As tuneladoras, também conhecidas por TBM (Tunnel Boring Machines) ou, popularmente chamadas de “tatuzão”, são máquinas utilizadas na escavação e construção de túneis com seção transversal circular. As TBMs estão preparadas para diferentes condições geológicas significando, por exemplo, que o tipo de ferramenta de corte requerido na frente e o processo de escavação, bem como outros requisitos técnicos, podem ser solucionados por diferentes formas.
A necessidade de construção de túneis rodoviários e/ou metroviários em áreas urbanas tem aumentado de forma significativa. Esta necessidade tem sido acompanhada por uma crescente exigência dos aspectos de segurança na execução. Isto se deve a diversos fatores, destacando-se a interferência do processo de execução do túnel subterrâneo com as atividades e ocupações na superfície e prazos de conclusão cada vez mais curtos. Este cenário favoreceu o desenvolvimento da tecnologia de tuneladoras de escudo, em particular aquelas que permitem aplicar uma pressão de suporte na frente de escavação (EPB – Earth Pressure Balanced) devido à sua maior flexibilidade e maior amplitude de maciços aplicáveis.
Segundo CAMPOSINHOS (2008), a complexidade deste tipo de equipamento e o risco inerente desta atividade implicam que o controle das atividades de escavação seja efetuado por uma equipe de trabalho multidisciplinar altamente motivada e treinada. Um controle e monitoramento eficientes são cruciais para prevenir a ocorrência de acidentes. Mesmo assim, são numerosos os registros de acidentes que podem ser encontrados na literatura. Com a utilização cada vez maior de tuneladoras no meio urbano, os eventuais acidentes têm uma elevada visibilidade e impacto na população.
O controle da escavação é feito em tempo real, assim como o monitoramento das deformações à superfície, e estas são ferramentas vitais de um plano de gestão do risco de acidentes durante a construção.
Alguns autores consideram que não é oportuno utilizar TBM em geologias complexas com maciços heterogêneos, pois para a fabricação das tuneladoras é levada em consideração a qualidade do maciço, o que poderia prejudicar o avanço da obra no caso de se atravessar zonas de falhas por exemplo. Outros consideram que tanto para rochas muito duras, quanto para rochas dilatantes, a utilização de TBM não é favorável (ABREU, 2013).
9 Basicamente os TBMs, escudados ou não, são aplicadas em rocha, enquanto que em solo são sempre utilizadas as máquinas escudadas.
JIMENO E MENDEZ (1997) afirmam que as máquinas tuneladoras permitem escavar até mesmo rochas com resistência à compressão uniaxial da ordem de 300 a 350MPa, apesar de serem observados melhores desempenhos em rochas de dureza média a baixa.
A característica principal de uma TBM é a escavação do terreno com uma cabeça de corte rotativa, equipada com cortadores rolantes (discos de corte), os quais são pressionados contra a frente de escavação pela ação dos cilindros de impulso. O movimento rotativo dos discos causa fraturas na face de escavação até fragmentar a rocha em pedaços menores, chamados de “chips”, que são transportados para fora da câmara de escavação pela correia transportadora. O material coletado é transferido para a parte traseira da máquina para sua posterior remoção do túnel (WITTKE, 2007).
Segundo MELO E PEREIRA (1997), o controle da estabilidade da frente de escavação pode tomar diversas formas, consoante o tipo de escudo utilizado. A diferença fundamental entre as várias máquinas reside na forma como pretendem equilibrar os empuxos de terras na frente de escavação e, deste modo, controlar a estabilidade da frente.
Os TBMs utilizados para escavação de tuneis atualmente podem ser, simplificadamente, divididos nos seguintes tipos:
i. TBM Gripper;
ii. TBM com shield simples;
iii. TBM de shield duplo;
iv. TBM EPB Shield;
v. TBM Slurry Shield;
vi. TBM mista.
2.3.1.TBM Gripper (TBM-G)
A TBM Gripper é adequada para aplicação num maciço rochoso no qual não é necessário suporte da seção transversal escavada nem na área da máquina. É uma solução eficiente para escavações rápidas em rocha dura.
