O trecho selecionado para as análises numéricas foi estudado considerando as geologias regional e local, as unidades lito-estratigráficas definidas pelo CPRM (2011), permitindo assim definir as seguintes unidades litológicas típicas, conforme apresentadas na
Figura 3.10 - . Ressalta-se ainda que esta classificação também considerou a gênese do material e o seu comportamento geomecânico.
38 Figura 3.10 - Unidades geológico-geotécnicas propostas para o trecho General Osório –
Gávea da Linha 4 Sul do metrô do Rio de Janeiro.
No caso das argilas considera-se a consistência (média, rija e dura) e no caso das areias a compacidade (compacta e muito compacta).
No caso dos maciços rochosos também se inclui a caracterização do seu grau de alteração, segundo classes sugeridas pela ISRM (1981). A Tabela 3.1 apresenta a classificação e descrição de maciços rochosos intemperizados.
Para os solos residuais considera-se pouco a medianamente compacto os solos com valores de NSPT menores que 19 golpes. Para valores de NSPT, superiores a 19, os solos foram classificados como residuais jovens.
Com relação ao leque aluvial e depósitos de tálus, foi considerada uma mesma unidade geomecânica, por se tratarem de materiais similares, com grande heterogeneidade.
39 Tabela 3.1 - Classificação e descrição de maciços rochosos intemperizados conforme ISRM
(1981).
TERMO DESCRIÇÃO CLASSE
SÃ Nenhum sinal visível de alteração da matriz; talvez leve descoloração ao longo das descontinuidades principais.
I
LEVEMENTE INTEMPERIZADO
Descoloração indica intemperismo da matriz da rocha e de superfícies de descontinuidades. Toda a matriz da rocha pode estar descolorida pelo intemperismo e pode estar algo mais branda externamente do que na sua condição sã.
II
MEDIANAMENTE INTEMPERIZADO
Menos da metade da matriz da rocha está decomposta e/ou desintegrada a condição do solo. Rocha sã ou descolorida está presente formando um arcabouço descontínuo ou como núcleos de rocha.
III
ALTAMENTE INTEMPERIZADO
Mais da metade da matriz rochosa está decomposta e/ou desintegrada a condição do solo. Rocha sã ou descolorida está presente formando um arcabouço descontínuo ou formando núcleos de rocha.
IV
COMPLETAMENTE INTEMPERIZADO
Toda a matriz da rocha está decomposta e/ou desintegrada a
condição de solo. A estrutura original do maciço está em grande parte preservada.
V
40 3.5. Parâmetros estimados para os solos
A Tabela 3.2 apresenta um resumo da descrição geológica do material nas 4 sondagens mais próximas à seção em estudo. Ressalta-se que para a interpretação total do trecho de implantação da obra, foram utilizadas inicialmente 235 sondagens.
No relatório R-9505-002 produzido pela PROMON (2013), encontram-se as interpretações dos ensaios de caracterização realizados em algumas das sondagens executadas para a obra, a partir dos quais foram obtidos os parâmetros apresentados nas Tabela 3.3Tabela 3.4 eTabela 3.5.
Estes parâmetros são apresentados em um intervalo de valores mínimos e máximos encontrados para as camadas de solo estudadas e serviram como ponto de partida para os parâmetros adotados na modelagem numérica desta pesquisa. Nestas tabelas são apresentados também os valores característicos (valores médios) de cada camada ao longo de toda a extensão analisada.
Os autores das correlações e resultados utilizados como referência estão apresentados na parte inferior esquerda das tabelas. Como conceito básico, considerou-se o comportamento geral de cada camada litológica e, a partir disto, foram realizadas as estimativas dos parâmetros geológicos-geotécnicos. Não foram realizadas avaliações de comportamento de variações pontuais.
Os ensaios SPT estão limitados a NSPT < 60, pois acima deste valor, pode ser classificado como “impenetrável” e o ensaio interrompido. As areias 3Armc e 3Arco se tornam mais difíceis de serem interpretadas devido à este limite. Ensaios dilatométricos mostram resultados nestes materiais e também foram utilizados para interpretação do módulo de elasticidade E0.
