao fato de que uma previsão

realista de deslocamento deveria poder utilizar a variação de módulo de

deformabilidade com o nível de deslocamentos, uma vez que se reconhece

esta interdependência; além disso, deve ser reconhecido que danos em

estruturas lindeiras estão associados também aos deslocamentos

horizontais (absolutos, relativos e específicos) associados às escavações,

deslocamentos estes limites de aceitabilidade não são conhecidos.

6.5 Previsão de Desempenho de Túneis em Projeto

A necessidade de se prever, em projetos, o comportamento de túneis, pode

ser justificada pela necessidade de se avaliar a conformidade das

construções com projetos. Esta previsão permite por sua vez, correções no

projeto ou na construção, logo no início do processo.

Uma parte substancial do projeto de uma estrutura é a previsão de seu

desempenho e do seu impacto ao meio ambiente, durante e após sua

execução. A previsão completa do desempenho de túneis transcende

aspectos geotécnicos e estruturais: inclui avaliação de ruídos, vibrações,

temperaturas e mudanças na qualidade do ar, induzidas pela estrutura

subterrânea.


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Comparações com o desempenho permitem detecção de não conformidades

em termos de estimativas inadequadas das características do subsolo, de

projetos incorretos, de procedimentos de simulação imperfeitos ou dedesvios da construção em relação ao projeto. Embora seja reconhecido que

o último aspecto seja a causa principal de desempenhos inadequados e o

primeiro seja cada vez menos responsável por acidentes na construção de

túneis, o papel das deficiências na simulação de túneis em acidentes ainda

não foi avaliado.


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7 EFEITO ARCO

Segundo premissa (Lunardi, 1995), durante a realização de um túnel, astensões pré-existentes no maciço, uma vez desviadas pela abertura da

cavidade, se canalizam ao longo do seu contorno, determinando zonas

super solicitadas nas paredes da escavação. A canalização desse fluxo de

tensões no contorno da cavidade é definida como “efeito arco” e é

exatamente devido ao desencadeamento desse fenômeno que é possível

criar “cavidades” no subsolo com garantia de preservação e durabilidade no

tempo

O “efeito arco” pode ser produzido de acordo com a magnitude dos estados

tensionais pré-existentes no maciço e com as características de resistência e

deformabilidade do mesmo, dos seguintes modos (figura 7.1):

— Nas proximidades do perfil da escavação: ocorre quando o solo, no

contorno da escavação, suporta bem o fluxo das tensões desviadas,respondendo elasticamente em termos de resistência e deformabilidade;

— Longe do perfil da escavação: ocorre quando o solo no contorno da

escavação, não estando em condições de suportar o fluxo das tensões

desviadas, responde inelasticamente, plasticando-se e deformando-se

proporcionalmente ao volume de solo envolvido pelo fenômeno de

plastificação. Este modo, que inclusive provoca aumento do volume do solo

envolvido – provoca ao se propagar radialmente, o desvio da canalização

das tensões para dentro do maciço, até que o estado triaxial de tensões se

torne compatível com as características de resistência do solo. Nesta

situação o "efeito arco” forma-se longe das paredes da escavação e o solo

do contorno, já rompido, poderá colaborar na estática final da escavação

apenas com a resistência residual dando lugar ao fenômeno de deformações

de notáveis grandezas como convergências, etc;


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— Não acontecer : ocorre quando o terreno no contorno da escavação, não

sendo absolutamente capaz de suportar o fluxo das tensões desviadas,

responde no campo de ruptura, provocando o colapso da cavidade.

Figura 7.1 Efeito Arco - Lunardi P. ABMS,1985

Pode-se observar que o efeito arco por via natural, produz-se apenas no

primeiro caso. No segundo caso, o efeito arco se produz por via natural

apenas se o maciço for “ajudado” por meio de intervenções estabilizadoras.

No terceiro caso, o efeito arco, não podendo se produzir por via natural,

deverá ser produzido por via artificial, intervindo-se adequadamente nopróprio maciço antes da escavação.


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O objetivo mais importante do projetista de túneis, deve ser o de analisar se

e como o efeito arco poderá se desenvolver no ato de escavar o túnel - uma

vez tendo compreendido que ajudar o maciço significa dispor deinstrumentos para reconduzir o segundo e o terceiro caso para o primeiro,

deve estabelecer definitivamente e de maneira inequívoca, se ele vai querer

enfrentar o projeto (que não é outra coisa se não a definição da ajuda que

ele pretende dar ao maciço para controle do efeito arco) segundo a "filosofia

de sustentar" ou a "filosofia de conter" a cavidade.

Ao analisar o que se entende por sustentar, ou seja, pré-suporte, e porconter, ou seja, pré-contenção, aparecerá qual deve ser o enfoque de

projeto mais adequado para um projetista de túneis (figura 7.2).

Se o projetista resolver enfrentar a escavação com "intervenções de

sustentação", deverá estar convencido que:

• sustentando o maciço ele produz uma ação passiva.

•

esta posição significa aceitar a relaxação do maciço e que a reação emtermos de deformação do mesmo possa evoluir de modo praticamente

descontrolado, deixando que o efeito arco se afaste sem controle em relação

ao contorno da escavação.

• operando desse modo, ele resolve o problema da estabilidade da cavidade

com critérios trazidos da engenharia de mineração que, tendo objetivos

diferentes da engenharia de túneis, obviamente não se preocupa em impedir

a relaxação do maciço no contorno da cavidade; nem de reduzir ao mínimo

os deslocamentos em relação ao perfil teórico da escavação; nem mesmo

de salvaguardar a integridade das propriedades geomecânicas do maciço e

muito menos garantir a manutenção da cavidade projetada a longo prazo.

