Sabesp

TÚNEIS

Construção Pesada

Profº Douglas Couri Jr.

Definição Dicionário Michaelis: Passagem subterrânea através de montanhas, grandes aterros, ou por baixo de um rio. Ou, segundo Negro Júnior et al. (1992), “Túneis são estruturas geotécnicas lineares que muito bem se prestam à aplicação do que alguns se referem como o Método Observacional”.

Histórico Há aproximadamente 2.700 anos foi construído um túnel para abastecimento de água de Jerusalém, que tinha 200 m de comprimento e seção de 0,7 x 0,7 m. Cem anos depois foi construído o túnel mais famoso da Grécia, com comprimento de 1,5 km e seção de 1,80 x 1,80 m (SZECHY, 1970, apud SILVEIRA, S/D) . Por volta de 2.200 a.C., foi construída uma obra para ligar subterraneamente o reinado da rainha da Babilônia, Semíramis, ao templo. A execução do túnel de 1 km de extensão e seção de 4,50 x 5,50 m só foi possível devido ao desvio do rio Eufrates pelo sistema a céu aberto (hoje conhecido como cut and cover). Já em 700 a.C. os gregos avançaram os métodos de escavação e passaram a utilizar fogo e água a fim de fissurar a rocha (MAYO, 1968, apud SILVEIRA, S/D).

Os romanos construíram inúmeros túneis no império, a intenção deles era realizar obras duráveis por séculos, um exemplo disso foi o que ocorreu com o aqueduto de Atenas construído há 1800 anos, que em 1925 foi reconstruído e ainda encontra-se em operação. Além de aquedutos eles construíram tuneis rodoviários e uma rede de túneis e cavidades subterrâneas representadas pelas catacumbas. Entre os mais famosos túneis está a cloaca mássima, que é uma das mais antigas rede de esgoto do mundo construída no séc. VI a.C.

As técnicas de escavação de tuneis evoluíram, iniciando pelos primórdios da civilização, quando o túnel era construído por 34 operários que esculpiam o maciço utilizando ferramentas manuais cuneiformes. Outro modus operandi utilizado na época, consistia no desmonte de rochas pela imposição de variação térmica, o que era conseguido com o aquecimento com fogo e arrefecimento abrupto com lançamento de água. No século XIX, impulsionada pelas ferrovias, a Engenharia de Tuneis veio a conhecer outras inovações. Em 1867, foi implantado o túnel Hoosac, em Massachusetts, Estados Unidos, através de explosivos baseados em Nitroglicerina.

Um ano antes, em 1866, também na construção do túnel Hoosac, foi registrada uma das primeiras atividades de perfuração com ar comprimido, para o qual também ha registro de utilização no túnel do monte Cenis, entre Franca e Itália. A utilização de ar comprimido foi uma revolução na engenharia de túneis, pela melhoria de condições de trabalho e segurança na frente de escavação e pela eficiência superior aos explosivos.

No século XIX, em Londres, houve a utilização pioneira de estrutura de suporte temporária na frente de escavação, que veio a ser chamada escudo ou shield (em português COURAÇA), e que possibilitou o desenvolvimento de equipamentos atuais para construção de túneis. A primeira concepção e construção de um escudo perfurador foi pelo engenheiro Marc Brunel, para construção do primeiro túnel sob o rio Tamisa. Na ocasião, o escudo construído por Brunel servia de suporte ao solo escavado enquanto operários faziam o suporte definitivo em alvenaria.

TBM Utilizam a máquina chamada tuneladora, ou como é chamada no Brazil, “Tatuzão”. A sigla TBM vem da língua inglesa, sendo Tunneling Boring Machine. A máquina é composta pelo Shield, ou “couraça”, que protege o solo enquanto ele é cortado, e possui um maquinário por trás, que recolhe este solo. Foto: Porto de Dublin

Couraça com escavação manual Esse tipo de couraça é o mais seguro para resolver todos os problemas, dentro das mais variadas condições. Relativamente ao escoramento do solo na frente de trabalho, usam-se dois sistemas: As plataformas de trabalho são dispostas de modo a permitir que as pessoas trabalhem de pé. A escavação do solo e o escoramento são feitos de cima para baixo, sendo que a plataforma de trabalho avança empurrada hidraulicamente. O escoramento também é feito com auxílio de macacos hidráulicos. Quando a couraça avança, as plataformas de trabalho e o escoramento ficam parados, isto é, retrocedem relativamente à couraça, regulando-se a compressão do solo por um comando de pressão dos macacos hidráulicos. Isto significa, admitindo-se um trabalho muito cuidadoso, que o solo na frente de trabalho está completamente escorado a qualquer momento e em qualquer fase de trabalho. Esse método clássico, de grande adaptabilidade, pode ser empregado tanto acima como abaixo do nível do lençol freático (com ar comprimido).