41 Tabela 3.2 - Resumo das sondagens presentes no trecho selecionado para estudo.
Sondagem Profundidade (m)
Descrição geológica do material Inicial Final
6004
0,00 4,45 Areia fina, branca / preta a partir de 3,00m, com pedregulhos grossos de concreto até 0,50m; compacta - aterro
4,45 21,45 Areia fina a média, branca, compacta a muito compacta - sedimento marinho.
21,45 30,00
Areia média a grossa, branca, com esparsos fragmentos de conchas, com pedregulhos finos de quartzo arredondados;
muito compacta - sedimento marinho.
6005
0,00 0,50 Areia fina, marrom clara acinzentada, com pedregulhos finos médios de concreto e rocha decomposta - aterro
0,50 3,45 Areia fina, branca e preta, compacta - aterro.
3,45 22,45 Areia fina a média, branca, compacta a muito compacta - sedimento marinho.
22,45 30,00
Areia fina a média, branca, com esparsos pedregulhos finos de quartzo / fragmentos de conchas; muito compacta - sedimento marinho.
6027
0,00 0,90 Aterro de materiais diversos.
0,90 25,28 Areia fina e média quartzoza, pouco siltosa, cinza, compacta e muito compacta.
25,28 29,60 Argila siltosa, com areia fina e média quartzoza, mica, cinza e amarela, média e rija.
29,60 31,50 Areia fina a grossa quartzoza, siltosa, com mica, marrom, pouco compacta a medianamente compacta.
31,50 33,00 Argila siltosa, com muita areia fina, mica, marrom, rija.
33,00 34,70 Areia fina e média quartzoza, argilosa, com mica, cinza,
2,60 24,75 Areia fina e média quartzosa, pouco siltosa, com mica, cinza, compacta e muito compacta.
24,75 26,00 Argila arenosa, com pedregulhos médios de quartzo, mica, cinza, média.
26,00 27,60 Argila siltosa, com areia fina e média, pedregulhos pequenos de quartzo, mica, cinza, mole.
27,60 30,25 Areia fina e média quartzosa, argilosa, com mica, cinza, fofa.
30,25 34,50 Argila siltosa, com muita areia fina e média, mica, cinza, dura a rija.
34,50 35,45 Silte argiloso, com areia fina e média, mica, amarelo, médio.
42 Tabela 3.3 - Resumo dos parâmetros estimados para 1At, 2Ta e 3Agme (mod. PROMON, 2013).
Solo
1 – Parâmetros estimados com base em poucos ensaios de campo
2 – Parâmetros estimados a partir de Amaral Jr & Zuquette (2007) e da experiência em solos similares
3 - Dr estimada com base em Schnaid & Milititsky (1995), ângulo de atrito estimado com base em Skempton (1986), Hatanaka & Uchida (1996)
4 - E0 estimado com base em Clayton (1986)
5 - Parâmetros γ, E0 e K0 para os solos 1At, 3Agme, 3Agri, 3Arco e 3Armc estimados a partir de ensaios com dilatômetro
43 Tabela 3.4 - Resumo dos parâmetros estimados para 3Agri, 3Arco e 3Armc (mod. PROMON, 2013).
Solo
1 – Parâmetros estimados com base em poucos ensaios de campo
2 – Parâmetros estimados a partir de Amaral Jr & Zuquette (2007) e da experiência em solos similares
3 - Dr estimada com base em Schnaid & Milititsky (1995), ângulo de atrito estimado com base em Skempton (1986), Hatanaka & Uchida (1996)
4 - E0 estimado com base em Clayton (1986)
5 - Parâmetros γ, E0 e K0 para os solos 1At, 3Agme, 3Agri, 3Arco e 3Armc estimados a partir de ensaios com dilatômetro