Se, pelo contrário, o projetista decidir enfrentar a escavação com

"intervenção de contenção", ele deve estar ciente que:

• contendo o maciço ele produz uma ação ativa.


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• contendo o maciço ele controla sua relaxação e a consequente resposta

em termos da deformação.

• conservando e melhorando as características do maciço o mesmo podecolaborar eficazmente com a estabilidade final da escavação: valoriza-se

deste modo o maciço como material de construção, assegurando-se a

formação do efeito arco não muito longe do perfil da cavidade.

• poderá recorrer a "intervenção de sustentação" somente em casos de

emergência para limitar eventuais danos provenientes de um erro de projeto

ou construção.

Figura 7.2 Intervenções de Sustentação / Contenção - Lunardi . ABMS

Destas considerações conclui-se que se o projetista de túneis quiser projetar

e executar corretamente a sua obra subterrânea, tomando portanto em

consideração tão somente, e, exclusivamente, aquelas "ajudas" ao terreno

(intervenções de consolidação) que produzem efeito arco, não terá outra

escolha se não aquela da "filosofia de contenção", excluindo de seu


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vocabulário a palavra "sustentar", e todos os seus derivados como

"sustentação" e "pré-sustentação".

Tratando-se de projeto e construção de túneis, deve-se então falar emcontenção, um termo que se aplica melhor ao conceito de ação ativa, capaz

de produzir e controlar o efeito arco no contorno da cavidade. Por

consequência deve-se falar de pré-contenção para referir-se àquelas ações

ativas que produzem efeito arco por via natural e por via artificial a montante

da face de escavação.

A propósito disto, nestes últimos anos apareceram na área de execução detúneis novas tecnologias de avanço, capazes de desenvolver ações de pré-

contenção que, superando a limitação das tradicionais (injeções,

congelamentos, etc), permitem finalmente, de um lado, realizar obras em

qualquer tipo de terreno, com a mesma segurança com que se enfrentam

outras obras de engenharia civil e, de outro lado, assegurar um ritmo de

avanço também nos terrenos mais difíceis e deste modo industrializar a

escavação.

A possibilidade do projetista em dispor do "novo instrumento de pré-

contenção", além daquele tradicional de "contenção", abre uma nova página

na estória dos túneis pois permite enfrentar o problema de projeto e de

construção de um túnel com as mesmas possibilidades de sucesso,

independentemente da natureza dos maciços, oferecendo a possibilidade de

aperfeiçoar um método de projeto, classificação e construção, aplicável e

operativo em qualquer situação geológica, geomecânica e estado de tensão.

Um método que permita, finalmente, o planejamento de um túnel, em termos

de tempo e custo, analogamente às outras obras de engenharia.


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7.1 O Núcleo de Avanço como Instrumento de Pré-Contenção e

de Estabilização do Túnel

No contexto apresentado por Lunardi, 1995 - premissa, a construção de uma

obra no subsolo, de fato, ocorre pela retirada de materiais de um meio, cujas

características não são facilmente avaliáveis (estando já submetidos pela

natureza a estado de tensões que as ações de escavação e de construção

modificam de forma irreversível) dando início as reações onde a estabilidade

da obra depende do seu controle. Assim sendo, quem se propõe projetar e

construir uma obra no subsolo não pode se eximir dos seguintesconhecimentos:

• do meio em que deve operar . È o elemento básico de construção do

projetista de túneis, é constituído de materiais extremamente anômalos se

comparados com os tradicionais da engenharia civil: é descontínuo, não

homogêneo e anisotrópico. Apresenta, na superfície, característica muito

variada que depende exclusivamente da sua natureza intrínseca (suacondição natural) condicionada pela geologia da crosta terrestre, enquanto

que em profundidade apresenta característica mutável também em função

do estado tensional que o solicita (consistência adquirida), determinando o

seu comportamento na escavação.

• da ação resultante executando a escavação. Manifesta-se com a

penetração da frente no interior do meio. É, portanto, um fenômenoclaramente dinâmico: pode-se imaginar o avanço de um túnel como um

disco (a frente) que avança com uma certa velocidade para dentro do

maciço, deixando atrás de si o vazio. Ele produz uma perturbação no meio,

seja vertical como horizontalmente, o que altera o estado das tensões pré-

existentes. A grandeza destas solicitações incrementais determina para

cada tipo de maciço a amplitude da região perturbada (no interior dessa

região o solo sofre uma perda das características geomecânicas com

consequente aumento de volume). A amplitude da zona perturbada nas


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proximidades da montante é definida pelo raio de influência da montante de

avanço, que por sua vez define o espaço sobre o qual o projetista deve

concentrar a sua atenção e dentro do qual ocorre a evolução de um estadode tensão triaxial para um biaxial plano (zona da montante de avanço ou de

transição).

• da reação esperada como efeito da escavação. É uma resposta em

termos de deformação do meio à ação da escavação. Ela é gerada a

montante da face de escavação na região da zona perturbada, em

consequência das sobre-tensões geradas no maciço no contorno daescavação, e depende da resistência do meio e da forma em que se realiza

o avanço da montante (a ação).