10 Para impulsão e avanço da TBM, placas de fixação são empurrados contra as paredes laterais do túnel escavado por meio de macacos hidráulicos. Este sistema funciona como reação para a força de empuxo e o torque da cabeça de corte durante o avanço.
Este tipo de máquina pode ser não escudada ou parcialmente escudada, como a máquina mostrada na Figura 2.3.
A maioria das TBM-G são equipadas com shields parciais pois, mesmo em condições de rochas estáveis, podem ocorrer queda de blocos vindo a comprometer a segurança dos trabalhadores e danificar ou bloquear temporariamente a cabeça de corte.
Figura 2.3 – TBM-Gripper (herrenknecht.com).
2.3.2.TBM com Shield simples (TBM-S)
TBMs com shield simples, exemplificadas na Figura 2.4, não possuem pressão de estabilização do maciço na frente de escavação e, portanto, são o tipo de máquina ideal para túneis que atravessam rocha e solo estáveis e sem lençol freático atuante sobre a máquina. Devido ao método de escavação típica com revestimento segmentado, podem ser utilizadas também em formações rochosas com baixo tempo de auto suporte.
Este tipo de máquina é indicada para escavação em maciços de baixa resistência e, portanto, incapazes de resistir às forças geradas pela fixação de uma TBM-Gripper.
11 Uma TBM com shield simples, sem suporte de estabilização da frente de escavação, também pode ser aplicada caso o contorno da escavação não seja estável, ou que haja a possibilidade de colapsos da rocha, pois o escudo que cobre toda a máquina serve como um suporte temporário instalado imediatamente após a escavação (WITTKE, 2007).
Geralmente, anéis segmentados, produzidos em concreto pré-moldado, são utilizados como revestimento final. Estes segmentos são montados e o anel é instalado ainda dentro da proteção do escudo da máquina. Ao contrário da TBM-Gripper, o revestimento final instalado serve como apoio para a força de impulso de avanço da tuneladora.
Figura 2.4 – TBM com Shield simples (herrenknecht.com).
2.3.3.TBM de Shield duplo
A TBM de shield duplo, mostrada na Figura 2.5, está entre as tuneladoras tecnicamente mais sofisticadas da atualidade. Ela configura a combinação entre a TBM-Gripper (TBM-G) e a TBM com shield simples (TBM-S) em uma única máquina. É indicada para escavações longas e em condições geológicas estáveis que permitem a instalação dos anéis de maneira concomitante ao avanço da escavação, ou seja, o shield duplo permite que o revestimento final anelar seja instalado sem provocar uma parada obrigatória da escavação.
12 Durante a escavação o shield da cauda serve como um apoio ao shield frontal para impulso do avanço de escavação. Os cilindros de impulso do shield frontal são estendidos para movimentar a cabeça de corte para frente, enquanto que o shield de cauda, onde o anel é montado, permanece estacionário. Após a montagem do anel, os cilindros do shield de cauda são retraídos e o mesmo é puxado para frente para início da montagem do próximo anel.
O avanço médio semanal de aproximadamente 200m mostra o alto desempenho dessas TBMs em rocha. O princípio de shield duplo pode ser usado para uma condução segura, mesmo através de zonas de falhas geológicas.
Figura 2.5 – TBM de Shield duplo (herrenknecht.com).
2.3.4. EPB Shield
A escavação com uma tuneladora Earth Pressure Balance (EPB) é efetuada com rotação da sua cabeça, que é dotada de ferramentas de corte e aberturas por onde entra o terreno escavado.
O terreno escavado, devidamente misturado com os agentes de condicionamento, entra na câmara de escavação num estado pastoso.
13 A acumulação do terreno na câmara origina um aumento da pressão no seu interior. O terreno é extraído por meio de um parafuso sem fim, que garante a manutenção e o controle da pressão na câmara. A pressão na frente de escavação é assim mantida com o objetivo de equilibrar a pressão de terra e a pressão hidrostática. Isso é possível pela ação combinada do impulso dos macacos hidráulicos e da remoção do terreno a um ritmo adequado, o qual é função da velocidade de avanço da tuneladora.
Para o correto funcionamento de uma tuneladora EPB é essencial que o terreno escavado forme uma “pasta” impermeável, capaz de ser extraída facilmente pelo parafuso sem fim e que permita uma correta transmissão e ajuste da pressão na frente, conforme mostrado na Figura 2.6.
