TUNELADORA DO TIPO EBP

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31 determinado da pressão de terra, PR é o valor medido da pressão de terra; v é a velocidade de avanço da tuneladora, v+ vale v + 1 cm/min, v- vale v - 1 cm/min, vmin é o limite mínimo da velocidade de avanço da tuneladora, enquanto que vmax é o limite máximo a mesma.

Figura 3.4 - Balanço de pressões em uma tuneladora EPB (Engenharia Civil, 2013).

Figura 3.5 - Diagrama de controle de pressão na face de escavação (Maidl et al. 2012).

Na Figura 3.6 apresenta-se a configuração dos elementos construtivos de uma tuneladora. Ela é dividida em três partes: a frontal, a do meio e a traseira. É na parte frontal

32 que são realizadas a escavação do maciço e a manutenção do equilíbrio da face de escavação.

Já a parte do meio contém os macacos hidráulicos, que impulsionam a máquina contra o maciço, garantindo assim o movimento da mesma. Por fim, é na parte traseira que o sistema de suporte é instalado.

Figura 3.6 - Elementos construtivos de uma tuneladora (Maidl et al., 2012).

Para realizar o dimensionamento do escudo da tuneladora, deve-se levar em consideração todas as pressões atuantes. Dentre essas pressões externas estão as radiais (pressão exercida pelo maciço, pela água e pelas forças de reação ao movimento) e as axiais (pressão de suporte na escavação, dos equipamentos na face de escavação e dos macacos hidráulicos). Além disso, também devem ser considerados o peso próprio, o atrito de face, as forças de reação geradas quando o eretor está instalando o sistema de suporte, entre outros.

Durante o cálculo, é feita a hipótese simplificadora de que o maciço é um sistema de molas onde o escudo está apoiado, de forma a viabilizar os cálculos e o entendimento do sistema. A seção crítica que irá definir o dimensionamento é determinada pela magnitude dos

33 carregamentos gerados pela pressão de terra e de água, pela diferença entre os carregamentos verticais e horizontais e pelo coeficiente de recalque aplicado na seção. Na Figura 3.7 mostra-se como a distribuição dos carregamentos é considerada. Nessa figura ds é o diâmetro do escudo, h é a profundidade do topo do escudo, hw é o nível d'água acima do topo do escudo, k0 é o coeficiente de empuxo em repouso do maciço, pBeb é o carregamento devido a estruturas na superfície, pv é a pressão de terra vertical, pVerk é o carregamento imposto, pw é a pressão da água, γ é a densidade do maciço e γw é a densidade da água.

Figura 3.7 - Distribuição dos carregamentos devido a pressão de terra e de água (Maidl et al., 2012).

34 Quando foi criada, a tuneladora do tipo EPB era utilizada apenas em solos com baixa permeabilidade (argilas e siltes), uma vez que a entrada de água livre no sistema prejudica a manutenção do equilíbrio de pressões totais na face de escavação. Contudo, com o avanço da tecnologia, foram desenvolvidos produtos químicos que podem ser adicionados ao solo para torná-lo impermeável. Isso aumentou a flexibilidade da utilização da EPB, permitindo que ela seja empregada em areias e terrenos mais permeáveis.

O ciclo de escavação de uma tuneladora EPB é dividido em duas etapas: a da escavação em si e a da instalação do sistema de suporte. Na primeira, macacos hidráulicos empurram a tuneladora contra o maciço, ao mesmo tempo em que a cabeça cortante é rotacionada. Dessa forma, o material da face do túnel é escavado e parte dele é utilizada para equilibrar as pressões totais, como explicado anteriormente. O excedente é transportado pela rosca sem fim para esteiras localizadas na parte traseira da máquina, para depois ser recolhido e transportado para fora do túnel.

Esse tipo de tuneladora também tem a capacidade de escavar rochas mais brandas. Para isso, basta que sejam instalados na cabeça cortante alguns discos específicos, com dureza suficiente para realizar o corte desse tipo de material. Os discos cortantes, tanto de solo como de rocha, devem ser trocados de tempos em tempos, dependendo da geologia local. Sensores são colocados em alguns desses discos e são acionados quando o desgaste máximo permitido é atingido. Para que a troca seja realizada, é necessário esvaziar parcialmente a câmara de escavação e pressurizá-la com ar comprimido, para que o equilíbrio seja mantido. Dessa maneira os técnicos são capazes de alcançar a cabeça cortante e substituir a peça.