Couraça com escavação semi-mecanizada A respeito do escoramento do solo na frente de trabalho, as couraças semi-mecanizadas não diferem das de escavação manual. Tenta-se simplesmente racionalizar e acelerar alguns serviços manuais por máquinas adequadas. Contudo, as máquinas são operadas individualmente. Isso pode ser feito tanto no carregamento como na escavação, que é a parte mais importante. A seguir vemos uma proposta para uma couraça simples semi-mecanizada, de 5,50 m de diâmetro, como foi projetada em 1963 para o trecho de um túnel do Metro de Hamburgo. O solo é escavado com duas pás mecânicas e carregado imediatamente. As duas máquinas trabalham em dois níveis, sobrepostas, separadas por uma plataforma móvel. O solo na frente de trabalho, a qualquer momento, pode ser escorado total ou parcialmente por chapas de aço, usando-se as pás mecânicas para colocá-las ou retirá-las. O escoramento propriamente dito é feito por macacos hidráulicos e pode ser regulado exatamente conforme as condições.

Couraça mecânica Nas couraças mecanizadas conhecidas, o solo é escavado, na frente de trabalho, por placas fresadoras rotativas, sendo levantado mecanicamente e conduzido por correias transportadoras ou vagonetes. Todas as instalações auxiliares são instaladas na couraça ou em um "reboque". A colocação dos segmentos dos anéis e a injeção de argamassa são feitas como nos outros tipos de couraça. Deve-se distinguir couraças com a frente de trabalho escorada ou não, isto é, se a escavação é feita por um disco fechado ou aberto.

Estabilização dos Maciços Terrosos em TBM Na ocorrência de situações em solo que demandem confinamento para estabilizar o maciço escavado, o ar comprimido, lama bentônica ou contrapressão de terra podem ser utilizados para este fim. A estabilização feita com lama bentônica ou outro liquido tixotrópico é feita em tuneladoras conhecidas como Slurry Shields, nas quais o liquido misturas e com o material escavado em uma câmara frontal e, através de um circuito, e conduzida para o exterior da escavação, procedendo-se a separação por decantação. A estabilização feita por contrapressão de terra – técnica internacionalmente conhecida por EPB (Earth Pressure Balance), ocorre com a utilização do próprio material escavado, o qual é colocado sob pressão em uma câmara situada logo apos a ferramenta de corte. Uma válvula associada a uma rosca sem-fim que conduz o material escavado para fora da câmara é o conjunto responsável pela manutenção da pressão necessária. Quando o solo escavado não demanda medidas de estabilização, as máquinas tuneladoras adotadas podem ser de escavação mecânica simples, aberta ou fechada, com ou sem utilização de ar comprimido. Nestes casos, as maquinas são simplificações das já citadas Slurry Shields e EPB.

Slurry Shield: (1) corte (2) câmara de escavação (3) anteparo de pressão (4) entrada de bentonita (5) câmara de ar (6) separador (7) aduela (8) instalador de aduelas.

EPB Shield: (1) corte (2) câmara de escavação (3) anteparo de pressão (4) cilindros de pressão (5) rosca sem-fim (6) instalador de aduelas (7) aduela.

Em sendo a escavação realizada em rocha, as tecnologias usuais são as tuneladoras fechadas, com Shield, ou tuneladoras abertas, com Grippers. As tuneladoras fechadas para rochas tem seu funcionamento baseado no corte do maciço em seção plena, condução do material escavado através de transportadores, propulsão por sistema hidráulico e instalação dos segmentos e anéis de suporte. As máquinas abertas não possuem carapaça cilíndrica e seu sistema de propulsão baseia-se na ancoragem provisória de elementos laterais (os Grippers) que agarram-se as paredes da cavidade já escavada.

Single Shield TBM: (1) couraça (2) cilindros hidráulicos de propulsão (3) segmento pré-moldado instalado (4) corte (5) cavidade para entrada de material escavado (6) transportador.

Gripper TBM: (1) gripper (2) instalador de cambotas (3) perfuradores para ancoragens (4) instalador de malha de arame.