Figura 2.6 – Princípio operacional de uma TBM-EPB (herrenknecht.com).
Autores como CLOUGH et al. (1983) apontam a importância crucial do controle da pressão na câmara de escavação para o bom desempenho da escavação. Se o parafuso sem fim remove o solo rápido demais, poderá provocar um vazio na câmara de escavação. Em contrapartida, se o solo é removido pelo parafuso sem fim a uma velocidade ligeiramente inferior à velocidade de entrada do solo na câmara, gera-se um ligeiro empolamento do maciço antes da passagem da tuneladora. Este empolamento tem como vantagem o poder de compensar o subsequente deslocamento por consolidação das caldas de injeção e do solo remexido à volta da cavidade do túnel (LEE et al., 1999). Portanto, a principal característica deste tipo de tuneladora consiste em controlar a estabilidade da frente, mantendo o equilíbrio entre o ritmo de escavação e de extração do material escavado.
14 No fim de cada ciclo de escavação, o revestimento por aduelas pré-fabricadas em concreto armado é montado na cauda do escudo. O impulso de propulsão, que permite o avanço da máquina, é aplicado no escudo pela ação dos macacos hidráulicos contra o revestimento.
À medida que a máquina avança, há a possibilidade de se criar um espaço vazio entre o terreno e o revestimento devido a vários fatores:
i. forma cónica do escudo;
ii. diferença entre o diâmetro externo do escudo e do revestimento (incluindo a espessura do escudo e o espaço necessário para o sistema de vedação);
iii. sobre escavação necessária para a execução de curvas.
De forma a minimizar os deslocamentos em superfície e a criar um bom contato entre o revestimento e o terreno, este vazio anelar é preenchido o mais rapidamente possível. O preenchimento é normalmente executado pela injeção de graute, em simultaneidade com o avanço da tuneladora.
Para prevenir a entrada de graute para o interior do escudo, é necessário dispor de um sistema de vedação composto por escovas de aço envolvidas por massa lubrificante, conforme apresentado na Figura 2.7. Geralmente a massa lubrificante é composta por diversos tipos de calda, tais como:
i. calda à base de cimento, com elevada resistência mecânica e cura relativamente rápida;
ii. calda inerte bi componente, sendo o segundo componente um acelerador
adicionado junto da saída da linha, com uma resistência relativamente baixa e cura lenta por ser inerte.
É também possível executar injeções secundárias, a uma distância grande da frente. Em zonas urbanas este sistema não é recomendável como sistema único, já que não permite um controle dos deslocamentos originados pelo vazio anelar (perda de volume radial).
15 Figura 2.7 – Detalhe da injeção de graute no espaço anelar entre o anel e o maciço
(CAMPOSINHOS, 2008).
A Figura 2.8 apresenta um corte esquemático com a identificação e numeração dos principais componentes de uma tuneladora EPB:
1. Roda de corte: como o nome indica é responsável pelo corte do terreno na frente de escavação. Para isso ela é equipada com discos de corte, para escavação em Jet-Grouting e/ou rocha e rippers ou scrappers para escavação em solo. Ferramentas especiais são colocadas no contorno permitindo sobre escavações locais, com o intuito de facilitar a condução da máquina em terrenos difíceis ou em curvas apertadas;
2. Câmara de escavação: é o local onde o terreno escavado é acumulado. Encontra-se limitada pela cabeça de corte e pela parede confinante. Nesta câmara é feito o condicionamento do material para retirada pelo parafuso sem fim e podem ser encontrados alguns dispositivos que ajudam a controlar a atividade de escavação, como sensores distribuídos por vários níveis na parede confinante, que permitem o monitoramento da pressão no seu interior (Pressão na frente de escavação);
3. Revestimento: é composto por aduelas pré-fabricadas em concreto armado com uma tolerância geométrica bastante apertada. As principais vantagens do uso deste sistema são:
suporte imediato e contínuo; garante uma total impermeabilização desde que é instalado; permite a reação longitudinal aos macacos hidráulicos; permite a redução do tempo de execução das obras, por não ser necessário executar um revestimento secundário;
