ELEMENTOS DE SUPORTE E REVESTIMENTO DO TÚNEL

Um dos principais elementos responsáveis por suportar as cargas do maciço em uma obra de túnel pelo método NATM é o concreto, mais precisamente o concreto projetado. Porém, até que o concreto atinja resistência suficiente para suportar tais esforços, são necessários alguns elementos de suporte para atuar nos momentos iniciais logo após a projeção do concreto. A seguir serão tratados os principais elementos de suporte utilizados no método NATM.

2.3.6.1 CONCRETO PROJETADO

Segundo Silva (1997) entende-se por concreto projetado como sendo o concreto (cimento, areia, pedrisco, água e aditivos) que é transportado por um mangote de borracha desde o equipamento de projeção até um bico, onde por meio de ar comprimido é projetado a grande velocidade contra uma superfície (figura 11).

O concreto projetado é aplicado em diversos tipos de projetos, porém seu uso dá-se principalmente em obras subterrâneas, onde suas características como a boa adaptação em diferentes tipos de superfícies, sua facilidade e sua agilidade na projeção do concreto são de grande valia. As primeiras aplicações de concreto projetado no Brasil ocorreram em 1970, na execução dos túneis da rodovia dos imigrantes. Com a introdução do método NATM, o concreto projetado vem sendo largamente empregado na formação do revestimento de estruturas de obras subterrâneas (AMARAL FILHO, 1995).

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Figura 11: Execução de concreto projetado Fonte: Solotrat engenharia geotécnica, 2016

Devido às excessivas acomodações do solo ocasionadas pela demora na aplicação do revestimento dos túneis, torna-se fundamental em obras deste tipo a utilização do concreto projetado, que graças a sua facilidade e agilidade de execução, colaboram com a capacidade de auto suporte do maciço escavado.

A reflexão de agregados e os desplacamentos de concreto, que podem chegar a 50% do volume projetado, são os principais inconvenientes do uso desta técnica. Entre as vantagens estão às economias de custo e de prazo, em que devido à capacidade de auto sustentação do concreto, não é necessária a utilização de formas, desformas e escoramentos. (VIEIRA, 2003)

Existem duas formas para a execução do concreto projetado, a projeção via seca e a projeção via úmida, diferindo entre si principalmente pelo momento em que a água é adicionada na mistura do concreto. Na projeção via seca os materiais secos (areia, cimento, aditivos e pedriscos) são misturados na bomba sem a adição de água e impulsionados por ar comprimido através de um mangote de borracha até um bico de projeção. A água só é adicionada a mistura no bico de projeção através de outra bomba de alta pressão.

A quantidade de água na mistura é regulada pelo mangoteiro (profissional que possui a função de lançar concreto projetado), por tal motivo o concreto projetado por via seca vem sendo cada vez menos usado já que se torna mais difícil o seu controle de qualidade comparado com a projeção via úmida.

23 Suas principais vantagens em relação à projeção via úmida são os baixos custos de locação do equipamento e a menor quantidade de cimento utilizado na mistura. Suas desvantagens são a maior reflexão (perda), maior produção de poeira, requer grande volume de ar comprimido e possui produtividade baixa (4m³/h). (VIEIRA,2003).

Diferente da projeção via seca, na projeção via úmida o concreto é lançado já com a adição de água na bomba (cimento, areia, água, pedrisco e aditivos). A adição do aditivo acelerador de pega é apenas realizada no bico do mangote. A qualidade do concreto projetado via úmida vai depender de sua correta dosagem, homogeneização e correto teor de aditivo superplastificante e acelerador de pega.

O processo de projeção via úmida permite um melhor controle do fator água/cimento, o que resulta em uma maior uniformidade tanto do produto como no acabamento da superfície tratada. Outras vantagens são o menor ricochete de agregados, o menor consumo de ar e a melhor conservação dos equipamentos de projeção e seus acessórios. Na figura a seguir pode ser observado um equipamento de projeção via úmida.

Figura 12: Bomba de concreto projetado via úmida por pistões SP 305 Fonte: https://www.duxbb.com.br/2016

Para grandes volumes aplicados, como em obras de túneis, é essencial a utilização de aditivos, aceleradores de pega. Neste aspecto o projetado por via úmida apresenta vantagens já que ao permitir uma melhor uniformidade, o produto tende a reduzir o consumo de aditivos e apresentar características melhores que o via seca, no entanto o consumo de cimento é maior para as mesmas resistências obtidas no processo de via seca.

