SUPORTES CONTÍNUOS (REVESTIMENTOS) E

TRATAMENTO (REFORÇO)DE ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS

José Margarida da SilvaMIN 225

Janeiro/2008

Sumário

• Introdução• Telas metálicas• Straps• Concreto Projetado (shotcrete)• Concreto reforçado• Injeções• Congelamento de Terrenos• Referências

Introdução• Suporte contínuo: empregado quando há

necessidade de exercer uma ação de conjunto sobre zonas dos contornos de cavidades ou mesmo sobre a totalidade dos contornos.

• Elementos resistentes fundamentais: quadros, arcos, montantes, excepcionalmente pilhas.

• Entre os elementos e o terreno colocam-se convenientemente elementos secundários, que estabelecem interligação entre aqueles que promovem uma distribuição, tanto quanto possível, uniforme das solicitações.

TELAS DE ARAME

• Utilizadas para suportar pequenos blocos de rocha solta ou como reforço para a projeção de concreto.

• Solução muito econômica; são facilmente instaladas.

• É fácil de se adaptá-las ao reforço do teto e são facilmente reparadas.

Telas em corrente

• consistem de um arranjo trançado de arame; flexível e forte .

• colocadas no teto de uma galeria de transporte através de tirantes.

• não são as mais recomendadas para reforço da aplicação do concreto pela dificuldade de se conseguir que o cimento projetado penetre a malha trançada e elimine os bolsões de ar atrás dos elos da tela.

*

Aplicação típica da tela trançada (Hoek &

Brown, 1980).

Aplicação da tela soldada através da colocação de um segundo jogo de arruela e porca (Hoek & Brown, 1980).

Telas soldadas• Utilizadas para reforçar a aplicação do concreto

e consistem de uma malha quadrada de arames de aço, soldados em seus pontos de interseção.

• A tela danificada deve ser substituída através do corte da seção afetada e providenciando-se uma razoável superposição para assegurar a continuidade do reforço. A tela soldada tem a vantagem de não desagregar quando danificada.

• vêm sendo substituídas por fibras de aço como reforço na aplicação do concreto.

Straps• opção às telas;• cintas utilizadas também em

conjunto com as ancoragens.• Quando a maioria dos planos de

fraqueza mergulha em uma dada direção, a resistência desta massa rochosa é muito maior na direção dos planos que em outra direção que os atravesse.

• Nessas circunstâncias, podem ser um modo mais efetivo de revestimento que as telas;

• são fáceis de ser instaladas, não devendo ser usadas se o tamanho de bloco é muito pequeno.

Straps (Hoek & Wood, 1988).

Revestimento de poços• Rochas auto-suportantes: anéis de concreto (1m de

altura, espaçados de 4,5 a 6m), para suporte da estrutura de divisão do poço em compartimentos, bem como das suas paredes.

• Rochas com maior dificuldade de sustentação: menor espaçamento entre os anéis ou revestimento total.

• Revestimento de madeira: caiu em desuso.• Espessura de um revestimento de alvenaria para um

poço vertical de seção circular:

d = R [K/(K-2 p)] ½ – 1

d - espessura (m)R - raio interno útil do poço (m)K - limite de resistência à compressão da alvenaria (kgf/cm2)p - pressão da rocha (kgf/cm2)

Concreto projetado• largamente usado em obras civis e de mineração

(revestimento de túneis, galerias, reservatórios, recuperação de estruturas de alvenaria etc).

• Aplicação sobre a superfície a ser protegida de uma camada de argamassa ou concreto fino, através de projeção, sob alta velocidade, por meio de bombas especiais.

• Kovári (2003): história do método de revestimento com concreto desde seu início e como se desenvolveu internacionalmente nos aspectos teóricos e tecnológicos.

Concreto projetado

• mistura a seco (“dry-mix”) - possibilita uso de máquinas menores, mais baratas; mais adaptável às variações de condições do solo.

• mistura a úmido (“wet-mix”) - menores ressaltos, menor produção de poeira, controle da relação cimento/areia, melhor controle de qualidade de materiais, mais baixos custos de manutenção, maiores taxas de produção; difícil de se trabalhar com aceleradores.

Concreto projetadoInconvenientes:• a) ressalto ou reflexão (“rebound”) - pela falta de uma

dosagem adequada de água no bocal de projeção, o concreto fica muito seco e reflete-se ao ser projetado em uma superfície;

• b) escorrimento (“sag”) - pela exagero de água adicionada, o concreto fica muito molhado e escorre ao ser projetado.