16 4. Parafuso sem fim: é o meio mais seguro para extrair o material escavado e devidamente condicionado da câmara. A extremidade do parafuso sem fim é normalmente colocada na zona inferior da câmara, pois esta é a melhor posição para controlar a pressão e o seu esvaziamento. Na extremidade oposta existe normalmente uma guilhotina para evitar a saída descontrolada de material;
5. Esteira: é colocada na saída do parafuso sem fim e transporta o material escavado para o exterior da máquina para posterior transporte (bota fora);
6. Cilindros de impulso: permitem o avanço da tuneladora por meio do apoio e reação longitudinal no revestimento previamente colocado. Localizam-se na cauda do escudo, ao longo de todo o perímetro, e são separados em grupos que podem ser ativados independentemente. A sua máxima extensão depende da dimensão longitudinal das aduelas que compõem o revestimento. A configuração dos cilindros e a força máxima de impulso são vitais para o dimensionamento estrutural das aduelas que serão utilizadas como revestimento;
7. Escudo: é constituído por uma fina casca em aço que limita o maciço escavado e o interior da tuneladora. O escudo não tem uma forma cilíndrica perfeita, ele apresenta uma forma cónica com afunilamento no sentido da cauda para reduzir o atrito e facilitar o avanço da máquina;
8. Eretor: é o componente com o qual é feita a montagem do anel. A configuração do anel e a posição de cada um dos segmentos da aduela são fundamentais para a orientação e condução da tuneladora. A montagem das aduelas é efetuada de forma faseada. No momento em que um determinado segmento da aduela é suspenso, os cilindros correspondentes a sua posição são retraídos para encaixe do segmento. A montagem do anel é um procedimento delicado e essencial para a qualidade do produto final (devem ser minimizadas aberturas, fissuras, deslocamentos relativos entre segmentos, infiltrações, afastamentos, etc.);
9. Câmara hiperbárica: para realizar atividades de reparação e manutenção no interior da câmara de escavação, em particular quando é necessário trocar as ferramentas de corte já desgastadas, os trabalhadores entram dentro da câmara de escavação, que se encontra pressurizada. Estas intervenções têm que ser efetuadas sem comprometer a estabilidade da frente e a segurança dos trabalhadores. A câmara hiperbárica promove a transição gradual da zona em pressão atmosférica para a zona pressurizada (câmara de escavação). As intervenções hiperbáricas são executadas com um cuidado pleno de segurança. Tais intervenções só são
17 executadas por pessoal qualificado e treinado, sendo em alguns casos executadas por mergulhadores profissionais;
10. Parede confinante: é o elemento responsável por limitar a câmara de escavação.
Todos os componentes da TBM-EPB listados estão dentro do escudo, que, no entanto, representa somente cerca de um décimo do comprimento total de uma tuneladora. O equipamento de suprimento completo, necessário para que a tuneladora possa executar a escavação, encontra-se localizado em plataformas na retaguarda do escudo, geralmente referidas na sua globalidade como o backup.
Com relação ao condicionamento do terreno, este pode ser obtido pela injeção de espuma, polímeros, água e finos (geralmente bentonita), na frente de escavação, na câmara e ao longo do parafuso sem fim.
Figura 2.8 – Esquema típico de uma TBM-EPB e seus componentes (herrenknecht.com).
18 O objetivo deste procedimento é transformar o maciço escavado em um material plástico tipo “pasta”, capaz de:
i. controlar corretamente a pressão na câmara de escavação e ao longo do parafuso sem fim;
ii. reduzir a permeabilidade do terreno e controlar infiltrações de água para dentro da câmara de escavação;
iii. reduzir as forças de atrito e, consequentemente, o desgaste mecânico da tuneladora;
iv. evitar a aglomeração de material nas paredes da câmara e do parafuso sem fim;
v. possibilitar o controle da pressão de suporte durante todo o tempo de escavação e durante eventuais paradas da máquina.
A seleção dos produtos de condicionamento para além das características técnicas deverá atender às questões ambientais. A espuma é um dos produtos mais usados. Ela é criada fazendo passar a solução (água e agente) através de um gerador de espuma, que com a adição de ar comprimido, expande a solução produzindo espuma.
