ESCAVAÇÃO COM EXPLOSIVOS (“Drill and Blast”)

A escavação com explosivos (“Drill and Blast”) é um método usado para a escavação de túneis em rocha que consiste na perfuração do maciço e no uso de explosivos para realizar o desmonte da rocha (Figura 19). Este método é muito utilizado por ser econômico, porém deve ser altamente monitorado e controlado seguindo todas as normas e requisitos de segurança para garantir a integridade dos operários e do local, pois caso aconteça algo de errado poderão ter impactos sérios sobre toda a vizinhança do local de uma obra (CICHINELLI, 2014).

A posição de cada furo, seu diâmetro, comprimento e o tipo e quantidade de explosivos que serão usados devem ser projetados com antecedência e compõem o Plano de Fogo, documento que detalha e guia a fase de detonação.

Figura 19 - Frente de escavação com Drill and Blast

Fonte: Autor, 2019

Esse método possui basicamente 8 etapas: Perfuração, carregamento, detonação, ventilação, abatimento de choco, limpeza, aplicação de chumbadores e revestimento, repetindo esse ciclo até a finalização da obra (Figura 20).

Na etapa da perfuração utiliza-se um jumbo hidráulico para realizar os furos na frente de trabalho de acordo com o plano de fogo. Quanto mais dura for a rocha mais explosivos serão necessários nessa fase.

Em seguida ocorre a etapa de carregamento, na qual os furos são preenchidos com explosivos e conectados a um detonador. O tipo do explosivo definido no plano de fogo irá determinar a execução do carregamento, podendo ser encartuchados, bombeados ou granulados.

A fase de detonação, que leva apenas alguns segundos, não ocorre de maneira simultânea e sim sequencial, normalmente do centro para as extremidades. Os métodos mais modernos utilizam iniciadores eletrônicos, porém muitos Planos de Fogo ainda usam uma chama direta no estopim para começar a detonação.

Figura 20 - Etapas Drill and Blast

Fonte: RailSystem, 2015

Após a detonação ficam presentes na frente de trabalho muitas partículas de rocha que se misturam com os gases da explosão e que dificultam o trabalho e afetam a saúde dos operários. Para resolver esse problema são colocados dutos de ventilação no teto que irão jogar ar fresco no local da explosão, dispersando os gases no local e deixando possível o trabalho ser reiniciado dentro de algum tempo.

Depois da exaustão dos gases resultante da detonação de explosivos são então removidas as rochas fraturadas que ainda estão presas no teto do túnel, com equipamento próprio como o bate choco, para não comprometer a segurança dos trabalhadores. Então é feita a limpeza do local, utilizando escavadeiras ou carregadeiras para transportar o material detonado até caminhões basculantes, que os levam para locais próprios de destino. Em obras mais recentes pode se utilizar esteiras transportadoras para tornar a movimentação desse material para fora do túnel mais eficiente.

Após a limpeza, são aplicados os chumbadores em furos realizados de maneira radial ao longo do perímetro superior da seção do túnel. Esses furos normalmente são preenchidos

com resina epóxi e então são inseridos chumbadores, seja de maneira manual ou mecânica, que tem como função aumentar a estabilidade do maciço, evitando que os blocos cedam.

Figura 21 - Equipamento para Drill and Blast

Fonte: Autor, 2019

Ao longo do avanço da escavação um geólogo deve continuamente fazer um mapeamento para acompanhar e anotar o tipo de rocha que está presente e se está ocorrendo alguma variação das sondagens iniciais. Por fim, passa-se à etapa de revestimento, geralmente em concreto projetado que deve ser dimensionado para cada caso (ZARE, S, 2007).

Em suma pode-se destacar as vantagens do método de escavação com explosivos (“Drill and Blast”) como tendo um impacto ambiental baixo em termos de barulho e poeira, cujos impactos são restritos às pessoas que estão trabalhando na obra. Além de não atrapalhar o tráfego local esse é um dos métodos mais econômicos e bem consagrados de se construir um túnel em rocha (ZARE, S.; BRULAND; ROSTAMI, 2016). Como desvantagem vale destacar um elevado nível de risco ao se trabalhar com explosivos, tanto na estocagem quanto no momento da detonação, que mesmo seguindo todas as normas e tendo cautela ainda há um certo risco envolvido nessas obras.