A resposta em termos de deformação da face e da cavidade, dependendo

da consistência adquirida do maciço e da ação exercida, se manifesta das

seguintes formas (figura 7.3):

•

extrusão da face;• pré-convergência (entendido como convergência do perfil teórico a

montante da face de escavação);

• convergência.


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Figura 7.3 Manifestações de Instabilidade do Maciço - Lunardi, ABMS

Tais fenômenos por sua vez podem produzir algumas manifestações de

instabilidade (considera-se instabilidade toda ocorrência que produz intrusão

de solo na cavidade além do perfil teórico de escavação), a saber:

• desplacamentos por gravidade e colapso da face, no conjunto face-núcleo

de avanço;

• desplacamentos por gravidade e colapso da cavidade na região do

contorno.

Uma vez definido como “núcleo de avanço”, o prisma de terreno a montante

da face de escavação cujas dimensões transversal e longitudinal são da

ordem de grandeza do diâmetro do túnel (figura 7.4) pode-se afirmar – com

base nas experiências adquiridas – que todas as citadas formas de

instabilidade dependem direta ou indiretamente da rigidez do núcleo.

Podem ocorrer três situações básicas (figuras 7.4 e 7.5):


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• Se, na fase de avanço de um túnel, ao passar do estado de compressão

de tipo triaxial a um tipo de plano, com o anulamento do estado de

compressão na face produz sobre o núcleo de avanço solicitações no campoelástico, a parede aberta (face da escavação) se mantém estável com

deformações limitadas ou absolutamente desprezíveis. Neste caso a

canalização das tensões no contorno da cavidade (efeito arco) se produz por

via natural próxima ao perfil de escavação.

• Se, ao contrário, o anulamento do estado de compressão na face produz

no núcleo de avanço solicitações no campo elasto-plástico, a reaçãotambém é importante e a parede aberta do núcleo (face da escavação)

deformando-se elastoplasticamente para dentro da cavidade (extrusão), dá

lugar a uma situação de estabilidade a curto prazo. Tem início, assim, na

ausência de intervenções, um fenômeno de plastificação que, ao se

propagar longitudinalmente e radialmente a partir do contorno da cavidade,

produz o deslocamento do “efeito arco” mais para dentro do maciço.

Somente operando com intervenções de contenção e ou de pré-contençãoadequadas pode-se controlar tal afastamento.

• Se, por fim, o anulamento do estado de compressão na face produz no

núcleo de avanço solicitações no campo de ruptura, a resposta em termos

de deformação é inaceitável e ocorre uma situação de instabilidade do

núcleo que torna impossível a formação do “efeito arco”. È o caso de

maciços incoerentes ou fracos, em que o efeito arco não conseguindo se

formar por via natural, deve ser produzido artificialmente.


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Figura 7.5 Deformabilidade do Núcleo - Lunardi P. ABMS, 1985

A conseqüência disto é que as características de resistência e

deformabilidade do núcleo de avanço tem um papel predominante no início e

na evolução dos fenômenos de deformação da cavidade.


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Tais fenômenos de deformação são conseqüências diretas dos fenômenos

de deformação já produzidas a montante da face de escavação, e

dependem das escolhas do projeto e de como controlar a resposta emtermos de deformação e do método construtivo adotado (figura 7.5).

Garantir a rigidez do núcleo de avanço significa, então, evitar os fenômenos

de instabilidade da face e, conseqüentemente, controlar o surgimento da

resposta em termos de deformação a montante da face da escavação e,

portanto, também a sua evolução a jusante da face.


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8 ESCAVAÇÕES

Escavação é o processo empregado para romper a compacidade do solo ouda rocha, por meio de ferramentas e processos convenientes, tornando

possível a sua remoção (Redaelli,1998).

As escavações são divididas em dois tipos:

— escavações a céu aberto: escavações em solo a céu aberto podem

envolver pequenos serviços executados por pás e picaretas à escavaçõesmaiores que requerem equipamentos de maior porte e atividades

específicas. Cerca de 30% da crosta terrestre é formada por solos,

folhelhos, argilitos e outras rochas (ABGE, 1998) que podem ser escavados

sem o uso de explosivos. Adicionalmente, a capacidade e o poder de

escavação dos equipamentos estão presentemente competindo com os

métodos de desmontes por explosivos, sendo por vezes mais rápido,

eficiente e de menor custo.

— Escavações subterrâneas: escavações subterrâneas em material pouco

consolidado geralmente requerem algum tipo de sustentação, que pode ser

feita por diferentes métodos; sua aplicação normalmente representa um

custo significativo na execução da obra. Assim as escavações

subterrâneas necessitam de uma investigação geológico-geotécnica

preliminar o mais detalhada possível para evitar-se situações imprevistas,

que podem alterar tanto o custo quanto o cronograma da obra, justificando

investigações detalhadas. O tipo de material a escavar também afeta o

custo, o prazo de escavação e, ainda, a metodologia a ser adotada.


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9 MÉTODOS CONSTRUTIVOS

9.1 Novo Método Austríaco – NATM

O primeiro uso do termo em inglês de “NEW AUSTRIAN TUNNELLING

METHOD" (NATM), apareceu em uma série de três artigos escritos pelo

professor Rabcewicz publicado na revista “Water Power” em novembro e

dezembro de 1964 e janeiro de 1965 (Rabcewicz, 1964). Estes artigos

descrevem o uso de revestimento de concreto projetado para estabilizartúneis escavados em rocha. Também conhecido como túnel mineiro por ser

originário na exploração de minas, caracteriza-se como um processo de

escavação subterrânea que, utilizando o concreto projetado como

revestimento, busca a estabilização das deformações do terreno através do

alívio controlado das tensões atuantes, exigindo para isso instrumentação de

campo adequada e a monitoração constante das condições de escavação,

para que os resultados esperados sejam alcançados na prática (Ferrari,1993).