44 Tabela 3.5 - Parâmetros estimados - solos residuais (mod. PROMON, 2013).
Solo Obs.: 1 – Parâmetros estimados com base em poucos ensaios de campo
2 – Parâmetros estimados a partir de Amaral Jr & Zuquette (2007) e da experiência em solos similares
3 - Dr estimada com base em Schnaid & Milititsky (1995), ângulo de atrito estimado com base em Skempton (1986), Hatanaka & Uchida (1996)
4 - E0 estimado com base em Clayton (1986)
5 - Parâmetros γ, E0 e K0 para os solos 1At, 3Agme, 3Agri, 3Arco e 3Armc estimados a partir de ensaios com dilatômetro
45 3.6.Os métodos construtivos utilizados no projeto
Desde a construção da primeira linha de metrô da cidade do Rio de Janeiro, a Linha 1 vem sendo ampliada para o sul até a Estação General Osório. Estudos comprovam a importância da ligação da Zona Sul à Zona Oeste pelo metrô para uma melhoria significativa das condições de tráfego nas únicas avenidas, altamente congestionadas, que hoje fazem a ligação entre estas duas regiões.
O traçado da Linha 4 ligará a Estação General Osório, em Ipanema até a Estação Jardim Oceânico, na Barra da Tijuca.
O traçado da linha possui aproximadamente 14 km de comprimento e seis novas estações, conforme apresentado na Figura 3.11. O trecho de 5,1Km (em amarelo Figura 3.11), que liga Ipanema à Gávea, está sendo executado utilizando uma TBM (Tunnel Boring Machine) - EPB (Earth Pressure Balance) de face mista, que possibilita a escavação em solo, rocha ou Jet Grouting em função da troca das ferramentas de escavação da roda de corte.
Figura 3.11 - Traçado da Linha 4 do Metrô (Rio de Janeiro/RJ).
O túnel possui 11,53m de diâmetro de escavação e a TBM utilizada possui um total de 120m de comprimento e pesa em torno de 2700 toneladas. Esta é a maior TBM deste tipo utilizada na América Latina e no Brasil. Este túnel, que tem um diâmetro interno de 10,33m, será escavado parte em solo e parte em rocha, graças à face mista da TBM utilizada no projeto. A escavação em rocha será de aproximadamente 2Km, enquanto que a parte em solo tem aproximadamente 3Km de comprimento de escavação.
O trecho de 9Km (representado em laranja na Figura 3.11), que liga a Estação da Gávea com a Estação Jardim Oceânico na Barra da Tijuca, está sendo executado por meio do método
46 construtivo NATM (New Austrian Tunnelling Method). A Figura 3.12 ilustra alguns trechos dos desafios que vêm sendo superados nesta parte da obra.
Figura 3.12 - Trecho executado em NATM – Ligação entre a Estação Gávea e a Estação Jardim Oceânico (Fotos de Julio Torres).
3.7. A TBM Adotada no Projeto
A escolha da TBM como metodologia construtiva de parte do túnel de via da Linha 4 Sul do Metrô do Rio de Janeiro foi realizada priorizando as condições de contorno da obra, dentre as quais se destacam o tipo de maciço a ser escavado e o caráter urbano da obra, com superfície densamente ocupada por edifícios, redes de utilidades, trânsito de pessoas e veículos.
A escavação mecanizada com tuneladora é o método mais seguro para execução de túneis nessas circunstâncias, minimizando expressivamente a possibilidade de desenvolvimento de mecanismos de instabilidade e de deformações no maciço.
47 Em especial a tuneladora que está sendo empregada na Linha 4-Sul, mostrada nas Figura 3.13, Figura 3.14 e Figura 3.15, pode ser considerada uma das mais modernas já utilizadas em obras subterrâneas inseridas em meio urbano, com diversos dispositivos adicionais para um melhor controle da segurança e eficiência das escavações.
A Figura 3.16 mostra um trecho do túnel ainda com a esteira que retira e transporta o material escavado e as tubulações de suprimento da TBM, já com os trilhos implantados, e a Figura 3.17 apresenta o túnel recém escavado, apenas com a esteiras e as tubulações. A Figura 3.18 apresenta a vista esquemática da tuneladora RJ produzida pela empresa Herrenknecht.