• Diversas camadas podem ser aplicadas sucessivamente até se atingir a espessura desejada, que pode ser de 15cm ou mais; entretanto, na espessura de cada camada não se deve ultrapassar 5 cm.

• Freqüentemente associado com tirantes; tirantes e telas metálicas; arcos metálicos ou reforçado com fibras de aço - > suporte e revestimento.

CONCRETO PROJETADO REFORÇADO • inclusão à mistura de fibras de vidro ou aço na

faixa de 3 a 6% em peso (Hoek, 1980); 50 a 90kg/m3 (Franzén, 1992).

• As fibras têm a função de conferir ao concreto resistência à tração.

• Maior velocidade de execução da abertura (Zirlis et al., 2004).

• A microsílica, adicionada em quantidades de 8 a 13% em peso de cimento, pode permitir ao concreto alcançar resistência à compressão de 2 a 3 vezes a planejada.

CONCRETO PROJETADO REFORÇADO

• pode ser aplicado tanto como suporte temporário como permanente, simplesmente através da mudança da espessura da camada projetada e do ajuste do espaçamento entre os parafusos, tanto em obras de mineração quanto na construção civil, nesta com a adição de polímeros.

• Uso de compósitos: Gonçalves (2001) - estudo do comportamento estrutural desse material.

Ancoragens e concreto reforçado

Vantagens:• boa velocidade de instalação;• flexibilidade de instalação: podem ser instalados

em qualquer perfil de escavação, desde que haja espaço para operação dos equipamentos;

• em caso de dano a uma porção da camada de concreto, os blocos formados por rocha e concreto podem ser mantidos no lugar através da colocação de parafusos adicionais;

• a ancoragem dos tirantes pode ser qualquer (mecânica ou química, de ponta ou em coluna total).

Ancoragens e concreto reforçado

• Principal limitação: necessidade de dimensões mínimas para a operação dos equipamentos.

Na maioria dos casos são utilizados cartuchos de cimento para a ancoragem, sendo utilizada ancoragem de resina quando se necessita de um suporte mais imediato.

Cambotas e concreto reforçado

TRATAMENTO E REFORÇO

DOS MACIÇOS ROCHOSOS Introdução

• técnicas de consolidação que visam melhorar as características de resistência, de deformabilidade ou de impermeabilidade dos maciços rochosos.

• reforço com ancoragens, injeções, injeções sob pressão (“jet grouting”), drenagem, congelamento e pré-escavação.

• Injeções: mais de 55 anos de uso (Garshol, 2003).

INJEÇÃO DE CIMENTO

• Em furos de sonda sistematicamente dispostos, produz consolidação e impermeabilização do terreno em toda a zona a ser escavada.

• Aplica-se a rochas fortes e fraturadas. Durante injeção, a velocidade de penetração da calda de cimento na rocha diminui com

aumento da distância ao furo; assim o cimento assenta-se e passa a preencher cavidades. • Em poços ou escavações horizontais.• Poços: 8 a 12 furos, frentes de escavações: 16 a 20.Espessuras maiores que 12m, furação em lances de 15 a 20 m.

Injeção

Injeções• Suspensões: injeções de cimento e argila e

suas combinações ou misturas (materiais sólidos, em suspensão na água). É necessário que o fluido esteja em movimento para manter as partículas em suspensão. Usadas em solos e rochas relativamente permeáveis.

• Soluções: injeções químicas de soluções; não sedimentam como as suspensões. Usadas em solos e rochas de baixa permeabilidade (até 0,001cm/s), nos quais as partículas sólidas das injeções de suspensão não conseguem penetrar.

IMPERMEABILIZAÇÃO

QUÍMICA E OUTROS • injeção de resina: em locais úmidos, também para preencher vazios e

impermeabilizar o maciço contra a ação da água e do ar.

• Injeções químicas, variantes do método de cimentação, com injeção prévia ou gradativa com a abertura da escavação.