O NATM é um método em que, basicamente, logo após a escavação da face

e ocorrência de alívio parcial das tensões iniciais do maciço, é colocado o

suporte. O suporte do túnel é constituído de concreto projetado associado a

cambotas metálicas, com tirantes, chumbadores e enfilagens conforme

necessário. Para túneis em solo, o revestimento é usualmente constituído de

concreto projetado e cambotas metálicas. Para túneis em rocha, utiliza-se

concreto projetado, tirantes e chumbadores, e em alguns casos prescinde-se

das cambotas. Nesta metodologia, que parece simples, estão embutidos

muitos conceitos fundamentais que exploram meros aspectos de projeto e

cálculo. O sucesso do NATM depende fundamentalmente destes conceitos

e da experiência das pessoas nele envolvidas (Ribeiro, 1999).


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Buono, 2003, em manual técnico Solotrat descreve os conceitos principais

que definem a tecnologia para o uso do NATM:

— Mobilização das tensões de resistência do maciço: O maciço

circundante ao túnel, que inicialmente atua como elemento de carregamento,

deve passar a se constituir em elemento de escoramento, isto se deve à

mobilização de suas tensões de resistência. É o princípio da estabilização

pelo alívio de tensões por deformações controladas.

—

Manutenção da qualidade do maciço pela limitação do avanço eaplicação imediata do revestimento: A acomodação excessiva do solo faz

com que o maciço perca sua capacidade de auto-suporte e passe a exercer

um esforço sobre a estrutura. A aplicação imediata do revestimento de

concreto projetado impede esta acomodação, bem como a formação de

vazios na interface estrutura-maciço, mantendo sua qualidade. Esta

aplicação de concreto projetado possibilita que o suporte aja em toda a

superfície escavada, melhorando a interação com o maciço. Métodos

antigos, como o madeiramento, tem atuação pontual. Por mais cuidadoso

que se fosse o encunhamento de fixação, estes processos causavam vazios

na interface, oferecendo condições para o início do desagregamento do

material e contribuindo para a perda da capacidade de auto-suporte do

maciço.

— Avanço e parcialização de seção de escavação, fechamento

provisório e utilização do suporte adequado no momento certo: O

avanço e a parcialização adequada da frente de escavação se dão em

função do comportamento do maciço, que se traduz no tempo de auto-

sustentação e deformabilidade do material. Quanto maior o número de

etapas, menor a área unitária de escavação, maior o tempo de auto-suporte

da abertura não escorada e menores os recalques. Também influem na

forma de parcialização os equipamentos disponíveis, prazo para execução

da obra e custos. Em geral, é procurada uma solução que resulte numa


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maior velocidade de execução. O suporte do túnel trabalha como um anel

contínuo, que deve ser concluído o mais breve possível. Por questões de

organização construtiva, quando é previsto o avanço pronunciado daabóbada do túnel, muitas vezes é colocado fechamento provisório do anel,

para estabilizar aquela área do maciço enquanto as demais áreas vão sendo

escavadas. Quando a escavação é finalizada, esse piso é retirado, para

construção do piso definitivo. Duas questões são importantes para a

colocação do suporte: a deformabilidade dele próprio e o momento de

aplicação. Quando o suporte é aplicado muito cedo, ou para aqueles com

pouca deformabilidade, sua capacidade de resistência deve ser superioràquela realmente necessária para o caso ótimo, pois ele precisará trabalhar

com níveis de tensões mais elevados, uma vez que o maciço ainda pode

sofrer um alívio e, portanto, a aplicação de menor carga. O comportamento

da interação maciço-estrutura, recebe fortes influências dos seguintes

fatores: deformabilidade do maciço e do suporte; tamanho da abertura da

escavação; defasagem entre a escavação e a aplicação do suporte;

espessura do suporte; método de avanço da escavação.

— Utilização de enfilagem, tirante e cambota: Quando necessário, e para

melhorar as condições de sustentação, são aplicados elementos estruturais

adicionais ao concreto projetado, como cambotas metálicas embutidas no

concreto, e ancoragem no maciço do tipo tirante ou chumbador e enfilagem.

A colocação sistemática da ancoragem permite a mobilização da capacidade

portante do maciço, impondo que as tensões confinantes ao redor da

abertura se mantenham em níveis compatíveis, limitando as deformações.

Para estabilização prévia de trechos a serem escavados, ou nos emboques,

são utilizadas as enfilagens cravadas ou injetadas.

— Drenagem do maciço: Sempre que houver a ocorrência de água, a

colocação de drenos entre a estrutura e o solo permite o alívio destas

pressões sobre a superfície do suporte do túnel, melhorando as condições

de segurança da obra e facilitando a escavação. Também com este


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objetivo, a aplicação de rebaixamento induzido do lençol freático é muito

eficiente.

