SISTEMA PROTEÇÃO CONTRA QUEDA DE ROCHA EM TALUDE
FERROVIÁRIO – DIAGNÓSTICO, SIMULAÇÕES E DEFINIÇÃO DA
SOLUÇÃO
Felipe GobbiEngenheiro Civil – Geobrugg Felipe.gobbi@geobrugg.com Bruno Denardin da Rosa Engenheiro Civil – FGS Geotecnia
bruno@fgs.eng.br Mariana Poubel
Acadêmica do curso de Engenharia Civil – Universidade Veiga de Almeida marina.poubel@geobrugg.com
Resumo. Para a mitigar os riscos contra de
queda de rochas no Km 153 da ferrovia Linha Centro foi adotada como solução a execução de uma barreira dinâmica com capacidade de absorver impactos de até 2.000 kJ, um dos principais parâmetros de projeto.
Para definir a energia de impacto nesta estrutura foram realizadas centenas de simulações de queda de blocos, utilizando o programa Rockfall Dr. Spang 6.1.
Esta abordagem demanda que sejam definidas as dimensões dos blocos, características topográficas do talude além do material da face do talude, que definem assim a trajetória dos blocos e a energia ao longo da seção de deslocamento.
Tais informações são definidas com base no mapeamento de campo, a posição no talude e a dimensão das massas rochosas com potencial de queda.
Todos estes aspectos são de extrema relevância para o desenvolvimento de um projeto que se adeque a realidade do local, e este artigo se destina apresentar os principais aspectos da inspeção de campo e das simulações de queda de rochas.
Palavras-chave: Mapeamento de campo;
queda de blocos, simulações de queda de blocos.
1. INTRODUÇÃO
A linha ferroviária conhecida como Linha Centro é uma importante via de ligação entre as regiões produtoras no estado de Minas Gerais e os portos de escoamento nos estados do Rio de Janeiro e São Paulo, sendo um dos principais trajetos para o minério de ferro, que corresponde a cerca de 78% do volume de cargas, ANTT (2017).
Por esta razão o número de trens que transita na linha é muito intenso, sendo vital a manutenção da trafegabilidade no trecho, tanto da concessionária responsável pela administração da Linha Centro como para mineradoras, que dependem do meio de transporte para o escoamento de sua produção para mercados internacionais.
Devido às limitações impostas pelo projeto geométrico ao greide das ferrovias, as tolerâncias para as inclinações de rampas e critérios de curvas são extremamente limitadas para possibilitar que as pesadas composições férreas trafeguem com segurança, tendo por consequência a necessidade de grandes escavações e obras de arte para compatibilização do greide de projeto ao terreno natural.
Esta situação é ainda mais crítica no a região do km 153 da Linha Centro, trecho que fica no estado fluminense sobre um terreno de geomorfologia desfavorável, a unidade Depressão Interplanáltica do Médio Vale do Rio Paraíba do Sul, que consiste em uma região com um grande número de colinas, cujas elevações variam entre as cotas de 400-600 metros de altitude, CPRM (2000).
Para a implantação da ferrovia neste local foram necessários grandes cortes na base destas colinas resultando em uma série de talude de corte verticalizados, para redução de volumes e custos, com alturas de poucos metros seguidos pelas grandes encostas naturais, situação do Km 153.
Na Figura 1 é apresentada uma vista aérea do ponto do Km 153. É visualizada linha férrea na base do corte, o talude de corte verticalizado e a encosta natural.
Figura 1: Vista geral do Km 153. Ao longo das operações diversos cortes começaram a apresentar problemas de estabilidade, com a queda de blocos de rocha tanto da face de corte quanto na encosta natural. Por vezes, estas massas em movimento apresentavam grandes dimensões, o que tinha potencial de descarrilar trens em caso de impactos diretos, ou de interromper o tráfego.
Para mitigar possíveis riscos, no ano de 2018 o km 153 foi mapeado, e identificado o risco de queda e blocos da face, tendo sido projetado então o sistema de estabilização para o tratamento.
Devido a limitação do espaço e ao fluxo de trens, não foi possível a montagem de andaimes, e assim as obras deveriam ser executadas com acesso por corda, tendo como ponto de ancoragem a crista do talude. Neste processo as equipes de trabalho ao acessar a região da encosta natural identificaram uma serie de blocos de grandes dimensões no talude não previstas originalmente, dispersos em uma grande área, cerca de 9.100 m2.