Importantes condicionantes do método são a variabilidade geológica possível de ser encontrada ao longo de um túnel e a baixa flexibilidade com relação a mudanças na geometria do túnel. Um acentuado problema do método construtivo e a sobrescavação, para se conseguir uma largura maior a partir de uma máquina circular, o que gera um aumento desnecessário na altura da cavidade e, por consequência, no custo do projeto. Todavia, avanços vem sendo observados neste sentido, em especial no Japão, com o advento de maquinas capazes de escavar mais de um diâmetro; como a máquina que foi utilizada na escavação do metrô de Tóquio.

De forma geral, a construção de tuneis com tuneladoras caracteriza-se pela escavação plena da face do túnel em seção de geometria circular, seguida pela execução do revestimento do túnel. Usualmente, o revestimento e feito com segmentos pré-moldados de concreto justapostos, podendo ainda ser executado em concreto projetado quando o TBM for aberto, a exemplo do que ocorre na utilização dos Grippers. Também caracterizam a construção com TBMs a diversidade de solos em que pode ser empregado e a diversidade de diâmetros de túnel que podem ser atendidos. Isto não significa, todavia, que uma mesma maquina tuneladora é aplicável a qualquer solo ou qualquer diâmetro. As maquinas tuneladoras permitem escavar até mesmo rochas com resistência a compressão de 300 a 350 MPa, apesar de serem observados melhores resultados em rochas de dureza media a baixa.

Segmentos de concreto

A utilização dos anéis pré-moldados de concreto para revestimento de túneis no Brasil teve início na década de 70, na construção da linha 1 - Azul do Metrô de SP. “Consiste em uma couraça de aço impulsionada por reação em anéis segmentados assentados na parte traseira da mesma (saia), através de macacos hidráulicos independentes.” (SILVA, 1999, p.177).

O revestimento anelar segmentado deve ter seu uso restrito a solos firmes coesivos, com elevado tempo de auto suporte e baixa permeabilidade, não devendo ser implantado, como revestimento definitivo, em solos arenosos, fluidos, não coesivos de alta permeabilidade, tendo em vista a impossibilidade de se garantir a estanqueidade e o não carregamento de finos de solo para o interior do túnel, o que causará o desconfinamento dos anéis e consequentemente o colapso estrutural. O TBM é o método de construção que traz menos problemas, tanto para o tráfego superficial como para a remoção de interferências. Ele é aplicável em quase todos os tipos de solo, acima ou abaixo do lençol freático. Ele se adapta muito bem às mais variadas condições. Para um funcionamento seguro, é necessária a existência de uma altura mínima de terra acima do túnel. De resto, sua profundidade só é limitada quando se trabalha com ar comprimido, abaixo do lençol freático. Mesmo trechos em declive ou em curvas, quando necessários para estradas ou metrôs, não apresentam problemas. A evolução da técnica se deveu pincipalmente aumento do custo da mão-de-obra. Com couraças mecanizadas, obtém-se um aumento na velocidade de avanço, com consequente diminuição de custo. Finalmente, influi a falta de operários especializados para trabalho sob ar comprimido e pelos perigos que existem nesse tipo de trabalho.

Vídeo sobre o TBM

https://www.youtube.com/watch?v=qx_EjMlLgqY

PIPE JACKING – Tubos Cravados As técnicas de Pipe Jacking podem ser aplicadas de forma adequada na escavação de túneis urbanos. Um aspecto importante das transposições por meio de obras subterrâneas é a possibilidade em reduzir os impactos ao meio ambiente e à população que transita na superfície da área urbanizada. Destacam-se também a redução em desapropriações se comparadas com obras de superfície.

Conhecida também como Cravação Tubular ou “Slurry Pipe Jacking”, é uma técnica construtiva utilizada para escavação de obras subterrâneas, aplicada em túneis de pequenas dimensões (até 5m de diâmetro), teve seu grande desenvolvimento no final da década de 70 principalmente na Europa e Ásia (Alemanha e no Japão). É uma técnicas de microtunelamento definida como sendo a escavação por uma máquina direcionável com controle remoto, para lançamento de tubos de pequeno diâmetro, sem possibilidade de acesso humano, por pistões hidráulicos. O método consiste na cravação de tubos de concreto com anel de aço incorporado ou tubos de aço, propriamente dito, e instalação de juntas elásticas nas extremidades, por meio de cilindros hidráulicos ou macacos hidráulicos nos tubos que formam a estrutura do túnel. Estas juntas não podem estar presentes na cravação, sendo substituídas por um calço. Posteriormente, no local em que este calço está é aberto um poço de ataque, e o calço é trocado por um tubo com junta intermediária.

Existem diversas aplicações para este método, principalmente em áreas urbanizadas como: tubulações da rede de saneamento (coletores de esgoto), drenagem de águas pluviais, transporte de fiação e cabos elétricos, rede de telecomunicações, e outras finalidades.