24 2.3.6.2 CAMBOTAS METÁLICAS

As cambotas são perfis metálicos geralmente em forma de arco (figura 13), laminados ou treliçados, aparafusados e soldados. Possuem diversas funções como a de suportar as cargas iniciais do terreno, servir de gabarito para o revestimento de concreto, guia para o correto alinhamento do túnel, guia para a execução do tratamento do solo e apoio para a colocação de telas de aço ao redor do túnel.

Figura 13: Cambota metálica treliçada Fonte: Autor, 2016

A cambota só começa a atuar quando encosta totalmente no maciço, por isso é importante o preenchimento por completo do espaço entre a cambota e o maciço com concreto projetado. Após o concreto endurecer e adquirir resistência suficiente, a cambota deixa de ter função estrutural já que o concreto por si só passa a resistir aos esforços solicitantes, por esse motivo as cambotas geralmente não entram nos cálculos estruturais de resistência. (ZANELATO, 2003)

2.3.6.3 ARCO INVERTIDO DEFINITIVO (AID)

Os arcos invertidos ou “inverts” são necessários em escavações de túneis em solos não consolidados ou quando existem esforços laterais advindos da movimentação do maciço. Essas

25 estruturas podem ser de concreto armado ou projetado, provisórios ou definitivos, dependendo das condições do maciço e da seção empregada. (BALAGUER, 2014)

O suporte do túnel trabalha como um anel contínuo, que deve ser concluído o mais brevemente possível, para isso, após a colocação das cambotas e do revestimento do túnel, deve ser executado o AID para que haja o fechamento do arco da seção. Na figura a seguir pode-se observar um modelo representativo do AID.

Figura 14: Representação de um arco invertido Fonte: Autor, 2016

2.3.6.4 TELAS DE AÇO

Segundo Geraldi (2011), as telas metálicas soldadas são elementos de suporte bastante utilizados em solo e em rochas muito alteradas. Após a aplicação de uma pequena camada de concreto projetado com aproximadamente três centímetros de espessura, as telas são fixadas com o auxílio de pequenos chumbadores. Em seguida é projetada uma nova camada de concreto, incorporando a tela ao maciço.

As telas de aço quando aplicadas em túneis executados em solo e que utilizam cambotas metálicas, geralmente são aplicadas apenas no revestimento secundário de concreto. Na figura a seguir pode ser observada uma representação de tela metálica em associação com o concreto projetado.

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Figura 15: Malha de aço Fonte: Campanhã et al., 1998

2.3.6.5 FIBRAS PARA CONCRETO PROJETADO

Em execução de túneis em rocha costuma-se usar o concreto projetado com a adição de fibras. Estas fibras, geralmente de aço, substituem o uso de telas e cambotas metálicas comuns na escavação em solo. Segundo Campanhã et al. (1998), outra grande vantagem da utilização do concreto projetado com fibras de aço, principalmente em rochas, é o de permitir acompanhar as irregularidades da superfície escavada, não havendo vazios.

A adição de fibras de aço minimiza o comportamento frágil característico do concreto, tornando-o um material pseudo dúctil, ou seja, continua apresentando uma resistência residual a esforços nele aplicados mesmo após sua fissuração. A alteração do comportamento é função das características das fibras, da matriz do concreto e da sua interação. Com isto o material passa a ter exigências específicas para seu controle de qualidade, dosagem e mesmo aplicação, diferentes do concreto convencional.

As possibilidades de aplicação do material são ampliadas, para algumas aplicações o concreto reforçado com fibras apresenta vantagens tecnológicas e econômicas em relação ao convencional, como é o caso do revestimento de túneis. Com a utilização de fibras o revestimento do túnel não necessita a instalação de telas metálicas, o que acaba por agilizar o processo produtivo e diminuindo os custos com a mão de obra.

Além das fibras de aço existem também as fibras feitas de polímeros sintéticos como, por exemplo, as fibras de polipropileno e polietileno, que com os avanços tecnológicos conseguem

27 atingir resultados estruturais tão satisfatórios quanto às fibras de aço. Além de terem um custo menor, as fibras feitas de polímeros sintéticos possuem algumas vantagens em relação às fibras metálicas como, a maior resistência ao fogo, a baixa condutibilidade elétrica e o manuseio facilitado.