Em razão da grande área a ser estabilizada, o sistema de barreira dinâmica foi definido como solução, criando uma linha com 92 metros de extensão para a retenção destas massas, tendo sido previsto uma energia de impacto de até 2.000 kJ.
O modelo aplicado foi uma RXI-200, fabricada pela Geobrugg, e foi a primeira obra nesta ferrovia com esta solução. Mesmo sendo uma novidade no ramo ferroviário, as barreiras dinâmicas contra quedas de rocha já totalizam aproximadamente 15 km em linhas instaladas no país, indo desde obras urbanas para proteção de prédios até obras executadas dentro de PCH para proteção de maquinário, sendo uma solução extremamente versátil. O dimensionamento desta estrutura foi realizado por meio de simulações de queda de rochas utilizando o programa computacional ROCKFALL DR. SPANG 6.1, cujos dados de entrada são as características do talude, definidas em função de inspeção de campo detalhada. Os resultados indicam as trajetórias mais prováveis e energias de impacto ao longo do trajeto do bloco, cuja interpretação leva à definição da posição, altura e classe de energia da barreira.
1.1. Caracterização básica do talude Segundo o mapeamento pedológico da CPRM, no local são encontrados argilossolos, materiais que tem pouca profundidade, Streck (2008)
Quanto a geologia, o mesmo mapeamento indica que o local está sobre rochas graníticas, materiais que são muito densos e resistentes. O talude pode ser seccionado em dois trechos, a região verticalizada na base, com inclinação da ordem de 74º e altura média de 6-8 metros e o trecho da encosta natural, que tem inclinação média entre 45º~50ºe altura aproximada de 70 metros.
O talude se estende por cerca de 130 metros de comprimento, sendo que a face de corte está no limite da ferrovia, ou seja, o recuo é muito limitado.
2. DIAGNÓSTICO DO TALUDE
Após a identificação das massas rochosas na região da encosta natural, as equipes da concessionária deram início a atividades de limpeza e registro fotográfico com o uso de drone, comprovando assim a presença real de blocos rochosos. Uma fotografia que ilustra a região de maior concentração está apresentada abaixo, Figura 2.
Figura 2: Região com concentração de blocos Nesta etapa também foi verificado que a camada de solo local, conforme o mapa
pedológico, era de fato muito delgada, condição crítica, pois facilmente pode ser erodida e desconfinar os blocos, ativando a sua movimentação.
Com estas informações preliminares foi possível confirmar o diagnóstico da instabilidade provável para a região da encosta natural: Queda de blocos de rocha e estabelecer o conceito de solução de barreira dinâmica.
A próxima etapa necessária para o diagnóstico foi determinar a dimensão destes blocos, o que demandou o acesso por corda ao talude, visto que por razões de segurança e a forte inclinação não é possível caminhar livremente sobre a face.
Esta inspeção teve por objetivo mapear a posição dos blocos no talude e as dimensões das massas rochosas encontradas. A posição é fundamental para determinar possíveis trajetórias e posições de instalação da linha de barreira, enquanto que as dimensões afetam diretamente a energia de impacto.
Em posse das fotografias a área foi delimitada, e as posições de descida definidas, sendo estas apresentadas na Figura 3.
Figura 3: Região demarcada para inspeção Ao longo do trajeto de descida, os blocos tiveram suas dimensões médias registradas, sendo que com exceção de um ninho de blocos o volume médio das massas instáveis era da ordem de 2,30 m3, fotografias da Figura 4.
Figura 4: Dimensões característica dos blocos Conforme supracitado, foi identificado um ninho isolado de blocos com volume total da ordem de 7,0 m3. Mesmo que tendo uma baixa probabilidade de movimentação, o risco associado aos blocos é muito alto devido à grande energia potencial gravitacional dos mesmos, apresentados na Figura 5.
Figura 5: Blocos de grandes dimensões isolados
Esta inspeção de campo também revelou que massas rochosas estavam presentes deste a crista da encosta natural até a região do ponto
de inflexão do corte verticalizado na base, confirmando também a hipótese de grande dispersão dos blocos.
Por fim o último ponto a ser esclarecido na visita foi a trajetória mais provável, que pode ser facilmente identificada com inspeção visual da direção da declividade do talude, e é confirmada com os dados topográficos da região, informação utilizada para definir abrangência necessária para a linha de barreira.