A escavação é realizada com um escavador shield automático ou de frente balanceada (slurry ou EPB) sincronizada a um cravador pipe jacking, o solo escavado é removido por dentro do túnel por equipamentos mecanizados ou manualmente. Normalmente se acumula solo dentro da tubulação porque o shield é ligeiramente menor que o tubo a ser cravado, sendo que no momento da cravação, para que o tubo fique justo ao maciço terroso, não ovalise.

Para cravação dos tubos é necessária à abertura de dois poços de serviço para entrada e saída dos equipamentos e materiais que serão utilizados na obra, chamados de emboque e desemboque, é uma estrutura robusta, pois toda a reação de cravação se dá através de macacos hidráulicos dentro do poço. Estes macacos hidráulicos combinados com o equipamento de cravação podem ocupar espaços de até de 15m de comprimento, exigindo poços largos, além da estação de suporte à obra que deve ficar adjacente (containers de materiais e estação de controle).

Obra do coletor tronco Tietê da SABESP:

Dentre as vantagens do método, constam a precisão de execução por cravação, a segurança da M-D-O envolvida, diminuição na quantidade de juntas entre os tubos (menor infiltração/vazamento de líquidos), não exige rebaixamento do lençol freático, e não prejudica as regiões adjacentes – quando executado em uma profundidade adequada. O fato de ele ser utilizado em obras de redes hídricas se dá pelo excelente acabamento interno (o próprio aço ou concreto pré-moldado), que promove menor perda de carga em adutoras, e propicia menores perdas nos coletores de esgoto.

Aspectos gerais do Pipe Jacking • Exige equipamentos especiais de grande porte, sendo o grau de

investimento de equipamentos mais elevado, porém podem ser reutilizados; • Exige uma grande quantidade de trabalhos para compensar o investimento

nos equipamentos, que aliás, são restringidos ao diâmetro do túnel/rede; • Execução de acabamento concomitante à execução; • Interfere pouco com a superfície; • O túnel fica estanque; • Alta produtividade (100 a 180 metros de túnel por mês); • Melhores condições de salubridade aos funcionários, em relação aos outros

métodos; • Impossibilidade de variação geométrica, curvas ou bifurcações; • Exige M-D-O especializada; • Não aceita solo rochoso, nem matacões; • Pode exigir a abertura de poços de manutenção, caso ocorra algum

problema durante a cravação; • Não necessita de nenhum tipo de escoramento; • Possibilidade de execução abaixo do lençol freático, sendo necessário o

rebaixamento apenas no local do poço de emboque.

NATM O NATM abreviatura do termo inglês New Austrian Tunneling Method foi desenvolvido na Áustria como próprio nome diz e baseia-se na capacidade de auto sustentação do solo escavado. O termo NATM é definido pela sociedade de engenheiros austríaca como: “método de execução de túneis em que o maciço do entorno do túnel é integrado ao suporte, formando um grande anel fechado e, portanto, fazendo parte da estrutura portante” (DER/SP, 2005). Desenvolvido por Ladislau Rabcewicz, o método teve significativa evolução na Europa entre o final da década de 1950 e a primeira metade da década seguinte. Este desenvolvimento é fruto da experiência com trabalhos de execução de túneis em minas de carvão.

A sustentação da cavidade escavada é conseguida pela conformação das aberturas, que devem ser protegidas com a aplicação do concreto projetado sobre tela de aço, uso de cambotas metálicas, enfilagens - se o tipo de solo escavado assim o determinar (solos rochosos dispensam). Pode ser também utilizado concreto projetado com fibras de aço. O avanço médio com cambotas metálicas é de 60 a 80cm, porém, mesmo sem cambotas, é a qualidade solo que irá determinar o rendimento. Além desta camada estrutural protetora, deve ser aplicada uma camada de revestimento final de concreto, com tratamento para dar acabamento ao túnel. Esta camada geralmente é aplicada com o auxílio de máquinas expecializadas – devido ao rendimento ser mais adequado ao volume de serviço.

O NATM provoca recalques aceitáveis graças à melhor proteção da face exposta, pois possibilita a escavação parcializada, além de não permitir vazios atrás do escoramento, porém tem baixa produtividade pois alguns procedimentos são exigidos antes de cada avanço; tanto para escavações em diversas etapas como para escavações em uma etapa direto. Escavações feitas em duas etapas são chamadas de side drifts – abertura de duas galerias simétricas à seção transversal.