Figura 3.13 - Tuneladora utilizada na escavação da Linha 4 Sul – Rio de Janeiro.
48 Figura 3.14 - Chegada da tuneladora à Estação Nossa Senhora da Paz em Ipanema.
Figura 3.15 - Vista superior de parte do backup da tuneladora em passagem pela Estação Nossa Senhora da Paz.
49 Figura 3.16 - Trecho do túnel escavado entre as Estações Nossa Senhora da Paz e Jardim de
Alah.
Figura 3.17 - Vista do túnel para a Estação General Osório.
50
(a) Trecho inicial (b) Trecho final
Figura 3.18 - Vista esquemática da tuneladora.
51 3.7.1.Modos de operação do TBM utilizado no caso em estudo
Segundo Relatório Técnico A-9524-029-0 da CJC ENGENHARIA (2014), são previstos seis diferentes tipos de modo de operação da tuneladora:
i. Modo Aberto-1;
ii. Modo Aberto-2;
iii. Modo de Transição;
iv. Modo Fechado-1 ou EPB-1;
v. Modo Fechado-2 ou EPB-2; e vi. Modo Fechado-3 ou EPB-3.
Modo Aberto-1
No Modo Aberto-1 a câmara frontal está vazia, sem pressão e a extração do material da câmara frontal assim como o transporte do material ao longo do back up são feitos com auxílio de correia transportadora. Nesse modo não há possibilidade de emprego de espumas, polímeros ou bentonita para condicionamento do material. Somente é possível aplicar água na frente de escavação para auxiliar no resfriamento dos roletes de corte e na redução do pó.
O Modo Aberto-1 é apropriado para maciços estáveis (rocha classe I, II e III) com ausência ou ocorrência de pouca água. A Figura 3.19 ilustra de maneira esquemática a configuração da máquina nesse modo de operação e a Tabela 3.6 resume as suas características operacionais.
Figura 3.19 - Configuração da máquina em Modo Aberto-1.
52 Tabela 3.6 - Resumo das características operacionais – Modo Aberto-1.
TBM – Modo Aberto-1
Descrição Modo aberto com correia transportadora
Câmara frontal Vazia
Condicionamento do material Não é possível
Extração do material da câmara frontal Com correia transportadora Transporte do material ao longo do back up Com correia transportadora
Maciço recomendado Rocha Classe I, II ou III (c/ pouca água)
Modo Aberto 2
No Modo Aberto-2 a câmara frontal está vazia, sem pressão, a extração do material da câmara frontal é feita com auxílio do parafuso sem fim e o transporte do material escavado ao longo do back up é realizado com a correia transportadora. Nesse modo há possibilidade de emprego de espumas, polímeros ou bentonita para condicionamento do material. O Modo Aberto-2 é apropriado para maciços estáveis (Rocha classe III) com ocorrência de pouca água, mas com possibilidade de ocorrência de maciço pouco estável em um horizonte curto, de maneira que, se houver necessidade, a tuneladora pode rapidamente operar em modo de transição ou modo fechado convencional. A Figura 3.20 ilustra de maneira esquemática a configuração da máquina nesse modo de operação e a Tabela 3.7 resume as suas características operacionais.
Figura 3.20 - Configuração da máquina em Modo Aberto-2.
53 Tabela 3.7 - Resumo das características operacionais – Modo Aberto-2.
TBM – Modo Aberto-2
Descrição Modo aberto com parafuso sem fim
Câmara frontal Vazia
Condicionamento do material Possível com espuma, polímero e bentonita Extração do material da câmara frontal Com parafuso sem fim
Transporte do material ao longo do back up Com correia transportadora
Maciço recomendado
Rocha Classe III (c/ pouca água), com ocorrência curta de maciço pouco estável (troca rápida para modo de transição/ modo fechado convencional)
Modo de Transição
No Modo de Transição, a câmara frontal está preenchida parcialmente com material escavado e parcialmente com ar sob pressão. A câmara frontal, está, portanto, pressurizada. A extração do material da câmara frontal é feita com auxílio do parafuso sem fim e o transporte do material escavado ao longo do back up é realizado com a correia transportadora. Nesse modo há possibilidade de emprego de espumas, polímeros ou bentonita para condicionamento do material.