3. SIMULAÇÕES DE QUEDA DE ROCHAS
3.1. Conceitos básicos
O dimensionamento das soluções com barreiras dinâmicas exige que seja definida a energia de impacto no sistema, e assim escolhendo o sistema que atende a condição de projeto.
Neste caso em particular as simulações foram realizadas com o programa Rockfall Dr. Spang 6.1, entretanto outras alternativas estão disponíveis na atualidade.
Este método de cálculo foi desenvolvido para simular de maneira probabilística a trajetória dos blocos de rocha que se deslocam ao longo de uma seção bidimensional, Tavares (2015). Como dados de entrada para a simulação é necessário ter a definição sobre a massa dos blocos de rocha, seção de queda, características da superfície. Silveira (2017) Os blocos de rocha em queda são considerados no cálculo como pontos infinitesimais, sendo a massa dos blocos. Junto com a dimensão, a posição relativa dos blocos no talude também é fundamental, e ambas são informações definidas com base na inspeção de campo, detalhada no item anterior.
A seção bidimensional de análise é definida com base nos dados topográficos, gerando seções transversais nos locais onde existe a possibilidade de queda de blocos, situação também definida na inspeção de campo.
O último parâmetro de entrada no modelo de cálculo é a característica da face do talude, expressa por meio de coeficientes de restituição e rugosidade do terreno, parâmetros que definem o comportamento do bloco após o contato com o talude, por exemplo faces rochosas lisas tendem a absorver uma pequena parcela da energia do bloco, enquanto que faces cobertas por vegetação absorvem parcelas maiores, freando o bloco.
Para cada trecho da seção de análise pode ser definido um parâmetro de superfície, sendo que este procedimento tenta reproduzir no modelo de cálculo a condição real de maneira mais próxima possível, refinando os resultados.
3.2. Parâmetros de projeto
Baseado no mapeamento de campo foram definidos dois blocos característicos – blocos de 2,30 m³ e blocos de 7,0 m³. Levando em consideração um peso específico de rocha de 2,7 kN/m³, a faixa de variação de massa foi de 6,2 até 19 toneladas.
Levando em conta a posição dos blocos na encosta e a topografia do talude foram definidas 4 seções características para a análise de blocos em queda neste talude, apresentadas na Figura 6.
Figura 6: Seções de cálculo consideradas no desenvolvimento do projeto
Como no talude a camada de solo é muito delgada e apresenta inúmeros pontos de falhas, buscando a segurança do projeto foi definida como superfície do terreno uma face rochosa lisa, situação onde as energias de impacto tendem a ser maiores.
3.3. Análises e resultados
Conforme supracitado, o método de análise considerada uma análise probabilística, o que exige a simulação de um número representativo de blocos. Para cada seção e dimensão de bloco foram realizadas 500 simulações, totalizando assim um número de 4.000 blocos em queda.
No primeiro momento as análises são executadas que a barreira dinâmica seja incluída no modelo de cálculo, para avaliar a trajetória livre dos blocos, e definir a região de alcance, energia e altura ao longo do trajeto, apresentadas na Figura 7.
Figura 7: Resultado das análises para seção S4 e S05 – Perfil, energia e altura.
S4
S12
S05-2
Como pode ser observado nos gráficos acima após os impactos contra a face do talude, a energia do bloco é reduzida, tendo um degrau nas curvas de energia.
Os resultados também mostram os níveis de energia para cada dimensão de bloco considerada no cálculo. Para os blocos de 2,30 m³ de volume, grande maioria das massas encontradas, a energia de impacto assume valores máximos um pouco acima 2.000 kJ, e a altura dos blocos assume valores significativos, no ponto além da face verticalizada dos blocos.
Analisando os gráficos de resultados é indicado que a posição seja instalada acima do ponto de inflexão, onde as energias e altura do sistema são inferiores, resultando em uma solução otimizada.
Já quando são considerados os dois blocos isolados de grandes dimensões, encontrados próximos da seção S05, os níveis de energia chegam a níveis de até 6.000 kJ, com altura de cerca de 3,00 metros, sendo indicado o gráfico da simulação abaixo.