4.3 ESCAVAÇÃO MECÂNICA COM ESCARIFICADORES

Também conhecida como “Partial Face Boring Machines”, os escarificadores de túneis são equipamentos que trabalham em parte da frente de ataque, como sugerido pelo nome, e não nela como um todo ao mesmo tempo, como as “Tunnel Boring Machines”. De maneira similar a essas últimas, a escavação com escarificadores utiliza um mecanismo rotatório (Figura 22) que pressiona a rocha para realizar a escavação (CHAPMAN, et al, 2010).

Atualmente esse método é bastante utilizado em solos com bastante consistência, rochas brandas e alguns tipos de rochas dura, podendo executar diferentes formatos de seções. Por ser utilizada apenas em parte da frente de trabalho por vez ela produz níveis baixos de vibração e permite com uma maior facilidade a instalação imediata de suportes nas partes menos resistentes das rochas. Porém, esta técnica produz bastante poeira que necessita de uma ventilação exaustiva no local. Além disto, há limitações dependendo do tipo de rocha, como por exemplo, em rochas contendo quartzo as partículas de poeira podem causar câncer, o que impossibilita a utilização dessa técnica nesses locais. (CHAPMAN, et al, 2010).

Figura 22 - Maquina escarificadora transversal

Basicamente temos dois tipos de maquinas escarificadoras para rocha, com diferenças na direção de rotação da ferramenta de corte em relação ao eixo do equipamento. Conforme mostra a Figura 21 e a parte da direita da Figura 23, as escarificadoras transversais possuem um mecanismo de corte transversal ao eixo principal.

Figura 23 - Tipos de máquinas escarificadoras

Fonte: Chapman, et al, 2010

Como as Figura 23 e 14 ilustram, as escarificadoras axiais têm a direção de rotação alinhada com o eixo principal da máquina. Dependendo do tipo de máquina escolhida pode se obter diferentes resultados para a mesma rocha, ressaltando a importância de se observar todos os parâmetros para garantir uma maior eficiência e vida útil dos equipamentos.

Figura 24 - Máquina escarificadora axial

4.4 TUNELADORAS PARA ROCHA

Tuneladoras (Figura 25) são máquinas utilizadas na escavação de túneis, geralmente possuindo seção circular, que escavam de maneira completa a frente de ataque do túnel, ao contrário das maquinas apresentadas anteriormente que escavam de maneira parcial. Chamadas de TBM (Tunnel Boring Machines), elas são projetadas especificamente para cada projeto, podendo executar microtúneis com diâmetro menor do que 1m até túneis maiores de 15m, com o máximo já registrado de 19 m de diâmetro segundo Chapman (2010).

As TBMs estão disponíveis para os mais diversos tipos de solo, não se limitando somente a rochas duras, porém apresentam dificuldades quando ocorre muita variação ao longo do mesmo percurso. Embora as máquinas possam ser feitas especificamente para um determinado projeto, com diâmetro e tipo de solo específico não é incomum utilizar o caminho contrário, fazendo um projeto com base em uma TBM usada que esteja disponível, mudando apenas a cabeça de corte do equipamento (CHAPMAN, et al, 2010).

Figura 25 - Máquina tuneladora (TBM)

Segundo Maidl et al. (2008), as tuneladoras têm como vantagem:

• Alta taxa de avanço

• Execução contínua a ininterrupta

• Possibilidade de se ter um alto nível de automação e mecanização • Segurança superior à maioria dos outros métodos

• Bom acabamento

Por outro lado, tem-se as seguintes desvantagens:

• Alta necessidade de sondagens e informações geológicas • Seção limitada a circular

• Investimento inicial alto • Alto tempo e custo de projeto • Necessita raios de curvas grandes • Necessita de mão de obra qualificada • Difícil logística de transporte

Apesar das desvantagens mencionadas esse tipo de escavação é bastante usado e é muito eficiente, principalmente na questão da automação e segurança. De acordo com Maidl et al. (2008) as TBM têm quatro sistemas básicos: sistema de escavação, sistema de movimentação e acionamento, sistema de remoção dos detritos e sistema de suporte. Já segundo Noronha el al. (2010), aprofundando as pesquisas anteriores e as aprimorando, as TBM têm seis sistemas básicos (os quatro primeiros sistemas são iguais aos mencionados por Maidl), os quais serão expostos a seguir.