— Caracterização geológico-geotecnica do maciço, instrumentação e

interpretação de leituras de campo: A realização de ensaios de campo e

de laboratório, somadas às investigações de prospecção geológica e análise

de deformações do túnel, permitem a caracterização e determinação de

parâmetros de resistência, deformabilidade e permeabilidade do maciço. No

NATM os dados oriundos das instrumentações de campo permitem medir o

desenvolvimento das deformações, o alívio de tensões e,conseqüentemente, a interação do suporte com o maciço circundante além

de: alertar para situações não previstas para que seja possível a rápida

tomada de decisões; fornecer subsídios para aferição das hipóteses iniciais

de projeto, permitindo adaptações e correções do método construtivo,

ajustando o espaçamento de cambotas e os tratamentos previstos; promover

condições para melhorar o desempenho da obra quanto à produtividade,

segurança, economia e qualidade, através da interpretação das leituras dos

instrumentos associada aos eventos observados na obra.

O novo método austríaco favorece deliberadamente a deformação do

maciço, adjacente ao contorno escavado, para redistribuir e, ao mesmo

tempo, reduzir as tensões máximas induzidas, sem permitir sua

desagregação e conseqüente perda de coerência. Para assegurar tais

objetivos, preconiza a adoção de medidas e providências que possibilitem:

• aproveitar ao máximo a capacidade autoportante do maciço, adjacente ao

contorno escavado;

• escavar uma seção arredondada, preferencialmente plena, e parcializando,

quando sua estabilidade exigir;


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• aplicar suporte flexível em todo contorno escavado, exceto no piso, quando

horizontal e suficientemente resistente, antes da desagregação da zona

potencialmente plastificável;

• dimensionar o revestimento final durante a obra, em função do

comportamento mecânico da frente de escavação;

• controlar e corrigir o desempenho do maciço e respectivo suporte, com

base nos resultados do monitoramento dos deslocamentos do contorno

escavado e, eventualmente, da superfície, durante o processo de escavação

O NATM tem como marca registrada, a sua grande versatilidade com a

capacidade de adaptação em cada situação, quer seja a geometria do túnel,

forma de ataque da frente com ou sem parcialização, disponibilidade ou não

de equipamentos mecanizados de escavação , existência ou não de

dispositivos desenvolvidos para aplicação de revestimentos (Ferrari,1993)

No entanto se adotado para escavar túneis extensos em maciçoshomogêneos ou sob condições geotécnicas desfavoráveis, evidenciadas por

exíguos tempos de auto-sustentação ou afluxos de água na frente de

escavação, sua produtividade é inferior à das escavações mecanizadas, sob

couraça adequadamente dimensionada (Francis, 1998)

Para execução do NATM a rigor não há necessidade do uso de

equipamentos especiais, mas é inegável que a mecanização das várias

fases do processo, com o uso intensivo de equipamentos apropriados, bem

como a viabilização de várias frentes simultâneas de serviço, pode acelerar

consideravelmente a produção almejada, permitindo adaptar assim o ritmo

de trabalho às necessidades de cronograma da obra (Ferrari, 1993).

Cruz ,1980, apresenta os procedimentos a serem adotados na elaboração

de projeto, conforme normas técnicas complementares. Embora as

condicionantes básicas do NATM, o perfeito conhecimento teórico e toda


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potencialidade do método devam ser do domínio do projetista, apresentam-

se alguns princípios essenciais:

• Ao ser aberto, no solo, um espaço vazio, ocorre nesse solo um fenômeno

de alívio e não de carregamento.

• Do fenômeno de alívio resulta uma redistribuição de tensões no maciço,

que necessariamente corresponde a uma deformação do solo na vizinhança

do espaço vazio, pois sem deformação não há alteração das tensões.

• O suporte do espaço vazio deve ser formado de tal modo que, como

critério de ruptura, este rompa por cisalhamento e não por flexão. Isto

significa contato pleno do revestimento com o intradorso e um

comportamento elástico desse revestimento na deformação, que, conforme

a necessidade, pode ser levado imediatamente ou por etapas à sua

resistência final.

• Da redistribuição de tensões resulta um aproveitamento da capacidade de

carga do solo na vizinhança do espaço vazio, predeterminada pela sua

resistência ou obtida através da criação de um anel de suporte do terreno.

O efeito estabilizante é obtido pela interação do solo com o revestimento

flexível.

• As possibilidades de escavação na frente de trabalho dependem do tempo

de estabilidade do solo que predetermina as dimensões da área a ser

escavada no intervalo de tempo que decorre entre o início da escavação até

à atuação do revestimento.

A abertura de um espaço vazio em terreno natural provoca alterações no

estado inicial de tensões nas adjacências do espaço vazio. Para se alcançar

o equilíbrio constante, é necessário criar uma determinada resistência contra

o desmoronamento, a não ser, devido à resistência do solo existente, a


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estabilidade do espaço vazio seja conservada de modo natural. Na prática,

o equilíbrio constante é criado através da escolha de um suporte de

delimitação do espaço vazio, função da tensão aplicada.

O intervalo de tempo em que se realiza este equilíbrio é influenciado em

proporções limitadas, pelo tipo, volume e seqüência das providências de

suporte, sendo que o estado inicial de tensões e as características

geomecânicas do solo desempenham papel decisivo.

A solução a ser adotada tem, também, que levar em conta as possibilidadesde controle, as operações nos trabalhos de escavação e de proteção e os

aspectos econômicos.

Na construção de túneis urbanos deve-se ter sempre presente que os

recalques na superfície devem ser os menores possíveis, o que implica na

rápida instalação do suporte escolhido e no fechamento do fundo tão

rapidamente quanto, possível.

Para a criação da necessária resistência contra o desmoronamento, podem

se aplicados, em princípio, os tipos de suporte:

• Concreto projetado, com ou sem armadura.