Mas há outras opções de escavação:

As escavações parcializadas devem concatenar a dimensão máxima das aberturas sem que haja ruptura do maciço com a dimensão dos equipamentos disponíveis para a execução – sempre com dimensões superiores a 3 ou 4m. Também se procura utilizar escavadeiras menores para a execução deste trabalho. A escavação parcializada deve estabelecer a ordem de escavação de cada seção, não podendo jamais haver a escavação de duas ou mais seções simultaneamente.

O NATM é geralmente aplicado na construção de túneis de grande porte e estações subterrâneas de grandes dimensões. O grande benefício no NATM é que ele permite que a seção transversal da escavação seja modificada em qualquer ponto, conforme as necessidades geométricas do projeto. O método NATM se dá melhor com solos coesivos, mas o perfil geológico nem sempre é homogêneo, e pode vir a ser necessário adotar técnicas de suporte em trechos de solos não competentes, tais como pregagens (chumbamento do maciço à frente com argamassa), enfilagens tubulares (injeção de calda de cimento através de tubos), enfilagens cravadas (tubos metálicos), injeção química (de produtos químicos aglutinantes), agulhamento (vergalhões de aço, fibra de vidro), congelamento do maciço e Jet Gouting.

1 – Enfilagens; 2 – Pregagens; 3 – Cambotas; 4 – Concreto Projetado; 5 – Chumbadores; 6 – Arco Invertido.

Escavações parcializadas são aplicadas a solos de média ou má qualidade; ou em casos em que os túneis estão parcialmente imersos em lençol freático; logo, também necessitam ser revestidas conforme o avanço. Para cada seção parcial escavada, todo o seu perímetro deve ser protegido (com concreto e armação), e posteriormente demolido para se escavar a próxima etapa. O lençol freático deve ser drenado pelo sistema drain-pack, onde pequenos drenos são fixados na parede do maciço e a água é recolhida por mangueiras e direcionada para tubos.

Se uma grande parcela da seção transversal do túnel, ou toda ela, estiver imersa em lençol freático a solução aponta para um plano de rebaixamento do lençol freático – um procedimento muito delicado nas metrópoles.

Todos os túneis em NATM devem, contar com o acompanhamento de um profissional geotécnico, que atua constantemente por meio de instrumentação, analisando o comportamento do solo ao longo das escavações. O profissional avalia as deformações do maciço ainda não revestido e as deformações do revestimento também, conferindo se a curvatura projetada do túnel está coerente com o tipo de solo, e com os esforços incidentes.

O plano de instrumentação é composto por: Tassômetros São equipamentos colocados escavados desde a superfície até a geratriz superior do túnel, medindo recalques por atrito negativo e deslocamentos horizontais no terreno ao longo da haste.

Marcos de Superfície e Pinos para o Controle de Recalque na Vizinhança Basicamente, referenciais de nível feitos na superfície, para se medir recalques na superfície. Diferente do tassômetro que mede o recalque ao longo da profundidade do maciço, em relação à superfície; este método aponta os efeitos da escavação na superfície. Nivelamento Interno do Túnel Piezômetro Para controlar as pressões de água na lateral do maciço, se houver. Indicadores de nível dágua Para medir a eficiência do drain-pack.

Inclinômetros Equipamentos fixados na parede acabada do túnel, para medir possíveis rotações nas paredes. Podem ser analógicos os digitais, porém, é melhor que sejam eletrônicos – digitais, para exportarem os dados lidos dentro do intervalo de tempo das escavações.

Emboque em NATM do túnel Higienópolis

Aspectos gerais do NATM • Não exige equipamentos especiais, sendo o grau de investimento mais baixo

em relação aos demais métodos do mercado;

• Os equipamentos podem ser reutilizados em outros trechos / outras obras;

• Flexibiliza o projeto, pois permite curvas, ampliações na seção e bifurcações;

• Não exige M-D-O especializada;

• Pode exigir ou não abertura de poços para retirada ou substituição de equipamentos, os poços podem ser abertos apenas para emboque e desemboque;

• Quando a escavação é feita em rocha, não exige equipamentos especiais;

• O revestimento de concreto é mais suscetível a erros, porém necessita constantemente de revestimento e técnicas de suporte;

• Caso seja necessário a detonação de explosivos em rochas, pode prejudicar a vizinhança em diversos níveis, como estilhaçando janelas, e promovendo maiores recalques. Neste caso, é necessário fazer uma interdição da vizinhança a ser afetada;

• As condições de trabalho para a execução são insalubres, expondo os funcionários à ambientes pouco iluminados, tóxicos e pulverulentos;

• Exige muitas vezes o rebaixamento do lençol freático em uma grande área.