Figura 26 - Sistemas de uma tuneladora

Fonte: Noronha et. al, 2012

Dentre os seis sistemas das TBMs, o primeiro e mais importante é o sistema de escavação, que consiste de uma cabeça de corte com equipamentos que irão escavar o maciço. Dependendo do tipo de ambiente serão usados diferentes equipamentos, escarificadores no caso de solos e discos de corte no caso de rochas, que são pressionados contra o maciço e são encarregados de fraturá-lo e fragmentá-lo. Ao se pressionar a cabeça de corte são geradas tensões nas bordas do disco, que ultrapassam o limite de compressão do maciço, gerando fissuras que se propagam entre as linhas de passagens de discos adjacentes e formam lascas que se desprendem da frente de escavação (HEMPHILL, 2012). Essa parte das TBM é a que tem a menor vida útil e necessita ser trocada diversas vezes dependendo da composição da rocha do local, sendo esse tempo de uso um fator importante na hora de projeto.

O segundo sistema é encarregado pela movimentação e acionamento. A principal função da parte de acionamento é vencer o momento de inércia e torque de reação associado à força de atrito entre sistema de escavação e maciço, segundo Santos, R (2017). Já o sistema de movimentação deve ter potência suficiente para suprir a demanda do atrito do equipamento com as paredes do túnel para gerar uma força de compressão necessária dos discos contra a rocha. Essa força é gerada por um sistema hidráulico posicionado na parte intermediária do equipamento, que se apoia no revestimento do túnel, ou em sapatas. Esses diferentes tipos de máquinas serão explorados em uma sessão mais à frente.

O terceiro sistema é encarregado da remoção da rocha fraturada na zona de corte, sendo composto por insertos posicionados na cabeça de corte e por esteiras ou vagões ao longo de toda a sua extensão para transportar esse material para fora da área de escavação. Esses sistemas devem ser atentamente monitorados tendo em vista que podem ser entupidos quando se tem um bloco muito grande de rocha ou material muito coesivo.

Figura 27 - Sistema de remoção de uma TBM

Fonte: Herrenknecht AG, 2015

O quarto sistema é o de suporte, que tem como função manter a estabilidade do túnel. Normalmente, este sistema utiliza uma couraça metálica na parte frontal do equipamento para oferecer uma estabilidade temporária até que o revestimento permanente seja executado, com concreto projetado ou peças pré-moldadas. Enquanto o concreto projetado é mais utilizado em rochas com boa resistência e íntegras, as peças pré-moldadas são as mais comuns quando a rocha é mais fraturada e menos resistente.

O quinto sistema é composto pelo conjunto de instrumentos destinados à medição de controle e à coleta de dados sobre a rocha que podem ser úteis para a definição de ajustes na frente de escavação (NORONHA et al., 2010).

O sexto sistema corresponde a todos os elementos auxiliares para o pleno funcionamento da tuneladora, como por exemplo a parte elétrica, hidráulica, armazenamento, lubrificação, ventilação, refrigeração, etc (NORONHA et al., 2010).

4.4.1 TIPOS DE TUNELADORA

Em frente as mais diversas variações nos tipos de rochas e nas necessidades de cada obra, foram desenvolvidos vários tipos de equipamentos diferentes para a escavação. Existem diversas categorias de máquinas tuneladoras, cada qual com diversos modelos disponíveis, nesse presente texto serão expostas apenas algumas consideradas como principais: a Gripper

TBM, Shielded TBM (dividida em Single Shield e Double Shield), e a Earth Pressure Balance TBM.

4.4.1.1 Gripper TBM

As máquinas Gripper TBM (Figura 28) são a forma clássica das tuneladoras, muito utilizadas em rochas de boa qualidade, com resistência e capacidade autoportante de média a alta que não apresentam descontinuidades consideráveis. Essa TBM usa sapatas laterais (Grippers) para se fixar na rocha e com o auxílio de macacos hidráulicos empurra a cabeça de corte para frente para realizar a escavação (CHAPMAN, et al, 2010). Por esse motivo ela não conseguiria realizar o avanço em rochas fracas, pois ao posicionar os macacos hidráulicos não gera a força necessária para empurrar a cabeça de corte além de poder causar colapso no maciço durante a própria fixação.