• Cambotas metálicas e projetado.

• Tirantes de ancoragem, cambotas e projetado.

• Chapas, cambotas e projetado.

Alem desses tipos de suporte, poderá ser necessário, em solos moles, a

execução de uma proteção prévia à escavação, conseguida através de

enfilagens longas.

Pode-se, também, aumentar a capacidade de carga do terreno através da

aplicação prévia de injeções ou congelamento do solo na vizinhança do


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espaço vazio, de tal forma que a resistência necessária contra o

desmoronamento seja alcançada.

Assim, uma vez preservados os conceitos básicos que norteiam o NATM, a

versatilidade descrita no sentido de tirar o melhor proveito das condições

locais, permitindo as adaptações necessárias e trabalhando conforme

disponibilidade real ou não de execução mecanizada é, sem dúvida,

apontada como uma grande vantagem deste método quando cotejado com

outras soluções possíveis (Ferrari O.A.,1993).

9.1.1 Avanço com Concreto Projetado com ou sem Armadura.

Na execução de túneis urbanos, em solo, o concreto projetado desempenha

o papel predominante no suporte do espaço vazio, devido as suas

características de alta resistência inicial, facilidade de aplicação e

adaptabilidade à superfície da escavação (figura 9.1).

Figura 9.1 Avanço com Projetado sem Armadura - NC03/80 Metrô SP

Esse tipo de suporte deve ser empregado preferivelmente. No entanto,

somente pode ser aplicado se o "stand-up-time" (tempo que decorre entre a

abertura da escavação até o início do processo de desintegração do solo) for

suficientemente grande para permitir a aplicação do suporte, assim como

permitir que o projetado adquira resistência. Naturalmente, a qualificação do

tempo depende do tamanho da abertura e do ciclo de escavação, para cada


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tipo de solo. Além disso, o projetado somente funciona bem trabalhado à

compressão. Portanto, a seção típica somente com projetado deve ser

empregada quando não houver possibilidade de ocorrência de flexão, devidoa alívios relativos a escavações vizinhas, assimetria geométrica ou de

carregamento, ou por condições de emboque. Deve ser usada sempre que

houver possibilidade de deformação da casca constituída de projetado no

sentido de "buscar" a linha de pressões.

A tela metálica, devido à dificuldade de colocação nos lugares ideais para

resistência a momentos fletores que tracionam ambas as faces, temeficiência muito pequena em túneis em solo, embora seja útil para o

combate ao cisalhamento. Por outro lado, o projetado resiste muito bem à

compressão.

Recomenda-se a colocação de tela metálica quando o revestimento for

também constituído de projetado, pois, nesse caso, as telas do suporte e do

revestimento conferirão ao conjunto uma razoável resistência a momentos

fletores. Por esse motivo, a tela deve ser colocada o mais externamente

possível no suporte e o mais internamente possível no revestimento.

9.1.2 Avanço com Projetado e Cambotas Metálicas.

A aplicação de cambotas metálicas tem por finalidade servir de apoio à

montagem das malhas de aço e do gabarito para o limite interno do concreto

projetado. Dependendo do tipo de solo e do estado de corte no espaço

vazio recentemente escavado, as cambotas também preenchem a finalidade

de proteger a equipe de trabalho.


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Figura 9.2 Avanço com Projetado e Cambotas - NC03/80 Metrô SP

Esse tipo de seção é utilizado no caso de terreno com “stand-up-time”

suficiente para a instalação das cambotas e aplicação do projetado, mas

insuficiente para que o concreto projetado adquira resistência. Até que o

concreto projetado adquira resistência, o “stand-up-time” do terreno deve ser

suficiente para que o mesmo seja autoportante no vão entre cambotas.

Sob o ponto de vista estático, a cambota só começa a atuar quando a

mesma passa a ficar totalmente encostada ao terreno, ou seja, somente

após o preenchimento completo com projetado do espaço entre a cambota e

o terreno.

Com o crescente endurecimento do projetado, ao atingir resistência à

compressão de cerca de 20 a 30 kgf/cm², o próprio concreto tem

capacidade, por si só, de assumir a função de suporte do espaço vazio.

Para a maioria dos casos, é completamente suficiente o tempo de duração

do efeito de suporte espacial do solo (“stand-up-time”), tendo em vista que o

concreto projetado atinge, normalmente, a resistência citada, após cinco a

seis horas de sua aplicação. As cambotas metálicas também não são geralmente consideradas nos

cálculos, visto que a sua ligação com o concreto projetado não é totalmente

perfeita., a não ser com medidas adicionais. A experiência mostra que, no

estado de ruptura, as cambotas são os primeiros elementos a serem

projetados para fora da ligação, o que demonstra uma incorporação

insuficiente cambota / concreto projetado.


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9.1.3 Avanço com Projetado, Cambotas e Tirantes.

Na construção de túneis urbanos, em solo, e principalmente para os túneisde via singela, a experiência tem demonstrado ser possível deixar de aplicar

tirantes de ancoragem, porquanto o efeito colaborante deste tirante tem-se

verificado como nulo ou de insuficiente valor. Desta forma, deve-se admitir

mais o efeito natural colaborante do maciço do que a criação de um anel de

suporte do terreno criado pelo conjunto de tirantes. Assim, em princípio, a

aplicação dos tirantes fica reservada à construção de túneis em rocha. No

entanto, em túneis em solo, de grandes pressões laterais, pode-se admitir aaplicação de tirantes na base da cambota metálica, se esta solução se

revelar mais econômica que o fechamento do arco.