• silicato de sódio e sulfato de alumínio formando silicato de alumínio, precipitado coloidal que se desidrata sob pressão, deixando um enchimento sólido nas fissuras capilares não atingidas pela nata de cimento e recobrindo as paredes argilosas das fissuras maiores, possibilitando uma cimentação posterior;3Na2SiO4 + Al2(SO4)3 = Al2 (SiO4)3 + 3Na2SO4

• silicato de sódio e cloreto de cálcio, formando silicato de cálcio, insolúvel e de pega muito rápida (processo Joostem). A pega é tão rápida que a tubulação de injeção deve ser retirada à medida que o cloreto de cálcio é injetado, a fim de evitar que fique presa. A penetração atinge mais ou menos 90 cm em torno do furo e promove uma excelente vedação de poços. Processo mais oneroso.Na2SiO4 + CaCl2 = CaSiO4 + 2NaCl

Injeções• injeção de asfalto fundido pode ser mais

eficiente que a do cimento, quando ocorrem fortes correntes de água. A fluidez é garantida por correntes elétricas na tubulação de injeção ou por uma camisa de vapor em torno da mesma. Aplicação considerável nos EUA;

• injeção de produtos plásticos, resinas sintéticas, poliuretano etc. Os plásticos têm resistência à contaminação e apresentam uma habilidade de penetrar materiais com baixa permeabilidade. Injetados em estado fundido e endurecem ao se esfriarem.

Injeção de poliuretano

Injeções

• injeção de argila bentonítica - feita quando ocorrem grandes cavidades com água sob pressão, desde que nelas não haja água corrente (Europa: argila qualquer, tratada, na proporção de 80 a 90% e cimento, apenas até 10 -20% da mistura, formando-se cones de impermeabilização).

Pré-escavação

Enfilagens

Esquema do Sistema de enfilagens tubulares em lances sucessivos.

Aplicação de cambotas e injeção no reforço prévio (Hoek et alii,1995).

CONGELAMENTO DE TERRENOS • congelamento da água situada nos vazios dos

solos, o que melhora temporariamente as suas propriedades enquanto se executa a escavação.

• aplicada a solo saturado em água. • métodos caros e considerados apenas quando

há problemas técnicos sérios com as outras alternativas de que se dispõe.

Alternativas principais: • método da salmoura (ou método indireto ou

sistema fechado), usando uma solução salgada;• método criogênico (ou método direto ou sistema

aberto), que usa dióxido de carbono líquido ou nitrogênio líquido.

Congelamento

Furos de congelação comumente dispostos em círculo, a 1m da parede interior projetada para o poço, distantes 0,6m a 1,2m entre si.

• método criogênico - caro; nitrogênio líquido mantém-se até cerca de – 196o C; congelamento é mais rápido.

ReferênciasGonçalves, F. L. O concreto projetado reforçado com fibras de aço como

revestimento de túneis. USP, 163 pp. 2001.Kovári, K. History of the sprayed concrete lining method. Tunneling and

Underground Space Technology, 18 (2003), p. 57–69.Franzén, T. 1992. Shotcrete for Underground Support. Rock Support in Mining

and Underground Construction. Kaiser & McCreath. Balkema. Cummins e Given. SME Mining Engineering Handbook, p. 12-133. 1973.Garshol, K. F. Pré -excavation grouting in rock tunneling. UGC. 2003.Hoek, E., Kaiser, P. K. & Bawden, W. F. 1995. Support of Underground

Excavations in Hard Rock , pp. 190-200.Hoek, E. & Wood, D. F. 1988. Rock Support. Mining Magazine, p. 282-287.Zirlis, A. C.; Pitta, C. A.; Kochen, R. Revista Engenharia, 2004, p. 563-565.Maia, J. 1980. Curso de Lavra de Minas, UFOP, pp.122-128.Hennies, W. T.; Ayres da Silva, L. A. Abertura de Vias Subterrâneas. EPUSP.

1995.Hoek, E. & Wood, D. F. 1988. Rock Support, Mining Magazine, p. 282-287.Hoek. 1992. Rock Support in Mining and Underground Construction, p. 6-9.Hoek, E. & Brown, E. T. 1980. Underground Excavations in Rock, p. 353- 366. Pelizza, S.; Peila, D. Soil and rock reinforcement in tunneling. Tunneling and

Underground Space Technology. 1993. Vol. 8, no. 3, pp. 357-370, Pergamon Press.

Referências

• Vasenko, Y. A. Disponível em www.springerlink.com, acessada em 2008.

• Warner, J. Practical Handbook of Grouting: soil, rock and structures. 2004. Wiley.720p.

• Wang, C. K; Salmon, C. G. Reinforced Concrete. 1998. Wiley. 1040p.

• Harrison, J. P.; Hudson, J. A. Engineering Rock Mechanics. Pergamon. 2007, p. 267-286.

• Hulton e Rogstad. Rapid Excavation and Tunnelling Conference. 2005. Excavation in difficult ground, grout and shotcrete, p. 929.

• Hamshire e Gowring. Rapid Excavation and Tunnelling Conference. 2001. Polyurethane, p. 327, Excavation in difficult ground, p. 907.