Figura 28 - Gripper TBM

Esse tipo de tuneladora é aberta em toda a sua extensão, não possuindo escudo como as próximas tunelaroras a serem mostradas adiante, o que deixa seus equipamentos sensíveis. Ela tem o funcionamento de modo descontínuo, pois o deslocamento da tuneladora no túnel não ocorre de maneira simultânea ao corte da frente de ataque. Os Grippers são apoiados na parte já escavada da rocha e servem de fixação para empurrar a cabeça de corte, que recebe um torque que gera tensões cisalhantes na rocha, fragmentando-a e então coletando esse material e levando-o até o local adequado (Figura 29).

Já foi falado sobre a área frontal da máquina, que realiza a fixação e o corte, mas também é importante ressaltar a área posterior dela, denominada de área de back-up, na qual estão concentradas todas as instalações necessárias para o funcionamento com segurança da mesma, como o controle operacional, estruturas de reparo e todos os profissionais envolvidos (CASTRO, 2013).

Figura 29 - Método de avanço da Gripper TBM

Pode-se citar algumas vantagens desse tipo de tuneladora, como a precisão devido à fixação com Grippers em dois planos, pouca perda de energia devido à pouca fricção, transmissão segura de forças e distribuição de peso uniforme.

4.4.1.2 Shielded TBM

Diferente das Grippers, as Shielded TBM possuem um escudo de proteção na área frontal dos equipamentos, que serve para suportar o solo e proteger as pessoas trabalhando no local. Conforme será exposto a seguir existem dois tipos de tuneladoras nessa categoria, as

Single Shield, e as Double Shield.

4.4.1.2.1 Single Shield TBM

A tuneladora Single Shield TBM (Figura 30) é comumente utilizada em rochas de baixa resistência, instáveis e com possibilidade de colapso, com sua maior aplicação em rochas brandas que variam de 0,5 MPa a 25 MPa de resistência à compressão. Analisando as características previamente apresentadas das tuneladoras Grippers, pode-se concluir que elas não conseguiriam impulso em rochas brandas devido a essas mesmas não possuírem resistência suficiente para gerar essas forças. Nesse contexto entram as Single Shield, que utiliza impulso gerado por cilindros hidráulicos apoiados na cabeça de corte e no revestimento previamente instalado do túnel para avançar a escavação (CASTRO, 2013).

Figura 30 - Single Shield TBM

Como o próprio nome sugere, essas tuneladoras possuem um escudo único, cilíndrico, estruturado em aço que possui diâmetro inferior ao do túnel para permitir a deformação do maciço e assim dissipar energia e não concentrar tensões. Essa TBM pode operar em 3 modos diferentes: não-pressurizado, semi-pressurizado e pressurizado, dependendo das condições do solo/rocha e do nível do lençol freático.

Após a escavação é instalado um revestimento no túnel, podendo ele já ser o final

(single shell lining) ou temporário, para depois então ser colocado o revestimento final

ficando com uma camada dupla (double shell lining) (CASTRO, 2013). Após o revestimento estar pronto ele é utilizado como apoio para os cilindros hidráulicos darem impulso a cabeça de corte e avançar a escavação, repetindo assim esse ciclo durante toda a obra.

4.4.1.2.2 Double Shield (telescopic shield) TBM

As tuneladoras Double Shield TBM combinam os princípios das Grippers TBM, com os da Single Shield TBM, ou seja, ela possui sapatas que se apoiam no maciço rochoso, um escudo frontal na cabeça de corte e um escudo principal (gripper shield), podendo assim ser utilizada em vários modos para se adequar a diferentes situações de obra com os mais variados tipos de rocha. É um equipamento muito útil em locais heterogêneos pois pode utilizar os grippers para se locomover quando está em rocha resistente e mudar a forma de avanço no meio da obra quando encontrar um solo que não tem muita auto-sustentação e resistência, avançando do mesmo modo que a Single shield, se apoiando sobre o revestimento já instalado.

Figura 31 - Double Shield TBM

Fonte: The Robbins Company, 2010

Quando a rocha tem boas condições, esse equipamento tem um funcionamento contínuo, com o corte da seção feito de maneira simultânea à instalação de suportes na seção anterior, o que permite uma velocidade de avanço duas vezes maior do que quando ela opera em rochas com baixa resistência numa operação descontínua. Como principal desvantagem desse tipo de TBM temos a possibilidade de o escudo posterior ser bloqueado quando em contato com rocha fraturada de alta resistência, que pode entrar na junta telescópica.