9.1.4 Avanço com Chapas, Cambotas e Projetado.

Esse tipo de suporte se aplica em solos arenosos, especialmente friáveis ou

de argilas moles, sempre que o “stand-up-time” não é suficientemente longo

para permitir a instalação de cambotas ou mesmo quando o solo não for

autoportante para “vencer o vão” entre cambotas antes que o concreto

projetado adquira a resistência necessária, que depende do vão, das

dimensões da abertura, da parcialização as seção, do ciclo e do tipo de solo.

Figura 9.3 Avanço Chapas, Cambotas e Projetado - NC03/80 Metrô SP


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O comprimento das chapas depende do tipo de solo, das dimensões da

abertura e da estabilidade da frente, à qual se deve dispensar especial

atenção.

9.1.5 “Stand-Up-Time”

A abertura de um espaço vazio horizontal em solos de moderada coesão,

friáveis ou fissurados, faz com que esses solos se deformem gradualmente

até ao desprendimento de fragmentos, sendo que, com o decorrer do tempo,aumenta a quantidade do material desprendido do teto sem suporte,

deixando uma cavidade de dimensões crescentes. O tempo que decorre

entre a abertura da escavação até ao início do processo de desintegração, é

denominado “stand-up-time” do solo.

Os solos mais comuns sujeitos a este processo de desintegração, são as

areias finas úmidas, as misturas de areia, médias e grossas, contendo silte

ou argilas com aglomerante e as argilas fissuradas. O fissuramento das

argilas pode existir antes da escavação ou pode ocorrer após a escavação,

devido a tensões excessivas, secagem da superfície ou ainda devido a

argilas expansivas.

As areias úmidas apresentam coesão aparente devido à tensão superficial

da película de água que envolve os seus grãos. Quando os grãos se

deslocam, afastando-se entre si, a coesão aparente cessa e o solo corre, de

maneira semelhante ao material sem coesão. Condições semelhantes são

apresentadas em areias contendo baixos teores de silte ou argilas.

Em solos coesivos (mistura de areias e argilas), a abertura do espaço vazio

provoca alívio de tensões e as argilas passam a absorver mais umidade com

diminuição da sua resistência. Se o solo estiver intacto poderá manter as

suas características de solo firme, mas se contiver fissuras ou se estas


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aparecerem após a exposição ao ar, o solo começa o processo de

deformação até à desintegração.

Em escavações acima do lençol freático, o solo em contato com o ar, seca

superficialmente e, em areias compactas e siltosas, esta secagem aumenta

a coesão aparente e retrata o processo de desintegração. Em argilas

fissuradas, a secagem superficial aumenta a abertura das fissuras e acelera

o processo de desintegração.

Se a escavação se processar abaixo do lençol freático, a água corre paradentro da área escavada preenchendo os vazios crescentes do solo

adjacente e aumentando a sua pressão, devido ao aumento do teor de água

no solo, provocando, desta forma, a sua rápida desintegração.

Os solos não coesivos, como as areias puras, podem correr ou fluir para

dentro da área escavada. Se a escavação se processar abaixo do lençol

freático, o solo correrá para dentro da escavação se o lençol for drenado, se

não ele fluirá. Esta diferença de comportamento é importante, pois, no caso

de correr, o processo se interrompe quando o material deslocado para

dentro da escavação apresentar um talude cuja inclinação corresponde,

aproximadamente, ao próprio ângulo de atrito interno do material. No

entanto, se o material fluir, este invadirá o túnel completamente, provocando

o solapamento das bases das cambotas metálicas, podendo ocorrer o

soterramento total da área.

9.1.6 Forma Geométrica da Seção Transversal

A forma geométrica da seção transversal do túnel deve atender ao gabarito

de livre passagem mais o adicional relativo à tolerância de construção. No

entanto, essa forma geométrica deve também procurar que a redistribuição

de tensões no maciço e a interação maciço / revestimento se processe nas


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condições mais favoráveis possíveis, não só na situação final do túnel

terminado, mas também nas suas etapas intermediárias de execução.

Assim, se nos pontos críticos de concentração de cargas, no contorno daescavação, as tensões no solo alcançarem valores inadmissíveis, deve se

procurar alterar a forma geométrica para uma condição mais favorável. As

variações de forma da seção transversal alteram pouco as tensões

tangenciais e radiais no fecho, mas provocam grandes variações nas

tensões tangenciais laterais no pé da calota. Apesar da pequena variação

das tensões do solo no fecho decorrente das variações da forma da seção

transversal, é necessário levar em conta que formas elípticas poucoabauladas provocam tensões de tração no fecho, plastificando e fissurando

o solo, o que implica numa perda local do efeito colaborante do mesmo.

Assim em princípio, as zonas de plastificação do solo devem somente

ocorrer, se necessário, no pé da calota (devido às elevadas tensões

tangenciais nestes locais), mas desde que sejam em zonas restritas e não

provoquem a ruptura do revestimento de suporte.

Na prática, a forma geométrica da seção transversal é obtida pela

combinação de arcos de círculos.

Na maioria dos casos, a forma geométrica final deve permitir a parcialização

da frente, criando uma seqüência ordenada de etapas de escavação. Cada

uma dessas etapas constitui uma escavação que tem de ser considerada em

si mesma e na interferência que provoca com as anteriores já realizadas.