Quando os macacos tiverem atingido o seu máximo alongamento, a cabeça rodante e a rosca sem fim param e inicia-se o processo de instalação do sistema de suporte. No caso das tuneladoras, esse sistema é formado por anéis fechados, compostos por vários painéis de concreto pré-fabricado ou de aço. As peças são colocadas no seu devido lugar por uma máquina eretora, que as movimenta graças a um aparelho à vácuo. O sistema só obtém capacidade de sustentação quando a última peça é instalada, fechando o anel. Também é necessário realizar a injeção de algum produto, geralmente nata de cimento, entre o anel e o maciço, para garantir que haja um perfeito contato entre eles. Após a finalização da colocação do sistema de suporte, os macacos hidráulicos se apoiam no anel recém instalado e o ciclo de escavação recomeça (Engenharia Civil, 2013). Esse processo está ilustrado na Figura 3.8.

35 (a)

(b)

(c)

Figura 3.8 - Sequência da instalação do sistema de suporte: (a) os macacos hidráulicos atingem o máximo alongamento; (b) o eretor posiciona uma das peças do anel no seu devido

lugar; (c) os macacos agora se apoiam no novo anel instalado para recomeçar o ciclo de escavação. (Engenharia Civil, 2013).

36 Para se calcular o impulso necessário que deve ser aplicado pelos macacos hidráulicos, é necessário fazer o levantamento de todas as forças existentes no sistema que são contrárias ao movimento. Primeiramente, tem-se a força de atrito aplicada ao longo de toda a área de contrato entre o escudo e o maciço. Para determinar o seu valor, precisa-se primeiro saber qual o coeficiente de atrito µ entre o escudo e o maciço. Para argilas, o valor típico para esse coeficiente é 0,2 (Maidl et al., 2012). Dessa maneira, a força de atrito aplicada no escudo WM

é calculada por:

!_! = !∗ 2!∗!∗!∗(!_!+!_!)∗0,5+!_! (3.1) Onde:

WM é força de atrito aplicada no escudo (kN);

µ é o coeficiente de atrito entre o escudo e o maciço;

r é o raio do escudo (m);

l é o comprimento do escudo (m);

pv é a pressão de terra vertical (kPa);

ph é a pressão horizontal (kPa);

Gs é o peso próprio do escudo (kN).

Há também a força de resistência aplicada nas lâminas da cabeça cortante WSch. Ela depende da resistência de pico pSch de cada tipo de solo. Para argilas, esse valor pode variar de 400 a 1000 kPa (Maidl et al., 2012). Assim, essa força é calculada por:

!_!"! =2!∗!∗!_!"!∗! (3.2)

Onde

WSch é a força de resistência aplicada nas lâminas da cabeça de corte (kN);

r é o raio do escudo (m);

pSch é a resistência de pico do maciço (kPa);

t é a espessura da lâmina (m).

Além disso, existe a força de resistência devido à pressão de terra e de água na face WST, que é calculada como a integral da pressão de suporte pela área da face, mostrada na Figura 3.9 e representada por:

!_!" = !_!∗(!!" !"#"+!!" !"#$)∗0,5 (3.3)

37 Onde:

WST é a força de resistência devido à pressão de terra e de água na face;

A0 é a área da face de escavação;

PST base é a pressão de suporte na base do escudo;

PST topo é a pressão de suporte no topo do escudo.

Figura 3.9 - Cálculo da força de resistência devido à pressão de suporte na face (Maidl et al., 2012).

Assim, a força de impulso gerada pelos macacos hidráulicos PV deve ser a soma de todas as resistências apresentadas anteriormente, adicionando também um fator de segurança para levar em conta algumas forças que não podem ser calculadas com exatidão, como o aumento da resistência nas lâminas quando um obstáculo é atingido ou o aumento do atrito quando se realizam curvas (Maidl et al., 2012). Logo, essa força de impulso pode ser calculada por:

!_! = !+!"#$% !" !"#$%&'ç! (3.4) Onde:

PV é a força de impulso gerada pelos macacos hidráulicos;

W é qualquer resistência ao movimento da tuneladora.

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