Esse modo é apropriado para maciços estáveis com ocorrência de fluxo mais intenso de água ou para maciços estáveis com possibilidade de ocorrência de maciço pouco estável em um horizonte curto, de maneira que, se houver necessidade, a tuneladora pode rapidamente operar em modo fechado convencional. Esse modo também é indicado para transição solo/rocha onde a parte de solo foi tratada. A pressão de ar comprimido tem pouca colaboração na estabilidade do maciço, mas permite que se equilibre a pressão de água, evitando fluxo de água para dentro da câmara.
A Figura 3.21 ilustra de maneira esquemática a configuração da máquina nesse modo de operação e a Tabela 3.8 resume as suas características operacionais.
54 Figura 3.21 - Configuração da máquina em Modo de Transição.
Tabela 3.8 - Resumo das características operacionais – Modo de Transição.
TBM – Modo de Transição
Descrição Modo de Transição (aberto – fechado)
Câmara frontal Parcialmente cheia (material + ar comprimido)
Condicionamento do material Possível com espuma, polímero e bentonita Extração do material da câmara frontal Com parafuso sem fim
Transporte do material ao longo do back up Com correia transportadora
Maciço recomendado
Zona de transição solo/rocha e rocha Classe IV, com ocorrência curta de maciço pouco estável (troca rápida para modo fechado convencional)
55 Modo Fechado ou EPB-1
No Modo Fechado-1 ou EPB-1, a câmara frontal está totalmente preenchida e pressurizada com o material escavado misturado com os condicionantes (espuma, polímero ou bentonita). A extração do material da câmara frontal é feita com auxílio do parafuso sem fim e o transporte do material escavado ao longo do back up é feito com auxílio de correia transportadora. Nesse modo há possibilidade de emprego de espumas, polímeros ou bentonita para condicionamento do material. Esse modo é apropriado para maciços pouco estáveis, onde se tem bom controle do condicionamento do material tanto na câmara frontal quanto no parafuso sem fim e na correia transportadora ao longo do back up. Esse é o modo mais utilizado nas escavações em maciço de solo. A Figura 3.22 ilustra de maneira esquemática a configuração da máquina nesse modo de operação e a Tabela 3.9 resume as suas características operacionais.
Figura 3.22 - Configuração da máquina em Modo Fechado-1 ou EPB-1.
56 Tabela 3.9 - Resumo das características operacionais – Modo Fechado-1 ou EPB-1.
TBM – Modo Fechado-1 ou EPB-1
Descrição Modo fechado EBP Tradicional
Câmara frontal Cheia e pressurizada
Condicionamento do material Possível com espuma, polímero e bentonita Extração do material da câmara frontal Com parafuso sem fim
Transporte do material ao longo do back up Com correia transportadora
Maciço recomendado
No Modo Fechado-2 ou EPB-2, a câmara frontal está totalmente preenchida e pressurizada, a extração do material da câmara frontal é realizada com auxílio do parafuso sem fim com um sistema especial de pistões que pressuriza a extremidade superior do parafuso. O transporte do material escavado ao longo do back up é feito com correia transportadora. Nesse modo há possibilidade de emprego de espumas, polímeros ou bentonita para condicionamento do material.
Esse modo é apropriado para maciços pouco estáveis, onde se tem bom controle do condicionamento do material na câmara frontal, mas não se tem condicionamento adequado para extrair o material pelo parafuso sem fim de maneira convencional (com pressão atmosférica na extremidade superior). Quando o material se torna demasiadamente fluido (com comportamento próximo ao da água) o parafuso sem fim perde sua eficiência e, além de ocorrer dificuldade para extrair o material da câmara, há risco para o controle das pressões na câmara frontal da tuneladora.