2.3.6.6 TIRANTES

Os Tirantes são elementos lineares capazes de transmitir esforços de tração entre suas extremidades. Nas aplicações geotécnicas os tirantes possuem uma extremidade que fica fora do terreno (cabeça de ancoragem), e um trecho enterrado que pode ser classificado como livre ou ancorado. Além disso, os tirantes podem ser classificados como tensionados ou não tensionados. Sua aplicação em obras de túneis tem por objetivo aplicar esforços de compressão no maciço, reduzindo assim os processos de movimentação, deformação e ruptura.

Figura 16: Seção de um túnel com tirantes

Fonte: Obra de Desvio do Rio Joana (Vallejos Engenharia LTDA, 2016)

A aplicação é feita ao longo do túnel de forma radial, a malha de tirantes terá espaçamentos definidos em projeto em função das características geológicas do maciço. Segundo Geraldi, 2011 a utilização dos tirantes produz um arco de maciço sob forte compressão, conferindo maior estabilidade à seção escavada. Recomenda-se antes de iniciar a perfuração para instalação dos

28 tirantes a aplicação de uma camada de concreto projetado de 2 a 5 cm de espessura logo após a escavação e remoção dos chocos.

Os furos para a instalação dos tirantes são executados pelo jumbo, ou martelos pneumáticos. Para que a carga de trabalho dos tirantes seja atingida, são utilizadas junto a eles resinas químicas.

2.3.7 INSTRUMENTAÇÃO

A execução de túneis em solo ou em rocha está associada a uma mudança no estado de tensões atuantes no maciço circundante. Essas mudanças de tensões causam movimentações que tendem a se propagar pelo terreno até atingir a superfície do solo podendo então gerar recalques. Dependendo da magnitude destes recalques, efeitos indesejáveis podem aparecer nas estruturas vizinhas à escavação ou até mesmo na própria estrutura do túnel, tornando obrigatório o controle das movimentações do solo, principalmente em áreas urbanas. O controle destas movimentações é feito através do uso da instrumentação.

A instrumentação é instalada para medir, conhecer e monitorar os movimentos do solo, tanto os superficiais como os no interior do maciço. Além disso, também medem pressões e esforços sobre elementos estruturais, tanto antes como durante a execução da escavação, permitindo então que sejam verificados os parâmetros de projeto e a eficácia do método. O NATM preconiza o uso da instrumentação e a tem como um de seus princípios básicos.

Segundo Murakami (2011), através da instrumentação, pode-se monitorar a necessidade de melhorias no desempenho do método construtivo, de forma a evitar ao máximo os danos nas edificações e utilidades provocados por distorções e recalques.

Existem diferentes tipos de instrumentação, cada um deles com diferentes funções, na figura a seguir pode ser observada uma representação com os principais instrumentos utilizados em obras de escavação de túnel.

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Figura 17: Instrumentação em obras de túneis Fonte Murakami,2001

Os marcos superficiais e os tassômetros são respectivamente responsáveis por controlar os recalques na superfície do terreno e no interior do maciço logo acima da escavação. Os pinos de recalque controlam as movimentações de edificações vizinhas à escavação e os recalques no interior do túnel através de seções de convergência. Por fim são utilizados indicadores de nível d’água e piezômetros responsáveis por controlar o nível freático e a pressão hidráulica no maciço.

A instrumentação irá gerar relatórios onde será possível a verificação dos recalques que ocorrem tanto externa quanto internamente ao túnel. Para o melhor controle destes recalques, devem ser definidos níveis de alerta e procedimentos a serem seguidos caso estes níveis sejam atingidos. A diminuição dos avanços e a utilização de elementos de suporte são uma das medidas a serem tomadas para a diminuição dos recalques.

Além da magnitude dos recalques, outro importante elemento a ser controlado através do uso da instrumentação é a velocidade com que eles ocorrem, o que torna fundamental o acompanhamento constante das movimentações do terreno.

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3 CASO ESTUDADO – DESVIO DO RIO JOANA - RJ

Neste capítulo serão analisados os projetos e a metodologia executiva aplicada nos trechos em rocha na execução dos túneis da obra de Desvio do Rio Joana na região da Grande Tijuca no Rio de Janeiro. A obra tem como função o escoamento da água do Rio Joana, servindo como estrutura de macro drenagem e solução para os problemas de enchentes na região.