Figura 8: Simulação para bloco de 7 m³
Dada a uniformidade do talude em questão, tanto em quesitos geométricos como em na distribuição dos blocos, a análise levando em conta apenas as 4 seções de análise foi suficiente para caracterização do talude. O número de seções de análise e faixa de blocos é função direta de cada local, quanto mais variável o talude mais seções são necessárias, para definir o comportamento esperado nos eventos de queda de rocha. 4. SOLUÇÃO DE PROTEÇÃO ADOTADA
Para a proteção das composições férreas que transitam na Linha Centro, a solução aplicada para interceptar os blocos foi uma barreira dinâmica com capacidade de reter impactos de até 2.000 kJ, ou seja, o bloco máximo de projeto foi o de 2,30 m³. O modelo definido em projeto foi o modelo da fabricante GEOBRUGG RXI-200 com 4 metros de altura.
A posição final da barreira no terreno foi definida para cada uma das seções transversais de análises e interligando os pontos em planta baixa, resultando em uma linha de 92 metros de comprimento, prevendo o ponto onde a energia fosse inferior aos 2.000 kJ.
Assim, as análises foram realizadas novamente, agora incluindo na simulação a posição da barreira, com a altura do sistema, a fim de verificar se a solução tem capacidade de retenção dos blocos simulados com a dimensão de projeto. Na Figura 11 são apresentados os resultados das simulações com o sistema de barreira no modelo de cálculo.
Figura 9: Simulação de queda de rocha com a barreira na posição definida para energia do
sistema.
No gráfico agora é possível observar a interrupção do gráfico de energia cinética, condição que representa o ponto de instalação da barreira, onde a energia máxima do impacto é de 1.600 kJ, magnitude que definiu o projeto da estrutura.
O trecho de início e de término da barreira foi determinado com base na posição dos blocos e na trajetória, contemplando toda a área provável, garantindo que nenhum bloco ultrapasse a barreira.
Figura 10: Barreira Finalizada e detalhe do sistema de barreira
Em razão da presença de maneira isolada de blocos com até 7.00 m³, a utilização de uma barreira dinâmica com capacidade para retenção destes seria uma solução de custo mais elevado, portanto foi elaborada uma solução de tratamento individualizado destes blocos, com a solução de rocha grampeada e faceamento em tela metálica de alta resistência.
Logo a movimentação destes blocos foi totalmente impedida, garantindo assim que no talude os blocos com potencial de instabilização estão contidos no limite de dimensão do bloco de projeto, promovendo uma grande economia para a implantação da solução.
Figura 11: Estabilização com tela dos grandes blocos
5. CONCLUSÕES
A utilização de sistemas de barreiras dinâmicas como sistema de proteção em taludes naturais é uma alternativa já difundida no cenário nacional e que se torna muito atraente quando as áreas classificadas como zonas fonte são muito abrangentes, permitindo a mitigação dos riscos com uma solução linear e concentrada no talude.
O dimensionamento e projeto destas soluções depende da análise de queda de blocos de rocha, que atualmente ainda são realizados por meio de análises bidimensionais.
A qualidade do projeto e os custos de implantação estão intimamente ligados à inspeção de campo realizada na fase de desenvolvimento, pois o correto diagnóstico e identificação das instabilidades e a sua magnitude permite desenvolver soluções específicas para as instabilidades mapeadas, e assim oferecer uma redução significativa de custos na obra final.
Agradecimentos
A realização deste trabalho foi possível graças as equipes de administração da concessionária que viabilizaram a execução do projeto e da obra, tanto tecnicamente quanto
financeiramente. Os dados informações de projetos foram cordialmente cedidos pela FGS, que em conjunto com a Geobrugg disponibilizou o corpo técnico para elaboração dos projetos e instalação do sistema em campo.
2. REFERÊNCIAS
CPRM (2006). Mapa Geológico do Rio de Janeiro. Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais, Ministério de Minas e Energia, Brasil. FGS – Relatório de Projeto Executivo – Linha Centro – Km 153 – 2018
MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES– Anuário estatístico de transportes 2010-2016. SILVEIRA, L. R. C. Avaliação do perido de queda de blocos de rocha em taludes urbanos e ferroviários e simulação de sua trajetória. Dissertação de Mestrado, UFOP, Ouro Preto, p.169, 2017.
STRECK, E. V.; KAMPF, N.; DALMOLIN, R.S.D.; KLAMT, E.; NASCIMENTO, P. C.; SCHNEIDER, P.; GIASSON, E.; PINTO, L.F.S.
Livro texto. Solos do Rio Grande do Sul, 2ed,
Porto Alegre, Embrapa, p. 222 2008.
TAVARES, L. M. M. S. C. Análise paramétrica no estudo de queda de blcos de rocha em enconstas rochosas. Dissertação de Mestrado, FEUP, Porto, p.110, 2015