Nesse modo, o material é transportado ao longo do back up pela correia transportadora. A Figura 3.23 ilustra de maneira esquemática a configuração da máquina nesse modo de operação e a Tabela 3.10 resume as suas características operacionais.
57 Figura 3.23 - Configuração da máquina em Modo Fechado-2 ou EPB-2.
Tabela 3.10 - Resumo das características operacionais – Modo Fechado-2 ou EPB-2.
TBM – Modo Fechado-2 ou EPB-2
Descrição
Fechado EBP com parafuso sem fim pressurizado
Câmara frontal Cheia e pressurizada
Condicionamento do material Possível com espuma, polímero e bentonita
Extração do material da câmara frontal
Com parafuso sem fim pressurizado na extremidade superior
Transporte do material ao longo do back up Com correia transportadora
Maciço recomendado
Solo com controle do condicionamento do material na câmara frontal e na correia transportadora ao longo do back up, mas sem controle adequado do condicionamento ao longo do parafuso sem fim
58 Modo Fechado 3 ou EPB-3
No Modo Fechado-3 ou EPB-3, a câmara frontal está totalmente preenchida e pressurizada, a extração do material da câmara frontal é feita com auxílio do parafuso sem fim com um sistema especial de pistões que pressuriza a extremidade superior do parafuso. O transporte do material escavado ao longo do back up é realizado por sistema fechado de tubulação, com auxílio de pistões. Nesse modo há possibilidade de emprego de espumas, polímeros ou bentonita para condicionamento do material.
Esse modo é apropriado para maciços pouco estáveis, onde não se tem condicionamento adequado para extrair o material pelo parafuso sem fim de maneira convencional, nem para transportar o material por correia ao longo do back up.
Nesse modo, ao longo do back up, o material é transportado por tubulação pressurizada e conduzido para uma planta de separação fora da tuneladora, que permite a separação do material escavado dos condicionantes utilizados. Os condicionantes podem ser reaplicados na frente de escavação. Uma vez que os polímeros podem ocasionar danos nos dispositivos da planta de separação, o emprego de bentonita é mais indicado para essa situação. A Figura 3.24 ilustra de maneira esquemática a configuração da máquina nesse modo de operação e a Tabela 3.11 resume as suas características operacionais.
Figura 3.24 - Configuração da máquina em Modo Fechado-3 ou EPB-3.
59 Tabela 3.11 - Resumo das características operacionais – Modo Fechado-3 ou EPB-3.
TBM – Modo Fechado-3 ou EPB-3
Descrição
Fechado EBP com parafuso sem fim pressurizado
Câmara frontal Cheia e pressurizada
Condicionamento do material Possível com espuma, polímero e bentonita
Extração do material da câmara frontal
Com parafuso sem fim pressurizado na extremidade superior
Transporte do material ao longo do back up Com correia transportadora
Maciço recomendado
Solo com controle do condicionamento do material na câmara frontal e na correia transportadora ao longo do back up, mas sem controle adequado do condicionamento ao longo do parafuso sem fim
A Tabela 3.12 resume didaticamente os modos de operação da tuneladora em função dos maciços a serem escavados.
60 Tabela 3.12 - Resumo dos Modos de Operação
A C D
Frontal Extração do material da câmara frontal Transporte ao longo do Back Up
Condicionamento do
material Tipo de Maciço Presença de Água
Modo Aberto-1 ROLETES NÃO NÃO CORREIA Correia NÃO ROCHA CLASSE I, II E III POUCA
Modo Aberto-2 ROLETES NÃO NÃO SEM-FIM Correia SIM ROCHA CLASSE III POUCA
Modo Transição ROLETES PARCIAL SIM SEM-FIM Correia SIM ROCHA CLASSE IV E TRANSIÇÃO SOLO/ROCHA MÉDIA
Modo Fechado-1
ou EPB-1 SCRAPPERS SIM SIM SEM-FIM Correia SIM SOLO MUITA
ou EPB-1 SCRAPPERS SIM SIM SEM-FIM Correia SIM SOLO MUITA