4.4.1.3 EPB (Earth Pressure Balance) TBM

A EPB é uma tuneladora de escudo único com sistema de pressurização que tem sua aplicabilidade em rochas pouco resistentes e solos com baixa ou nenhuma capacidade de suporte (CASTRO, 2013). Ela consegue balancear a pressão de solo e água em regiões bem desfavoráveis, assim aumentando a segurança na escavação e evitando recalques, sendo assim muito útil para o uso em regiões urbanas onde o recalque poderia prejudicar construções vizinhas.

O sistema de pressões na cabeça de corte é demonstrado a seguir na Figura 32, onde o solo escavado entra na máquina e é misturado com agentes de acondicionamento formando uma lama que irá dar suporte contra a pressão da água e do solo externo à TBM.

Figura 32 - Sistema de pressões da EPB TBM

Fonte: Herrenknecht, 2013

Os equipamentos que compõem o sistema de pressurização são macacos hidráulicos, uma câmara de pressão e um anteparo de pressão que serve para isolar a câmara da parte posterior que está com pressão atmosférica. O solo não pode ser compactado nesse método, então o avanço se dá na mesma taxa na qual o solo é removido.

Após se realizar um ciclo de corte o solo presente dentro da máquina é retirado por um trado helicoidal e, portanto, a pressão interna vai gradualmente diminuindo. Esse solo é então transportado por esteiras para a área de back-up para sua posterior remoção e os suportes de concreto com aço reforçado são instalados nas paredes do túnel, com uma aplicação de pasta de cimento nas juntas (CASTRO, 2013). A EPB utiliza esses suportes previamente instalados para poder avançar sua frente de corte através de cilindros hidráulicos, de forma similar ao que é feito na Single Shield TBM.

Figura 33 - Tuneladora EPB

Fonte: TrojmiejskiStig, 2012

O solo para as EPBs deve ser coesivo com um índice de consistência entre 0,5 e 0,75; caso o material que está sendo escavado não atenda a esses requisitos ele deve ser condicionado, ou seja, alterado para entrar nesses parâmetros. Pode-se usar diversas substâncias para condicionar o solo, dependendo de cada caso, entre elas temos:

• Água • Bentonita • Argila

• Polímeros em suspensão

• Espumas, ou espumas com polímero

Esses materiais são injetados na cabeça de corte e misturados diretamente com o solo escavado, fazendo com que ele esteja sempre plástico e em estado ótimo para gerar as pressões necessárias para conter a pressão do solo externo e da água. Como comumente usados no concreto, deve-se realizar um Slump Test com o solo para determinar a melhor opção de condicionador, com um valor ideal entre 5 a 15 cm (CHAPMAN, et al, 2010).

4.5 HIDRODEMOLIÇÃO

A hidrodemolição usa como forma de cortar a rocha um jato de água pressurizado. Segundo Ciccu (1998), jatos de água de alta pressão possuem energia equivalente a vários quilowatts de potência e quando concentrados em uma área pequena cortam facilmente a rocha, de uma maneira que cause um baixo impacto em comparação às outras técnicas discutidas anteriormente. Diversos parâmetros são analisados para calcular a eficiência dessa ferramenta de corte, a qual é medida principalmente pela taxa de remoção. Entre esses parâmetros temos propriedades do jato como o diâmetro, pressão, velocidade, ângulo e a distância entre o bico e a rocha; propriedades da rocha como a permeabilidade, porosidade, diâmetro dos grãos, coeficiente de atrito interno, resistência ao cisalhamento, resistência à compressão, tração e fratura, pressão limiar, densidade, dureza, modulo de elasticidade, coeficiente de Poison; propriedades do fluido de corte como a densidade, viscosidade e a velocidade; e propriedades do abrasivo como a densidade, fluxo de massa, diâmetro dos grãos, esfericidade e velocidade (MOMBER, A.; 2005); porém as mais importantes são a pressão e vazão volumétrica no bico de corte. Esses diversos parâmetros estão sendo muito estudados e avaliados para se achar um valor ideal para determinado tipo de rocha, sempre visando obter a melhor taxa de remoção possível. Segundo Santos, R. (2017) foram realizados diversos testes com esse tipo de ferramenta e constatado que ela possui uma taxa de remoção entre 7 e 10m³/h, e taxa de penetração de 5cm/s.

Os princípios que regem a eficácia desse método são dois: a erosão (quando se