Portanto, a espuma é essencialmente uma estrutura de bolhas de ar envolvidas por uma fina película. As bolhas quando misturadas com o solo substituem a sua fração gasosa, alterando a estrutura e lubrificando o contato entre grãos. Desta forma, a consistência do solo é otimizada e a resistência ao corte (atrito) é reduzida.
Os parâmetros básicos de um acondicionamento com espuma são: a concentração de agente na solução; o FER (Foam Expansion Ratio), que é a razão entre o volume final da espuma e o volume da solução de origem; o FIR (Foam Injection Ratio), que é a percentagem em volume da espuma presente no terreno e depende da porosidade e do teor em água do solo.
O uso de polímeros na espuma é também muito habitual. Entre outras vantagens, os polímeros melhoram a viscosidade do terreno, reduzem os problemas de adesão e melhoram a estabilidade das espumas. A água pode também ser usada como um agente de condicionamento, especialmente em argilas secas, para melhorar a plasticidade do terreno. A bentonita colabora para a diminuição da permeabilidade e melhora a consistência do terreno (CAMPOSINHOS, 2008).
19 2.3.5.Slurry Shield
Na ocorrência de escavações em solo que demandem confinamento para estabilizar o maciço escavado, MOREIRA (2006) observa que ar comprimido, lama bentonítica ou contrapressão de terra podem ser utilizados para este fim. A estabilização feita com slurry (lama bentonítica ou outro componente tixotrópico) é feita em tuneladoras conhecidas como Slurry Shields (Figura 2.9), nas quais o slurry injetado na câmara de escavação se mistura com o material escavado e é conduzido para o exterior da tuneladora, onde ocorre a separação por decantação.
Figura 2.9 – Esquema típico de uma Slurry Shield e seus componentes (herrenknecht.com).
O corte esquemático da Figura 2.9 apresenta a identificação e numeração dos principais componentes de uma tuneladora Slurry Shield esquematizados da seguinte maneira: 1) Roda de Corte; 2) Câmara de Escavação; 3) Câmara Hiperbárica; 4) Linhas para injeção e retirada de Slurry da câmara de escavação; 3) Câmara de ar; 4) Parede confinante; 5) Revestimento e 6) Eretor.
A estabilização feita por contrapressão de terra – técnica conhecida por EPB (Earth Pressure Balance) citada anteriormente– ocorre com a utilização do próprio material escavado, o qual é colocado sob pressão em uma câmara situada logo após a roda de corte (TRAVAGIN, 2012).
MOREIRA (2006) complementa com a observação de que uma válvula associada ao parafuso sem fim que conduz o material escavado para fora da câmara de escavação é o conjunto responsável pela manutenção da pressão necessária.
20 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 componentes para estabilização da frente de escavação. Nestes casos, as maquinas são simplificações das já citadas Slurry Shields e EPB.
De acordo com KRAUSE (1987), o intervalo de aplicação das tuneladoras do tipo Slurry Shield pode ser caracterizado por uma curva de distribuição granulométrica do solo, incluindo predominantemente areias e pedregulhos finos (Figura 2.10). A quantidade de silte de granulação média a grossa não deve exceder 30%. No caso de solos com fração coesiva elevada existe o risco de aderência na roda de corte. Além disso, os solos coesivos aumentam a dificuldade de separação da mistura de solo e Slurry.
Figura 2.10 – Curvas granulométricas para o intervalo de aplicação do Slurry Shield (KRAUSE, 1987).
21 2.3.6. Tuneladora Mista
O tipo misto de tuneladora, exemplificado na Figura 2.11, permite uma mudança do modo operacional durante sua utilização na escavação, em função das condições variadas de terreno e de água subterrânea.
Figura 2.11 – Esquema típico de tuneladora mista (herrenknecht.com).
Este foi o tipo de tuneladora escolhida para escavação da Linha 4 Sul de metrô do Rio de Janeiro, cujos modos operacionais são descritos no item 3.7.1.
Por meio de alterações na máquina, este tipo de TBM permite uma adaptação às condições de solo encontradas nas diferentes seções do túnel.
Os compromissos técnicos e o tempo de conversão de um modo para outro podem levar a uma redução drástica no desempenho da máquina e, portanto, são de muita importância para uma avaliação econômica (WITTKE, 2007).
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