A parcialização da seção depende basicamente:

• dos tipos de equipamentos;

• do tempo necessário para instalar as cambotas;

• do tempo necessário para o concreto projetado adquirir a resistência

necessária;

• do “stand-up-time” do solo, que depende também das dimensões da

abertura.


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A maior ou menor parcialização da seção é função de custos e da

viabilidade técnica.

As dimensões da abertura, para efeito de estabilidade da mesma dependem

do tipo de solo e de seus parâmetros.

Em se tratando de areias, a parcialização depende da extensão horizontal

do talude que pode ser conseguido ou do tipo escolhido para escoramento

de frente. Neste caso, é preferível adotar-se formas e dimensões de

parcialização que favoreçam o uso do projetado como um arco que garantaa estabilidade da frente.

No caso de areia argilosa, o fator mais importante, que indica a estabilidade

da frente, é o “stand-up-time”. Através do teste que pode ser realizado em

terreno semelhante àquele que será escavado, com iguais condições (lençol

freático, permeabilidade, profundidade), pode-se estimar o “stand-up-time”

na frente, na lateral e no teto em função do vão escavado e levar em conta,

inclusive, o efeito estabilizador da frente.

No caso de argilas, existe um modelo simples que consiste em supor um

bloco à frente da escavação, sujeito ao peso de um “prisma” reduzido por

tensões de cisalhamento que se supõem mobilizadas. Esse peso é

comparado com a resistência à compressão simples. Apesar de o “indicador

da estabilidade da frente” ser obtido através de um modelo grosseiro, os

valores são bons indicadores da estabilidade da frente. Pode-se utilizar o

mesmo modelo, com as devidas modificações, no caso de terreno

heterogêneo, permitindo-se homogeneizar algumas camadas em uma só.

Deve-se, portanto, dar preferência a utilizar as maiores aberturas possíveis,

mantendo os recalques em níveis compatíveis. Se os recalques devem ser

limitados, a seção deve ser suficientemente parcializada no sentido de criar

regiões pouco deformáveis que sirvam de apoio aos suportes das aberturas


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subseqüentes. Se não houver esse cuidado, a parcialização pode ser

prejudicial, pois se a deformação do suporte for a mesma, parcializando ou

não a seção, o fato de se escavar em várias etapas poderá aumentar osrecalques .

Outro fator importante na parcialização da seção reside na execução do

“invert” provisório que a prática recomenda ser absolutamente necessário

quando a frente distar mais de 10m da seção completa. Se a tal distância

for menor que 4m, certamente não haverá necessidade do “invert”

provisório, desde que o efeito da casca do projetado esteja garantido. Entre4 e 10m, a execução do “invert” provisório depende de cada caso, conforme

o arranjo do ciclo e do tipo de solo.

Na sequência de escavação até ao final do túnel pronto, pode-se distinguir

dois tipos de situações, ou seja, uma em que o equilíbrio obtido é

temporário, ou seja, depende do “stand-up-time” do solo e outra em que o

equilíbrio é praticamente permanente. A primeira situação ocorre em todas

as frentes de escavação nas diversas etapas, enquanto não atua o suporte e

a segunda situação corresponde ao revestimento atuante, não só na

situação final mas, também, nas etapas intermediárias. Assim, o ciclo de

produção tem que levar em conta que a primeira situação deve ser resolvida

o mais rapidamente possível, enquanto que a segunda poderá aguardar o

tempo que for mais conveniente à execução.

9.1.7 Sequência de Escavação.

A subdivisão da seção transversal, no avanço, não está sujeita a nenhum

esquema predeterminado. Em princípio, o Novo Método Austríaco permite

qualquer subdivisão desde que obedeça critérios básicos do processo. No

entanto, algumas dessas subdivisões já se tornaram tradicionais.


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1 - Escavação em calota e bancada para túneis de forma aproximadamente

elíptica de eixo maior na vertical:

Figura 9.4 Escavação em Calota e Bancada - NC03/80 Metrô SP

Foto 9.1 Túnel Central Estação Trianon - Metrô SP

— Variantes:


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• Subdivisão da calota:

Foto 9.2 Túnel Gaú-Jaciporã, Sumaré V.Madalena - Matrô SP

• Subdivisão da bancada:


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Foto 9.3 Túnel Oeste V.Madalena, Sumaré V.Madalena - Metrô SP

2 - Escavação com túneis-piloto laterais ("side drifts") para túneis de forma

aproximadamente elíptica de eixo maior na horizontal:

Figura 9.5 Escavação com Galerias Laterais - NC03/80 Metrô SP


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Foto 9.4 Túnel Gaú-Jaciporã, Sumaré-V.Madalena - Metrô SP

— Variantes:

• Escavação dos túneis-piloto:

Foto 9.5 Túnel Gaú-Sumaré, Sumaré V.Madalena - Metrô SP


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• Subdivisão da calota central:

Os túneis-piloto laterais podem ser executados simultaneamente e eles

atuam como apoios avançados fixos para a grande calota central. A

bancada central garante o fechamento temporário do fundo, passando os

túneis a atuar, de certa forma, como vigas longitudinais quando se escavar

essa bancada.

Além da vantagem de criar apoios seguros para a calota, os túneis laterais

realizam uma drenagem avançada que tem um efeito muito positivo no

avanço da grande calota central, que é a parte mais difícil do conjunto.

Também estes túneis laterais representam uma exploração prévia das

escavação de tuneis - metodos construtivos

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